Файл: Девятых Г.Г. Глубокая очистка веществ учеб. пособие.pdf

Член, стоящий в левой части уравнения (111-20), выра­ жает количество примеси в исходном твердом однород­ ном образце. Первый член в правой части уравнения ха­ рактеризует количество примеси после достижения конечного распределения в слитке от его начала вплоть до последнего участка длиной в одну зону. В этом послед­ нем участке, как уже отмечалось, идет направленная . кристаллизация. В соответствии с этим второй член в правой части уравнения (II1-20 ) выражает количество примеси в конечной части слитка длиной в одну зону, содержащей G молей вещества.

98

Концентрация примеси в конце закристаллизовав­ шейся части слитка перед началом кристаллизации пос­ леднего участка равна AeB<-No~°\ как это следует из урав­ нения (III-18). Следовательно, состав последней рас­ плавленной зоны с учетом соотношения (II1-2) должен характеризоваться величиной Аев(-АТ°-°Уа. Нетрудно за­ метить, что эта величина соответствует величине г/о в уравнении (Ш-5) для направленной кристаллизации. Если теперь в уравнении (II1-5) заменить переменную у эквивалентной переменной Xe/а, то

щью уравнения (111-19) находится константа В, а затем из соотношения (III-22)—константа А. Используя найденные значения констант А и В, по уравнению

слитка вычисляется по уравнению (Ш-21). Результаты подобных расчетов, как уже отмечалось, позволяют оце­ нить, обычно путем их графической интерпретации, какую часть слитка можно отобрать в качестве продукта.

На основании опытов по определению конечного рас­ пределения примеси по длине образца при зонной пере­

Следовательно, если данные опытов представить графи­ чески в виде зависимости \gx~Nr, то по наклону полу-

чающейся прямой линии легко найти величину В. Под­ ставляя найденное значение В и заданное значение G в уравнение (III-19), нетрудно оценить величину а.

§ 3. Противоточная кристаллизация из расплава

От недостатков метода зонной перекристаллизации, в первую очередь относительно производительности и вре­ мени проведения процесса разделения, в значительной мере свободен метод противоточ-

ной кристаллизации из расплава.

Этот метод разделения, как и ме­ тод зонной перекристаллизации, является многоступенчатым, но осуществляется в виде противоточного процесса в аппарате ко­ лонного типа — кристаллизацион­ ной колонне. В литературе описан ряд конструкций кристаллизаци­ онных колонн, отличающихся в основном устройством для созда­ ния противотока фаз. Схема од­ ной из таких конструкций приве­ дена на рис. 37.

противоток твердой и жидкой фаз. В результате такого процесса (применительно к бинарной системе) один из компонентов разделяемой смеси будет концентрировать­ ся внизу колонны, откуда его можно отбирать в качестве продукта; другой компонент соответственно будет кон­ центрироваться вверху колонны.

100

Метод противоточной кристаллизации в принципе аналогичен другому двухфазному методу разделения смесей — ректификации. Разделение в кристаллизацион­ ной колонне, как и в ректификационной, основано на раз­ личии составов равновесных фаз. При осуществлении противоточной кристаллизации-разделяемая смесь может также вводиться в середину колонны, с одного конца которой находится устройство для кристаллизации, а с другого — устройство для плавления. В этом случае кристаллизационная колонна по существу будет состо­ ять из двух секций, которые соответственно следует на­ звать исчерпывающей и укрепляющей. Вообще, по-види­ мому, для характеристики процесса противоточной кри­ сталлизации из расплава можно применять основные понятия и термины, используемые в ректификации. Так, в частности, при оценке эффективности кристаллизацион­ ных колонн обычно пользуются понятием ВЭТТ. Опреде­ ленные для некоторых конструкций кристаллизационных колонн величины ВЭТТ лежат в пределах 2—3 см. При­ мерно такую же величину ВЭТТ имеют и эффективные лабораторные насадочные ректификационные колонны.

Несмотря на кажущуюся простоту метода противо­ точной кристаллизации из расплава, осуществляемый в кристаллизационной колонне, процесс разделения имеет довольно сложную природу. Во-первых, помимо эффекта кристаллизации, имеющего место при образовании твер­ дой фазы в кристаллизаторе колонны, в общий эффект разделения будет входить и эффект отмывки кристаллов от захваченной жидкости двигающимся в противоток расплавом. Во-вторых, размер кристаллов твердой фазы, движущейся по колонне, может изменяться, например, за счет рекристаллизации. Следовательно, эффект хотя бы частичной перекристаллизации в колонне также имеет место, подобно тому как в ректификационной колонне происходит частичная конденсация пара и испарение жидкости непосредственно в ректифицирующей части. И, в-третьих, сравнение результатов очистки веществ с молекулярной и ионной кристаллистическими решетка­ ми указывает на наличие диффузионного характера межфазового маесообмена.в кристаллизационной колон­ не. Так, в случае веществ с молекулярной кристалли­ ческой решеткой достигается более высокий эффект очистки, что нетрудно объяснить большей скоростью диф­ фузии примеси в таких веществах.-

101

Учет всех этих явлений при анализе работы кристал-. лизационной колонны весьма затруднителен. Можно, од­ нако, 'с целью получения хотя бы приближенных анали­ тических зависимостей принять во внимание и рассматривать лишь одну, основную стадию процесса. Такой основной стадией при незначительном эффекте перекристаллизации будет, по-видимому, по аналогии с ректификацией, диффузионный межфазовый массообмен. В соответствии с этим допущением примем далее, что

скорость межфазового массообмеиа в кристаллизационной колонне лимитиру­ ется скоростью диффузии примеси в твер­ дой фазе.

кона Фика). Соответственно рассматриваемой схеме

102