Методы получения неорганических веществ

Перегонка- применяется для очистки жидких веществ от нелетучих примесей; основана на том, что жидкость нагревают до температуры кипения и пар ее отводят по газоотводной трубке в другой сосуд. Охлаждаясь, пар конденсируется, а нелетучие примеси остаются в перегонной колбе.

Жидкость помещают в колбу Вюрца — круглодонную колбу с длинной шейкой, от которой отходит отводная трубка. Горло колбы Вюрца плотно закрывают пробкой с вставленным в нее термометром, при этом резервуар с ртутью должен быть на уровне отверстия отводной трубки. Конец отводной трубки через плотно подогнанную пробку вставляют в холодильник Либиха, на другом конце которого укрепляют аллонж. Суженный конец аллонжа опускают в приемник. Нижний конец рубашки холодильника подсоединяют с помощью резинового шланга к водопроводному крану, а от верхнего конца делают отвод в раковину для слива. Рубашка холодильника всегда должна быть заполнена водой.

Колбу Вюрца и холодильник закрепляют в отдельных штативах. Жидкость в колбу наливают через воронку с длинной трубкой, заполняя перегонную колбу на 2/3 ее объема. Для равномерного кипения помещают на дно колбы несколько кипелок — стеклянных капилляров, запаянных с одного конца. Закрыв колбу, подают воду в холодильник и нагревают жидкость в колбе. Нагрев можно вести на газовой горелке, электрической плитке, водяной, песочной или масляной бане — в зависимости от температуры кипения жидкости. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости (спирт, эфир, ацетон и т. д.) ни в коем случае нельзя нагревать на открытом огне во избежание несчастных случаев: следует пользоваться только водяной или другой баней. Не следует выпаривать жидкость полностью: 10—15% от первоначально взятого объема ее должно оставаться в колбе. Новую порцию жидкости можно наливать лишь тогда, когда колба немного остынет.

Вещества, которые при нагревании разлагаются или претерпевают какие-либо другие изменения, перегоняют при уменьшенном давлении — под вакуумом. Умеренный вакуум может быть достигнут при использовании водоструйного насоса, присоединяемого к установке для перегонки.

Главное условие успеха этой операции - полная герметичность аппаратуры. Поэтому лучше всего использовать приборы, собранные на шлифах. Высокий вакуум создают с помощью специальных вакуумных насосов и используют для перегонки сравнительно редко.

Сублимация -операция, состоящая в отделении летучих плотных тел (нашатыря, пирогаллола, бензойной кислоты и т.п) от нелетучих.

Сублимация подчиняется общим законам испарения. Обратный процесс -конденсация в-ва из газообразного состояния, минуя жидкое, непосредственно в твердое состояние - десублимацией. Сублимация и десублимация - фазовые переходы первого рода.

Сублимац.-десублимац. процессы (СД процессы) могут протекать без участия и с участием т. наз. р-рителей-инертных (не претерпевающих фазовых переходов) газообразных или твердых компонентов. СД процессы с р-рителями проводят при атм. или повыш.давлении, без р-рителей-в вакууме.

В СД процессах с р-рителями инертное газообразное в-во (газ-носитель) служит для переноса паров сублимируемых (десублимируемых) в-в, а также для охлаждения газовых смесей при десублимации. Инертное твердое в-во вводят в систему: в качественосителя для переноса продукта десублимации-десублимата (напр., при фракционной сублимац. очистке в-в, см. ниже); для интенсификации подвода теплоты; для обеспечения равномерного индукционного или высокочастотного нагрева исходного материала и т.д.

Десублимация осуществляется на твердые пов-сти или происходит в объеме газовой фазы с выделением твердого в-ва в виде частицаэрозоля.

Известны природные СД процессы, напр.: образование газовых гидратов, образование и изменение ядер комет, десублимация водяногопара в атмосфере, сублимация льда.

Механизмы. Сублимация-эндотермический, а десублимация-экзотермический процессы. В случае сублимации при подводе энергии (конвективный

или контактный нагрев, нагрев излучением, напр. лазерным) происходит разрыв межмол. связей. Сублимир. в-ва м. б. конечными продуктами или направляться на десублимацию, перед к-рой могут подвергаться промежуточной обработке, напр. ад-сорбц. очистке.

