CC BY
31
емкости кристаллической фазы и маточника.
При совместном решении уравнений (15) и (16) получается следующая зависимость для расчета температуры суспензии, образующейся на стадии кристаллизации
где А2 = р[ск (1 + а) - х^ (cv - сА )(1 + а) + {cv - сА )(xF + аху);
R, = p[(cFtF - acvtv -1(1 + а)]+ск( 1+d)b - хк (су - сА )(1+a)b+xF [b(cv - сА) ■- ск ] +
+xv (су - сА )ab; С2 = (cFtF + acvtv ){хк -b) + г [xF - ¿(1 + а)}
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
Рассмотрен ряд схем очистки веществ от примесей путём их однократной перекристаллизации из растворов с использованием тепловых насосов. Показано, что применение тепловых насосов позволяет существенно снизить энергетические затраты на осуществление такой очистки.
Очистку веществ от примесей, а также разделение веществ методом перекристаллизации их из растворов широко применяют в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. При этом используется целый ряд технологических схем проведения процесса перекристаллизации, выбор которых зависит от состава исходного вещества, физи-ко-химических свойств растворителя, требований к конечным продуктам разделения, а также к расходу растворителя [1, 2]. В случаях относительно невысоких требований к расходу растворителей используют более простые схемы однократной перекристаллизации [3]. При высоких же требованиях к расходу растворителей применяются схемы перекристаллизации с их регенерацией различными методами [4 ].
В общем случае процесс перекристаллизации включает в себя следующие стадии: растворение исходного (загрязненного) вещества в растворителе с получением раствора определенной концентрации, кристаллизацию вещества из раствора, разделение полученной суспензии, промывку отделенных кристаллов чистым растворителем, извлечение (регенерацию) растворителя из отделенного маточника [1 - 4].
Известно, что на проведение процесса перекристаллизации затрачивается довольно значительное количество тепловой и других видов энергии, что, естественно, отражается на себестоимости получаемых продуктов. Эти затраты связаны в основном с необходимостью подвода и отвода теплоты на стадиях растворения и кристаллизации, а также с проведением стадий регенерации отработанных растворителей и перекристаллизацией маточников с целью дополнительного извлечения из них целевых компонентов.
Целью наших исследований является разработка энергосберегающих вариантов проведения кристаллизационной очистки веществ от примесей. При решении данной задачи могут быть использованы различные приёмы: оптимизация технологических режимов на отдельных стадиях разделения, рекуперативный теплообмен между внутренними и внешними потоками, а также использование различных тепловых насосов. Как показали исследования [5, 6], использование тепловых насосов при проведении различных технологических процессов является наиболее эффективным способом энергосбережения.
Одна из наиболее простых схем перекристаллизации веществ с использованием теплового насоса закрытого типа представлена на рис.1. Процесс осуществляется следующим образом. Исходное вещество Fг в твердом состоянии с концентрацией основного компонента хт при температуре гу, поступает на стадию растворения Н, куда подается растворитель Р с концентрацией хр при температуре />. В результате растворения получается раствор F с концентрацией хр, который при температуре передается на стадию кристаллизации Кр.
В результате охлаждения раствора на стадии Кр до температуры /ф
ниже точки его насыщения происходит процесс кристаллизации. При этом образуется суспензия, состоящая из кристаллической фазы К состава хк и маточника М состава хм- Полученная суспензия далее направляется на стадию сепарации Ф, где производится отделение кристаллической фазы К от маточника М. Сепарация Ф может осуществляться с помощью фильтров или фильтрующих центрифуг.
7TD
Рис. 1. Принципиальная схема однократной перекристаллизации с использованием теплового насоса закрытого типа
Как известно [1,2], при растворении большинства веществ имеет место поглощение теплоты, связанное с разрушением кристаллической решетки, а при кристаллизации обычно наблюдается выделение скрытой теплоты фазового превращения. Поэтому на стадии растворения Н необходимо подводить количество теплоты Qн, а на стадии кристаллизации Кр отводить количество теплоты ()о■ Величина тепловых потоков ()н и Оо зависят от производительности установки по исходному продукту .Р, расходу растворителя Р, температур гу, и теплоты фазовых превращений, теплоемкости очищаемого вещества и растворителя. Эти потоки могут быть установлены с использованием уравнений материального <2// и ()о и теплового балансов.
Расчеты процесса перекристаллизации различных веществ показали, что тепловые потоки ()н и по своей величине обычно близки между собой. Поэтому хотелось бы теплоту (?о, выделяющуюся на стадии кристаллизации, использовать при проведении стадии растворения. Однако это при обычной организации процесса разделения не возможно из-за разности температурных потенциалов потоков и <2о- Изменение температурных потенциалов данных потоков возможно при использовании тепловых насосов.
В схеме, показанной на рис. 1, для преобразования тепловой энергии (изменения температурных потенциалов) потоков Qн и ()о используется те-
пловой насос закрытого типа, в контуре которого циркулирует промежуточный теплоноситель Ох- Теплоноситель Ох с энтальпией 14 при температуре t] и давлении р/ в парожидкостном состоянии поступает на стадию кристаллизации, где в результате теплообмена с кристаллизующимся раствором происходит испарение теплоносителя, и его энтальпия достигает значения г'/. При этом раствор Р охлаждается до заданной температуры ?ф.
