Руководство на кристаллизатор

В данных рекомендациях по применению описаны: сложный процесс кристаллизации с целью получения активного ингредиента (соединение A) и оптимизация процесса кристаллизации с помощью контура автоматического управления с обратной связью. Для исследуемого процесса кристаллизации могут использоваться исходные материалы с различными профилями примесей, и в нем возможно образование неразмешиваемой суспензии. В такой ситуации необходимо останавливать кристаллизатор и извлекать полученное вещество вручную. Затраты, связанные с остановкой и последующей процедурой очистки, могут превышать 50 000 евро на партию. С целью устранения данной проблемы была разработана стратегия самозатравки и улучшения качества кристаллов in situ с помощью температурных циклов. Чтобы предотвратить полное растворение зародышей кристаллов в сложных условиях, используется контур управления с обратной связью. Этот метод позволяет работать при непостоянных концентрациях примесей и температурах растворимости соединений. Исследование стратегии самозатравки в уменьшенном масштабе доказывает управляемость вторичного зародышеобразования и рост необходимых кристаллов. При этом повышается работоспособность и уменьшаются затраты при производстве соединения A.

Содержание
1. Введение
2. Исследование сложного процесса кристаллизации
3. Разработка стратегии самозатравки при непостоянстве примесей
4. Автоматическое управление с обратной связью для оптимизации
    работы при неизвестных концентрациях примесей
5. Заключение
6. Приложение

Типовая работа — Кристаллизаторы. Расчет кристаллизатора — файл n1.doc

приобрести
Типовая работа — Кристаллизаторы. Расчет кристаллизатора
скачать (430.5 kb.)
Доступные файлы (1):

Смотрите также:
• Типовая технологическая карта (Документ)
• Курсовая работа — Расчет и конструирование элементов рабочей площадки. Балочная клетка. Чертеж А1 (Курсовая)
• Практическая работа №2 Расчет водопотребления и Участок (зона) ежедневного обслуживания (ЕО) автомобилей 4 Моторное отделение 5 (Документ)
• Практическая работа №1. Организация как основное звено экономики организационно-правовые формы предприятия Практическая работа №2 10 (Документ)
• Типовая технологическая карта (ттк) производство работ в охранной зоне воздушных линий электропередач (Документ)
• Аузяк А.Г. Информационное обеспечение систем управления. Лекция 1 (Документ)
• Дипломная работа — Технико-экономический расчет четырехвалкового каландра (Дипломная работа)
• Практическая работа — Расчет высоты дымовой трубы (Лабораторная работа)
• Курсовая работа — Расчет воздуховодов (Курсовая)
• Расчетно-графическая работа по спецкурсу ЖБК (Расчетно-графическая работа)
• Курсовая работа — расчет календарно-плановых нормотивов(ОНПЛ) (Курсовая)
• Курсовая работа Расчет тепло утилизационной установки (Документ)

n1.doc

Министерство Образования и Науки РК
Актюбинский Государственный Университет имени К. Жубанова

ФАКУЛЬТЕТ: ТФ

КАФЕДРА: Химическая технология
Типовая работа

На тему: «Кристаллизаторы. Расчет кристаллизатора»

Актобе 2010

Содержание

Введение……………………………………………………………………………3

1. Общие сведения. Методы кристаллизации…………………………………5
2. Аппараты для изогидрической кристаллизации………………………….11

2.1. Кристаллизаторы периодического действия…………………………11

2.2. Механические кристаллизаторы непрерывного действия…………..17

1. Сравнение кристаллизаторов периодического действия с кристалли-заторами непрерывного действия…………………………………………….23
2. Расчет кристаллизатора…………………………………………………….28

Список литературы………………………………………………………………

Введение

В химической промышленности, цветной металлур­гии и многих других отраслях народного хозяй­ства кристаллизация является широко распро­страненным методом выделения компонентов из рас­творов. В силу специфических особенностей раствори­мости отдельных веществ и различия их концентраций в исходных растворах всегда можно подобрать такие условия кристаллизации, при которых получается чи­стый продукт, а нежелательные примеси остаются в ма­точном растворе. Кристаллизация применяется при производстве солей и ряда других веществ, а также для получения твердых веществ в чистом виде путем их перекри­сталлизации (растворение с последующей кристаллизацией).

Особенно большое значение процесс кристаллизации имеет в технологии минеральных солей и удобрений, где часто он определяет качество готового продукта.

В зависимости от последующего применения кри­сталлических продуктов к ним предъявляются различ­ные требования. Так, при производстве минеральных удобрений важна не столько химическая чистота полу­чаемых веществ, сколько выделение крупнокристалличе­ского и однородного по размеру зерен продукта. Такой продукт более удобен для внесения в почву, меньше сле­живается при хранении на складах; его транспортиро­вание и перегрузка связаны с минимальными потерями. При получении взрывчатых веществ и пиротехнических составов, наоборот, требуется мелкокристаллический про­дукт. В производстве химических реактивов, в химико-фар­мацевтической и кинофотопромышленности, в гальвано­технике, а также в некоторых других отраслях промыш­ленности необходимо получение веществ высокой чистоты.

В промышленности используются кристаллизаторы, различающиеся как по методу создания пересыщения, так и по способу работы. Если вопрос о качестве про­дукта в каждом конкретном случае может быть решен однозначно, то выбор конструкции аппарата, предназна­ченного для получения такого продукта, представляет собой более сложную задачу.

Тема типовой работы – кристаллизаторы. Цель работы – ознакомление с конструкциями и принципом действия аппаратов для кристаллизации; выбор кристаллизатора, подходящего в производстве хлористого натрия; проведение общей сравнительной характеристики кристаллизаторов, а также проведение расчета кристаллизаторов.

1. Общие сведения. Методы кристаллизации

Кристаллизация представляет собой процесс выделения твердого растворенного вещества из его раствора (кристаллиза­ция из раствора) или процесс выделения твердой фазы при за­твердевании веществ, находящихся в расплавленном состоянии (кристаллизация из расплава). Кристаллизация применяется при производстве солей и ряда других веществ, а также для получения твердых веществ в чистом виде путем их перекри­сталлизации (растворение с последующей кристаллизацией).