При десублимации (процесс самоорганизации)возникают ван-дер-ваальсовы связи между отдельными молекулами в-ва с выделением энергии, к-рую отводят от десублимата не-посредств. контактом его с охлаждаемой твердой пов-стью, взаимод. с вводимым дополнительно хладагентом, испарением жидкости (напр., воды), добавляемой в газовую смесь, ее расширением.

Газовая фаза чаще всего образует идеальную смесь компонентов. Твердая фаза может образовывать системы, в к-рых компоненты полностью взаимно нерастворимы, неограниченно взаимно р-римы, ограниченно р-римы. Характер твердых систем определяет в осн. инженерное оформление СД процессов.

Статика. СД процессы, как и др. процессы с фазовыми переходами первого рода, удобно представлять с помощью трехфазнойдиаграммы состояния (рис. 1). На этой диаграмме сублимац. процесс изображен пунктирными линиями, пересекающими кривую с в точке ниже тройной точки Тр при повышении т-ры и постоянном давлении либо при понижении давления и постоянной т-ре.

Рис. 1. Фазовая диаграмма для сублимац.-десублимац. процессов: а. Ъ. с-кривые давления пара соотв. при плавлении в-ва, наджидкостью, над твердой фазой, Тр-тройная точка; p-давление; T-абс. т-ра.

В случае однокомпонентных систем ур-нием кривой с служит Клапейрона -Клаузиуса уравнение для давления на-сыщ. пара над твердой фазой при энтальпии сублимации H_С = const и абс. т-ре Т:

где A_,-константа, R-газовая постоянная.

Для многокомпонентных систем ур-ние для р_п по форме аналогично ур-нию (1), но зависит от характера взаимод. компонентов.

При десублимации переход от гомогенной системы к гетерогенной начинается с образования единичных элементов новой фазы-твердых зародышей (кластеров), к-рые после достижения критич. размера имеют тенденцию к неограниченному росту. Энергиякластеров увеличивается с возрастанием числа входящих в них молекул, стремясь асимптотически к пределу, равному теплотефазового перехода. Термодинамически возможность протекания СД процессов определяется соотношением:

где энергия Гиббса G < 0; S-изменение энтропии системы. При равновесии G = 0. С повышением т-ры увеличивается термодинамич. вероятность протекания сублимации. Изменение Н_С для молекул, содержащих более 5 атомов, составляет 4-8 кДж/моль. Для молекулс мол. массой М 100 изменение энтропии S = 120-140, для М > 100-от 140 до 160кДж/(моль·К).

Кинетика. Сублимация - многостадийный процесс, для проведения к-рого необходима дополнит. тепловая энергия. При ее подводе частицы в-ва мигрируют на пов-сти твердой фазы из состояния с наиб. прочностью связей в состояние с их меньшей прочностью, а затем в газовую фазу. Одновременно из нее происходит десублимация частиц. При равновесии число десублимировавшихся на пов-сти частиц отличается от числа частиц, ударяющихся о пов-сть. Соотношение указанных потоков определяется т. наз. коэффициентомконденсации или сублимации  (О  1). Макс. скорость СД процессов наиб. просто находят при их проведении в вакууме по ур-нию Герца - Кнудсена;

где р_г-давление паров в-ва в газовой фазе.

Скорости сублимации и десублимации обусловливаются прежде всего скоростью разрушения кристаллов при сублимации и скоростьюкристаллизации при десублимации, а также скоростями переноса массы от пов-сти твердой фазы в газовый поток. По мере протекания сублимации и десублимации изменяются характеристики твердой фазы (толщина и пористость слоя, шероховатость пов-сти и др.) и соотв. интенсивность тепло- и массообмена с газовой фазой.

