CC BY
25
УДК 66.065.5
Д. А. Попов, Р. В. Маханова, Г. А. Носов
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
КОНТАКТНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ХЛАДОАГЕНТА РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ
Process of contact crystallisation of substances from their solutions with use of cooled di-luted solution as a codant is offered. Theoretical analysis of considered process with reference to allocation of some substances from their solutions is carried out. Influence of various paramétrés on a course of process is studied and area of its possible application is found.
Предложен процесс контактной кристаллизации веществ из их растворов с использованием в качестве хладоагента охлажденного разбавленного раствора. Произведен теоретический анализ рассматриваемого процесса применительно к выделению ряда веществ из их растворов. Изучено влияние различных параметров на ход процесса и установлены области его возможного применения.
Контактная кристаллизация является одним из методов фракционной кристаллизации. Она довольно широко применяется для выделения веществ из их растворов и для разделения различных смесей. Этот метод позволяет существенно повысить интенсивность процесса охлаждения и исключить образование кристаллов на охлаждаемых поверхностях. В известных методах контактной кристаллизации в качестве хладоагентов чаще всего используется охлажденные жидкости и сжиженные газы. Недостатком данного процесса является возможность загрязнения продуктов разделения хладоа-гентами. Этот недостаток может быть устранен при использовании предлагаемого нами нового метода контактной кристаллизации веществ с использованием в качестве хладоагента охлажденного разбавленного раствора. Ранее нами были исследованы процессы с использованием охлажденного и отвержденного чистого растворителя [1,2,3]- В настоящей работе нами предложен процесс контактной кристаллизации веществ из их растворов с использованием в качестве хладоагента охлажденного разбавленного раствора. Принципиальная схема такого метода разделения представлена на рис. 1, а на рис. 2 показано его изображение на диаграмме равновесия фаз применительно к разделению эвтектикообразующих смесей. Исходный раствор F с концентрацией хр растворенного вещества А и с температурой tp на стадии кристаллизации Кр смешивается с охлажденным разбавленным раствором V с концентрацией ху и температурой tv2 ■ В результате такого смешения температура получаемой смеси гф может оказаться ниже температуры насыщения получаемого раствора С, и в системе произойдет процесс кристаллизации. После разделения полученной суспензии на стадии сепарации Ф получается кристаллическая фаза К с концентрацией хк и маточник М с концентрацией хм- Полученный маточник М разделяется на две части. Одна из них Mo отводится, а оставшаяся Мр направляется на стадию разбавления Н чистым растворителем Р до заданной концентрации ху. Далее разбавленный раствор V подается в теплообменник Т, где охлаждается от температуры tyi
до Г;/?. После этого охлажденный раствор V подается на стадию кристаллизации в качестве хладоагента.
Количество получаемой кристаллической фазы К и маточника М, очевидно, будет зависеть от соотношения масс смешиваемых потоков исходной смеси Р и охлажденного разбавленного раствора V, температур tp и 1у2, концентраций исходного раствора хр и концентрации разбавленного раствора ху,; а также от теплофизических свойств разделяемой смеси.
Рис. 1 Принципиальная схема процесса контактной кристаллизации с использованием охлажденного растворителя.
Анализ рассматриваемого процесса кристаллизации показал, что при постепенном добавлении охлажденного разбавленного раствора к исходному раствору Р имеет место две стадии: простое охлаждение раствора до его насыщения (линия РИ) и охлаждение, сопровождающееся кристаллизацией растворенного вещества (линия МГ). Рассмотрим более подробно эти стадии.
Исходный раствор Р с концентрацией растворенного вещества А, равной хр, на стадии простого охлаждения смешивается с охлажденным разбавленным раствором. Материальный баланс такого процесса описывается уравнением
Рхи+Уху =(Р + У)х (1)
где Ху - содержание растворенного вещества в охлажденном разбавленном
растворе V; х - содержание растворенного вещества в получаемом растворе
Из уравнения (1) получается следующая зависимость для определения концентрации получаемого раствора
Рхг + Ух,, хг + ах,,. .
х = ——------— = —!------ ( 2)
Р + У 1 + а
где а — У/Р - относительный расход охлажденного разбавленного раствора.
Температуру получаемого раствора на стадии простого охлаждения Г можно определить, используя уравнение теплового баланса данной стадии
Рср1р + УСуЛу = (^ + У)с(
или Ср1р + аСу1у = (1 + а)а , (3)
где Ср, Су, с - теплоемкости исходного раствора, охлажденного разбавленно-
го раствора и получаемого раствора; 1Р - температура исходного раствора; 1У - температура охлажденного разбавленного раствора.
ip
t V2
Р
F
N /
М ¿г CJ К
V
і ' /
Е \
Xv
Хм
Хг
If
1л
1<р
t£
А
Рис. 2 Изображение процесса контактной кристаллизации с использованием охлажденного растворителя на диаграмме равновесия фаз.
Из уравнения (4) можно определить температуру получаемого рас-
твора
t -
cFtF +acvtr
(4)
(1 + а)с
Заметим, что теплоемкость получаемого раствора зависит от его состава х. Величину с можно определить, используя правило аддитивности
с = сАх + ср (1 - х) = ср - {ср - са )х, (5)
где сА и ср - теплоемкости растворенного вещества А и чистого растворителя Р.
