Методы кристаллизации

Процесс кристаллизации можно проводить периодически или непрерывно. Периодическую кристаллизацию применяют в мало­тоннажных производствах. В крупнотоннажных производствах, например в сахарной промышленности, процессы кристаллизации организованы по непрерывной схеме.

В пищевой промышленности используют следующие методы кристаллизации: с частичной отгонкой воды, с охлаждением или нагреванием исходного раствора, комбинированно.

Кристаллизация с частичной отгонкой воды осуществляется в вакуум-аппаратах. Отгонка воды происходит путем ее испарения. В тех же вакуум-аппаратах проводят кристаллизацию раствора.

Недостаток этого метода кристаллизации — отложение кристаллов на поверхностях теплопередачи вакуум-аппаратов. Выпадение кристаллов на трубах и стенках аппаратов затрудняет их выгрузку. Кристаллизация с охлаждением растворов водой или воздухом позволяет получить пересыщенные растворы.

МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Общий материальный баланс кристаллизации описывается формулой

где G_н, G_Kp, G_u — массы соответственно исходного раствора, полученных кристаллов и маточного раствора, кг; W — масса удаленной воды, кг.

Баланс по абсолютно сухому растворенному веществу

где х_н, х_м.— концентрации соответственно исходного и маточного растворов, массовые доли; а=М/М_кр — отношение молекулярных масс абсолютно сухого растворенного вещества и кристаллосольвата, при кристаллизации без присоединения молекул воды М=М_кр ,а=1.

Массу удаленного растворителя при а=1 находят по формуле

Массу образовавшихся кристаллов определяют совместным решением уравнений (23.6) и (23.7):.

При испарении воды в воздух масса сухого воздуха (в кг) опреде­ляется из уравнения L=W(x₂— х_г), где х₂ их_г — соответственно ко­нечное и начальное влагосодержание воздуха, кг влаги на 1 кг сухого воздуха.В случае кристаллизации без отгонки растворителя (W=0) При а=1

Рассмотрим кристаллизацию с отгонкой части воды. На кристал­лизацию поступает исходный рас­твор G_H, из которого образуется G кристаллов и G_M маточного раствора.

Для отгонки растворителя в кристаллизатор подается D гре­ющего пара (рис. 23.2).

Введем обозначения: i, L /_м, 'вт> '*'» ^г"— удельные

энтальпии соответственно раствора, кристал- Рис. 23.2. Схема тепловых потоков лов, маточного раствора, вторич­ного пара, греющего пара и кон­денсата, кДж/кг; г — теплота образования кристаллической решетки кристаллов, кДж/кг; Aq — тепловой эффект концентриро­вания раствора от х_н до х_и.

При кристаллизации раствора происходит образование кристал­лической решетки и выделяется некоторое количество теплоты (теплота затвердевания), а при растворении вещества требуются затраты теплоты. Если растворяемое вещество вступает в химичес­кое взаимодействие с растворителем с образованием гидратов, при этом выделяется теплота. Суммарной тепловой эффект кристалли­зации в зависимости от теплоты затвердевания и образования гидра­тов может быть положительным или отрицательным.

С учетом введенных обозначений теплота кристаллизации бкр⁼бкр^гк_Р> теплота гидратации Q=±AqG_h?c_M.

Согласно схеме тепловых потоков (см. рис. 23.2) тепловой баланс можно представить равенством

(23.11)

откуда можно определить расход пара на кристаллизацию по урав­нению

В случае охлаждения раствора массовый расход: охлаждающей воды

74.Рекуперативные теплообменники в зависимости от конструкции разделяются на кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», змеевиковые, пластинчатые, спиральные, оросительные и аппараты с рубашками. Особую группу составляют трубные выпарные аппараты. Кожухотрубные теплообменники наиболее широко распространены в пищевых производствах. Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками (рис) состоит из цилиндрического корпуса, который с двух сторон ограничен прива­ренными к нему трубными решетками с закрепленными в них греющими трубами. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки. Один поток теплоносителя, например жидкость, направляется в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Другой поток теплоносителя, например пар, вводится в межтрубное простран­ство теплообменника, омывает снаружи греющие трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок.