Аппаратурное оформление и технологические схемы СД процессов. При их осуществлении необходимо обеспечить ввод в систему твердой фазы и подвод к ней энергии, перемещение пара в газовой фазе, выполнение осн. цели (напр., разделения компонентов), отвод тепловой энергии при десублимации; выделение продукта на твердой пов-сти или в объеме газовой фазы, отделение газа-носителя от оставшегося в виде пара или аэрозоля продукта; поддержание в системе необходимых давления и т-ры.

Оборудование для проведения СД процессов включает системы нагрева и охлаждения, подачи газовых потоков, вакуумные, транспортирования твердой фазы и управления процессом. Аппараты для собственно сублимации и десублимации чрезвычайно разнообразны: трубчатые (без оребрения и с разл. оребре-нием), полочные (в т.ч. с вращающимися полками), роторные вихревые, колонные с псевдоожиженным слоем, вакуумные камеры и т.д. Основа расчета таких аппаратов-мат. модели, включающие ур-ния переноса массы, теплоты и импульса в рабочем объеме для паровой фазы и частиц аэрозоля, кинетич. зависимости для разрушения и роста твердой фазы, описание изменения пористой структуры этой фазы и ее поверхностной шероховатости.

Один из важных параметров СД процессов-кол-во подводимой (отводимой) теплоты. Для сублимации данный параметр определяется теплотой фазового перехода, в случае десублимации предварительно находят необходимую величину охлаждения газа по ур-нию:

где -степень улавливания в-ва; H_Д- энтальпия десублимации; _п, _г-плотность пара в-ва и газа-носителя; С_р-теплоемкость газа-носителя; p_п.вх-давление пара в-ва на входе в систему, p -общее давление в ней.

В зависимости от назначения СД процессов используют разные технол. схемы их проведения. Типичные примеры-схемы очистки разл. в-в. Очистка включает простую (однократные сублимация и десублимация) и фракционную сублимацию (многоступенчатая прямо- и противоточная, а также зонная; см. Кристаллизационные методы разделения смесей): Простая сублимация может быть вакуумной (рис. 2, а)или с газом-носителем, к-рый удаляется из системы (рис. 2, б)либо рециркулирует в ней (рис. 2, в). При фракционной сублимации может осуществляться рециркуляция как газообразного, так и твердого носителей (рис. 2, г), что обеспечивает противоток фаз в сублимац. колонне. В этой схеме инертные твердые нелетучие частицы подаются в десублиматор-дефлегматор над сублимац. колонной при т-ре ниже точки десублимации пара; здесь частицы покрываются тонкой пленкой твердого десублимата, создающего обратный поток для укрепляющей части сублимац. колонны. Более летучие компоненты концентрируются в ее верх. части, менее летучие-в нижней. Противоток паровой фазы осуществляется под воздействием температурного градиента (с возрастанием т-ры сверху вниз) либо введением в ниж. часть колонны рециркулирующего инертного газа-носителя, создающего поднимающийся вверх поток пара.

Рис. 2. Схемы сублимац. очистки в-в: а-простая вакуумная сублимация; б-сублимация с инертным газом-носителем; в-сублимация с рециклом газа-носителя; г-фракционная сублимация с рециклами газа-носителя и твердого носителя; 1-сублиматор; 2-десублиматор-дефлегматор; 3-остаток в-ва; 4-нагреват. контур; 5-питание; 6-пар; 7-вентиль (для сублимации из расплава -квазисублимации); 8-охлаждающий контур; 9-смесь пара и газа-носителя; 10, 11, 13-нагретый газ-носитель и его рецикл; 12-смесь газа-носителя и непро-цесублимир. продукта; 14-испаритель; 15-десублиматор обратного потока· 16-рецикл твердого носителя; 17, 18-укрепляющая и исчерпывающая секции.

Применение СД процессов. К достоинствам этих процессов можно отнести: сравнительно высокий равновесный коэф. разделения; возможность в случае использования газовых смесей исключить испарение р-рителей (в отличие от абсорбции и ректификации); меньшая рабочая т-ра (чем при дистилляции); удобство управления процессом нанесения покрытий; возможность получать целевые продукты сразу в товарной форме (дисперсные частицы, монокристаллы, твердые пленки), высокочистые материалы, композиции несплавляемых компонентов (нитевидные кристаллы из неметаллов в металлич. матрице), тонкие и сверхтонкие порошки металлов, ихоксидов. Благодаря этим и др. достоинствам СД процессы нашли широкое распространение (особенно начиная с 70-х гг.) в разл. областях науки и техники.