Кристаллизация из растворов основана на ограниченной рас­творимости твердых веществ. Раствор, содержащий максималь­ное количество растворенного вещества в данном количестве растворителя при определенной температуре, называется насы­щенным; если раствор содержит большее количество раство­ренного вещества, то он является пересыщенным; если же он содержит меньшее количество растворенного вещества, то на­зывается ненасыщенным. Пересыщенные растворы неустойчивы: из них выделяется избыточное количество растворенного веще­ства, т. е. происходит процесс кристаллизации. После выделе­ния кристаллов раствор становится насыщенным. Этот насы­щенный раствор, полученный в результате выделения кристал­лов, называется маточным раствором, или маточником. Отделе­ние маточного раствора от кристаллов производится центрифу­гированием и другими методами, рассмотренными в главе 8. Ненасыщенные растворы сами по себе устойчивы, но при добавлении в такой раствор твердого вещества оно будет рас­творяться до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Твердое вещество находится в равновесии с насыщенным рас­твором.

Растворимость равна концентрации насыщенного раствора и зависит от температуры, а также от свойств растворяемого вещества и растворителя. Для большинства твердых веществ растворимость с повышением температуры возрастает, но для некоторых веществ она с повышением температуры уменьшается или имеет при определенной температуре максимальное значе­ние. Процесс кристаллизации состоит из двух стадии — образо­вания зародышей кристаллов и роста кристаллов. Образование зародышей может происходить путем самопро­извольной кристаллизации. При этом оба процесса (образова­ние зародышей и рост кристаллов) протекают одновременно. Если скорость образования зародышей больше скорости их ро­ста, получается большое количество мелких кристаллов. Если же скорость роста больше скорости образования зародышей, получается меньшее количество крупных кристаллов. Изменяя факторы, влияющие на скорость образования зародышей и ско­рость их роста, можно регулировать размеры кристаллов. Бы­строе охлаждение, перемешивание раствора, высокая темпера­тура и низкий молекулярный вес кристаллов способствуют обра­зованию зародышей и получению мелких кристаллов. Наоборот, медленное охлаждение, неподвижность раствора, низкая темпе­ратура и высокий молекулярный вес способствуют процессу ро­ста и получению крупных кристаллов.

Кристаллизация может быть ускорена внесением затравки – мелких частиц кристаллизующегося вещества, которые и явля­ются зародышами кристаллов. В этом случае кристаллизация происходит в основном за счет роста внесенных в раствор затра­вочных кристаллов. Для получения крупных кристаллов число затравочных кристаллов должно быть невелико.

Размеры кристаллов имеют значение для последующей их обработки. Крупные кристаллы легче высушиваются, отстаива­ются, отфильтровываются, промываются и удерживают меньше влаги при фильтровании и промывке. Мелкие кристаллы легче растворяются и обычно чище, чем крупные, так как последние часто содержат маточник с находящимися в нем примесями. Во избежание слеживания следует получать либо крупные кри­сталлы, либо мелкие кристаллы одинакового размера. Мелкие кристаллы разной величины, особенно кристаллическая пыль, способствуют слеживанию продукта.

Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать пересыщение. По способам его создания различают два основных метода кристаллизации:

1. охлаждение горячих насыщенных растворов (изогидрическая кристаллизация);
2. удаление части растворителя путем выпаривания (изотермическая кристаллизация).

Изогидрическая кристаллизация. Как уже отмечалось, растворимость большинства веществ уменьшается с понижением температуры. Поэтому при охлаждении горячих растворов возникает пересыщение, обусловливающее выделение кристаллов. Этот метод получил название изогидрической кристаллизации, поскольку при его осуществлении количество растворителя (например, воды) остается постоянным.

Изотермическая кристаллизация. Испарение части растворителя применяют для кристаллизации веществ, растворимость которых увеличивается или незначительно уменьшается с понижением температуры; т.к. выпаривание насыщенного раствора происходит при постоянной температуре его кипения, поэтому этот метод получил название изотермической кристаллизации.

Выбор того или иного метода кристаллизации зависит, в первую очередь, от характера изменения растворимости вещества при различной температуре. Для солей, растворимость которых резко уменьшается с понижением температуры, целесообразной является изогидрическая кристаллизация. В этом случае даже при сравнительно небольшом охлаждении раствора из него будет выделяться значительное количество соли. Именно изогидрической кристаллизацией получают большинство солей с резко выраженной прямой растворимостью ( NaNO₃, K₂Cr₂O₇, NH₄Cl, CuSO₄*5H₂O и др.).

В тех случаях, когда растворимость соли почти не меняется при изменении температуры, кристаллизация охлаждением становится неэффективной, и применяется изотермическая кристаллизация.

Кристаллизация высаливанием. При добавлении к раствору вещества, понижающего раство­римость выделяемой соли, можно вызвать пересыщение рас­твора и кристаллизацию. Подобный метод кристаллизации полу­чил название высаливания.

Вещества, добавляемые в раствор, обычно имеют одинаковый ион с кристаллизуемой солью. Характерными примерами про­цессов высаливания являются: кристаллизация железного ку­пороса из травильных растворов при добавлении в них кон­центрированной серной кислоты; высаливание NаС1 из рассо­лов за счет введения в них хлористого магния или хлористого кальция; получение безводного сульфата натрия добавлением к его растворам NаС1; высаливание попаренной солью хло­ристого бария из гидросульфидных щелоков и др.

Высаливающее вещество лучше вводить в раствор в виде на­сыщенного раствора, так как при добавлении твердого высаливателя на нем может осаждаться кристаллизующаяся соль, что вы­зовет замедление или даже прекращение растворения осадителя.

В некоторых случаях для выделения соли к раствору добав­ляют вещества, понижающие растворимость кристаллизуемой соли. Так, для высаливания сульфата натрия из водного рас­твора можно использовать аммиак, метиловый или этиловый спирты и др. Аналогично кристаллизуют железный купо­рос из травильных растворов при добавлении ацетона.

