Файл: Вигдорович, В. Н. Совершенствование зонной перекристаллизации.pdf

И с него происходит непрерывная миграция компонентов. Различие скоростей миграции является причиной различных эффективных ско­ ростей продвижения компонентов носителем. Носителем может слу­ жить сам очищаемый материал, фиксатором — стенки колонны. На пути потока раствора установлен последовательный набор фильтров, причем каждый из них находится при все снижающейся температуре. Таким образом, фильтры предназначены для задержания различных кристаллизующихся фракций раствора.

Следует отметить зонную хроматографию, о которой сообщали Рейс и Гильфанд [106]. А. Н. Киргинцев с сотрудниками [107]

Рис. 43. Схема аппарата для фракционной кристаллизации, работающего по принципу противотока (кристаллизаторы с вращающимися барабанами):

и Пфанн [22, 108]. Для осуществления зонной хроматографии ис­ пользуется обычное продвижение расплавленной зоны вдоль твердой загрузки, в которой на одном из участков введена смесь веществ. Эти вещества перемещаются с проходами «полосами» со скоростями и в направлениях, определяемых коэффициентом распределения. В полосе концентрация веществ подчиняется распределению Пуас­ сона Т Так как требуется очень большое число проходов и загрузки должны содержать большое число длин зон, реализация зонной хро­ матографии упирается в необходимость миниатюризации расплавлен­ ных зон и компактное размещение их на длине загрузки.1

распределению Пуассона с параметром Я, равны Я. Если случайные величины и £2 имеют распределение Пуассона с параметрами Ях и Я3 и независимы, то их сумма ^ -f- | 2 имеет распределение Пуассона с параметром Яг -j- Я2.

116

Зонные колонные 1 кристаллизационные методы характеризуются наличием перемещающихся расплавленных зон, более богатых (или бедных) каким-либо компонентом, чем прилегающие к зонам участки загрузки, вследствие различного отношения компонентов к изменен­ ным условиям в зоне. Перемещение расплавленных зон вдоль твердой загрузки не обеспечивает относительного движения твердой и жидкой фаз, но обеспечивает движение компонентов вдоль загрузки. Одни компоненты увлекаются вместе с расплавленной зоной, а другие пере­ распределяются ею в противоположном направлении. Разделяющий эффект направлен вдоль оси колонны. Благодаря многократности перекристаллизации эффект разделения может быть очень большим.

Рис. 44. Схемы осуществления квазиколонных методов зонной перекристал­ лизации:

1 —- исходный материал; 2 — очищенный материал; 3 — загрязненный мате­ риал; 4 — направление перемещения загрузки; 5 — распределение примеси по длине загрузки в начале зонной перекристаллизации; 6 — предельное (установившееся) распределение примесей; расплавленные зоны продвигаются слева направо

До тех пор пока имеется разделение компонентов вдоль загрузки, но фактически отсутствует противоточное движение твердой и жидкой фаз, соответствующее в данном случае встречному движению потоков, обогащенных различными компонентами (например, очищенный и загрязненный примесями материал), процесс является элементар­ ным. Однако имеются возможности осуществить встречное движение потоков в кристаллизационных колоннах зонного типа.

Характерные особенности процесса зонной перекристаллизации в этом случае представлены на рис. 44. Продвижение расплавленных зон вдоль загрузки или колонны (на рис. 44 слева направо) создает такое же распределение примесей, как в элементарном кристаллиза­ ционном методе. Если процесс сделать многократным, то можно полу­ чить по длине загрузки предельное распределение. Однако это все еще элементарный процесс, но его нетрудно сделать каскадным. Для1

1 Распространенным стало название «непрерывная зонная перекристаллиза­ ция», также отражающее сущность процесса.

117

этого необходимо выгрузить очищенный и загрязненный материал и загрузить исходный материал. Три варианта перезагрузки показаны на рис. 44, а, б, и в1. После перезагрузки расплавленные зоны снова продвигаются необходимое число раз вдоль загрузки, пока не будет достигнуто распределение, близкое к предельному. Вслед за этим все операции повторяются. В случаях, представленных на рис. 40, б и в, загрузка исходного материала с одновременной выгрузкой очи­ щенного и загрязненного материала в большей степени нарушает предельное распределение примесей по'длине загрузки, чем в случае, представленном на рис. 44, а, для которого предельное распределение достигается за меньшее число проходов. Следовательно, этот случай должен обеспечить большую производительность.