На выходе из кристаллизатора насыщенные пары теплоносителя Ох подаются в компрессор ТК, где сжимаются от давления р/ до давления р2-При этом температура пара теплоносителя повышается от Г/ до а его теплосодержание изменяется от ц до г2■ После сжатия теплоноситель Ох поступает на стадию растворения Н, где в результате его охлаждения и полной конденсации выделяется теплота <2я, необходимая для проведения процесса растворения вещества Р-р в растворителе Р. Сконденсированный теплоноситель проходит дроссельный вентиль ДВ. При этом его давление изменяется от р2 до р]. Полученная парожидкостная смесь снова направляется на стадию кристаллизации.
Рис. 2. Принципиальная схема однократной перекристаллизации с регенерацией растворителя методом выпаривания при использовании теплового насоса открытого типа
Технико-экономические показатели процессов очистки веществ путём их перекристаллизации сильно зависят от выхода конечных продуктов разделения, энергетических затрат, а также от расхода растворителей. Существенно снизить расход свежего растворителя при проведении процессов перекристаллизации можно при его извлечении из продуктов разделения.
Известно [1, 2], что основная масса растворителя содержится в отделяемом на стации сепарации маточнике. При хорошей организации процесса сепарации с отделяемой кристаллической фазой, как правило, теряется незначительное количество растворителя. Извлечение растворителей из маточников можно осуществлять следующими методами: выпариванием, дистилляцией, ректификацией и др.
Рис. 3. Принципиальная схема однократной перекристаллизации с регенерацией растворителя методом ректификации при использовании теплового насоса открытого типа.
Выбор метода регенерации сильно зависит от физико-химических свойств растворителя и компонентов, содержащихся в маточнике. Извлечение растворителей из маточников методом выпаривания целесообразно применять в случаях, когда парциальное давление паров растворителя над кипящим маточным раствором значительно выше парциальных давлений паров других компонентов, содержащихся в маточнике. Если же парциальные давления паров растворителя и растворённых компонентов в маточнике близки, то регенерацию растворителей следует проводить методами дистилляции или ректификации.
На рис. 2 показана одна из возможных схем однократной перекристаллизации веществ из растворов с регенерацией растворителя методом выпаривания при использовании теплового насоса открытого типа. Процесс разделения в данном случае производится следующим образом. Исходное вещество, находящееся в твёрдом состоянии Гт, подаётся на стадию раство-
рения Н, где оно растворяется в регенерированном растворителе Я с добавлением некоторого количества свежего растворителя Ро- При этом расход Ро зависит от потерв растворителя с упаренным маточником Ж. Необходимое для растворения тепло в рассматриваемом варианте процесса разделения может быть подведено с потоком нагретого растворителя Я, поступающего со стадии выпаривания.
Полученный на стадии растворения раствор F также, как и в обычном процессе перекристаллизации, подаётся на стадию кристаллизации Кр, где он охлаждается до температуры /ф. В резулвтате кристаллизации образуется суспензия К + М, которая направляется на стадию сепарации Ф. Отделённая кристаллическая фаза К отбирается в качестве конечного продукта разделения, а маточник М после его подогрева в теплообменнике Т2 от температуры ¡ф до температурв1подаётся в выпарной аппарат В, где происходит отгонка основной части растворителя от маточника М. Образующиеся при выпаривании (вторичные) парв1 растворителя Я подаются в турбокомпрессор ТК, где они сжимаются от давления р\ до давления р2. При этом энталвпия пара повышается от // до ¿2- Далее сжатые пары поступают в греющую камеру выпарного аппарата. Сконденсированные в греющей камере парв1 растворителя Я дросселируется в вентиле ДВ от р2 до р¡, а затем они в паро-жидкостном состоянии поступают на стадию растворения Н. Для отвода избыточного тепла от потока Я используется теплообменник Т].
На рис. 3 приведена схема однократной перекристаллизации с регенерацией растворителя методом ректификации при использовании теплового насоса открытого типа. В данном варианте пары дистиллята Я, выходящие из ректификационной колоны РК, поступают в компрессор ТК, где сжимаются от давления р! до давления р2 и подаются в кипятильник Тз ректификационной колонны. Отводимый из кипятильника Тз конденсат дросселируется до давления р! и поступает в сборник С, откуда часть его Я/ возвращается в колонну в качестве флегмы, а другая его часть П2 направляется на стадию растворения.
Для оценки эффективности рассматриваемых вариантов процесса перекристаллизации нами был проведен анализ влияния различных технологических параметров (температура, давление, удельные расходы потоков и др.) на их технико-экономические показатели.
Библиографические ссылки
1. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. М.: Химия, 1968. 304 с.
2. Гельперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники фракционной кристаллизации. М.: Химия, 1986. 304 с.
3. Горштейн Г.И. Циклы однократной кристаллизации. //Труды ИРЕА, Вып.20. 1951. С. 64-77.
4. Горштейн Г.И. Циклы многократной кристаллизации. //Труды ИРЕА, Вып.20. 1951. С. 96-109.
5. Захаров М.К., Носов Г.А., Мясоеденков В.М. Применение тепловых насосов в процессах химической технологии. // Учёные записки МИТХТ им. М.В. Ломоносова. Вып.6, 2002. С. 55-63.