Введение органических растворителей в водные растворы не­органических солей увеличивает эффективность процесса кри­сталлизации, обеспечивая высокую степень извлечения соли из раствора и возможность получения продукта в чистом виде. Недостатком этого способа является сравнительно высокая стои­мость органических растворителей, регенерация которых тре­бует проведения дополнительных операций (например, ректифи­кации и дистилляции) и связана с некоторой потерей реагента. В органической технологии для кристаллизации из органиче­ских растворителей в качестве высаливающей добавки часто используется вода, резко снижающая растворимость кристал­лизуемых веществ.

Кристаллизация вымораживанием. В некоторых случаях кристалли-зацию проводят охлажде­нием растворов до температур ниже 0°С. Такой метод кристаллизации, называемый вымораживанием, используется преимущественно для выделения отдельных ком­понентов из естественных рассолов — рапы соляных озер и морских заливов. Иногда способ вымораживания используется для концентри­рования растворов путем частичного удаления из них раство­рителя в виде льда. В этом случае кристаллизуется не соль, а растворитель — вода. Концентрируя морскую воду вымо­раживанием льда, получают 8%-ный рассол (по соли), кото­рый в дальнейшем используется для получения хлористого нат­рия.

Кристаллизация в результате химической реакции. Выделение кристаллической фазы из раствора можно осу­ществить за счет пересыщения, возникающего в результате хи­мических реакций. Такой химический метод кристаллизации ис­пользуется в аналитической практике, а также в ряде химических производств.

Все перечисленные методы кристаллизации могут быть, осуществлены как в периодическом, так и в непрерывном процессе. Непрерывная кристаллизация чаще приме­няется при производительности по раствору более 20 м3/ч. Однако она становится экономически выгодной уже при производстве 1000 кг кристаллического продукта в сутки, причем ее выгодность возрастает пропорциональ­но увеличению масштабов производства.

В зависимости от способа перемешивания кристаллизационные процессы можно подразделить на кристаллизацию в спокойном состоянии, с умеренным перемешива­нием (якорная или шнековая мешалка), с интенсивным перемешиванием (пропеллерная мешалка с диффузором), с принудительной циркуляцией маточного раствора или суспензии, барботажную кристаллизацию с воздушным перемешиванием или с перемешиванием каким-либо другим газом, кристаллизацию разбрызгиванием.

Общеизвестно, что при кристаллизации в спокойном состоянии образуются крупные кристаллы, которые, одна­ко, не бывают правильными и содержат значительное ко­личество маточного раствора. Крупнозернистый продукт получают также в классифицирующих кристаллизаторах с принудительной циркуляцией маточного раствора и в некоторых конструкциях кристаллизаторов с циркуля­цией суспензии. Довольно крупные кристаллы получают и в механических кристаллизаторах. При кристаллиза­ции же разбрызгиванием образуется очень мелкий поро­шкообразный продукт.

При барботажной кристаллизации гранулометриче­ский состав выделяемого продукта может быть различ­ным в зависимости от конкретных условий ведении про­цесса. Для описания кристаллизаторов, чаще всего при­меняющихся в химической промышленности, удобно вос­пользоваться их классификацией в зависимости от способа создания пересыщения в растворе. Это позволяет не только рассмотреть конструкции кристаллизаторов, но и проследить пути их усовершенствования.

2.Аппараты для изогидрической кристаллизации.

Растворимость большинства солей уменьшается с понижением температуры. Именно поэтому наи­большее распространение получила изогидрическая кристаллизация, т. е. выделение кристаллов при охлаждении горячих насыщенных растворов. В кри­сталлизаторах этого типа в результате испарения части растворителя может создаваться также дополнительное пересыщение.

Количество испаряющегося растворителя зависит от конструкции кристаллизатора и режима его работы. В одних случаях оно очень мало и его можно не учиты­вать (например, в барабанных кристаллизаторах с водя­ным охлаждением), в других случаях оно уже значи­тельно (например, в качающихся кристаллизаторах) и может быть очень существенным (например, в башен­ных кристаллизаторах). Оно особенно велико в вакуум-кристаллизаторах, в связи с чем, они иногда рассматриваются как особый тип аппаратов.

Аппараты для изогидрической кристаллизации мож­но подразделить на кристаллизаторы периодического действия, кристаллизаторы непрерывного действия и ва­куум-кристаллизаторы.

Выбор той или иной конструкции зависит от многих факторов: общей технологической схемы производства, физико-химических свойств раствора, требуемой произ­водительности и др. Поэтому ни об одной из рассмат­риваемых ниже конструкций нельзя говорить как об универсальной, поскольку у каждой из них свои преиму­щества и свои недостатки и каждая из них имеет свою область применения.

2.1. Кристаллизаторы периодического действия

Эти аппараты имеют сравнительно небольшую произ­водительность (от нескольких килограммов до несколь­ких десятков килограммов в час) и используются обыч­но в мелкомасштабных производствах или там, где процесс кристаллизации осуществляется от случая к слу­чаю. Они хорошо вписываются в технологическую схему, включающую в себя аппараты периодического действия.

Стационарный кристаллизатор. Стационарный кристаллизатор, называемый так, поскольку раствор в нем не перемешивается, является устаревшим и крайне редко встречающимся аппаратом. Он представляет со­бой прямоугольный, иногда суженный книзу сосуд объемом от десятков и сотен литров до 5—10 л*³. В этот сосуд заливается горячий, еще ненасыщенный раствор (чтобы предупредить его кристаллизацию в трубопроводах), который затем охлаждается вследствие естественной теплоотдачи в окружающую среду – воздух, а также за счет частичного испарения растворителя с поверхности. После охлаждения раствора до 25—ЗО’С маточ­ный раствор сливают, а выпавшие кристаллы собирают и выгру­жают вручную совками или лопатами.

Полученный продукт делится на два сорта. На вертикаль­ных стенках вырастают более чистые кристаллы по сравнению с «донными», которые захватывают механические примеси, вы­падающие из раствора на дно ящика. Чтобы получить большее количество сравнительно чистого продукта, а также облегчить его выгрузку, в кристаллизатор сверху подвешивают металличе­ские стержни или ленты, па которых осаждается такой же чи­стый продукт, что и на вертикальных стенках.

