автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разделение бинарных смесей путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления

На правах рукописи

БЕССОНОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗДЕЛЕНИЕ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ ПУТЕМ СОЧЕТАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФРАКЦИОННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ II ФРАКЦИОННОГО

ПЛАВЛЕНИЯ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

ООУЮ""--

Москва - 2009

003488556

Работа выполнена на кафедре процессов и аппаратов химической технологии государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М. В. Ломоносова»

Защита состоится 29 декабря 2009 года в 14:30 в аудитории М-119 на заседании диссертационного совета Д 212.120.02 при Московской государственной академии тонкой химической технологии имени М. В. Ломоносова по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, 86.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной академии тонкой химической технологии имени М. В. Ломоносова по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, 86.

Автореферат размещён на официальном сайте МИТХТ имени М. В. Ломоносова (www.mitht.ru ноября 2009 г. и разослан

¿г

ноября 2009 года.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Носов Геннадий Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Костанян Артак Ераносович

кандидат технических наук Пароконный Владимир Дмитриевич

Ведущая организация:

ФГУП «ГНЦ Научно-исследовательский институт органических полупродуктов и красителей (НИОПИК)», г. Москва

Учёный секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Е.А. Анохина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Процесс фракционной кристаллизации имеет значительное число различных методов и способов его реализации. Этот процесс находит применение в химической, нефтехимической, коксохимической, металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности для выделения различных веществ из природных и технологических растворов, разделения смесей на фракции, обогащенные тем или иным компонентом, концентрирования разбавленных растворов, а также для глубокой очистки различных веществ от примесей. Следует отметить, что все известные методы фракционной кристаллизации, к сожалению, не являются универсальными. Каждый из них имеет свою область технически возможного или экономически целесообразного применения. Часто при использовании того или иного метода не удается достичь требуемой степени разделения или же обеспечить достаточно высокий выход целевых продуктов, а также не удается провести процесс разделения с низкими энергетическими затратами. В этом случае приходится использовать различные варианты многоступенчатого разделения или производить процесс разделения путем сочетания нескольких методов фракционной кристаллизации, а иногда фракционную кристаллизацию приходится сочетать с другими массообменными процессами (адсорбцией, дистилляцией, ректификацией, сублимацией и др.). Учитывая это, разработка и исследование комбинированных процессов разделения и очистки веществ от примесей представляются весьма актуальными.

Целью работы является исследование параметров и закономерностей разделения бинарных расплавов и растворов с помощью сопряженных процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления, а также определение параметров разделения, оказывающих наибольшее значение на проведение процесса и его общую эффективность.

Выбранные цели потребовали решения следующих задач.

!. Выявление возможных вариантов разделения бинарных смесей путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления.

2. Разработка математического описания для основных вариантов комбинированного разделения.

3. Разработка методики расчета процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления с использованием энтальпийных диаграмм.

4. Анализ влияния основных параметров процесса разделения на его эффективность.

5. Проведение экспериментальных исследований процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления, а также сравнение полученных данных с результатами расчетов.

Научная новизна

1. Предложено три варианта разделения смесей путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления. Разработано их математическое описание.

2. Используя полученные теоретические зависимости, выполнен анализ влияния различных параметров (температуры охлаждения исходной смеси на стадии кристаллизации, температуры нагрева кристаллической фазы на стадии плавления, коэффициентов захвата маточника на стадиях сепарации суспензии, коэффициентов рециркуляции потоков и др.) на эффективность процесса разделения.

3. Предложен метод расчета процессов фракционной кристаллизации, фракционного плавления, а также комбинированного процесса разделения с помощью энтальпийных диаграмм.

Практическая ценность

Предложенные варианты комбинированного разделения путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления могут быть использованы не только для фракционирования бинарных смесей, но и для разделения реальных смесей на фракции, обогащенные тем или иным компонентом, а также для очистки веществ от примесей. Полученные теоретические зависимости можно непосредственно использовать для расчета рассматриваемых процессов, установления параметров их проведения, а также для выбора наиболее рационального варианта процесса разделения конкретных смесей.

Апробация работы и публикации

По материалам диссертации опубликовано две статьи в издании, рекомендованном ВАК, а также тезисы двух докладов на научно-технических конференциях.

Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме «Исследование физико-химических основ ректификации и совмещенных и сопряженных процессов с химически инертными компонентами» и гранта РФФИ № 07-08-00504-а

Объём работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и трех приложений. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 7 таблиц. Библиография включает 92 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана краткая характеристика состояния проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, представлена структура диссертации.

Первая глава посвящена обзору литературы по общим закономерностям процесса кристаллизации. Рассмотрены известные варианты тгого процесса, отмечены их преимущества и недостатки. Сделаны выводы по результатам анализа литературных данных.

