CC BY
42
9
C fi & £ tl в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. № 7 (100)
ретического анализа процесса кристаллизации и охлаждения гранул в потоке хладоагента. // ТОХТ, 1984. Т. 18. №1. С. 13-19.
8. Исследование возможности гранулирования в башнях аммиачной селитры с добавками сульфата аммония./ АЛ. Таран [и др.]; // Хим. промышленность, 1991. №12. С. 743-749.
9. Олевский В.М. Технология аммиачной селитры. М.: Химия, 1978. 312 с.
10. Иванов М.Е. Теория процессов обмена в двухфазной системе при башенном гранулировании. // ТОХТ, 1983. Т. 17. №6. С. 776-783.
11. Пути повышения качества аммиачной селитры./ В.М. Олевский [и др.]; //Хим. Промышленность, 1987. №11. С. 676-682.
12. Казакова Е.А., Таран АЛ., Таран A.B. Экспериментальное и теоретическое исследование кристаллизации карбамида в условиях башенного гранулирования. //ТОХТ, 1983. Т. 17. №5. С. 713-714.
13. Таран А Л., Кабанов Ю.М.Затвердевание гранул азотсодержащих удобрений при неравномерной по их поверхности интенсивности отвода тепла. //ТОХТ, 1983. Т. 17. №6. С. 759-766.
14. Таран АЛ., Таран A.B. Гранулирование однокомпонентных расплавов диспергированием в восходящий поток хладоагента. // Инж.-физич. ж-л, 1986. Т. 51. №1.С. 60-68.
15. Таран A.JL, Таран A.B. Оценка погрешностей методов расчета процессов кристаллизации однокомпонентных расплавов в башнях. //Хим. промышленность, 1985. №9. С. 561-565.
16. Таран АЛ., Таран A.B., Кабанов Ю.М. Гранулирование азотных удобрений в башнях.// ТОХТ, 1984. Т. 28. №1. С. 13-19.
УДК 66.049.4:66.065.5
А. А. Бессонов, Г. А. Носов
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
РАЗДЕЛЕНИЕ ВЕЩЕСТВ ПУТЕМ СОЧЕТАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФРАКЦИОННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ФРАКЦИОННОГО ПЛАВЛЕНИЯ
The combination various mass-exchange processes often allows raising efficiency of division essentially. We make the theoretical analysis of some schemes for division of binary mixes by a combination of processes of fractional crystallization and fractional fusion with recirculation manifold from a fusion stage on a crystallization stage, and as with use of contact heating of a crystal phase at a stage of fractional fusion by means of recirculation manifold and melt of high-melting a division product.
Сочетание различных массообменных процессов часто позволяет существенно повысить эффективность разделения. Нами выполнен теоретический анализ ряда схем для разделения бинарных смесей путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления с рециркуляцией маточника со стадии плавления на стадию кристаллизации, а так же с использованием контактного нагрева кристаллической фазы на ста-
С 1} $ £ У в химии и химической технологии. Том ХХШ. 2009. № 7 (100)
дии фракционного плавления рециркулирующим маточником и расплавом высокоплавкого продукта разделения.
Для разделения многих технологических смесей и очистки веществ (нафталина, бензола, дихлорбензолов, изомеров ксилола, парафина, моно-хлоруксусной кислоты и др.) от примесей доволвно часто исполвзуются процессы фракционной кристаллизации и фракционного плавления [1]. При этом достигаемый эффект сильно зависит от равновесия фаз разделяемых смесей, ее состава, параметров разделения получаемвк кристаллических суспензий и других факторов. Часто при использовании указанных выше процессов по отдельности все же не удается достичь требуемой степени разделения. В этом случае можно использовать сочетание процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления в единой технологической схеме разделения, что часто позволяет существенно расширить диапазон возможного разделения или же повысить его эффективность [1].
Принципиальная схема процесса разделения с рециркуляцией маточника, образующегося на стадии фракционного плавления на стадию кристаллизации, представлена на рис. 1, а на рис. 2 и 3 показано его изображение на диаграммах равновесия фаз для бинарной смеси эвтектического типа и смеси образующей непрерывный ряд твердых растворов соответственно.\
Ь2, Х12
кристаллизации и фракционного плавления с рециркуляцией маточника, получаемого на стадии плавления.