Сублимац. очистке подвергают неорг. (HfCl₄, A1C1₃,I₂, ряд металлов) и орг. (антрахинон, бензойная и салициловая к-ты, цианурхлорид,фталоцианины) в-ва, материалы для микроэлектроники. В криогенной технике СД процессы применяют для очистки газовых смесей (см.Воздуха разделение). К сублимац. очистке относят также разделение изотопов урана.

СД процессы применяют для выделения целевых продуктов из паровоздушных смесей (напр., фталевый и ма-леиновый ангидриды), получения новых в-в (техн. углерод, алмазы в виде монокристаллов или пленок и т.д.).

Сублимац. сушку (сушку вымораживанием) используют в произ-вах капрона, лавсана и полиэтилена; для очистки Sb₂O₃, CaF₂, ZnS,камфоры, пирогаллола, салициловой к-ты и др.; при получении антибиотиков, пищ. продуктов, мед. препаратов (плазма крови,кровезаменители и т.п.).

СД процессы используют для послойного анализа хим. состава твердых систем (с использованием метода лазерного испарения); для нанесения защитных покрытий на микросферы ядерного топлива, на пов-сти разл. в-в при изготовлении чувствит. датчиков (сенсоров) состава и св-в газов, на пов-сти углеродных волокон и изделий из них, а также на металлич. пов-сти (напр., хромирование); в технологииполупроводников и сверхпроводников; при изготовлении светоизлучающих диодов, оптич. световодов и др. в опгоэлектронике; для записи информации на лазерных оптич. дисках; при создании интегральных схем в микроэлектронике; при тепловой защите сверхзвуковых аппаратов (см. Абляционные материалы); при создании газодинамич. потоков (процессы, протекающие при горениисмесевых твердых ракетных топлив, и др.); для термопереводного печатания (т.е. получения оттисков путем переноса красителя при нагр. с печатной формы на ткань, бумагу, строит. и иные материалы). На этом методе основано, в частности, применение видеопринтеров для получения высококачеств. цветных копий на пленочных носителях. Электрич. сигналы, поступающие в принтер с видеосистемы (напр., дисплея), подводятся к термоголовке, точечные элементы к-рой нагревают нанесенный на рулонную полимерную пленку слой красителей разл. цветов. Красители последовательно сублимируются (в кол-ве, пропорциональном кол-ву энергии, подведенной к каждому элементу термоголовки) и переносятся в газовой фазе к осн. носителю изображения. Метод обеспечивает наиб. высокое среди всех принтеров качество изображения, позволяя воспроизводить св. 16 млн. цветовых оттенков.

СД процессы протекают также при газофазной полимеризации, химических транспортных реакциях, химическом осаждении из газовой фазы. При описании этих и иных процессов, сопровождающихся хим. превращениями, в литературе иногда используют термины "хим. возгонка" и "хим. десублимация".

