2.2 Аппараты для изогидрической кристаллизации

<=== Возврат к содержанию главы 2
2.2 Аппараты для изогидрической кристаллизации
Изогидрическая кристаллизация получила наибольшее распространение
в промышленности, т.к. растворимость большинства солей уменьшается с
понижением температуры. Аппараты для изогидрической кристаллизации
подразделяются на кристаллизаторы периодического, непрерывного действия
и вакуум-кристаллизаторы.
Замечания: 1. В аппаратах для изогидрической кристаллизации дополнительное пересыщение растворов может создаваться в результате испарения
части растворителя.
2. Вакуум-кристаллизаторы рассматриваются как особый тип аппаратов,
т.к. количество испаряющегося растворителя в них особенно велико.
Кристаллизаторы периодического действия имеют сравнительно небольшую производительность (от нескольких килограммов до нескольких
десятков килограммов в час) и используются обычно в малотоннажных производствах или когда необходимость в осуществлении процесса кристаллизации возникает от случая к случаю.
Стационарный кристаллизатор представляет собой прямоугольный,
суженный книзу сосуд объемом от 10 л до10 м 3, в который заливается горячий, еще ненасыщенный раствор (чтобы предупредить его кристаллизацию в
трубопроводах). Раствор охлаждается за счет естественной теплоотдачи в
окружающий воздух и частичного испарения растворителя с поверхности.
После охлаждения раствора до 25-30 °С маточный раствор сливают, а выпавшие кристаллы выгружают вручную. Чтобы получить большее количество сравнительно чистого продукта, а также облегчить его выгрузку, в кристаллизатор помещают вертикальные металлические стержни или ленты.
Достоинства стационарных кристаллизаторов: 1) возможность получения очень крупных кристаллов (до 3-5 см в поперечном сечении), сросшихся
между собой в друзы; 2) предварительный слив маточного раствора и большой размер кристаллов позволяют исключить фильтрацию и направлять
промытый водой продукт сразу в сушилку. Недостатки: 1) большие затраты
времени на проведение процесса; 2) большие затруднения при выгрузке продукта (кристаллы прочно пристают к стенкам сосуда); 3) получаемый продукт может быть загрязнен большим количеством маточного раствора, который в виде включений захватывается растущими кристаллами и механическими примесями; 4) испарение растворителя с поверхности раствора может
привести к повышению содержания токсичных и пожароопасных примесей в
объеме производственного помещения.
Наиболее распространенные механические кристаллизаторы периодического действия представляют собой вертикальные цилиндрические сосуды
с мешалками и водяным охлаждением через рубашку или змеевик. При интенсивном перемешивании ликвидируется градиент температур в объеме
раствора и существенно повышается скорость кристаллизации (в 10 раз вы-
ше, чем в стационарных кристаллизаторах): новые кристаллические зародыши возникают не только в пристенном слое (неподвижном и более холодном), но и в интенсивно движущейся основной массе раствора.
Кристаллизатор с водяной рубашкой заполняется горячим концентрированным раствором при непрерывно работающей мешалке. Затем в рубашку
подается вода (или холодильный рассол – 25%-ный раствор CaCl2) и по мере
охлаждения из раствора выпадают кристаллы. По достижении температуры
30 – -5 °С (в зависимости от температуры хладагента) суспензию передают на
центрифугу или фильтр для выделения кристаллов.
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 через некоторое время, необходимое для
образования первичных зародышей, которые выполняют роль затравки. Целесообразно регулировать расход хладоагента так, чтобы разность температур между ним и раствором оставалась примерно постоянной (8-10° С).
Кристаллизатор с охлаждающим змеевиком (рисунок 2.2) состоит из корпуса,
быстроходного перемешивающего устройства с пропеллерными мешалками и охлаждающего змеевика (одно-,
двух- или трехзаходного).
Использование вместо
рубашки змеевика существенно увеличивает поверхность теплообмена на единицу объема раствора и позволяет интенсифицировать теплопередачу за счет увеличения скорости движения
охлаждающей среды, однако
Рисунок 2.2 Кристаллизатор с мешалкой
змеевики в большей степени
и змеевиком
подвержены инкрустациям,
1 – корпус, 2 – перемешивающее устройство,
удаление которых в ходе
3 - змеевик
процесса затруднительно.
