> Техника, страница 55 > Кристаллизационные аппараты
Кристаллизационные аппараты
Кристаллизационные аппараты. Различают следующие важнейшие методы массовой кристаллизации (смотрите), применяемые в современной химической промышленности: 1) кристаллизация с удалением растворителя, 2) кристаллизация охлаждением насыщенных растворов, 3) кристаллизация с протекающими растворами, 4) холодные смесители и 5) кристаллизация в движении.
1. Кристаллизация с удалением растворителя. Растворитель можно удалять или при помощи испарения его или при помощи перевода его в твердое состояние. Последний способ, «способ вымораживания», выгодно применяется в большом масштабе при получении поваренной соли из морской воды в северных странах. Гораздо ббльгаую область применения имеет первый способ. Испарение растворителя можно вести при t° выше и ниже точки кипения раствора. Медленное испарение в открытых чанах, чашах и бассейнах без нагревания часто практикуется, особенно когда имеют в виду получить крупные отчетливо образованные кристаллы. На практике таким образом кристаллизуют хромпик, медный купорос, желтую кровяную соль и многие другие вещества. Для ускорения процесса применяется подогревание, чаще всего паром; ускорения кристаллизации достигают также устройством механической циркуляции воздуха над поверхностью испаряемого раствора. Простой открытый К. а. представляет чашу с баней, обогреваемой паром (фигура 1). Удале-
Smie растворителя при tKun. осуществляется в з-дской практике применением вакуум-аппаратов и выпарных аппаратов, позволяющих вести такое удаление с фиг j большой скоростью. За крытые выпарные аппараты, применявшиеся ранее исключительно для целей сгущения, приспособляют в настоящее время и для кристаллизации. Главное затруднение, к-рое пришлось преодолеть при конструировании такого рода выпарных аппаратов, состоит в том, что выделяющаяся дна устраивают коническое, с большим углом наклона. Подобный аппарат показан "на фигура 2. Коническая нижняя часть аппарата а соединяется трубой с камерой б, служащей сборником для кристаллов. Соединяющая камеру труба имеет задвижку в, с помощью которой можно от времени до времени разъединять камеру и удалять собравшиеся кристаллы. Существуют также другие типы выпарных аппаратов для одновременной кристаллизации; периодич. разгрузку стремятся устранить устройством барабанных фильтров и т. д.
2. Кристаллизация охлаждением насыщенных растворов. Насыщенные растворы, подвергаемые кристаллизации помощью охлаждения, получаются растворением сырого материала^или сгущением слабых щелоков и только в редких случаях в результате химич. превращений. Охлажде- ние может осуществляться естественным образом при помощи наружного воздуха или искусственно движущегося воздуха, водою или искусственными смесями, а также и в вакууме. В тех случаях, когда желают получить крупные кристаллы, следует избегать быстрого начального охлаждения, при к-ром может наступить мелкая кристаллизация. Это достигается или предварительным подогревом сосудов или нагреванием раствора выше ί° насыщения; в последнем случае раствор обогревает сосуды, и преждевременная кристаллизация не будет иметь места. При охлаждении приходится отводить тепло для приведения раствора к желаемой температуре, причем отводится и выделяющаяся теплота кристаллизации. Пример: насыщенный раствор КВг поступает на кристаллизацию при 90°; такой раствор содержит в 100 г воды около 101 г КВг. Если раствор охлаждается до 20°, в 100 г его остается 66 з КВг и выкристаллизовывается 101—66=35 г КВг. Принимая теплоемкость КВг=0,113, воды равной 1,0, теплоту кристаллизации равной 42 Cal на 1 килограмм. КВг, находим количество отводимого тепла:
0,1X1,0Х (90—20)=7,0 Cal 0,101X0,113Х(90-20)=0,8 Cal 0,035X42=1,47 Cal
На охлаждение 0,100 килограмм воды от90 до 20
» ь 0,101 » КВг » 90 » 20°..
Теплота кристаллизации для 0,101-0,066=0,035 килограмм выделившегося КВг
Всего на 0,035 килограмм КВг. или на 1 килограмм. кристаллич. масса загрязняет нагревательные поверхности и части аппаратов, особенно трубы. Для устранения этого явления предложено устройство отдельных сборных резервуаров для собирания кристаллов. Для того чтобы осадок не накоплялся на вертикальных трубах, аппараты строятся с сильной циркуляцией; вместо плоского
9,27 Cal
Если для охлаждения применять воду и разность t° между ней и раствором поддерживать в 5° (именно в начале 90°—5°=85° и в конце 20°-5°=1ό°), то на каждый кг со-
265
ли потребуется —=53 л охлаждающей воды.