Экстрагирование -перевод одного или неск. компонентов из твердого пористого тела в жидкую фазу с помощью избират. р-рителя (экстрагента); один из массообменных процессов хим. технологии.
Экстрагирование существенно отличается от экстракции жидкостной, к-рая протекает в гетерог. системе жидкость - жидкость. При экстрагировании размеры твердых тел задаются предшествующими операциями (измельчение).
Различают два принципиально разных способа извлечения: экстрагирование растворенного в-ва и экстрагирование твердого в-ва. В случае экстрагирования растворенного в-ва пористый объем твердого тела заполнен р-ром целевого компонента, к-рый при извлечении диффундирует за пределы пористого тела в экстрагент. Классич. пример - извлечение сахара из свекловичной стружки при ее обработке горячей водой. Экстрагирование твердого в-ва происходит, если целевой компонент, заполняющий пористый объем твердого тела, находится в твердом состоянии. При обработке твердого тела экстрагентом диффузионной стадии предшествует стадия растворенияцелевого компонента. В обоих случаях пористый инертный скелет либо остается в неизмененном виде, либо подвергается определенным изменениям.
К осн. стадиям экстрагирования относят: 1) подготовку сырья и экстрагента (очистка и измельчение сырья, нагревание р-рителя); 2) непосредственное контактирование твердой и жидкой фаз в аппарате, наз. экстрактором; 3) разделение системы твердая фаза - р-р (отстаивание, фильтрование, центрифугирование).
Пром. экстрагенты должны обладать высокой избирательностью, легко регенерироваться и быть сравнительно дешевыми. Таким требованиям отвечают вода, этанол, бензин, бензол, СС1₄ ацетон, р-ры к-т, щелочей и солей.
На скорость и механизм экстрагирования существенно влияет структура твердых пористых тел, особенности строения к-рых определяются их природой и технол. обработкой на стадиях, предшествующих экстрагированию. Такие тела могут обладать изотропной или анизотропной структурой. Изотропные тела имеют одинаковое строение во всех направлениях. Этому условию отвечают тела, состоящие из весьма малых сцементированных между собой частиц, а также тела животного или растит. происхождения, обладающие клеточным строением. При измельчении изотропных тел возможно появление анизотропии. Для анизотропных тел может наблюдаться регулярная анизотропия. Так, в случае растит. объектов, имеющих систему капилляров, направление вдоль капилляра предпочтительно для диффузионного переноса в сравнении с направлением, перпендикулярным к капилляру. При нерегулярнойанизотропии тело можно рассматривать как совокупность емкостей, отделенных одна от другой непроницаемыми перегородками. Особенно неблагоприятно для экстрагирования существование замкнутых областей, изолирующих заключенную в них жидкость от экстрагента.
В соответствии со вторым началом термодинамики при взаи-мод. твердой и жидкой фаз их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, к-рое характеризуется равенством хим. потенциалов извлекаемого в-ва в объеме твердого тела и в осн. массе экстрагента. При извлечении растворенного в-ва это равносильно равенству его концентраций в обеих фазах; условие нарушается, если целевой компонент адсорбируется твердой фазой, тогда равновесие определяется изотермой адсорбции (см. Адсорбция). При извлечении твердого в-ва равновесие обусловлено р-римостью целевого компонента, находящегося в контакте с экстрагентом; при полном извлечении твердого компонента его концентрации в осн. массе р-ра и в пористом объеме выравниваются.
Кинетически экстрагирование подчиняется законам массообмена, конвективной и мол. диффузии (см. Диффузия), а также законам переноса извлекаемого в-ва из твердой фазы в жидкую (см. Переноса процессы). Движущая сила переноса целевого компонента - разность его хим. потенциалов в фазах. На практике для упрощения связи между скоростью процесса и составом материальных потоков движущую силу экстрагирования выражают через переменный во времени градиент концентраций извлекаемого в-ва в фазах.

Массообмен при извлечении растворенного вещества. Концентрационное поле в объеме сферич. пористой частицы радиусом R (наиб. распространенный случай) с изотропной структурой м. б. описано дифференц. ур-нием диффузии в сферич. координатах:

где с - концентрация в-ва, растворенного в пористом объеме твердого тела (целевого компонента); t - время; D - коэф. диффузии в-ва в порах частицы; r - радиальная координата (0 r R).
Диффундирующий из глубины пористого тела целевой компонент достигает его границ и переходит в экстрагент. Этот процесс выражается ур-нием:

где К - коэф. массоотдачи; c₁ - соотв. концентрация в-ва на пов-сти частицы и текущая концентрация в-ва в объеме экстрагента. Вводя безразмерные параметры = r/R и Bi = KR/D, преобразуем ур-ние (2) к виду:

