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

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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