Перемешивание значительно уменьшает, а иногда и полностью устраняет образование инкрустаций на стенках аппарата. Если перемешивания раствора оказывается недостаточно, в конструкциях этих аппаратов предусматривают механическую очистку стенок от инкрустаций: устанавливают якорную мешалку с небольшим зазором между лопастями и стенками аппарата;
лопасти мешалки снабжают металлическими щитками для предупреждения
заклинивания; вертикальные лопасти мешалки заменяют цепями, которые
при вращении прижимаются центробежной силой к стенкам.
Замечания: 1. Для кристаллизаторов периодического действия образование инкрустаций не представляет особенно больших эксплуатационных неудобств, поскольку эти небольшие пристенные осадки при заполнении аппарата горячим ненасыщенным раствором полностью растворяются.
2. При проведении кристаллизации стремятся не столько интенсифицировать сам процесс, сколько получить продукт определенного гранулометрического состава. Поэтому на производстве чаще применяются кристаллизаторы, снабженные рубашками, а иногда в качестве хладагента используется
мелко дробленый лед, который загружается непосредственно в раствор.
В механических кристаллизаторах образуются относительно мелкие
(≤1 мм), но более однородные кристаллы по сравнению с продуктами из стационарных кристаллизаторов. Эти кристаллы растут во взвешенном состоянии в условиях равномерного омывания раствором всех граней, захватывают
меньшее количество маточного раствора и более чисты по своему химическому составу, чем крупные кристаллы из стационарных кристаллизаторов.
Из аппаратов непрерывного действия отметим качающийся, барабанный, вальцовый кристаллизатор, а также кристаллизатор со взвешенным слоем продукта.
Качающийся кристаллизатор (рисунок 2.3), называемый также «люлькой», представляет собой длинное и неглубокое металлическое корыто, на
котором закреплены полукруглые бандажи, установленные на опорные ролики. Кристаллизатор имеет небольшой наклон вдоль продольной оси и с помощью специального привода может качаться на опорных роликах, совершая
медленные маятниковые движения.
Горячий раствор подается с одного конца корыта и, непрерывно протекая вдоль него, отводится с другого через
специальное отверстие.
Раствор охлаждается за
счет теплоотдачи в
окружающий воздух, а
также в результате частичного испарения
растворителя с поверхности. На дне корыта в
шахматном порядке
установлены невысокие
поперечные перегородки, которые препятствуют продольному
Рисунок 2.3. Качающийся кристаллизатор
смешению раствора и
1 – корыто, 2- бандаж, 3 – опорный ролик
увеличивают истинное
время пребывания продукта в аппарате. Скорость движения кристаллов вдоль
корыта не превышает 20% скорости движения маточного раствора, поэтому
каждый кристалл за время пребывания в аппарате многократно омывается
свежим раствором.
Постепенное охлаждение раствора при медленном движении резко снижает скорость образования зародышей и позволяет получать очень крупные
кристаллы (5-25 мм). Продвигаясь по дну корыта, кристаллы не могут
срастаться между собой имеют не только большие размеры, но и правильную
форму. Поскольку скорость движения раствора невелика и в аппарате отсутствуют вращающиеся части, полностью устраняется механическое истирание
кристаллов и образование тонкодисперсных фракций.
Барабанный вращающийся кристаллизатор с водяным охлаждением
(рисунок 2.4) представляет собой вращающийся барабан c рубашкой, установленный с небольшим уклоном (2-5о). Во избежание деформации рубашки
между ней и корпусом в шахматном порядке вварены бобышки. Горячий раствор подается в барабан через неподвижный штуцер и медленно движется к
его разгрузочному концу, непрерывно перемешиваясь вследствие вращения
барабана. Охлаждающая вода подается противотоком раствору через распределительное устройство и отводится через отверстие в рубашке.
Рисунок 2.4 Барабанный кристаллизатор с водяным охлаждением
1 – барабан, 2 – рубашка, 3- бобышки, 4 – опорные бандажи, 5 – опорные ролики,
6 – опорно-упорные ролики, 7 – зубчатый венец, 8 – штуцер подачи раствора,
9 – распределительное устройство подачи воды, 10 – отвод воды.
Отношение длины рубашки барабана Lp к его внутреннему диаметру Dвн
обычно равно 10 - 12. Высота слоя раствора в аппарате обычно составляет
100-200 мм.
Параметры, определяющие время пребывания раствора в аппарате (высота слоя раствора, угол наклона барабана и частота его вращения), выбираются в зависимости от заданной производительности, свойств выделяемого
вещества и требуемого качества продукта. Как и в механических кристаллизаторах с водяным охлаждением, в барабанных кристаллизаторах образуются
довольно мелкие, но однородные кристаллы.