Таким образом, рассмотренный кристаллизационный метод по использованию многократных элементарных методов является кас­ кадным и периодическим, но в то же самое время — и колонным, поскольку кристаллизационная очистка осуществляется в одном аппарате. В монографии Пфанна [22] этот метод назван псевдонепрерывным, однако, учитывая промежуточный характер этого метода по предлагаемой классификации, условимся называть-его квазиколонным (или псевдоколонным).

Важно отметить, что квазиколонные методы отличаются выгруз­ кой только концентрируемых на противоположных концах компо­ нентов, а промежуточный материал при этом выполняет роль среды, в которой происходит перераспределение компонентов.

Для того чтобы рассмотренные методы можно было отнести к ко­ лонным, необходимо непрерывное продвижение помещаемой в аппарат загрузки («конструкционный поток» — по определению В. Н. Рома­ ненко [25].

Выделим по длине загрузки две части, различающиеся тем, что в одной из них концентрацию примем ниже исходной концентрации (секция очищенного материала), а в другой — выше (секция загряз­ ненного материала). Имеется в виду очистка от примесей, имеющих коэффициент распределения меньше единицы 2.

Для непрерывного продвижения загрузки требуется усложнение кристаллизационной ячейки. В секции очищенного материала она должна быть «недостаточной», т. е. в момент образования расплав­ ленной зоны ее объем должен быть уменьшен на определенную вели­ чину, которая соответствует отбору очищенного материала, а затем необходимо продвигать зону вдоль загрузки до места подачи исход­ ного материала, не нарушая контакта расплава с фронтом кристал­ лизации. Тогда отбор очищенного материала будет определять пере­ мещение загрузки вдоль секции очищенного материала.

1 Схема на рис. 44, в является дополнением к схеме, которую приводит Пфанн

[22].

2 Необходимо отметить многообразие терминов, используемых в теории и прак­ тике ректификации, экстракции и общей теории колонных методов разделения и очистки: секция очищенного материала — секция извлечения или исчерпывания; - секция загрязненного материала—секция обогащения или концентрирования и т. д.

118

В секции загрязненного материала кристаллизационная ячейка должна быть «избыточной», т. е. при движении расплавленной зоны от места подачи исходного материала к месту отбора загрязненного продукта она должна обладать избытком расплава, который опре-

деляет перемещение загрузки вдоль секции загрязненного продукта. Чем больше отбор, тем больше производительность секции.

Следует оговориться, что указанные условия относятся к осуще­ ствлению самопроизвольной работы кристаллизационных колонн. Искусственно движение материала в колоннах кристаллизационной очистки можно осуществить, например, с помощью рольгангов 1

1 Пат. (США), № 2876147, 1959 (кл. 148—1.5).

119

или .используя технологические приемы непрерывной разливки ме­ таллов [109]. Однако все эти варианты сложны для инженерного решения и мало пригодны для целей глубокой очистки материалов. В этом отношении следует отдать предпочтение колоннам кристалли­ зационной очистки с самопроизвольным движением потоков.

Предложено несколько методов осуществления движения загрузки в аппарате для зонной перекристаллизации (Пфанн 1 [22] и В. Н. Вигдорович с сотрудниками 2 [105, ПО]). При этом их можно разделить на самопроизвольные (например, I и II в табл. 6 или позиции а и б на рис.'45) и принудительные (например, III—VIII в табл. 6 или позиции в— ж на рис. 45).

Г л а в а V

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА КОЛОННОЙ ЗОННОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

ТЕОРИЯ КОЛОННОЙ ЗОННОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Первоначально теория поведения примесей в аппаратах подобного типа была разработана Пфанном применительно к полостному методу. Он рекомендовал применять формулы и для транспортного метода [22]. Абэ [27, с. 355—364] произвел вывод формул применительно к транспортному методу с учетом возможного массопереноса. При этом обнаружились расхождения результатов решений Пфанна3 [22] и Абэ [27, с. 355—364], которые были разрешены в работе Кеннеди [27, с. 365—367 ] предварительно (была обнаружена ошибка в работе Пфанна [22]), а затем в работе Кеннеди и Парке [111 ] окончательно. Уравнения были выведены Пфанном в линейно-объемных единицах, т. е. за аргумент были приняты длина или объем секции аппарата.

Абэ [27, с. 355—364] дал описание транспортного метода и вывел уравнения для определения основных параметров аппарата. Он ввел следующие ограничения: 1) секция аппаратов и слиток твердого

120