Рис. Схема вертикального одноходового кожухотрубного теплообмен­ника с неподвижными трубными решет­ками и размещение труб в трубной решетке:1— корпус; 2 — трубная решетка; 3 — греющая труба; 4 — патрубок; 5 — днища; 6 — опорная лапа; 7 — болт; 8 — прокладка; 9 — обечайка

Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки труб. Греющие трубы соединены с трубной решеткой сваркой либо развальцованы в ней (см. узел Б на рис. 14.11,а). Греющие трубы изготовляют из стали, меди или латуни. Размещают греющие трубы в трубных решетках несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное) и по концентрическим окружностям. Такие способы размещения обеспечивают создание компактной конструкции теплообм-ка. Шаг размещения труб зависит от внешнего диаметра тру­бы. При развальцовке труб в трубной решетке шаг определяют по формуле f=(l,3...1,5)*d_H. Диаметр корпуса теплообменника

D=(l,3...1,5)*(b-l)d_H+4d_H, (14.30) где b— число труб, расположенных по диагонали наибольшего шестиугольника; b=2а—1 (здесь а — количество труб, расположенных по стороне наибольшего шестиугольника); d_H — наружный диаметр трубы. Общее количество труб в теплообменнике

n=За(а-1)+1. (14.31) Длину труб при известном диаметре вычисляют в зависимости от площади поверхности теплообмена l=F /(n*d_срn). (14.32) С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных тепло­обменниках пучок труб секционируют, т. е. разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последова­тельно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перего­родок в верхнем и нижнем днищах.

Простейшее устройство для компенсации температурных удли­нений — линзовый компенсатор (рис. 14.14,я), кото­рый устанавливается в корпусе теплообменника и компенсирует температурные деформации осевым сжатием или расширением.

Теплообменники с U-o бразными греющими трубами (рис.Рис. 14.14. Устройство теплообменников с компенсацией температурных напряжений:а — с линзовым компенсатором: 1 — кор­пус; 2 — греющая труба; 3 — линзовый ком­пенсатор; 6 — с U-образными греющими трубами: 1 — крышка; 2 — корпус; 3 — U-образные греющие трубы •14.14,6) имеют одну трубную решетку, в которой закреплены оба конца U-образных труб. Каждая труба при нагревании может удлиняться независимо от других, тем самым компенсируя температурные напряжения.

Кожухотрубные теплообменники используют для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью. Жидкость пропускается по трубам, а пар — в межтрубном пространстве. Преимущества кожухотрубных теплообменников заключаются в компактности, невысоком расходе металла, легкости очистки труб изнутри (за исключением теплообменника с U-образными трубами). Недостатки этих теплообменников: сложность достижения высоких скоростей теплоносителей, за исключением многоходовых теплообменников; трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта; сложность изготовления из материалов, не поддающихся развальцовке и сварке, например из чугуна и ферросилида. Теплообменники типа «труба в трубе» состоят из ряда наружных труб большего диаметра и расположен­ных внутри их труб меньшего диаметра (рис. 14.15). Внутренние и внешние трубы элементов соединены друг с другом последова­тельно с помощью колен и патрубков. Один из теплоносителей движется по внутренней трубе, а другой по кольцевому каналу, образованному внутренней и внешней трубами. Теплообмен осуществляется через стенку внутренней трубы.