Поскольку в стационарных кристаллизаторах раствор не перемешивается и охлаждается медленно, скорость образования центров кристаллизации невелика и возникающее пересыщение расходуется на рост сравнительно небольшого количества пер­воначально образованных зародышей. В результате получают продукт, состоящий из очень крупных кристаллов (до 3—5 см в поперечном сечении), прочно сросшихся между собой в друзы. Предварительный слив маточного раствора из аппарата и боль­шой размер кристаллов делают в большинстве случаев ненуж­ной фильтрацию, ^и продукт после промывания водой направ­ляется в сушилку.

Стационарные кристаллизаторы обладают рядом существен­ных недостатков. Скорость кристаллизации в них чрезвычайно мала—для охлаждения раствора часто требуется несколько суток, что обусловлено малой величиной коэффициента тепло­отдачи к воздуху и образованием на стенках аппарата толстых наростов соли. Исключительно тяжелой операцией является вы­грузка кристаллов, производимая вручную. Кристаллы настолько прочно пристают к стенкам кристаллизатора, что для их уда­ления приходится применять молоток и зубило, а для больших аппаратов — даже ломы. Причем обслуживающему персоналу, иногда приходится проводить выгрузку химически активных и токсичных веществ.

Кроме того, получаемый продукт бывает загрязнен большим количеством маточного раствора, который в виде включений захватывается растущими кристаллами, перекрывается их гра­нями при образовании друз и не может быть удален промывкой.

В силу указанных недостатков стационарные кристаллиза­торы в настоящее время применяются крайне редко. Сейчас эти аппараты почти полностью вытеснены кристаллизаторами, в ко­торых процесс осуществляется при перемешивании раствора.

Кристаллизаторы с вертикальной мешалкой. Наиболее простыми механическими кристаллизаторами яв­ляются аппараты, выполненные в виде вертикальных цилиндри­ческих сосудов с мешалкой и водяным охлаждением через ру­башку или змеевик.

Кристаллизатор с водяной рубашкой изображен на рис.1. Горячий концентрированный раствор заливается в аппарат при непрерывно работающей мешалке 2. После заполнения кристаллизатора раствором в рубашку 3 подается пода и по мере охлаждения раствор кристаллизуется. По достижении конечной температуры 30—15°С (в зависимости от температуры охлаждающей воды) суспензию через разгрузочный штуцер 4 передают на центрифугу или фильтр для отделения кристаллов от маточного раствора.

Применение мешалки, которая значительно уменьшила или даже полностью устранила образование инкрустаций на стенках аппарата, сделало возможным использование водяного охлаж­дения, более интенсивного по сравнению с воздушным. Действи­тельно, в спокойном растворе обрастание стенок толстым слоем соли с малым коэффициентом теплопроводности делает беспо­лезным водяное охлаждение.
Рис. 1. Кристаллизатор с мешалкой и водяной рубашкой: 1 – корпус аппарата; 2 – мешалка; 3 – водяная рубашка; 4 – штуцер для отвода суспензии

Перемешивание раствора и водя­ное охлаждение позволяют увеличить скорость кристаллиза­ции в этих аппаратах в 8—15 раз по сравнению со стационар­ными кристаллизаторами.

Образование инкрустаций на теплопередающих поверхностях вызвано тем, что именно у стенки раствор имеет наименьшую температуру, а, следовательно, и максимальное пересыщение. К тому же наличие готовой поверхности уже само по себе об­легчает процесс образования новой фазы. Однако, несмотря на сказанное практика промышленной эксплуатации кристаллиза­торов, а также специальные исследования показали, что увеличение скорости движения раствора существенно умень­шает, а иногда и полностью устраняет образование инкрустаций. Это объясняется не только тем, что интенсивное перемешивание выравнивает температурное поле у стенок аппарата и в объеме раствора, а тем, что оно стимулирует возникновение новых заро­дышей не в спокойном пристенном слое, а в участках наиболее интенсивного движения, т. е. в основной массе раствора.

Вещества различаются по способности образовывать кри­сталлы на теплопередающих поверхностях. В ряде случаев не­достаточно одного перемешивания раствора для устранения инкрустаций, поэтому в конструкции аппарата следует преду­смотреть механическую очистку стенок от осадка. С этой целью либо устанавливается якорная мешалка с очень небольшим зазором между лопастями и стенками аппарата, либо для пре­дупреждения заклинивания лопасти мешалки снабжают метал­лическими щитками, либо вертикальные лопасти мешалки заме­няют цепями, которые при вращении прижимаются центробеж­ной силой к стенкам.

Вообще же следует заметить, что для кристаллизаторов периодического действия образование инкрустаций не представ­ляет особенно больших эксплуатационных неудобств, поскольку эти пристенные осадки (небольшие в механических кристалли­заторах) при заполнении аппарата горячим, несколько ненасы­щенным раствором полностью растворяются.

Предупреждение образования инкрустаций на теплопередающих поверхностях способствует ускорению охлаждения и устраняет необходимость ручной выгрузки кристаллов, которые обра­зуются и растут в объеме раствора во взвешенном состоянии и легко удаляются вместе с ним из аппарата.

Сочетание интенсивного охлаждения раствора и перемеши­вания стимулирует образование центров кристаллизации. В ре­зультате в механических кристаллизаторах образуются относи­тельно мелкие (1 мм и менее), по более однородные кристаллы по сравнению с продуктами из стационарных кристаллизаторов. Эти кристаллы, растущие во взвешенном состоянии в условиях равномерного смывания раствором всех гранен, захватывают меньшее количество маточного раствора и вырастают более чи­стыми по своему химическому составу, чем крупные кри­сталлы из стационарных кристаллизаторов.

Чтобы избежать возникновения слишком большого числа центров кристаллизации и увеличить тем самым размер полу­чаемых кристаллов, охлаждающую воду в рубашку обычно по­дают не сразу после заполнения кристаллизатора горячим рас­твором, а лишь спустя некоторое время после образования пер­вичных зародышей, выполняющих в дальнейшем роль затравки.