Кристаллизация охлаждением горячих насыщенных растворов идет много успешнее »
вакуум-аппаратах, причем как теплота жидкости, так и теплота кристаллизации здесь расходуются на обращение части жидкости в пар, что в значительной степени ускоряет процесс. Во многих случаях довольствуются естественным охлаждением наружным воздухом, наир, при кристаллизации содовых щелоков [*], а также растворов КСЮ3. Для кристаллизации КСЮ3 применяются чугунные баки, с внутренней поверхности обшитые оловян. листами или покрытые эмалью, длиною 1 800 миллиметров, шириною 1 200 миллиметров, глубиною 750 миллиметров с передней стороны и 600 миллиметров с задней. Каждый такой бак дает до 125—150 килограмм кристаллов при стоянии раствора в тече-ние 8 суток летом и 14—зимой. Подобные же установки применяются в Карлсбаде при кристаллизации предварительно упаренной воды карлсбадского источника. Иногда для ускорения процесса кристаллизации в баки ставят тонкостенные металлич. ящики-ячейки, помещаемые последовательно внутри раствора и охлаждаемые проточной водой. На этом принципе устроены например аппараты Г.,Шихта [2]. Вообще необходимо отметить, что описываемый метод кристаллизации, ранее один из наиболее распространенных в химич. практике, постепенно вытесняется другими, более совершенными.
3. Кристаллизация с протекаю-щ и ми растворами. В кристаллизационных баках кристаллы и раствор находятся в покое, и выравнивание убывающего около кристаллов насыщения идет только путем диффузии. Вокк [3] первый предложил способ выращивания кристаллов как на дне, так и на стенках сосуда при движении щелоков по неподвижным наклонным поверхностям; в этих условиях получается возможность питать кристаллы и увеличивать их размеры до той величины, которая достигается в неподвижных баках. Качество и форма кристаллов зависят в сильной степени от температурных условий, при которых протекает кристаллизация; выделяющиеся вначале при высокой 1° кристаллы имеют совсем иной характер, чем те, которые получаются в конце процесса, когда ί° сильно понижается. В желобах Бокка легко поддерживать температурные границы, необходимые для равномерной кристаллизации, и они нашли себе применение для многих случаев, например для кристаллизации растворов буры, причем в пределах от 60 до 35° получаются прекрасные друзы длинных кристаллов. После Бокка рядом изобретателей были предложены различные системы, основной идеей которых было создание неглубоких потоков, непрерывно протекаюхцих по плоским поверхностям. На фигуре 3 показана в боковом разрезе и сверху установка Emil Passburg для кристаллизации растворов хлористого калия. Две громадные сковороды, сделанные из котельного железа, для ежедневной переработки 600—700 м3 раствора дают ~ 100 000 килограмм соли. Почти насыщенный раствор с ί°=90— 95° поступает на сковороду черев конец а и медленно движется по сковородам, имеющим при ширине 4 метров длину ок. 50 метров Сковороды помещены на бетонных каналах Ь, по которым, как показано стрелками, зигзагообразно протекает охлаждающая вода. Кро-
Т. Э. m. XI.
ме нижнего охлаждения водой производится еще охлаждение с поверхности продуванием воздуха; с этой целью устраивается над сковородами крыша с и тяговая труба d. Выпадающая соль переносится по жолобу скреб-
Щ
Фигура з. ковым конвейером (смотрите) со скребками е на наклонную плоскость q, где находится короткое время для обратного стока маточного раствора, и оттуда подъемником переносится на транспортер h. Транспортирующие устройства и h обслуживаются гидравлической установкой, показанной с правой стороны фигуры. Сравнительно долгое пребывание соли на сковородах и тщательное перемешивание дают в щмгжноеть получать круп-нокристаллич. материал. На принципе медленного движения кристаллизующегося раствора построены многочисленные аппараты. Зауербрей сконструировал аппарат [4] в форме башни, в которой раствор, стекая сверху по перегородкам внутри башни, сталкивается с встречным током атмосферного воздуха, служащего для охлаждения. Такой аппарат имеет преимущество в смысле экономии места. Интересны аппараты, предложенные Васковским [6], основанные на распылении кристаллизующегося раствора.
4. Холодные смесители. В тех случаях, когда не стремятся получить кристаллическую массу непременно в крупных крист или когда выделенная мелкокристал-лич. масса должна подвергнуться вторичной кристаллизации, удобно применять такие аппараты, в которых одновременно с охлаждением насыщенные растворы подвергаются энергичному перемешиванию, благодаря чему происходит быстрая отдача тепла охлаждающей поверхности. В зависимости от скорости движения жидкости находится величина выпадающих кристаллов. Для того чтобы оседающая на дне и боковых поверхностях кристаллич. масса не стесняла действия мешалки, последняя снабжается в таких аппаратах особыми скребками или металлическими щетками. На фигуре 4 показано внутреннее устройство подобн. аппарата, сконструированного машинной фабрикой E. Passburg в Берлине. Крепкий вал а, приводимый в движение с помощью зубчатой передачи, вращается в двух подшипниках b и с поме-
50
щенных сверху и в крышке аппарата. Особая подвесная тарелка защищает жидкость от загрязнения смазочными маслами. Лопасти мешалки д снабжены щетками е, очищающими поверхность от нарастающих кристаллов.Между двойными стенками аппарата циркулирует охлаждающая вода. Вместо закрытого охлаждающего кожуха часто устраивают внешнее орошение поверхности и аппарат помещают тогда над сборником стекающей воды. Для той же цели быстрого охлаждения и смешивания применяют ап-паратыи др.конструкций, наприм. подобные выпарному типа СЬепаШеЦфигураб). Через полые линзы L этого аппарата, которыми производится перемешивание, протекает охлаждающая вода. На фигуре 6 изображена кристаллизационная
Фигура 4.
