7.4. Конструкции кристаллизаторов.

Способ проведения процесса кристаллизации диктует выбор конструкции аппаратов. Аппараты могут быть непрерывного или периодического действия. Аппараты для проведения изотермической кристаллизации по конструкции не отличаются от выпарных аппаратов.

Аппараты для проведения изогидрической (с охлаждением раствора) кристаллизации представляют собой теплообменные аппараты специфической конструкции. Специфика конструкции таких теплообменных аппаратов объясняется появлением в растворе твердых кристаллических включений.

Рис.7.6 Кристаллизатор с мешалкой и охлаждающей рубашкой:

1 - корпус; 2 - охлаждающая рубашка; 3 - мешалка; 4 - вывод суспензии.

Рис.7.7. Качающийся кристаллизатор:

1 - качающееся корыто; 2 - бандажи; 3 - опорные ролики.

На рис.7.6 показан объемный кристаллизатор периодического действия с охлаждающей рубашкой и мешалкой. В начале в корпус 1 заливают раствор и включают мешалку. Затем в рубашку подается холодная вода (рассол) с температурой на 8-10 градусов ниже температуры раствора. После окончания процесса кристаллизации суспензию выгружают и разделяют на фильтрах или центрифугах.

Качающийся кристаллизатор (рис.7.7) является аппаратом непрерывного действия. Он представляет собой длинное неглубокое корыто 1, укрепленное на бандажах 2, опирающихся на ролики 3. Корыто установлено с небольшим наклоном вдоль его продольной оси. Посредством специального устройства (на рисунке не показано) оно медленно качается на роликах. Раствор подается в верхнюю часть корыта и медленно протекает по нему. Он охлаждается вследствие потери тепла в окружающую среду и частично испарения. Благодаря медленному охлаждению раствора скорость образования зародышей мала, поэтому образуются крупные кристаллы. Так как кристаллы движутся медленнее раствора, то они хорошо омываются раствором и приобретают правильную форму. Маятниковое движение корыта препятствует инкрустации его поверхности, а также измельчению кристаллов.

Недостатком качающихся кристаллизаторов является низкая производительность, обусловленная медленным охлаждением раствора из-за неинтенсивного теплообмена с окружающей средой.

К аппаратам непрерывного действия относятся шнековые кристаллизаторы. Они состоят из горизонтального неподвижного корыта с водяной рубашкой, внутри которого вращается ленточная или шнековая мешалка. Она не только перемещает образующиеся кристаллы к месту выгрузки, но и поддерживает их во взвешенном состоянии, что способствует свободному и равномерному росту кристаллов.

На рис.7.8 приведена схема кристаллизатора с ленточной мешалкой. В корыте 1 с водяной рубашкой 2 медленно вращается спиралевидная мешалка 3 из металлических полос. Охлаждающая вода в рубашке движется противотоком к раствору. Шнековые кристаллизаторы, в отличие от ленточных, имеют мешалку в виде бесконечного винта-шнека. В аппаратах такого типа горячий раствор поступает с одного конца корыта и движется, непрерывно охлаждаясь, вместе с образовавшимися кристаллами к выходному штуцеру на другом конце корыта. Вследствие интенсивного охлаждения раствора кристаллы получаются мелкие, но правильной формы и однородные по размеру.

Недостаток: возможна инкрустация поверхностей, соприкасающихся с раствором.

Рис.7.8. Кристаллизатор с ленточной мешалкой:

1 - горизонтальное неподвижное закрытое корыто; 2 - водяная рубашка;

3 - ленточная или шнековая мешалка.

С целью получения кристаллов определенного размера применяются классифицирующие кристаллизаторы типа «Кристалл». В этом аппарате пересыщение раствора за счет испарения растворителя происходит в циркулирующем потоке - оно достигается в одной части аппарата, а теряется в другой. Пересыщенный раствор течет вверх через псевдоожиженный слой кристаллов, классифицируя их по размерам.

а) б)

Рис.7.9. Кристаллизаторы типа “Кристалл”:

а) кристаллизатор с испарением:

б) вакуум-кристаллизатор.

На рис.7.9 («а» и «б») показаны два типа аппаратов «Кристалл», различающихся главным образом по способу достижения пересыщенного состояния.

В первом аппарате (рис.7.9,а) пересышение достигается путем нагревания циркулирующего потока, находящегося под достаточно большим статическим напором. Это, с одной стороны, препятствует испарению раствора в циркуляционных трубах, а, с другой стороны, способствует испарению его в верхней части аппарата А. Образующийся при этом пар удаляют через трубу U. Раствор, пересыщенный относительно кристаллизационной части аппарата Е, покидает выпарную зону А, переходя по трубе В через фильтровальную перегородку Ф в зону Е, где контактирует с кристаллами, находящимися над фильтровальной перегородкой. При взаимодействии с кристаллами раствор теряет пересыщение, что приводит к росту кристаллов. Поток, движущийся из зоны Е к нагревателю Н, должен быть практически насыщенным. Этот раствор смешивается с исходным раствором в трубе Т. Кристаллы, достигшие требуемого размера, опускаются вниз и выводятся из аппарата по трубе М. Циркуляция раствора обеспечивается насосом F. Для обогрева раствора в теплообменнике Н используется греющий пар. Рассмотренный тип кристаллизатора применяют в тех случаях, когда пересыщение необходимо получить путем испарения.

На рис.7.9,б изображен вакуум-кристаллизатор, в котором состояние пересыщения достигается путем адиабатического понижения давления над горячим концентрированным раствором. Исходный раствор, поступающий в патрубок Т, непосредственно включают в циркуляционный поток, который является далее смесью исходного и маточного растворов. Эта смесь испаряется в испарителе А, в котором существует определенное разрежение. Образующиеся пары отсасывают через трубу U. Пересыщенный раствор, проходя через трубу В, взаимодействует с растущими кристаллами в зоне Е. Маточная жидкость отводится через патрубок N, а кристаллическая масса - через патрубок М. Образование центров кристаллизации в зоне Е может происходить за счет существующих в растворе кристаллов или в результате столкновения кристаллов друг и другом и со стенками сосуда. При непрерывном проведении процесса скорость образования центров кристаллизации должна соответствовать числу кристаллов, удаляемых в виде продукта.