Целесообразно также регулировать расход охлаждающей воды, увеличивая его с течением времени и оставляя при этом примерно постоянной разность температур между охлаждающей поверхностью и раствором (желательно, чтобы она не превы­шала 8 —10^о С). Введение начальной выдержки горячего рас­твора и регулирование его охлаждения особенно важны для уменьшения инкрустаций на теплопередающих поверхностях.

Кристаллизатор с охлаждающим змеевиком (рис. 2) состоит из корпуса 1, быстроходной пропеллерной мешалки 2 и охла­ждающего змеевика 3, который может быть одинарным, двой­ным или тройным.

В таких аппаратах можно развить значительно большую теплопередающую поверхность па единицу объема раствора, они имеют и более высокие коэффициенты теплопередачи вследствие увеличения скорости движения охлаждающей среды в змееви­ках. Однако, несмотря на эти очевидные преимущества аппараты со змеевиками применяются значительно реже, чем кристаллиза­торы, снабженные рубашками. Это объясняется тем, что в про­цессе кристаллизации стремятся не столько интенсифицировать сам процесс, сколько получить продукт определенного грануло­метрического состава. Следует также отмстить, что змеевики в большей степени подвержены инкрустациям, удаление которых в ходе процесса более затруднительно.

Рис.2. Кристаллизатор с мешалкой и охлаждающими змеевиками:

1 — корпус аппарата; 2 — пропеллерная мешалка; 53— охлаждающий змеевик.

2.2. Механические кристаллизаторы непрерывного действия

Размешивание раствора наряду с поддержанием кристаллов во взвешенном состоянии и возможностью их непрерывного от­вода из аппарата с маточным раствором позволяет перейти от периодической кристаллизации к непрерывной.

Кристаллизаторы непрерывного действия обладают значи­тельной производительностью (от нескольких сот до нескольких тысяч килограммов в час готового продукта) и обычно исполь­зуются в крупнотоннажных производствах.

Качающийся кристаллизатор. Аппарат этого типа (рис. 3), называемый также «люлькой», представляет собой длинное и неглубокое металлическое корыто 1, на котором закреплены круглые или полукруглые бандажи 2, установленные на опорные ролики 3. Кристаллизатор имеет не­большой наклон вдоль продольной оси и с помощью специаль­ного привода (на рисунке не показан) может качаться на опор­ных роликах, совершая медленные маятниковые движения.

Горячий раствор подается с одного конца кристаллизатора и, непрерывно протекая вдоль него, отводится с другого через специальное отверстие. Раствор охлаждается за счет теплоот­дачи и окружающий воздух, а также в результате частичного ис­парения растворителя через открытую поверхность аппарата.

Отношение длины корыта к его диаметру составляет обычно 10 : 1. Длина стандартных аппаратов 15 м, ширина — 1,5 м, мощ­ность привода — около 1 квт.

Медленное охлаждение раствора при слабом движении резко снижает скорость образования зародышей и позволяет получать очень крупные кристаллы размером от 3—5 до 10—25 мм. Это­му способствуют также устанавливаемые на дне корыта в шах­матном порядке невысокие поперечные перегородки, которые препятствуют продольному смешению раствора и увеличивают истинное время пребывания материала в аппарате. Считают, что скорость движения кристаллов вдоль корыта составляет 0,1—0,2 скорости движения маточного раствора, поэтому ка­ждый кристалл за время пребывания в аппарате многократно омывается свежим раствором.

Продвигаясь по дну корыта, кристаллы не могут срастаться между собой (как это происходит в стационарных кристаллиза­торах) и вырастают не только крупными, но и правильной фор­мы. Поскольку скорость движения раствора невелика и в аппа­рате отсутствуют вращающиеся части, полностью устраняется механическое истирание кристаллов и образование тонкодис­персных фракций. Вследствие медленного воздушного охлаждения, а также того, что движущийся раствор содержит большое количество растущих кристаллов, инкрустации на стенках аппарата не об­разуются.

Рис. 3. Качающийся кристаллизатор:

1 – корыто; 2 – бандажи; 3 – опорные ролики.

Качающиеся кристаллизаторы наряду с преимуществами — возможностью получения крупных и хорошо ограненных кри­сталлов, резким уменьшением или даже полным предупрежде­нием инкрустаций — имеют и ряд недостатков. Пары, удаляемые из кристаллизатора, попадают непосредственно в цех, увлажняя и загрязняя атмосферу. Производительность таких кристаллиза­торов невелика — 100—150 кг/ч кристаллического продукта, что обусловлено низким значением общего коэффициента теплопере­дачи К = 6 – 12 вт/ (м² * град).

Для интенсификации испарительного охлаждения над раствором иногда продувают воздух, однако это лишь незначительно ускоряет процесс.

Шнековые кристаллизаторы. Из аппаратов этого типа наибольшее распространение полу­чили две конструкции — с ленточной мешалкой и со шнеком.

Кристаллизатор с ленточной мешалкой (рис. 4) состоит из горизонтально расположенного корыта с полуцилиндрическим днищем, которое снаружи имеет водяную рубашку 2, а внутри — тихоходную ленточную мешалку 3 (0,5—1,0 рад/сек), изготов­ленную из трех расположенных по спирали металлических лент и приводимую во вращение червячной передачей 4. Горячий кон­центрированный раствор по штуцеру 5 подается на один конец корыта и, постепенно охлаждаясь, проходит вдоль аппарата к сливному штуцеру 6. В этом же направлении при помощи ме­шалки проталкиваются и выпавшие кристаллы.

Для облегчения выгрузки кристаллического продукта на кон­це вала закрепляется специальная лопастная мешалка, которая хорошо перемешивает суспензию и обеспечивает ее однородный состав при сливе через штуцер 6. Охлаждающая вода в рубашку поступает через штуцер 7 и движется противотоком раствору к выходному штуцеру 8. При таком систематическом продвижении раствора без продольного смешения по длине кристаллизатора обеспечивается достаточно высокая разность температур между раствором и охлаждающей водой.

