Расчет процессов кристаллизации

[pic 1]

РТУ МИРЭА

Процессы и аппараты химических технологий

Кафедра процессов и аппаратов химических технологий имени Н.И. Гельперина[pic 2][pic 3]

Семинар 4

РАСЧЁТ ПРОЦЕССОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Кристаллизация – процесс образования кристаллической фазы из расплавов, растворов и газовой фазы.

Температура при которой происходит переход вещества из жидкого состояния в кристаллическое, называется температурой кристаллизации, а температура обратного перехода – температурой плавления. Часто эти температуры не совпадают друг с другом, что связано с особенностями кинетики образования твёрдой фазы. Температура кристаллизации индивидуальных веществ постоянна при определённом давлении, она зависит от природы жидкой и возникающей твёрдой фазы.

Внутренняя энергия жидкости выше, чем упорядоченного твёрдого тела, поэтому переход из одного состояния в другое сопровождается выделением или поглощением энергии. Теплота, выделяющаяся при переходе жидкости в твёрдое тело, т.е. теплота кристаллизации 𝑟кр равна и противоположна по знаку теплоте плавления 𝑟пл.

Правило фаз Гиббса:

𝜑 = 𝑘 − ф + 2,

где 𝜑 – число степеней свободы; 𝑘 – число компонент системы; ф – число фаз.[pic 4]

Для однокомпонентных систем 𝑘 = 1 независимыми переменными выступают температура 𝑡 и давление 𝑝.

Тогда для нонвариантной системы 𝜑 = 0, т.е. значения 𝑡 и 𝑝 жёстко фиксированы, максимально возможное число одновременно существующих фаз ф = 3.

Для моновариантной системы: 𝜑 = 1; ф = 2.

Для бивариантной системы: 𝜑 = 2; ф = 1

Диаграмма состояния однокомпонентной системы при отсутствии (а) и при наличии (б) полиморфных модификаций

Для бинарных систем 𝑘 = 2 независимыми переменными выступают температура 𝑡, давление 𝑝 и концентрация одного из компонентов 𝑥. Однако изучение равновесия в таких системах проводят при постоянном давлении (часто атмосферном). В результате получают функциональные зависимости между составом и температурой, которые можно графически изобразить на плоскости.

Диаграммы фазового равновесия бинарных систем: а - необразующей твердых растворов, б - с неограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии; в, г - с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (в - эвтектическая, 2 - перитектическая).[pic 5]

Концентрация насыщенного раствора, моль безводной соли/1000 г воды

Растворимость некоторых солей в зависимости от температуры[pic 6]

Фракционная кристаллизация

Массовая кристаллизация

Осуществляется в аппаратах с механическим перемешиванием смеси при достаточно медленном ее охлаждении, в результате чего создаётся равномерное пресыщение во всем объеме смеси. Для сепарации используют процессы осаждения, фильтрования, центрифугирования, а также прессования.

При этом твердая фаза выделяется в виде отдельных кристаллов, средний размер которых зависит от свойств вещества и режимов процесса кристаллизации.

Направленная кристаллизация Осуществляется на охлаждаемых поверхностях, зонной плавке, а также при кристаллизации в тонких слоях, контактирующих со стекающей жидкой плёнкой расплава.

При этом структура слоя кристаллов зависит от скорости перемещения фронта кристаллизации, интенсивности перемешивания, исходным составом.[pic 7][pic 8]

[pic 9]

Однократная фракционная кристаллизация