установка для приготовления искусственного меда. Сахар растворяют в воде в котле а с паровым подогревом и раствор пропускают в инверсионный котел Ь, где сахар инвертируется с помощью к-ты. По окончании инверсии раствор переводится в кристаллизационные котлы с где охлаждается до 20°. После прибавления к охлажденному раствору твердого искусственного меда, полученного от предыдущей операции, все тщательно перемешивают; прибавка инвертированного сахара способствует кристаллизации сиропа; готовая кристаллич. кашица поступает в упаковочные машины d. Подобные, но несколько более сложные установки применяются в очень фИГ. e. многих случаях, на пример при кристаллизации в вакууме тринитрофенола и тому подобное.
Во многих случаях охлаждения водой бывает недостаточно и приходится применять повторное более сильное охлаждение. На
фигура7 показана установка для повторной кристаллизации бертолетовой соли. 3 000 килограмм щелока с t° +20° охлаждают здесь до —10°, чем достигается выпадение еще 200 килограмм КСЮ3. В компрессоре А компримируется аммиак до 8 atm и затем в змеевиковом конденсаторе В он сгущается при охлаждении водой до 15°. Жидкий аммиак направляется через регулирующий вентиль в змеевик С кристаллизатора D, в котором испаряется, причем отнимает от щелока тепло в количестве ок. 6 000 Cal в час. Испарившийся газ трубопроводом Е снова направляется в компрессор. Выпадающая в кристаллизаторе масса собирается в конусообразной нижней части аппарата и оттуда через вентиль G направляется в нучи М. Для уменьшения большого расхода холода охлажденный в аппарате D щелок перекачивают через центробежный кристаллизатор Ы в холодильную рубашку второго кристаллизатора I, служащего для предварительного охлаждения первоначального раствора. Последний поступает во второй кристаллизатор сверху через канал К и течет противотоком относительно охлаждающего рубашку щелока. Темп-pa входящего во второй кристаллизатор охлаждающего щелока изменяется от —10 до +5°, в то время как ί° поступающего первоначального раствора— от+20 до+5°. Выпадающая во втором кристаллизаторе кристаллич. масса также направляется через вентиль L в нучи М.
5. Кристаллизация в движении. Примером такого рода кристаллизации может служить операция выпаривания растворителя под вакуумом при Здесь растущие кристаллы находятся в непрерывном движении в среде питающего их раствора (смотрите Сахарное производство). Рассмотрим случай применения этого метода не при кипении, а при охлаждении раствора. Аппаратура, применяемая при этом, довольно разнообразна; аппараты строят как открытые, так и закрытые; иногда применяют вакуум.
В закрытых цилиндрической формы резервуарах для перемешивания применяют винтовые мешалки или винтовые шнеки. Целесообразная форма открытого аппарата, предложенного Бокком, так называемым кристаллизационная люлька, изображена на фигуре 8. Установка из трех таких аппаратов показана на фигуре 9. Горячий насыщенный раствор из сборного ящика а непрерывно поступает в аппараты—«люльки» b. Щелок с кристаллами движется вдоль по качающимся люлькам и готовые кристаллы вместе с маточным раствором поступают в скребковый транспортер о, к-рый подает кристаллы в сборный ящик d. Из последнего ковшевым прибором е кристаллы отделяют от Фиг·
маточного раствора и переносят в вагонетки /. Описанный аппарат с успехом применяют для кристаллизации хромата калия, глауберовой соли, соды, гипосульфита натрия,
ем растворителя при постоянной ί°—обычно на водяной бане или под вакуумом—и применяется для веществ, растворимость которых не сильно изменяется с t°. 3) К. при π о-нижении растворимости добавкой постороннего вещества достигается одним из двух путей: а) смещением ионного равновесия в растворе введением избытка одного из ионов (например К. при очищении NaCl достигается добавлением крепкой НС1 к насыщенному раствору хлористого натрия), б) изменением природы растворителя (например К. из водных растворов при добавлении к ним а). .Получению вещества в чистом виде при К. препятствуют следующие обстоятельства: 1) образование смешанных кристаллов, то есть твердых растворов (в особенности же двух изоморфных
а также фуксина, азотнокислого аммония, медного купороса, лимонной кислоты и тому подобное. Вообще метод кристаллизации в движении получает все большее распространение в химич. практике.
Лит.: 1) Lunge Handbuch d. Sodaindustrie u. ihre Nebenzweige, B. 3, 3 Aufl., p. 116, 596, Brschw., 1909; 2) г. П. 182299 (1905); «) Г. Π. 112990 (1899); «) Г. Π. 257685 (1913); 6) Г. П. 306173 (1914); Ш1ш. Enz., В. 7, В,—W. 1919.