Вода в зависимости от условий производства корыто может быть закрытым или открытым. В последнем случае скорость кристаллизации несколько выше за счет частичного испарения раствори­теля.

Ленточная мешалка не только перемещает кристаллы вдоль аппарата, но и поддерживает их во взвешенном состоянии, спо­собствуя образованию хорошо сформированных и сравнительно однородных по размеру кристаллов. Однако вследствие резкого охлаждения раствора через стенку и небольшой скорости пере­мешивания в этом кристаллизаторе не устраняется возможность образования инкрустаций. Повышение же числа оборотов ме­шалки приведет лишь к выплескиванию суспензии из кристал­лизатора и к смешиванию раствора вдоль аппарата.
Установка лопастей мешалки в непосредственном соприкос­новении со стенками кристаллизатора нежелательна, так как это может вызвать заклинивание мешалки, механическое истирание кристаллов и загрязнение их и маточного раствора инородными частицами. Поэтому при кристаллизации сильно инкрустирую­щих солей кристаллизаторы приходится периодически останав­ливать для промывки.

Ширина корыта шнековых кристаллизаторов составляет обычно 600 мм. Аппарат собирается из отдельных элементов (но не более четырех) длиной 3 м. Переход охлаждающей воды из одной секции в другую осуществляется через соединительные па­трубки 9, что предупреждает вредное смешение воды вдоль всей рубашки. Если требуется еще большая производительность, то устанав­ливается несколько четырехсекционных кристаллизаторов дли­ной по 12 м. Для экономии производственной площади кристал­лизаторы обычно монтируются друг над другом, что одновремен­но обеспечивает движение раствора самотеком из аппарата в аппарат.

Применение водяного охлаждения позволяет значительно ин­тенсифицировать процесс кристаллизации. Средние значения ко­эффициентов теплопередачи колеблются в зависимости от содер­жания кристаллов в суспензии и вязкости растворов от 60 до 150 вт/(м² *град), в этом случае производительность аппаратов составляет до 1200—1600 кг/ч кристаллов. Средний размер зер­на в продукте обычно не превышает 0,4—0,6 мм.

Высокая производительность кристаллизаторов со спираль­ными мешалками, простота их устройства и обслуживания об­условили их значительное распространение в химической про­мышленности.

Кристаллизатор со шнеком отличается от ранее описанного лишь формой мешалки, выполненной из стальной ленты в виде бесконечного винта — шнека. Для получения крупнокристаллического продукта в шнеко­вых кристаллизаторах иногда используется воздушное охлаждение, т. е. они выполняются без водяной рубашки и открытого типа для ускорения охлаждения. Переход к воздушному охлаждению, разумеется, резко снижает производительность аппарата.

Башенный кристаллизатор является аппаратом с воз­душным охлаждением. Он представляет собой (рис. 4) гра­дирню — деревянную открытую башню-шахту 1, высота которой может достигать 25—30 м при площади сечения 20х20 м. Горя­чий раствор, подлежащий кристаллизации, разбрызгивается внутри башни специальными распылителями 2. Проходя через градирню, мельчайшие капельки раствора быстро охлаждаются вследствие теплоотдачи и частичного испарения растворителя с поверхности капель. Образовавшиеся кристаллы вместе о маточным раствором собираются в нижней части шахты и самотеком теком или при помощи насосов направляются на фильтрацию, фугование или отстаивание.

Производительность таких кристаллизаторов-градирен очень велика и в отдельных случаях достигает нескольких сотен ку­бических метров раствора в час.

Так как раствор в этих аппаратах кристаллизуется «на лету» в падающих каплях, то возможность инкрустации исключается.

Основным недостатком башенных кристаллизаторов является образование чрезвычайно мелкокристаллического продукта в ре­зультате большой скорости охлаждения каждой капли. Этим и объясняется их очень ограниченное применение.

3.Сравнение кристаллизаторов периодического действия с кристаллизаторами непрерывного действия

Периодическая кристаллизация может осуществляться в ап­паратах практически любой производительности, начиная с ла­бораторных химических стаканов и кончая огромными солевыми бассейнами, в которых кристаллизуется поваренная соль или сода вследствие естественного испарения раствора. Периодиче­ская кристаллизация обычно используется в тонкой химической и химико-фармацевтической технологии при производительности установки от 1 до 100 т готового продукта в неделю.

Процессы непрерывной кристаллизации фактически не имеют верхнего предела производительности, так как в зависимости от условий может быть установлено сколько угодно одиночных аппаратов непрерывного действия и максимального размера. Верхний предел производительности одного аппарата по кри­сталлическому продукту 100—300 т в сутки в зависимости от физико-химических свойств кристаллизуемого вещества. Ниж­ний предел производительности кристаллизатора непрерывного действия составляет примерно 50 кг/ч для кристаллов неболь­шой плотности и до 200 кг/ч для кристаллов высокой плотности. Этот предел обусловлен возможностью непрерывного вывода кристаллической суспензии по трубе приемлемого размера, обеспечивающей такую скорость движения суспензии, при которой кристаллы находятся во взвешенном состоянии. Следует учи­тывать также, что объемы пересыщенных растворов (например, фильтрата), а также скорости их движения становятся настолько небольшими, что, несмотря на изоляцию и использование тепловых рубашек, в трубопроводах происходит кристаллизация.

Кристаллизационное оборудование периодического действия, а также наиболее простые кристаллизаторы непрерывного дей­ствия изготовляются стандартного размера в расчете на опреде­ленную производительность. Чтобы приспособить оборудование для определенных целей, следует лишь незначительно изменить конструкцию отдельных деталей.

В тех случаях, когда предусматривается контроль за образо­ванием зародышей и скоростью их роста, а также при предъяв­лении жестких требований к чистоте, размеру и однородности кристаллов в продукте, проектируются специальные кристалли­заторы.