С учетом зависимостей (2) и (5) выражение (4) будет иметь вид
t =---------(>7 + ac>'ty -------. (6)
(1 - а)ср - (ср - сА )(Хр + аху )
При анализе рассматриваемого процесса возникает задача определения удельного расхода разбавленного раствора , при котором получаемый на стадии кристаллизации раствор достигает насыщенного состояния. Эта задача может быть решена при совместном рассмотрении зависимости (6) с уравнением, описывающим кривую растворимости компонента А в растворителе
хн = f(tH). (7)
Рассмотрим частные случаи решения задачи определения величины ан . Если кривая растворимости (линия ликвидуса) разделяемой смеси близ-
ка к прямой, то зависимость равновесной концентрации (концентрации насыщения) от температуры можно описать уравнением:
хн = Ь ~ р!н , (8)
где хн - концентрация насыщенного раствора при температуре tHl,p и Ь -
постоянные коэффициенты для рассматриваемой системы.
При совместном решении (6) и (8) получается следующая зависимость для определения относительного расхода охлажденного разбавленного раствора при достижении насыщенного состояния
-Д ±л/Д, -4АС 2Д
где 4 = Ху (сА -ср) + ср (ху -Ь) + Ьху (Ср - СА)~ рСу;
Вх = 2[хухр (сА -ср) + Ъху |ср - сА)] + Ср (ху + Ху - 36) + ЪхР (ср -сА)~ р(с^Р + су1у);
С, = х2р(сА — ср) + Ср(хр -Ь) + Ъхр(,ср -сА ) - рср!р .
Зная величину ан можно определить значения и хя. Аналогичная же задача может быть решена для случаев, когда равновесие фаз описывается другими функциональными зависимостями.
Рассмотрим теперь стадию кристаллизации. Для данной стадии расход охлажденного разбавленного раствора должен быть больше величины ан . Материальный баланс данной стадии описывается уравнениями:
Р + У = К + М ; (10)
Рху + Уху ;= Кхк + Мхм . (11)
При совместном решении уравнений (10) и (11) получается следующая зависимость для расчета выхода кристаллической
_ К _ (хР-хм) + а(ху-хи) хр-хм(\ + а) + аху
Р хк — хм хк хм
Величина хм зависит от температуры получаемого раствора, то есть
%=/(0- (13)
В частном случае, когда кривая растворимости близка к прямой, величину хм можно определить по уравнению
хм=Ъ + р(14) При подстановке хм из выражения (14) в уравнение (12) получим следующую зависимость для расчета выхода кристаллической фазы
_ Хр ~(Ъ + рф + а) + аху
СРк хк-(Ь + рг)
Для определения температуры получаемой суспензии Г можно использовать уравнение теплового баланса процесса
Рср1р + 1'с: /у + Кгкр = Кс^ + Мск^
или с^р + асуЛу + (ркгкр = <ркск{ + (рмсм1, (16)
где гкр - теплота кристаллизации растворенного вещества; ск и см — тепло-
емкости кристаллической фазы и маточника.
При совместном решении уравнений (15) и (16) получается следующая зависимость для расчета температуры суспензии, образующейся на стадии кристаллизации
где Л2 = р[ск(1 + а)-хк(су -сА)(1 + а) + (cv -сА)(xF +axv);
= p[(cFtF -acvtv -(1 + a)\ +cK(l+a)b-xK(cv -cA)(\+a)b+xh{b(cv -cA)-cK] + 4-Ху (Су cA )ab, Cj — ^Суіу )(-^-/f — ¿0 + \_%F ¿(1 + (з)]
Используя полученные зависимости, нами был произведен теоретический анализ рассматриваемого процесса применительно к выделению ряда веществ из их растворов. При этом было изучено влияние различных параметров на ход процесса и области его возможного применения. Так для вод-но-солевых систем осуществление процесса контактной кристаллизации затруднительно из-за физико-химических свойств компонентов системы. В данном случае кристаллизации целевого компонента достичь практически невозможно. В то же время данный процесс легко осуществим для многих органических систем.
1. Носов Г.А., Кесоян Г.А., Попов Д.А. Контактная кристаллизация с использованием охлажденных растворителей. // Вестник МИТХТ, 2008. Т.З. №2. С. 40-44.
2. Контактная кристаллизация веществ из водных растворов./ Г.А.Носов [и др.]; // Химическая технология, 2003. №3. С. 2-5
3. Кристаллизация веществ из растворов с использованием бинарных растворителей и контактных методов охлаждения. /Г.А. Носов [и др.]; // Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация для техники и медицины: Тезисы V мжд. науч. конф. [23-25 сентября 2008, Ярославль]. Ярославль, 2008.
УДК 621.577:660.65.5
М. Е. Уваров, Г. А. Носов.
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ ПРИ ОЧИСТКЕ ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Considered the schemes of purification of substations by the means them crystallization from admixtures with employment of a calorific pumps. It is shown that using of the calorific pumps allows decreasing significantly power inputs for realization of this purification.
t =
(17)
Библиографические ссылки