Существенным недостатком барабанных кристаллизаторов с водяным
охлаждением является значительная инкрустация внутренних поверхностей
вследствие резкого охлаждения стенок барабана и сравнительно небольших
скоростей движения раствора. Для устранения пристенных осадков в барабан
на всю длину помещают тяжелую цепь, шарнирно закрепленную на его верхнем конце, уголок или штангу треугольного сечения. При вращении барабана
цепь или штанга свободно перекатываются по стенкам, сбивая наросты соли.
При этом кристаллы продукта и стенки барабана истираются, продукт загрязняется частицами металла.
Производительность барабанных кристаллизаторов зависит от их размеров и природы кристаллизуемого вещества. Например, для аппаратов длиной
10 м она может составлять 350 - 600 кг/ч кристаллического продукта. Потребляемая мощность 1-2 КВт, расход воды на 1 м3 кристаллизуемого раствора 3-5 м3.
Барабанный кристаллизатор с воздушным охлаждением (рисунок
2.5) не имеет рубашки. Раствор охлаждается сильной струей воздуха, подаваемой вентилятором внутрь барабана противотоком движению раствора.
Охлаждение происходит как за счет передачи воздуху тепла раствора, так и в
результате испарения растворителя. Так как при вращении барабана его стенки смачиваются раствором, создается значительная поверхность испарения, и
скорость охлаждения достаточно высока. Чтобы предупредить образование
инкрустаций при охлаждении раствора через стенки, барабан снаружи теплоизолируется или помещается в кожух с подогревателем.
Рисунок 2.5 Барабанный кристаллизатор с воздушным охлаждением
1 – вентилятор, 2 – кожух, 3 – труба для обогрева паром
Вследствие снижения скорости охлаждения в барабанных кристаллизаторах с воздушным охлаждением получают более крупные кристаллы по
сравнению с продуктом из аппаратов с водяным охлаждением. Однако при
этом снижается и производительность, которая, в большой степени зависит
от температуры подаваемого воздуха и его влажности. Так, производительность аппарата диаметром 1,0 м и длиной 20 м зимой колеблется от 100 до
400 кг/ч, а летом – 60-200 кг/ч. Расход воздуха составляет в среднем 0.65 1.6 м3/сек, потребляемая мощность (с учетом работы вентилятора) 4.5-8 КВт.
Кристаллизатор со взвешенным слоем, схематично изображенный на
рисунке 2.6, состоит из корпуса, циркуляционного насоса и теплообменника,
соединенных в
замкнутый контур циркуляционными трубами.
Для улучшения
условий кристаллизации и регулирования размера кристаллов
аппарат снабжают вспомогательным насосом
для циркуляции
охлаждающей
воды и отстойником мелкой
соли.
Горячий
концентрированРисунок 2.6 Кристаллизатор со взвешенным слоем
ный раствор
1 – корпус; 2,4,6 – циркуляционные трубы; 3,7,11,16,17,18 –
штуцеры; 5 – отстойник; 8,9,13 – краны; 10 – теплообменник; непрерывно поступает во вса12,15 –циркуляционные насосы; 14 – вентиль.
сывающую циркуляционную трубу и смешивается с циркулирующим по замкнутому контуру маточным раствором, количество которого превышает количество свежего
раствора на порядок. Температура и концентрация раствора после смешения
повышаются незначительно и раствор практически остается насыщенным.
Проходя затем через трубы теплообменника, раствор охлаждается и приобретает небольшое пересыщение (1-3 кг/м3).
Пересыщенный раствор поступает в нижнюю часть корпуса кристаллизатора и поднимается вверх восходящим потоком, поддерживая растущие
кристаллы во взвешенном состоянии. По мере прохождения раствора через
взвешенный слой пересыщение снимается отложением вещества на растущих
кристаллах. Линейная скорость раствора в аппарате составляет 1-2 см/сек и
регулируется вентилем таким образом, чтобы достаточно крупные кристаллы
оседали на дно, а мелкие не уносились в циркуляционный контур. Из верхней
части корпуса маточный раствор снова засасывается в трубу, и процесс повторяется. Готовый кристаллический продукт непрерывно или периодически
выводится из нижней части корпуса. Избыток маточного раствора отводится
через переливной штуцер.
Раствор в теплообменнике охлаждается водой (или холодильным рассолом). Для более равномерного распределения разности температур на поверхности теплообмена и уменьшения местных пересыщений и инкрустаций
труб в межтрубном пространстве при помощи насоса непрерывно циркулирует охлаждающий агент. Если инкрустация все же образуется, то ее удаля-
ют, периодически прогревая теплообменник через межтрубное пространство
горячей водой или паром.