Во второй главе рассмотрен комбинированный процесс с полной рециркуляцией маточника со стадии фракционного плавления на стадию

кристаллизации. Принципиальная схема такого разделения и его изображение на диаграмме равновесия фаз смеси образующей непрерывный ряд твердых растворов представлена на рис. 1.

В данном случае исходная смесь У7 с концентрацией первоначально подается на стадию кристаллизации Кр, где она охлаждается до температуры 1К. В результате получается суспензия, состоящая из кристаллической фазы А", и маточника М\. После разделения этой суспензии на стадии сепарации Ф| получается маточник 1ь который отводится в качестве низкоплавкого продукта разделения. Отделенная кристаллическая фаза направляется на стадию фракционного плавления ФП, где она нагревается до температуры ¡н. При этом получается суспензия К2 + Л/2. На стадии сепарации Ф2 эта суспензия разделяется. Отделенная кристаллическая фаза 52 отбирается в качестве высокоплавкого продукта разделения, а маточник ¿2 возвращается на стадию Кр.

В результате теоретического анализа рассматриваемого процесса были получены все основные уравнения, описывающие процесс разделения для смесей имеющих различные типы диаграмм равновесия фаз. В случае разделения эвтектикообразующих смесей, для расчета относительно выхода кристаллической фазы на стадии кристаллизации и содержание ее в получаемой суспензии /?«1 предложено использовать зависимости:

~ С" ~ (. . \ ^ '

„ К, ^тгС'-Ж-ОН' + ^Д'-РрА-О] (2)

где щ1=1г/Р - коэффициент рециркуляции маточника Ь2; р - коэффициент, зависящий от положения линии ликвидуса на диаграмме равновесия фаз.

а

Рисунок 1 - Принципиальная схема процесса разделения путем сочетания фракционной кристаллизации и фракционного плавления с рециркуляцией маточника, получаемого на стадии плавления (а) и ею изображение на диаграмме равновесия фаз (о).

Заметим, что в рассматриваемом процессе в отличие от обычного разделения содержание кристаллической фазы в получаемой суспензии /?ki не совпадает с ее выходом (рк1 из-за наличия рециркулирующего потока.

Удельный тепловой поток, который необходимо отвести на стадии кристаллизации составляет:

<7о =cftf + çKI{rK +cK|/,) + pucL2/L2-(l + pu-pKJcMl{, (3)

Относительный выход кристаллической фазы на стадии фракционного плавления зависит не только от режимов проведения данной стадии, но и от параметров стадии кристаллизации Кр и стадии сепарации Фр Его можно определить, используя зависимость:

ср, .(^ki-^mJ-^Wi-Xm;) ^

1 — т1 ХК2 ~ ХМ2

где т \ - коэффициент захвата маточника кристаллической фазой на стадии Ф,.

Удельный тепловой поток подводимый на стадии фракционного плавления 9я ~Q«/F составляет:

Я» = <РМ„ + <PmcMiK + -<Рш)г„ -Psi^A (5)

Степень извлеченйя целевого компонента с конечным высокоплавким продуктом S2 можно оценить по выражению:

л - _ .. *S2 _ (*F ""^Ll)^

'/si- г, ~~ v'sî ~ / ч

F XF V^SÎ ~Х1А/ХГ

Используя полученные теоретические зависимости, нами был произведен анализ влияния различных параметров на ход процесса разделения на примере расплава бинарной смеси нафталин-дифенил. Расчеты процесса разделения производили итерационным методом. При этом на базе полученных уравнений был разработан соответствующий расчетный шаблон в MS Excel. Этот анализ показал, что наибольшее влияние на ход процесса оказывает температура охлаждения исходной смеси F на стадии кристаллизации /к.

Понижение /к приводит к увеличению выхода кристаллической фазы <ркi (рис. 2,а). Соответственно, с повышением температуры /к величина срК1 падает вплоть до нуля. Последнее наблюдается при температуре /к равной температуре ликвидуса исходной смеси. На рис. 2,а приведено сопоставление выхода кристаллической фазы для процесса с рециркуляцией и без рециркуляции маточника ¿2- Из представленных данных видно, что в процессе с рециркуляцией выход кристаллической фазы ç>ki выше, чем в процессе разделения без рециркуляции.

Повышение выхода кристаллической фазы <рК1 при понижении температуры охлаждения смеси !к на стадии кристаллизации приводит к соответствующему увеличению количества отводимого на данной стадии тепла q0 (рис. 2.6) и повышению количества тепла qH, подводимого на стадии плавления (рис. 2,в). При этом максимальные затраты тепла на стадии фракционного плавления наблюдаются при температуре /к, близкой к температуре кристаллизации эвтектики. При повышении температуры /к поток кристаллической фазы 5|, поступающей на стадию фракционного плавления, снижается. Соответственно, происходит и снижение количества подводимого тепла qH.