Из ур-ния (3) становится ясным физ. смысл параметра Bi (диффузионное число Био; см. Подобия теория). При Bi параметр , т. е. концентрация в-ва на пов-сти частицы равна его концентрации в р-ре. Такие условия отвечают внутридиффузионному режиму (мол. диффузия), при к-ром экстракц. процесс протекает наиб. интенсивно. При Bi 1 производная мала и с = const; соответствующий режим, наз. внешнедиффузионным (конвективная диффузия), достигается увеличением скорости обтекания твердых частиц жидкостью. Подбирая определенные условия, для обеспечения макс. интенсивности экстрагирования можно перевести внешнедиффузионный режим во внутридиффузионный.
Систему ур-ний (1) и (2) необходимо решать совместно с ур-нием материального баланса, устанавливающим зависимость между с и c₁. Эта зависимость определяется схемой взаимод. фаз при экстрагировании (прямоток, противоток). Для прямоточного процесса:

где V и W - соотв. объем всех пор твердого тела, содержащих р-р, и экстрагента, поступающего в единицу времени в экстрактор; с₀ - начальная концентрация целевого компонента в порах; с_н - начальная концентрация целевого компонента в экстрагенте; - осредненная (к моменту времени t)концентрация целевого компонента в пористом объеме. Последняя составляет:

Для противоточного процесса:

где с_к - конечная концентрация целевого компонента в экстрагенте на выходе из экстрактора.
Система ур-ний (4) и (5) имеет решение:

где = Dt/R², = V/W; t = l/v (l - длина аппарата, v - скорость перемещения твердой фазы); _n - корни характеристич. ур-ния ; с_т = с_н при (прямоток) и с_т= с_к при (противоток).

Массообмен при извлечении твердого вещества. Возможны разл. варианты распределения твердого целевого компонента по объему частицы; во мн. случаях наблюдается равномерное распределение. Вследствие растворения в-ва и диффузии его за пределы частицы область, содержащая твердый целевой компонент, при экстрагировании систематически сокращается. Процесс описывается ур-нием (1) при краевых условиях: и где r₀ - радиус сферы, в к-рой целевой
компонент сохраняется в твердом виде; c_s - концентрация насыщения р-ра целевым компонентом.
Вместо решения задачи с подвижной границей раздела фаз можно использовать также приближенное ур-ние:

где М - масса твердого целевого компонента в объеме частицы.
Рассматривая медленный процесс извлечения твердого в-ва как квазистационарный, т. е. такой, при к-ром в каждый момент времени "успевает" установиться стационарное распределение концентраций в виде [(с_s - с)/(с_s — c₁)] = = [(1 - r_о/r)/(1 - r_о/R)], находят:

где Из ур-ния (8) определяют время t_э, извлечения всего в-ва из частицы радиусом R:

Более общую задачу непрерывного экстрагирования (прямоток, противоток) решают, используя ур-ния материального баланса (4) и (5).

Аппаратурное оформление процесса

По взаимному направлению движения твердой фазы и экстрагента экстракторы подразделяют на прямоточные и противоточные, по режиму работы - на аппараты периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.

Экстракторы периодического и полунепрерывного действия. наиб. распространены камерные аппараты (реакторы) с мех., пневматич. или пневмомех. перемешиванием, а также т. наз. настойные чаны с неподвижным слоем твердых частиц с циркуляцией (перколяторы) и без циркуляции экстрагента. Аппараты для экстрагирования в плотном слое обычно располагаются вертикально и имеют комбинир. форму: в осн. части цилиндрическую, с одного или обоих концов - форму усеченного конуса. На решетку сверху загружается слой твердого материала, через к-рый сверху вниз протекает экстрагент; для выгрузки твердого остатка служит откидное днище.

Выпаривание представляет собой процесс концентрирования раствора нелетучих веществ путем испарения жидкого летучего растворителя. Часто это необходимо для повышения скорости последующих химических превращений за счет увеличения концентрации растворенного вещества, а также для удешевления и облегчения транспортировки и хранения готовой продукции. Процесс выпаривания применяют как для частичного удаления растворителя, так и для полного разделения раствора на растворитель и растворенное вещество. В последнем случае выпаривание сопровождается кристаллизацией.