В ряде случаев установки непрерывного действия, рассчи­танные на очень большую производительность и эффективно работающие в этих условиях, могут оказаться экономически не­оправданными при проектировании их на малую производитель­ность. Стоимость затрат на проведение лабораторных опытов с целью получения основных физических данных, необходимых для технологических расчетов и для разработки конструкции кристаллизатора, фактически одинакова, независимо от того, будет ли производительность аппарата 500 или 5000кг/ч. Точно так же стоимость эксплуатации машин при изготовлении стан­дартных деталей (например, сферических днищ) практически не меняется для аппаратов различного размера. Следовательно, пег универсальной формулы для пересчета капитальных затрат с крупных установок на малогабаритные. Капитальные затраты на 1 т готового продукта изменяются обратно пропорционально производительности, эксплуатационные же расходы, составляю­щие для установки 100 т/сутки примерно 8—10% общих расхо­дов, для установки производительностью 5 т/сутки могут воз­расти до 30—40%.

Кристаллизаторы периодического действия обычно просты по конструкции. Однако такое кажущееся уменьшение капи­тальных затрат сводится на нет необходимостью устанавливать более крупные аппараты для обеспечения той же производи­тельности, что и в непрерывном процессе.

Под термином «кристаллизатор непрерывного действия» под­разумевается аппарат, который может работать непрерывно без опорожнения или остановок в течение 200—2000ч. Ни один кристаллизатор не может работать неограниченно долго, рано или поздно в каком-либо месте аппарата образуются кристалли­ческие осадки. Период непрерывной работы зависит от свойств кристаллизуемого вещества, конструкции аппарата, метода соз­дания пересыщения и квалификации обслуживающего персо­нала. Можно считать, что продолжительность работы хорошего кристаллизатора непрерывного действия составляет 8000— 8300 ч!год, т. е. коэффициент его использования 90—95%. Про­должительность простоя кристаллизаторов периодического дей­ствия колеблется в широких пределах; эффективность их ис­пользования изменяется от 60 до 90%.

При непрерывном процессе затраты материала и труда на его переработку наиболее эффективны.

Наиболее существенно оба процесса отличаются качеством готового продукта и стоимостью технологических операций, сле­дующих за кристаллизацией. Периодический процесс, если не применять тщательного технологического и аналитического кон­троля, фактически нельзя воспроизвести точно в каждом отдель­ном цикле. Чистота и размер кристаллов, полученных в одном из них, могут быть совершенно различны, чем в других циклах; последующая обработка продукта будет связана с дополни­тельными трудностями при отделении кристаллов от маточного раствора и последующей их сушке. Возможно получение нестандартного продукта, который затем необходимо перерабатывать. При непрерывной кристаллизации, как и в любом другом непрерывном процессе, устанавливается равновесие между при­ходом и расходом энергии и вещества. Если условия процесса на входе в аппарат и на выходе из него поддерживаются по­стоянными, то на протяжении всего рабочего цикла постоян­ными остаются и условия внутри аппарата, а также качество продукта. Процесс непрерывной регулируемой кристаллизации обладает всеми достоинствами непрерывного процесса. Сама же конструкция аппарата позволяет эксплуатировать его при различных режимах. Это создает гибкость в работе установки; размер кристаллов в готовом продукте и его чистота могут быть выбраны или изменены по мере необходимости.

В процессе периодической кристаллизации раствор может затравливаться самопроизвольно или искусственно. Затравка оказывает большое влияние на гранулометрический состав кри­сталлов в готовом продукте и на их средний размер.

При непрерывной кристаллизации самозатравливание заклю­чается в непрерывном образовании новых зародышей с такой скоростью, с какой также непрерывно отводятся готовые кри­сталлы. Если количество образующихся зародышей превышает количество готовых кристаллов, их средний размер постепенно уменьшается, и наоборот. Если новые зародыши образуются в недостаточном количестве, пересыщение увеличится до такого уровня, при котором начнется произвольное образование допол­нительных центров кристаллизации.

Таблица 1. Сравнительная характеристика кристаллизаторов

4.Расчет кристаллизатора

Расчет непрерывно действующего шнекового кристаллизатора с водяным охлаждением (ширина корыта 600мм).

Кристаллизуется 24% водный раствор NaCl, охлаждаемый от 30^оС до 15⁰С, выпадающая соль имеет состав NaCl*2H₂O. Производительность аппарата по соли 0,139 кг/с (500кг/ч). Следует определить необходимую поверхность F и расход охлаждающей воды G_в, если общий коэффициент теплопередачи К = 150 вт/(м² *град). В расчете нужно учесть, что через открытую поверхность кристаллизатора испаряется 0,8% (от общего количества раствора) воды.

Растворимость NaCl при 15^оС составляет 7 частей безводной соли на 100частей воды. Средняя теплоемкость раствора в интервале температур 30 – 15^оС равна 3,83кДж/кг*К, скрытая теплота кристаллизации q=84,5 кДж/кг. Охлаждающая вода поступает в рубашку при температуре 5 ^оС и нагревается в кристаллизаторе до 10^оС.

Концентрация соли в маточном растворе (в масс. долях) составляет

Молекулярный вес NaCl равен 59,5, а NaCl*2H₂O – 94,5, следовательно,

1. Определяем количество кристаллизирующегося раствора при заданной производительности. Для этого воспользуемся уравнением [5] в виде:

2. Из теплового баланса [5] определяем количество отводимого тепла :

Q = 0,44 * 3,83( 30 – 15) + 0,546 * 84,5 + 0,008 *0,44*2442,25 = 62,82 кВт,

где 2442,25 кДж/кг – теплота парообразования воды при средней температуре (30+15) : 2 = 22,5^оС.

1. Величину ? t определяем по уравнению:

1. По уравнению [5] находим поверхность теплопередачи:

1. Для шнековых кристаллизаторов с шириной корыта 600 мм на 1 м длины аппарата теплопередающая поверхность составляет 0,9м² [3]. Требуемая длина кристаллизатора в этом случае будет равна:

Таким образом, для обеспечения заданной производительности потребуется 3 шнековых кристаллизатора, каждый из них длиной 12м, собирается из четырех секций ( по 3м).

1. Расход охлаждающей воды составляет:

.