В этих теплообменниках достигаются высокие скорости тепло­носителей как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При необходимости создания больших площадей поверхностей теплопередачи теплообменник составляют из нескольких секций, получая батарею. Преимущества теплообменников типа «труба в трубе»: высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей, простота изготовления. Недостатки этих теплообменников заключаются в громоздкости, высокой металлоемкости, трудности очистки межтрубного пространства. Теплообменники типа «труба в трубе» применяют при небольших расходах теплоносителей для теплообмена между двумя жидкостями и между жидкостью и конденсирующимся паром. Погружные змеевиковые теплообменники представляют собой трубу, согнутую в виде змеевика и погруженную в аппарат с жидкой средой (рис. 14.16). Теплоноситель движется внутри змеевика. Змеевиковые теплообменники изготовляют с плоским змеевиком или со змеевиком, согнутым по винтовой линии. Преимущество змеевиковых теплообменников — простота изго­товления. В то же время такие теплообменники громоздки и трудно поддаются очистке. Погружные теплообменники применяют для охлаждения и нагрева конденсата, а также для конденсации паров. Оросительные теплообменники используют для охлаждения жидкостей, газов и конденсации паров. Сост они (рис.) из неск-х расположенных одна над др труб, соедин-х коленами. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель. Охлаждающая вода поступает в распределит-й желоб с зубчатыми краями, из к-го равномерно перетекает в верхнюю трубу теплообменника и на расположенные ниже трубы.

Рис. 14.16. Погружной змеевиковый теп- Рис. 14.17. Оросительный теплообменлообм-к:1 — змеевик; 2 — корпус 1 — распределит-й желоб; 2 — труба; 3 —колено; 4 — стойка; 5 — сборный желоб Часть охлаждающей воды испаряется с поверх-ти труб. Под нижней трубой нах-ся желоб для сбора воды. Коэф-т теплопередачи в таких теплообм-ках невелик. Оросительные теплообм-ки просты по устр-ву, но металлоемки. Обычно их устан-ют на открытом воздухе.

75. Экстрагирование. Равновесие в процессах экстракции. Треугольная диаграммаЭкстракцией в системе жидкость — жидкость называют процесс извлечения растворенного вещества или веществ из жидкости с помощью специальной другой жидкости, не растворяющейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагиру­емые компоненты.

В экстрактор загружаются исходный раствор F, содержащий рас­пределяемое (экстрагируемое) вещество или вещества М, и раство­ритель L. Жидкость, используемая для извлечения компонентов, называется экстрагентом (Е). Массообмен между фазами протекает при их непосредственном контакте. Полученная в резуль­тате экстракции жидкая смесь поступает в разделитель, где разделя­ется на экстракт (Э) — раствор экстрагированных веществ в экстрагенте и рафинат (R) — остаточный раствор, из которого экстраги­рованы извлекаемые компоненты. Разделение смеси на экстракт и рафинат происходит в результате отстаивания или сепарирования.

Экстракцию широко используют для извлечения ценных продук­тов из разбавленных растворов, а также для получения концентри­рованных растворов.

РАВНОВЕСИЕ В СИСТЕМЕ ЖИДКОСТЬ—ЖИДКОСТЬ

Переход распределяемого вещества из одной жидкой фазы (ис­ходного раствора) в другую (экстрагент) происходит до установле­ния равновесия, т. е. до выравнивания химических потенциалов фазах. В процессе участвуют три компонента (К=3) и две фазы (Ф=2). Согласно правилу фаз вариантность системы F=3. Однако температура и давление при проведении процесса экстракции, как правило, поддерживаются постоянными. Тогда вариантность экстракционной системы будет равняться единице.

При частичной взаимной растворимости жидких фаз каждая из них при экстракции будет представлять собой трехкомпонентный раствор. Составы трехкомпонентных смесей представляют в тре­угольной системе координат (рис. 19.2).

В вершинах равностороннего треугольника L, М, Е отложены составы частых (100%-ных) компонентов: растворитель исходного раствора L, экстрагент Е и распределяемое вещество М. Каждая точка на сторонах LM, ME и EL соответствует составу двухкомпонентных растворов.

Площадь, заключенная внутри треугольника, соответствует составам трехкомпонентных растворов (тройным смесям). Для определения содержания каждого компонента в растворе на сторо­нах диаграммы нанесены шкалы отсчета. Длина каждой стороны принята за 100 % (массовых, объемных или мольных).Состав раствора или смеси определяется длиной отрезков, проведенных параллельно каж­дой стороне треугольника до пересечения с двумя другими.