Первоначально исходная смесь F в жидком состоянии с концентрацией целевого компонента х? при температуре /р подается на стадию кристаллизации Кр, где она охлаждается до температуры /к, лежащей между температурами ликвидуса и солидуса (рис. 2 и рис. 3). При этом образуется суспензия, состоящая из кристаллической фазы К\ состава хкь обогащенной высокоплавким компонентом, и маточника М\ состава хмь обогащенного низкоплавким компонентом.
Полученная на стадии кристаллизации суспензия К\ + М\ поступает на стадию сепарации Фь где происходит отделение кристаллической фазы с концентрацией хз] от маточника Ь\, имеющего концентрацию хц- Сепарация может осуществляться с помощью фильтров, фильтрующих центрифуг или другими способами.
Заметим, что полностью отделить кристаллы от маточной жидкости на стадии сепарации обычно не удается из-за действия адсорбционных и ка-
С Я 0 X II Б химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. № 7 (100)
пиллярных сил. В идеальном случае, когда достигается полное разделение кристаллов и маточника потоки К\ и 5), а так же М\ и Ь\ равны между собой по массе и составу. В реальных же условиях потоки К\ и ¿л, М\ и Ь\, а также их составы могут значительно отличаться друг от друга [1].
Рис. 2. Изображение процесса разделения бинарной эвтектикообразующей смеси путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления.
Как правило, при проведении фракционной кристаллизации стремятся разделение суспензии проводить при температуре равной или близкой к температуре охлаждения смеси на стадии кристаллизации /к, чтобы исключить подплавление кристаллов или дополнительную кристаллизацию, имеющие место при разделении в неизотермических условиях.
Полученный на стадии Ф] маточник Ь\ с концентрацией хи целевого компонента А отбирается в качестве низкоплавкого продукта, обогащенного компонентом В. Кристаллическая же фаза £1 далее подается на стадию фракционного плавления ФП, где она нагревается от температуры tк до температуры также лежащей между температурами ликвидуса tл и солидуса 1С. В результате этого часть кристаллической фазы 5] подплавляется. При этом образуется суспензия, состоящая из кристаллической фазы Кг состава Хк2 и маточника Мг состава хмг-
Полученная на стадии фракционного плавления суспензия К2 + Мг поступает на стадию сепарации Ф2, где происходит отделение кристаллической фазы ¿2 с концентрацией х$2 от маточника Ь2, имеющего концентрацию хьг- Кристаллическая фаза 5? является конечным продуктом, обогащенным высокоплавким компонентом А. Отделенный же на стадии сепарации Ф2 маточник ¿2 с концентрацией целевого компонента хь2 возвращается на стадию кристаллизации Кр в виде рециркулирующего потока.
$ С й 0 Я II В химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. №7(100)
г
В
*М1
Хр ХМ2 ХК1
ХБ2 *К2
Рис. 3. Изображение процесса разделения на диаграмме равновесия фаз
для бинарной смеси, образующей непрерывный ряд твердых растворов.
В рассмотренном выше процессе разделения бинарных смесей путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления отвод тепла на стадии кристаллизации и нагрев смеси на стадии плавления осуществляется с использованием теплообменных элементов.
Как известно [1], использование контактных методов охлаждения и нагрева часто позволяет существенно интенсифицировать процессы кристаллизации и плавления веществ, а в ряде случаев упростить аппаратурное оформление данных процессов. Учитывая это, нами рассмотрена схема разделение бинарных смесей путем сочетания процессов однократной фракционной кристаллизации и фракционного плавления с контактным нагревом разделяемой смеси рециркулирующими потоками маточника, полученными на стадии плавления.
Принципиальная схема процесса разделения с контактным нагревом разделяемой смеси рециркулирующим маточником представлена на рис. 4. Его изображение на диаграммах равновесия фаз имеет тот же вид, что и в рассмотренном выше процессе разделения с полным возвратом маточника со стадии фракционного плавления на стадию кристаллизации (см. рис. 2 и рис. 3).
Как и в рассмотренном выше варианте разделения, процесс представленный на рис. 4, осуществляется с использованием четырех стадий: частичной кристаллизации Кр, фракционного плавления ФП и стадий сепарации суспензий Ф] и Фг. Отличительной особенностью рассматриваемого варианта процесса разделения является то, что при его реализации отделенный на стадии сепарации Ф2 маточник Ьг с концентрацией целевого компонента я'ь2 разделяется на два потока. Один из них возвращается на стадию кристаллизации Кр в виде рециркулирующего потока а другой направляется в
9
С ff 6 I tí в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. Na 7 (100)
теплообменник Т], где подогревается до температуры /3. Далее нагретый маточник Ьз с температурой Гз подается на стадию фракционного плавления ФП, где он смешивается с кристаллической фазой ¿ь поступающей со стадии сепарации Фь В результате контактного тепломассообмена между потоками и и происходит частичное расплавление кристаллической фазы. При этом получается суспензия с температурой состоящая из кристаллической фазы К2 состава хк2 и маточника М2 состава хт, которая подается на стадию сепарации Ф2.
