Файл: Вигдорович, В. Н. Совершенствование зонной перекристаллизации.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.10.2024
Просмотров: 82
Скачиваний: 0
о
Рис. 39. Схема рециркуляционного каскада применительно |
к зонной |
перекристаллизации загрузок переменного сечения |
для ' случая очистки от примесей двух |
типов с |
получением трех материалов |
планировании загрузки и выгрузки очищаемого материала рацио нально загружены, в одной и той же аппаратуре осуществляется работа по схеме двух антипараллельных каскадов. Под планированием загрузки и выгрузки понимается расчет чисел проходов и мест дроб ления материала после зонной перекристаллизации.
Для оптимальной организации массообмена каскады следует рассчитывать из условия:
C i = C , _ i = |
C s — C s_ i — C s+ 1; |
|
С,- — |
C y_ i = C /+1) |
(IV.4) |
где C — средняя концентрация загрузки на данной ступени каскада.
КОЛОННЫЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Каскадные кристаллизационные методы позволяют достигать боль шой эффективности разделения и, следовательно, очистки при рацио нальном использовании исходного продукта. Однако необходимость в многократных перезагрузках, согласовании отдельных ступеней каскада и перемещение выгружаемых и загружаемых продуктов затрудняет управление и автоматизацию каскадных кристаллиза ционных методов. Поэтому целесообразнее осуществить кристалли зационный процесс в едином аппарате, работа которого будет проис ходить подобно действию сложного каскада. Такие аппараты усло вимся называть кристаллизационными разделительными или очисти тельными колоннами.
По характеру движения материальных потоков разделяемых компонентов колонные кристаллизационные методы в соответствии с классификацией методов разделения и очистки первоначально го могенных систем (по Л. А. Нисельсону [72, 102, 103]) могут быть противоточного, хроматографического и зонного типов.
Противоточные колонные кристаллизационные методы характе ризуются наличием непрерывного массообмена и теплообмена между двумя противоположно направленными материальными потоками. Этими потоками являются твердая и жидкая фазы. Как правило (но не всегда), при этом отсутствуют условия для направленной кристал лизации. Поэтому противоточные методы не получили применения
вметаллургии металлических и полупроводниковых материалов, они в большей мере используются при кристаллизации из растворов и
вменьшей мере — при кристаллизации из расплавов.
Главная трудность создания противотока при кристаллизации состоит в малой разности (10—20%) удельных весов кристаллов и их расплавов. Напомним, что при ректификации различие плотностей жидкости и ее пара составляет несколько порядков.
Поэтому противоток должен осуществляться за счет принуди тельной циркуляции кристаллов. Для этой цели используются шнеки, транспортеры и другие приспособления. Известны также средства принудительной циркуляции при помощи центробежных сил (цен трифуги).
Ш
Противоположно направленные потоки твердой и жидкой фаз используются, например, в методе Паттинсона [104] и криофони-
ческом методе В методе Паттинсона, применявшемся еще около 100 лет назад
и получившем применение в промышленном масштабе для обессе ребрения свинца, питание поступало в среднем сечении колонны, затвердевающие фракции поступали в верхнюю часть колонны («пена»), а остающийся расплав — в нижнюю часть колонны.
В криофоническом методе нижняя часть колонны имеет более низкую температуру по сравнению с верхней частью, мелкие кри сталлы образуются в нижней части колонны и с помощью шнеков пе реносятся в верхнюю часть, где плавятся, и жидкость самопроиз вольно опускается вниз навстречу принудительно поднимаемым кри сталлам (рис. 40).
Массо- и теплообмен между двумя противоточными потоками может быть рассредоточен.
Например, в баковом методе3 [25, 105] это рассредоточение ча стичное. Поток жидкой фазы создается последовательным перете канием в ряду кристаллизаторы—баки. Поток твердой фазы соз дается последовательным погружением полых каркасов, на которых сначала происходит оплавление ранее образовавшегося слоя кри сталлов, а затем намораживается новый слой и т. д. Оба потока на правлены противоположно (рис. 41).
В канальном методе 3 [105] это рассредоточение полное. По длине колонны создается ряд чередующихся зон.твердого вещества в кон такте с расплавом (раствором). Смежные зоны связаны проточными трубами. Зоны неподвижны, твердое вещество перемещается с по мощью конвейера, проходя чередующиеся зоны, а расплав (раствор) течет в противоположном направлении (рис. 42).
