КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

Кристаллизация представляет собой процесс выделения твер­дого растворенного вещества из его раствора (кристаллизация из раствора) или процесс выделения твердой фазы при затверде­вании веществ, находящихся в расплавленном состоянии (кристал­лизация из расплава). Кристаллизация применяется при произ­водстве солей и ряда других веществ, а также для получения твер­дых веществ в чистом виде путем их перекристаллизации (раство­рение с последующей кристаллизацией).

Кристаллизация из растворов основана на ограниченной рас­творимости твердых веществ. Раствор, содержащий максимально возможное количество растворенного вещества, называется насы­щенным;если раствор содержит большее количество растворен­ного вещества, то он является пересыщенным,если же он содер­жит меньшее количество растворенного вещества, то является ненасыщенным. Пересыщенные растворы неустойчивы — из них выделяется избыточное количество растворенного вещества, т. е. происходит процесс кристаллизации. После выделения кристал­лов раствор становится насыщенным. Этот насыщенный раствор, полученный в результате выделения кристаллов, называется ма­точным раствором,или маточником. Отделение маточника от кристаллов производится центрифугированием и другими мето­дами.

Ненасыщенные растворы сами по себе устойчивы, но в при­сутствии твердого вещества последнее будет растворяться до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Насыщенный раствор находится в равновесии с твердым веществом — он не растворяет и не выделяет его.

Растворимость равна концентрации насыщенного раствора и зависит от температуры, а также от свойств растворенного ве­щества и растворителя. Для большинства твердых веществ раство­римость с повышением температуры возрастает, но для некоторых веществ она уменьшается с повышением температуры или же имеет при некоторой температуре максимальное значение.

Для проведения процесса кристаллизации применяют следую­щие способы создания пересыщения раствора:

1) охлаждение раствора применяют для кристаллизации ве­ществ, растворимость которых заметно уменьшается с пониже­нием температуры, а также для кристаллизации из расплавов;

2) испарение части растворителя применяют для кристаллиза­ции веществ, растворимость которых увеличивается или незначи­тельно уменьшается с понижением температуры; испарение про­изводится при кипении раствора в выпарном аппарате или путем
испарения в воздух при температурах ниже точки кипения;

3) комбинированный способ заключается в одновременном
охлаждении и испарении части растворителя.

Кристаллизация может производиться также путем высаливания — добав­ления в раствор веществ, понижающих растворимость выделяемой соли. Та­кими веществами являются вещества, связывающие воду (кристаллизация суль­фата натрия при добавлении спирта или аммиака), или соединения, содержащие одинаковый ион с данной солью (кристаллизация хлористого натрия при до­бавлении хлористого магния, кристаллизация железного купороса при добав­лении концентрированной серной кислоты).

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий — образования зародышей кристаллов и роста кристаллов.

Образование зародышей может происходить путем самопроиз­вольной кристаллизации. При этом оба процесса, — образо­вание зародышей и рост кристаллов — протекают одновременно. Если скорость образования зародышей больше скорости их роста, получается большое количество мелких кристаллов. Если же ско­рость роста больше скорости образования зародышей, получается меньшее количество крупных кристаллов. Изменяя факторы, влияющие на скорость образования зародышей и скорость их роста, можно регулировать размеры кристаллов. Быстрое охлаждение, перемешивание раствора, высокая температура и низкий молекулярный вес кристаллов способствуют образованию зародышей и получению мелких кристаллов. Наоборот, медленное охлажде­ние, неподвижность раствора, низкая температура и высокий мо­лекулярный вес способствуют процессу роста и получению круп­ных кристаллов.

Кристаллизация может быть ускорена внесением затравки — мелких частиц кристаллизующегося вещества, которые и являют­ся зародышами кристаллов. В этом случае кристаллизация про­исходит, в основном, за счет роста внесенных в раствор затравочных кристаллов. Для получения крупных кристаллов число затравочных кристаллов должно быть невелико.

Размеры кристаллов имеют значение для последующей их об­работки. Крупные кристаллы легче высушиваются, отстаиваются, фильтруются, промываются и удерживают меньше влаги при фильтровании и промывке. Мелкие кристаллы легче растворяются и обычно более чисты, чем крупные.

В промышленности используют два основных метода кристаллизации: изотермический, в котором пересыщение раствора достигается удалением части растворителя путем выпаривания при постоянной концентрации (температура постоянна), и изогидрический, при котором пересыщение раствора достигается охлаждением раствора при сохранении массы растворителя, на что указывает название этого метода.

Изотермическая кристаллизация используется для растворов, у которых растворимость либо слабо увеличивается с ростом температуры, либо уменьшается. В этом случае охлаждение не позволяет достичь нужной степени пересыщения.

Изогидрический метод используется в случае сильного роста растворимости при увеличении температуры. В промышленности также используется комбинация этих методов – кристаллизация под вакуумом, пр которой одновременно происходит отгонка растворителя и понижение температуры.

Кроме рассмотренных основных методов кристаллизации в промышленности применяют также высаливание, при котором в раствор вводят добавки (соли, кислоты и др.), снижающие растворимость кристаллизующегося вещества.

Рассмотренные выше процессы кристаллизации включают лишь физические процессы образования кристаллической фазы. Кристаллизацию с химической реакцией называют аддуктивной. При этом в раствор добавляют реагент, образующий с выделяемым веществом комплексное соединение – аддукт. Полученное комплексное кристаллическое соединение отделяют от раствора, например фильтрованием, и затем подвергают термическому разложению, при котором целевой продукт отделяется от комплексообразователя.

Кристаллизацию можно проводить периодически или непрерывно. Периодическую кристаллизацию используют обычно в установках малой производительности. В крупнотоннажных производствах, как правило, применяют непрерывную кристаллизацию.

Процесс кристаллизации в промышленных условиях включает в себя обычно несколько последовательных стадий: подготовку раствора (доведение раствора до состояния пересыщения), собственно кристаллизацию, отделение кристаллов от маточника, промывку кристаллов и их сушку.