В химической промышленности выпаривание широко применяется для концентрирования водных растворов щелочей и солей (едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др.), а также высококипящих жидкостей, обладающих, как и твердые тела, при температуре выпаривания малым давлением пара (глицерин, серная кислота и т. п.). Широкое применение выпаривание получило в пищевой, целлюлозно-бумажной, фармацевтической промышленности и в цветной металлургии. Применяют выпаривание и для опреснения морской воды.

Физическая сущность выпаривания заключается в превращении растворителя в пар при кипении раствора и удалении образующегося пара. Переход жидкости в пар может происходить при любой температуре, поэтому следует различать испарение и кипение.

Испарение происходит только с поверхности жидкости и при любой температуре ниже температуры кипения, при любой низкой упругости пара. При этом необходимо, чтобы упругость пара была больше его парциального давления в окружающем пространстве. С повышением температуры жидкости увеличивается упругость ее паров. Когда упругость паров становится равной внешнему давлению, жидкость кипит. Парообразование при кипении происходит по всей массе жидкости и является более интенсивным процессом, чем испарение. Поэтому выпаривание проводят в условиях кипения, а не испарения.

Источником тепловой энергии при выпаривании могут служить любые теплоносители, хотя чаще всего используется насыщенный водяной пар, который называют греющим, или первичным. Греющий пар отдает тепло выпариваемому раствору через стенку («глухой» пар). Пар, образующийся при кипении выпариваемого раствора, называют вторичным.

В зависимости от свойств выпариваемого раствора и дальнейшего использования тепла вторичного пара выпаривание производят как при атмосферным давлением, так и при давлениях выше (избыточном) или ниже атмосферного (вакуум). Самым простым способом является выпаривание под атмосферным давлением, но образующийся при этом вторичный пар не используется, а удаляется в атмосферу. Вторичный пар, отбираемый на сторону вне целей выпаривания, называют экстра-паром.

Выпаривание под избыточным давлением позволяет использовать тепло вторичного пара, но обусловливает повышение температуры кипения раствора и, следовательно, требует применения греющего агента с более высокой температурой. Поэтому данный способ следует применять для выпаривания растворов, не чувствительных к высоким температурам.

Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению с двумя рассмотренными выше способами:

а) позволяет снизить температуру кипения раствора, что очень важно при выпаривании растворов, чувствительных к высоким температурам, а также высококипящих растворов, когда температура греющего агента не позволяет вести процесс при атмосферном давлении;

б) при вакууме увеличивается разность температур между греющим агентом и кипящим раствором, что, при прочих равных условиях, позволяет уменьшить поверхность теплообмена аппарата;

в) за счет понижения температуры кипения раствора при разрежении можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температуры и давления);

г) можно использовать в качестве греющего агента вторичный пар самой выпарной установки, что значительно снижает расход первичного греющего пара (см. многокорпусное выпаривание).

В химической технике выпаривание осуществляют либо в одном аппарате (однокорпусное выпаривание), либо в нескольких последовательно соединенных между собой аппаратах (многокорпусное выпаривание). Применяется также однокорпусное выпаривание с тепловым насосом.

Схема материальных потоков в выпарном аппарате:

Кристаллизация -переход в-ва из газообразного (парообразного), жидкого или твердого аморфного состояния в кристаллическое, а также из одного кристаллич. состояния в другое (рекристаллизация, или вторичная кристаллизация); фазовый переход первого рода. Кристаллизация из жидкой или газовой фазы-экзотермич. процесс, при к-ром выделяется теплота фазового перехода, или теплота кристаллизации; при этом изменение энтропии в большинстве случаев составляет [в Дж/(моль^.К)]: для простых в-в 5-12, для неорг. соед. 20 - 30, для орг. соед. 40-60. Рекристаллизация может протекать с выделением либо поглощением теплоты. В пром-сти и лаб. практике кристаллизацию используют для получения продуктов с заданными составом, содержанием примесей, размерами, формой и дефектностью кристаллов (см. Дефекты, Кристаллическая структура. Кристаллы), а также для фракционного разделения смесей (см.Кристаллизационные методы разделения смесей), выращивания монокристаллов и др.
Физико-химические основы процесса. Условия, при к-рых возможна кристаллизация, определяются видом диаграммы состояния. Чтобы кристаллизация протекала с конечной скоростью, исходную фазу необходимо переохладить (перегреть), пересытить кристаллизующимся в-вом или внести во внеш. поле, снижающее р-римость кристаллизующейся фазы. В переохлажденной (перегретой) либо пересыщенной фазе происходит зарождение новой фазы - образуются центры кристаллизации, к-рые превращ. в кристаллы и растут, как правило, изменяя форму, содержание примесей и дефектность. Центры кристаллизации возникают гомогенно в объеме начальной фазы и гетерогенно на пов-стях посторонних твердых частиц (первичное зародышеобразование), а также вблизи пов-сти ранее сформировавшихся кристаллов новой фазы (вторичное зародышеобразование).