Другим остроумным техническим осуществлением противоточногр кристаллизационного процесса, обладающего в силу значитель ной рассредоточенности массо- и теплообмена многими чертами зон ного кристаллизационного процесса, является метод, осуществляе мый в кристаллизерах с вращающимися барабанами [22]. Жидкая фаза перетекает из камеры в камеру. На поверхности вращающихся барабанов в зоне охлаждения намораживается слой твердого веще ства из предыдущей камеры, который в зоне нагрева оплавляется и смешивается с жидкой фазой в следующей камере. Авторская заявка Пфанна на кристаллизеры с вращающимися барабанами, по-види мому, не была удовлетворена (см. литературную ссылку в моногра фии [22]). На рис. 43 рассматривается существенно видоизмененная схема этого аппарата (см. [105]).
Основными факторами, определяющими эффективность рассмо тренных противоточных процессов, являются коэффициент распре
деления, |
контактная поверхность жидкой и твердой фаз, а также ве- |
||||
1 |
Пат. |
(США),№ |
2659761, |
1958 |
(кл. 260—652). |
2 |
Пат. |
(США),№ |
2750262, |
1956 |
(кл. 23—223.5). |
3 |
Пат. |
(США).№ |
2739046, |
1956 |
(кл. 23—310). |
112
. |
Ш |
Т |
Т |
И |
Ж |
' |
1 |
1 |
ц |
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
I |
I |
I |
|
|
|
|
|
Г Т ^ П Т Т Т ^ |
|
|
|
|
|
|
|
|
li @;tl 1. © li |
] |
|
|
|
|
|
|
Рис. |
40. Конструкция аппарата для фракционной кристаллизации |
по |
принципу противотока (криофонический колонный метод): |
1 — корпус колонны; 2 — боковой ввод; 3 — питающий бак; 4 — дон
ный вывод |
с вентилем; |
5 — приемный бак; |
6 — верхний |
бак; 7 — |
|||
крышка; 8 — уплотнения |
валов |
шнеков; 9 — |
донный вывод из верх |
||||
него бака; |
10—12 — прогреваемая или охлаждаемая |
рубашка с при |
|||||
емным баком; |
13 — нагреватель; |
14 — токоподвод; |
15 — изоляцион |
||||
ный материал; |
16 — первый регулируемый |
нагреватель; |
17 — вто |
||||
рой регулируемый нагреватель; 18 и 19 — лопасти шнека; |
20 — цент |
||||||
рирующий |
шпиндель; |
21 — подшипниковый блок; 22 — экран |
8 Б. Н. Вигдорович |
и з |
личина флегмового числа (отношение возврата к отбору), что неод нократно было показано на примере ректификационных и экстрак ционных и других процессов, математический аппарат которых мо жет быть непосредственно применен к кристаллизации.
Кристаллизационные процессы по сравнению с указанными про цессами химическо'й технологии имеют существенное различие, за ключающееся в том, что разделение на границе фаз достигается не за счет перераспределения компонентов и установления термодина-
Рис. 41. Схема аппарата для фракционной кристаллизации, работающего по принципу про тивотока (баковый колонный метод):
а — последовательность операций |
при |
фракционной |
кристаллизации |
( / — V)\ б — система |
||||||||
баков с различным уровнем расплава (располагаются |
по прямой линии или по кругу); в — |
|||||||||||
система баков с одинаковым уровнем расплава (имеются разновысокие |
каналы дл |
перете |
||||||||||
|
|
|
кания расплава); г |
— система баков |
с конвейеров: |
|
|
|||||
1 — рама; 2 |
— твердая фаза; 3 — |
бак; |
4 —расплав до растворения твердой фазы; 5 |
— рас |
||||||||
плав |
после |
растворения твердой |
фазы; |
6 — подача |
хладагента; 7 — перекристаллизован- |
|||||||
ный материал; 8 — |
расплав после |
перекристаллизации; |
9 —14 — баки; |
15 —1 7 — вывод для |
||||||||
расплава из бака |
14; |
18 — уровень |
расплава в баке |
14 |
после слива; |
1 9 — 2 3 — уровень рас- |
||||||
• плава |
в баках 9 — 13 |
соответственно; |
2 4 — уровень расплава в баке 14 |
при погружении в него |
||||||||
рамы 1 с твердой фазой 2, образовавшейся в баке 13] |
2 5 |
— уровень, |
соответствующий коли |
честву расплава, перелившегося в баке 1 3 при погружении рамы 1 с твердой фазой в бак 14;
2 6 — уровень |
расплава в баке 14 после удаления рамы 1 с перекристаллизованным мате |
|||||||||
риалом 7; 2 7 — 31 — уровни расплава |
в баках 1 3 — 9 |
соответственно; 3 2 — уровень загрузки |
||||||||
материала |
за |
один цикл; 3 3 |
— ввод |
загрязненного |
материала; |
3 4 —3 9 |
— баки; |
4 0 — 4 4 — |
||
каналы; 4 5 , |
4 6 — вывод очищенного |
материала; |
4 7 — 5 0 — уровни расплава на |
различных |
||||||
стадиях перекристаллизации (позиции 1 8 , 2 4 , |
2 5 и 2 6 |
на схеме б); |
5 1 — конвейер; |
5 2 — под |
||||||
вески; 5 3 —5 7 |
— баки; 5 8 —6 2 — отверстия |
для |
перетекания избытка |
расплава; |
6 2 — вы |
|||||
вод |
загрязненного |
расплава; 6 3 |
и 6 4 |
— вывод очищенного |
расплава |
мически равновесных концентрации, а за счет продвижения границы между твердой и жидкой фазами. Это обусловлено затрудненностью диффузионных процессов в твердой фазе. Фазовое равновесие, повидимому, можно подразумевать лишь на участках, непосредственно прилегающих к границе раздела.
