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

По этой схеме исходный раствор путем кристаллиза­ ции разделяются на две фракции — кристаллы и маточ­ ный раствор (первая ступень кристаллизации). В соот­ ветствии с законом распределения обе полученные фрак­ ции 'будут иметь состав, отличный от состава исходного раствора. Каждая из этих фракций аналогичным обра­ зом делится на две новые фракции, в результате чего получается четыре фракции (вторая ступень кристалли­ зации). Процесс такого фракционирования (дробления) может быть продолжен, пока не будет достигнута необ­ ходимая степень очистки интересующего вещества" от

Рис. 39. Схема дробной кристаллизации

примеси. Если примесь концентрируется в маточных растворах, то конечным продуктом будут являться полу­ ченные в результате процесса кристаллы (на схеме слева).

Для оценки эффекта очистки будем исходить из мате­ риального баланса на ступенях разделения. Для первой ступени кристаллизации уравнения материального балан­ са процесса имеют вид:

113

ре; г/о — мольная доля примеси в исходном веществе; У\ — мольная доля примеси в веществе, находящемся в

где

^ ж < 1 )

Аналогичные уравнения материального баланса можно записать и для второй ступени кристаллизации:

где

Соответствующие соотношения нетрудно вывести ,и для последующих ступеней кристаллизации. Таким образом, рассматриваемая схема фракционированной кристалли­ зации представляет собой схему многоступенчатого кри­ сталлизационного каскада.

Условием построения рационального каскада являет­ ся требование минимума числа фракций при заданном числе ступеней. Для этого процесс должен проводиться таким образом, чтобы отдельные промежуточные фрак­ ции можно было объединить, как это схематично пока-

114

зано на рис. 39. Но такое смешивание промежуточных фракций наиболее целесообразно в том случае, когда их состав одинаков. Это достигается лишь тогда, когда от­ ношение количества вещества, выпавшего в виде кристал­ лов, к количеству вещества, оставшемуся в маточном растворе, сохраняется постоянным на всех ступенях. На­ пример, как видно из соотношения (Ш-45), для того что­ бы соблюдалось равенство концентраций у2 и х2' в двух промежуточных фракциях второй ступени, необходимо равенство величин 62 и 0г'. При этом условии, как нетруд­ но показать, минимальное число фракций после первой

Как видно из выражений (Ш-48), (Ш-49) и (111-50), методом дробной кристаллизации можно достичь очень высокого эффекта разделения смесей. Действительно, как уже отмечалось, дробная кристаллизация с успехом'ис­ пользуется для глубокой очистки ряда веществ. Напри­ мер, этим методом получены хорошие результаты при очистке циркония от гафния (K2 ZrF6 от K2HIF6 ), при разделении редкоземельных элементов и т. д. Однако, хотя дробная кристаллизация позволяет получать до-

115

вольно чистые вещества, метод в целом характеризуется низкой производительностью. Кроме того, он включает в себя большое количество операций: образование кри­ сталлов, отделение кристаллов от маточных растворов, добавление к кристаллам растворителя, смешивание про­ межуточных фракций, упаривание маточных растворов и т. п.; эти операции трудоемки сами по себе и к тому же при их осуществлении могут происходить как потери ве­ щества, так и загрязнение продукта.

3. Противоточная кристаллизация из раствора

Другими вариантами фракционированной кристалли­ зации являются метод последовательной перекристалли­ зации твердой фазы с возвратом в цикл маточных рас­ творов и метод многократной кристаллизации маточного

раствора с возвратом в цикл твердой фазы. Если при­ месь концентрируется в жидкой фазе, то применяется первый из указанных методов. Если же примесь концен­ трируется в твердой фазе, то применяется второй метод. Существенное преимущество этих методов перед методом дробной кристаллизации заключается в том, что при их осуществлении используется принцип противотока, обус­ ловливающий большую производительность.

На рис. 40 приведена простейшая схема противоточного кристаллизационного каскада с рециркуляцией ма­ точных растворов. Исходя из материального баланса по примесному компоненту на каждой ступени каскада, по

П 6

рость потока твердой фазы; х — мольная доля примеси в

~р~

Для случая безотборного режима, т. е. когда Р = 0, выра­ жение (II1-53) существенно упрощается:

Полагая, что выходящие с каждой ступени твердая и жидкая фазы находятся в термодинамическом равнове­ сии, т. е. что

xi+i = ayi+\,

из соотношения (Ш-54) вытекает, что

Если теперь составить уравнения вида (Ш-55) для каж­ дой ступени каскада ,и соответственно перемножить ле­ вые и правые части этих уравнений, то

(Ш-57) 117

Г Л А В А IV ДРУГИЕ МЕТОДЫ

Помимо рассмотренных методов разделения смесей, перспективными, применительно к задаче глубокой очистки веществ, являются другие физико-химические ме­ тоды (метод термодиффузии, метод .ионного обмена, сорбционные методы, электрохимические методы и т. д.). Рассмотрим некоторые из этих методов.

§ 1. Метод термодиффузии

Метод термодиффузии как метод разделения основан на возникновении градиента концентраций в газовой или

явление термодиффузии, применительно к растворам со­ лей, было открыто еще в середине прошлого века. Для газовых смесей подобный эффект был вначале предска­ зан (1911 г.), а затем подтвержден и экспериментально (1917 г.).

В настоящее время явление термодиффузии лежит в основе одного из методов разделения изотопов — метода

1. Коэффициент разделения установки, свободной от конвекции

Рассмотрим систему, состоящую из двух сосудов, на­ ходящихся соответственно при температурах Т\ и Т2 и соединенных между собой трубкой (рис. 41). Пусть эта система заполнена смесью двух газов (основное вещест-

U9