Список литературы

1. Бэмфорт А.В. Промышленная кристаллизация. Пер. с англ. Матусевич Л.Н. – М. «Химия», 1969, 240с.
2. Гельперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники фракционной кристаллизации. – М. «Химия», 1986, 304с.
3. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. – М. «Химия», 1968, 304с.
4. Нывлт Я. Кристаллизация из растворов. Пер. с словацкого Постникова В.А. – М. «Химия», 1974, 152с.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 10-е изд., пер. и доп. Л.: Химия, 1987. 576с.

Камнеобработка включает в себя огромное множество различных этапов: разработка месторождения каменного карьера, непосредственно сама добыча камня, распил каменных блоков, калибровка заготовок, полировка, а также бесконечное множество способов обработки каменных заготовок и слэбов. Каждый этап, в свою очередь, включает в себя множество ключевых подэтапов, имеющих огромное количество индивидуальных тонкостей и профессиональных решений. Об одном из таких этапов пойдёт речь в этой статье. Мы разберём такой, казалось бы, простой, но крайне важный этап полировки мрамора — кристаллизацию!

На первый взгляд в кристаллизации нет ничего сложного, этот процесс кажется весьма простым и понятным. Но настоящие профессионалы, занимающиеся восстановлением каменных покрытий придают этому этапу чуть ли не ключевое значение. Так что же такое кристаллизация мрамора?

Прежде всего давайте разберём, что собой представляет мрамор, и почему кристаллизация применима именно к кальцийсодержащим породам.

Дело в том, что мрамор — это горная порода, состоящая в основном из карбоната кальция. Образовалась она в результате воздействия определённых физико-химических условий из известняка. По сути, мрамор и представляет из себя перекристаллизованный известняк.

мрамор

А основными химическими веществами кристаллизаторов, являются кремнийорганические соединения, в состав которых входит эмалевый воск и кислоты, которые расщепляют карбонат кальция, присоединяя кремнийорганические соединения и создавая новое соединение под названием фторсиликат кальция. Оно то и является той самой глазурной блестящей поверхностью, которую мы наблюдаем после процесса кристаллизации.

Для чего же нужен этот процесс — кристаллизация мрамора? Мрамор, при всех его безграничных достоинствах, перечислять которые можно очень долго, имеет и определённые недостатки, совокупность которых зависит от типа мрамора. Так, например, некоторые мрамора отличаются относительной мягкостью, что делает их уязвимыми к механическим воздействиям. Другие же отличаются чрезмерной пористостью, что влечёт за собой огромное влагопоглощение, а с влагой в структуру камня проникают и различные загрязнения. Индивидуальных особенностей у разных мраморов множество. Но практически всех их объединяет одно: им необходима защита!

загрязнение мрамора

И на помощь нам приходит кристаллизатор. После кристаллизации поверхность мрамора обретает довольно прочную глазурную, или, как выражаются другие — стеклянную поверхность, благодаря которой многие слабые стороны материала исчезают, проявляется насыщенный цвет камня и ослепительный блеск. Обычно, кристаллизатор используют на самом последнем этап обработки поверхности. Про предыдущие этапы обработки камня, такие как выравнивание полов, шлифовка, смолирование, полировка и т.д мы посвятим отдельные статьи.

Какие бывают кристаллизаторы

Кристаллизаторы обычно представлены в виде порошка и поставляются, как правило, в ёмкостях 1кг, 5кг, 10кг и 15 кг. А так же в жидком виде — объемом 1л или 5л.

Как происходит процесс кристаллизации

Принцип действия у всех примерно одинаковый. Разница заключается лишь в нанесении их на поверхность. Кристаллизаторы в виде порошка необходимо развести с необходимым количеством воды до пастообразного состояния, затем нанести на поверхность. Жидкие же кристаллизаторы наносятся с использованием пульверизатора. Вернувшись немного назад, стоить отметить, что обрабатываемая поверхность должна быть очищена от загрязнений, различных примесей или остатков полиролей. А недошлифованные царапины не исчезнут после кристаллизации.

Наносить кристаллизатор можно минимум  с 400го номера абразива.

И так, сразу после нанесения кристаллизатора его нужно распределить по поверхности используя машину для шлифовки пола весом 45-50кг., оснащённую металлизированным ПЭДом (его так же часто называют фетром, стальной ватой, железным войлоком и т. д.). Наносим и распределяем кристаллизатор при 150-170об/мин, далее стоит увеличить скорость до 400 об/мин.  ПЭД нужен для создания трения и нагрева на обрабатываемой поверхности. К этому ПЭДу есть особое требование — он должен быть сделан из не ржавеющего металла. Очень часто в продаже можно встретить войлоки, которые окисляются во влажной среде.

металлизированный ПЭД

При обработке, частички такого войлока превращаются в ржавчину, которая может добавить в естественный цвет мрамора оранжевокрасные оттенки или вообще затемнить его.

                 Для наглядности, кусок такого войлока, мы положили на кристаллический мрамор, и смочили водой. 

             Через сутки, войлок и его частицы сильно проржавели и оставили глубокое загрязнение на мраморе. 

  Обработку стоит проводить небольшими площадями по 2-3 м², после чего кристаллизатор необходимо нейтрализовать обильным количеством воды или специальным нейтрализующим составом, и убрать остатки с поверхности используя синтетический белый ПЭД и пылеводосос.

  Если всё сделано правильно, то после кристаллизации поверхность камня становится прочнее и практически не впитывает воду, проявляется насыщенный цвет камня, а в дальнейшем ухаживать за такой поверхностью гораздо проще и приятнее.

  В среднем, крисстализация проводится с переодичностью один раз в 2 года, это зависит от типа мрамора и месте его эксплуатации.

Ухаживайте за своими каменными поверхностями с помощью специальных защитных средств и камень будет радовать вас многие десятилетия.

Последовательность действий при процессе кристаллизации:

1. Подготавливаем поверхность (полировка/удаление защитных покрытий/глубокая очистка)
2. Нанесение кристаллизатора на поверхность не более 2-3 м²
3. Распределяем кристаллизатор по поверхности.
4. Нейтрализуем кристаллизатор и убираем его остатки с поверхности.
5. Конечная уборка/нанесение дополнительных защитных составов.

Оборудование для кристаллизации мрамора