Хроматографические колонные кристаллизационные методы не получили широкого распространения, но в отдельных случаях они могут быть успешно применены [108]. Процесс в этом случае харак теризуется наличием потока носителя, осуществляющего транспорт разделяемых компонентов. Другим важным элементом осуществления процесса этого типа является наличие фиксатора. На этот фиксатор
114
Р и с . 42 . С х е м а а п п а р а т а д л я ф р а к ц и о н н о й к р и с т а л л и з а ц и и , р а б о т а ю щ е г о по п р и н ц и п у п р о т и в о т о к а ( к а н а л ь н ы й к о л о н н ы й метод ):
а — с х е м а с е ч е н и я к о л о н н ы а п п а р а т а с в о з в р а т о м р а с п л а в а с в е р х у в н и з ; б — с е ч е н и е к о л о н н ы а п п а р а т а с з а у ж е н н ы м и и у д л и н е н н ы м и п р о т о к а м и д л я р а с п л а в а ; в — се ч е н и е к о л о н н ы а п п а р а т а с в о з в р а т о м р а с п л а в а п о с р е д с т в о м п е р е д в и ж е н и я р а с п л а в л е н н ы х з о н с в е р х у в н и з ; г — о д и н и з в а р и а н т о в к о л о н н ы с д в и ж у щ и м и с я р а с п л а в л е н н ы м и з о н а м и ; д — о д и н и з в а р и а н т о в к о л о н н ы с з а у ж е н н ы м и и у д л и н е н н ы м и п р о т о к а м и д л я р а с п л а в а :
1 — п о д а ч а и с х о д н о г о м а т е р и а л а ; 2 — к о р п у с к о л о н н ы ; 3 — п о д в и ж н о й т р а п ; 4 — т в е р д а я ф а з а ; 5 — р а с п л а в л е н н ы е у ч а с т к и ; 6 — ш т и ф т ы , у д е р ж и в а ю щ и е т в е р д у ю ф а з у н а п о д в и ж н о м т р а п е ; 7 — п о д о г р е в а е м ы е п р о т о к и д л я р а с п л а в а ; 8 — не в о з в р а щ а е м а я в к о л о н у ч а с т ь р а с п л а в а ; 9 — о т б о р о ч и щ е н н о г о м а т е р и а л а ; 10 — п е р е г о р о д к а ( п о к а з а н а т о л ь к о о д н а из п я т и ) ; И — о т б о р з а г р я з н е н н о г о м а т е р и а л а ; 12 — п р о т о к и ; 13 — и н е р т н а я п е р е г о р о д к а ; 1 4 — и н е р т н а я в с т а в к а ; 1 5 — с т е н к и к о л о н н ы ; 1 6 — т в е р д а я ф а з а ; 1 7 — р а с п л а в л е н н а я з о н а ; 18 — л о к а л ь н ы е р а с п л а в л е н н ы е з о н ы ; 19 — с т е н к и к о л о н н ы ; 2 0 — т в е р д а я ф а за ; 2 1 — п о п е р е ч н ы е р а с п л а в л е н н ы е з о н ы ; 2 2 — п о д а ч а и с х о д н о г о м а т е р и а л а ; 2 3 — в ы в о д з а г р я з н е н н о г о м а т е р и а л а ; 2 4 — в ы в о д о ч и щ е н н о г о п р о д у к т а ; 25 — р а с п л а в л е н н ы е з о н ы ; 2 6 — т в е р д а я ф а з а ; 2 7 — « го р л о » р а с п л а в л е н н ы х зо н ; 2 8 — т в е р д а я ф а з а ; 2 9 — р а с п л а в л е н н ы е
з о н ы ; 3 0 — т р у б к и д л я п е р е т е к а н и я р а с п л а в а
115