Например, точка N характе­ризует тройную смесь, состо­ящую из 30% растворителя L, 41% экстрагента Е и 30% рас­пределяемого вещества М.

На треугольной диаграмме изображаются процессы измене­ния состава трехкомпонентных смесей. При прибавлении к раствору, характеризуемому точ­кой N (рис. 19.3, а), распределя­емого вещества М содержание компонентов Е и L не изменяется, а точки, определяющие составы полученных растворов, будут находиться на прямой NM, приближа­ясь к вершине треугольника М, в зависимости от количества прибав­ленного компонента М.

При извлечении распределяемого вещества М из смеси N и точ­ки, соответствующие получаемым составам, будут лежать на пря­мой РМ, и чем более будет разбавлен раствор, тем ближе к стороне треугольника LE.

Разбавление смеси состава N экстрагентом Е харак-ет линия NE.

С помощью треугольной диаграммы по известному колич-ву и

Рис. 19.3. Изменение состава трехкомпонентных смесей на треугольной диаграмме: а — концентрирование и разбавление смеси; б — смешивание двух трехкомпонентных смесей

составу исходной смеси (точка N) и составам, получаемым при ее разделении на экстракт (точка Э) и рафинат (точка R), можно опре­делить количество этих фаз (рис. 19.3, б) по уравнению материаль­ного баланса

R+9=N, где R, Э, N— масса соответственно рафината, экстракта, исходной смеси, кг.

По правилам рычага имеем 3/R=RN/9N. (19.2)

Изобразим линию равновесия в треугольной диаграмме. Примем условие, согласно которому распределяемое вещество М неограни­ченно растворяется в обеих жидких фазах L и Е, а сами раствори­тели имеют ограниченную растворимость друг в друге (рис. 19.4).

Составы однородных двухкомпонентных растворов М и L и М и Е характеризуются точками на сторонах диаграммы LM и ЕМ. Рас­творители L и Е образуют однородные растворы только на неболь­ших участках LR и ЭЕ. Смесь растворителей на участке ЛЭ расслаи­вается на два однородных двухкомпонентных насыщенных раствора R (насыщенный раствор Е в L) и Э (насыщенный раствор L в Е). Причем количество насыщенных растворов в каждом из двух слоев определяется положением точки N и находится по правилу рычага см. ур (19.2).

При добавлении вещества М в смесь состава N образуется трой­ная смесь состава, характеризуемого точкой N₁ лежащей на прямой NM. Смесь состава N₁ расслаивается на две фазы с равновесными составами R₁ и Э₁ в соотношении Э₁N₁/(Л₁N₁). При дальнейшем добавлении в смесь распределя­емого вещества М₂, М₃,... полу­чим тройные смеси составов N₂, N₃,..., которые также рас­слаиваются на фазы с равновес­ными составами R₂ и Э₂, R₃ и Э₃ и т. д. При этом меняются и мас­совые соотношения равновес­ных расходов до того момента, когда одна из фаз исчезнет в рас­сматриваемом случае при соста­ве N₄ После этого при добавле­нии распределяемого вещества М образуются однородные трой­ные растворы состава N₅ и др.

Если соед-ть R₁ и Э₁ R₂ и Э₂, прямыми линиями, получим хорды равновесия Я₁Э₁, R₂Э₂, соответствующие равновес­ным составам. Хорды равновесия сходятся в точке К, называемой критической. Наклон хорды равновесия определяется природой компонентов и составом фаз. Соединив точки, характеризующие равновесные составы R, R_x, R₂,... и Э, Э_р Э₂,..., плавной кривой, получим кривую равновесия (бинодальную кривую). Ветвь RK кривой равновесия характеризует равновесные составы фазы растворителя L, а ветвь ЭК — равновесные составы фазы рас­творителя Е.

Дата добавления: 2015-11-16