Перекристаллизация -один из самых эффективных методов очистки твердых соединений. Этот метод основан на различной растворимости химических соединений в горячем и холодном растворителе (изогидрическая кристаллизация) или на изменении концентрации раствора (изотермическая кристаллизация). Изменение кристаллического строения вещества при нагревании или охлаждении.

Высушивание твердых веществ в лаборатории в большинстве случаев является конечной операцией очистки. При переработке многих природных веществ высушивание является начальной операцией.

Высушивание на воздухе. Проще всего производится высушивание влажных веществ на воздухе. Само собой разумеется, что для ускорения процесса, если это допустимо, высушивание ведется по возможности при движении воздуха. В лаборатории движение воздуха почти всегда бывает под тягой, задвижку которой следует открыть до получения максимального эффекта. Слой высушиваемого вещества толщиной меньше пальца наносят на фильтровальную бумагу, а если возможно — на проволочную сетку. Когда таким образом приходится высушивать много материала, пользуются для этой цели деревянной рамой, оплетенной проволочной сеткой, подобно производственным сушильным сеткам.

Часто предварительное высушивание на воздухе нужно рекомендовать как переход к высушиванию другими методами.

Высушивание при комнатной температуре с помощью высушивающих средств. Для высушивания чувствительных к температуре или низкоплавких веществ их помещают вместе с высушивающими средствами, абсорбирующими влагу, в закрытые сосуды, называемые эксикаторами.

Высушивание при повышенной температуре. Для высушивания при повышенной температуре употребляют в первую очередь общеизвестные сушильные шкафы. Там, где это допустимо, устраивают паровой сушильный шкаф, внутренняя температура которого устанавливается постоянной.

В производстве применяются точно отрегулированные сушильные аппараты с вращающимися барабанами. Лаборатория едва ли в состоянии применять такую аппаратуру.

Из многочисленных типов обыкновенных сушильных шкафов обычно используются только немногие. Почти всегда можно пользоваться широко распространенным стенным сушильным шкафом, нагреваемым газом, с одним тубусом для термометра и вторым на случай необходимости для регулятора. Само собой разумеется, высушиваемое вещество помещают не прямо на нагреваемое дно, а на расположенную на половине или на одной трети высоты промежуточную ситообразную полку, на уровне которой устанавливают шарик термометра или терморегулятор.

В сушильных шкафах, обогреваемых газом, применяют не бунзеновские горелки, а нагревательные змеевики или спирали, вследствие несравненно лучшего распределения тепла и для сбережения от разрушения дна сушильного шкафа.

Высушивание при повышенной температуре с высушивающими средствами. Для больших количеств материала лучше всего подходят имеющиеся в продаже вакуумные сушильные шкафы, которые загружаются подходящим высушивающим средством в открытых чашках. Для меньших количеств служат так называемые патроны для высушивания. Они могут вставляться в шкафы для нагревания, имеющие в боковой стенке соответствующее отверстие, или в цилиндрические сосуды с двойными стенками с нагревательным приспособлением и обратным холодильником, в которых соответствующая жидкость нагревается до кипения. Очень изящной и целесообразной является конструкция, изготовленная целиком из стекла. При этом высушивающее средство всегда остается при комнатной температуре

Для внесения веществ в сушильное пространство применяют жестяные корытца, в которые помещают лодочки, бюксы и т.д.

Дата добавления: 2015-07-15