¿4, Х12 Li, Х12
Рис. 4. Принципиальная схема процесса разделения путем сочетания фракционной кристаллизации и фракционного плавления с контактным нагревом разделяемой смеси рециркулируюшим маточником, полученным на стадии плавления.
Достоинствами рассматриваемого варианта разделения является значительное увеличение скорости проведения процесса плавления и упрощение аппаратурного оформления. Следует отметить, что при проведении рассматриваемого варианта разделения важным моментом является определение оптимального количества маточника £з, поступающего на контактное плавление. Малое его количество с высокой температурой будет негативно сказываться на проведении процесса, так как не будет равномерного смачивания всей кристаллической массы теплым маточником, что может привести к локальным перегревам и значительному отклонению процесса от равновесия. Слишком большое количество, в свою очередь, также негативно может отражаться на проведении процесса. В этом случае произойдет разбавление маточником, имеющим высокое содержание низкоплавкого продукта, кристаллической массы и высокоплавкий продукт будет иметь не очень высокую чистоту.
Схема процесса разделения с частичной рециркуляцией высокоплавкого продукта представлена на рис. 5. Отделенный на стадии сепарации Ф2 маточник ¿2 с концентрацией целевого компонента хи полностью возвращается на стадию кристаллизации Кр, как это имеет место в первом варианте (рис. 1). А высокоплавкий продукт 82 с концентрацией целевого компонента х%2 направляется на стадию плавления, где он нагревается выше температуры ликвидуса (л. Полностью расплавленная кристаллическая масса ¿2 разделяется на два потока. Один из них возвращается на стадию фракционного плавления ФП, в виде рециркулирующего потока высокоплавкого продукта Ж, а другой - К отбирается в качестве высокоплавкого продукта разделения. Расплав Ж направляется в теплообменник Тг, где дополнительно подогрева-
С Л 0 X 11 в химии и химической технологом. Том XXIII. 2009. №7(100)
ется до температуры Гз и подается на стадию фракционного плавления ФП, где он смешивается с кристаллической фазой 5":. В результате смешения кристаллической фазв1 5] с температурой (к и высокоплавкого продукта IV с температурой получается суспензия, состоящая из кристаллической фазы Кг состава Х]<2 и маточника Мг состава хМ2 с температурой Полученная на суспензия Кг + Мг поступает на стадию сепарации Ф2.
¿2> х\2
Рис. 5. Принципиальная схема процесса разделения путем сочетания фракционной
кристаллизации и фракционного плавления с частичной рециркуляцией высокоплавкого продукта.
Преимуществами такого процесса являются контактный нагрев смеси высокоплавким продуктом и полный рецикл маточника Ьг со стадии сепарации Ф2 на стадию кристаллизации Кр. Использование контактного нагрева высокоплавким продуктом позволяет достигать более высоких концентраций высокоплавкого компонента в кристаллическом продукте 5Ь, полученном на стадии сепарации Ф2 (по сравнению с контактным нагревом рецир-кулирующим маточником). Это происходит из-за того, что смешиваются потоки кристаллических фаз 5] и 5*2 с высокими концентрациями целевого компонента. Таким образом, процесс фракционного плавления протекает при температурах близких к температуре плавления чистого высокоплавкого вещества.
Преимущество полного рецикла маточника Ьг со стадии сепарации Ф2 на стадию кристаллизации Кр связано с тем, что составы рециркулирующего маточника и исходной смеси как правило, близки (см. рис. 2 и 3), а в некоторых случаях могут даже совпасть. Таким образом, в системе не происходит значительных скачков составов, разбавлений и т.д. Следовательно, схема разделения, представленная на рис. 5 имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению со схемами описанными выше.
Для всех рассмотренных вариантов разделения нами были разработаны математические модели и составлены соответствующие расчетные шаблоны, позволяющие произвести технический анализ влияния основных параметров на их эффективность для любых бинарных смесей, подвергающихся разделению описанными способами.
Библиографические ссылки
1. Гельперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники фракционной кристаллизации. М.: Химия, 1986. 304 с.