В отличие от всех рассмотренных конструкций принцип действия вальцового кристаллизатора
основан на использовании
инкрустации
теплопередающей поверхности (рисунок
2.7). Он состоит из металлиРисунок 2.7 Вальцовый кристаллизатор
ческого бара1 – барабан с двойными стенками, 2 – корыто, 3 – нож.
бана с двойными стенками, частично погруженного в корыто и охлаждаемого изнутри водой. Вода подается в пространство между стенками барабана через клапан.
Барабан вращается с частотой 3.5-19 1/мин, изменяющейся в зависимости от
свойств кристаллизующегося вещества.
В корыто непрерывно подается горячий раствор, на холодной поверхности барабана образуются и растут инкрустации соли. При выходе из корыта
наросты набегают на нож, установленный параллельно образующей барабана. Для предупреждения кристаллизации соли в корыте его стенки обогреваются паром.
Аппараты подобного типа особенно эффективны при кристаллизации
сильно инкрустирующих солей, вязких растворов и расплавов, когда количество остающегося маточного раствора невелико по сравнению с выходом
кристаллического продукта (производства аммиачной селитры, азотнокислого кальция, едкого натра).
Поверхность охлаждения вальцовых кристаллизаторов от 2 до 12 м 2.
При кристаллизации аммиачной селитры барабан диаметром D = 0.85 м и
длиной L = 1.5 м, погруженный в корыто на 0.12 м и вращающийся с частотой 19 1/мин обеспечивает производительность 4500 кг/ч.
В некоторых конструкциях вальцовых кристаллизаторов корыто отсутствует, а подача на барабан кристаллизуемой жидкости (расплава) производится сверху через распределительный желоб. Расплав застывает и кристаллизуется за время, составляющее примерно 3/4 оборота барабана, затем срезается ножом и далее транспортируется шнеком. В таких кристаллизаторах
получают чешуированный едкий натр и едкое кали.
На рисунке 2.8 представлена схема вакуум-кристаллизатора периодического действия. Он представляет собой герметичный сосуд с мешалкой, соединенный через поверхностный конденсатор с вакуум-насосом.
Через верхний штуцер в кристаллизатор примерно на 2/3 его объема заливается горячий исходный раствор и включается вакуум-насос. По мере понижения давления в аппарате раствор вскипает и вследствие испарения части
растворителя охлаждается до температуры кипения при данном разрежении.
Образующиеся пары конденсируются в межтрубном пространстве теплообменника. Несконденсировавшиеся газы удаляются вакуум-насосом через
брызгоуловитель. Конденсат по
барометрической трубе отводится в гидрозатвор. После охлаждения раствора до конечной
температуры давление в аппарате постепенно повышают до атмосферного и суспензию через
нижний спуск отводят на центрифугу.
Из-за высокого пересыщения растворапри вакуумкристаллизации получают мелкокристаллический продукт.
Размер получаемых кристаллов
возрастает при увеличении вакуума, но это приводит к уменьшению производительности
Рисунок 2.8. Вакуум- кристаллизатор
установки.
периодического действия
На внутренней поверхности
1 – аппарат с мешалкой; 2,3,7 – штуцеры;
аппарата,
особенно в зоне кипе4 – конденсатор; 5 – брызгоуловитель;
ния
раствора,
образуются наро6 - гидрозатвор
сты соли. Скорость образования
инкрустаций можно существенно уменьшить путем эмалирования внутренних стенок кристаллизатора и обеспечения высокой интенсивности перемешивания раствора.
Замечания: 1. При периодической работе кристаллизатора отложения
соли на стенках после каждой новой загрузки горячего раствора полностью
растворяются.
2. С повышением вакуума в аппарате возрастает относительное влияние
гидростатического давления столба раствора на температуру его кипения.
Например, при остаточном давлении 2670 Н/м2 температура кипения насыщенного раствора NаNО3 равна 27.6 °С, однако на глубине 0.5 м от уровня
раствора (плотность ρ = 1390 кг/м3) давление повысится на 1390∙0.5∙.9.81 =
6817.9 Н/м2, а температура кипения увеличится до 52.8 °С. Следовательно,
для равномерного кипения раствора при кристаллизации и полного снятия
его пересыщения необходимо хорошее вертикальное перемешивание.
<=== Возврат к содержанию главы 2