Рисунок 2 - Зависимость выхода кристаллической фазы (а), удельною потока тепла, отводимого на стадии кристаллизации (б) и удельного потока подводимого тепла па стадии фракционного плавления (е) от температуры охлаждения (система нафталин - дифенил. Д/Р=5"С. /„=70'С): 1 -дгР = 50 % нафг.; 2 - 60 %: 3-70 %; 4-80 %; 5 - хг = 90 % нафт. - процесс с рециркуляцией;.....без рециркуляции.

Проведенный анализ показал, что изменение температуры нагрева на стадии фракционного плавления 1„ оказывает существенное влияние лишь в области температур близких к температуре плавления высокоплавкого компонента. С ростом выход высокоплавкого продукта (р$2 падает, а поток рециркулирующего маточника и затрат тепла на плавление qя увеличиваются. С повышением наблюдается также снижение коэффициента извлечения щ2.

Определенное влияние на рассматриваемый процесс оказывает содержание высокоплавкого компонента в исходной смеси С увеличением выход кристаллической фазы на стадиях кристаллизации и плавления <р$2, а также коэффициент извлечения ц$2 закономерно возрастают.

Повышение коэффициента захвата маточника »¡| и т2 на стадиях сепарации Ф1 и Ф2 несколько увеличивает выход отдельных кристаллических фракций <ръ\ и 2- Однако это сопровождается снижением концентрации целевого компонента в кристаллических фазах и х$2, что в свою очередь снижает эффективность разделения. При проведении рассматриваемых процессов следует стремиться к более полному отделению маточников от кристаллической фазы.

В третьей главе рассмотрено разделение бинарных смесей путем сочетания процессов однократной фракционной кристаллизации и фракционного плавления с контактным нагревом разделяемой смеси рециркулирующими потоками маточника, полученными на стадии плавления. Принципиальная схема такого разделения представлена на рис. 3,а. В данном случае маточник ¿2 отделяемый па стадии сепарации Ф2 разделяется на две части. Одна из них Ь4 возвращается на стадию кристаллизации Кр, а другая часть 13 после ее подогрева в теплообменнике Т| используется в качестве теплоносителя на стадии фракционного плавления ФП, где она смешивается с кристаллической фазой

¿4, х1-2

Рисунок 3 - Принципиальные схемы процесса разделения с контактным нагревом кристаллической фазы на стадии фракционного плавления рециркулирующим маточником (а) и расплавом высокоплавкого продукта (б).

Достоинствами рассматриваемого варианта разделения является то, что он позволяет существенно упростить аппаратурное оформление процесса разделения.

При теоретическом рассмотрении такого процесса были получены все необходимые зависимости для его расчета. При этом относительный выход кристаллической фазы К\ на стадии кристаллизации можно рассчитать по уравнению:

„ _ К, _{xf-xm) + aL<pi2{xL1-x„)

i'ki ~ р _ > V'/

г — хш

где aL = A,/L2 - коэффициент рециркуляции потока маточника Ц на стадию Кр.

Содержание кристаллической фазы в получаемой суспензии ßKl составляет:

„ К,__+ /яч

АI = —-Г ~-7,-\7-\--(°>

F + alL1 (l + fLi'LzJKi-^Mi)

Удельное количество тепла которое необходимо отвести от

кристаллизирующейся смеси при ее охлаждении от температуры iF до температуры tK определяется по уравнению:

<7о = СЛ + <Рк, ('"к + Ск А ) + Vl^U'U ~ 0 + <Ры ~ i>KI )СМ А (9)

Доля кристаллической фазы получаемой на стадии фракционного плавления суспензии составляет:

^ = -Г, (10)

Из уравнения теплового баланса теплообменника Т, можно определить количество тепла Он, которое необходимо затратить для подогрева потока маточника L3

0„ = L2cL1(\-aL )(/,-/„) (II)

При этом температуру t3, которую должен иметь поток Ц для обеспечения процесса фракционного плавления можно рассчитать по уравнению

t = РаСкА+РщСш1* -<Pu)r„ ([2)

<Pu{X~ai)c 1.2'и

Используя полученные зависимости также, как и для варианта комбинированного процесса рассмотренного в главе 2, нами был произведен анализ влияния основных параметров на ход рассматриваемого процесса разделения.

В рассматриваемом процессе также, как в процессе с полным возвратом маточника L2 на стадию кристаллизации, сильное влияние оказывает температура охлаждения смеси (к на стадии Кр. С понижением этой температуры выход кристаллической фазы, как на стадии кристаллизации ь так и на стадии плавления ipK2 возрастает. При этом соответственно увеличивается коэффициент извлечения

Следует отметить, что при проведении рассматриваемого варианта разделения важным моментом является определение оптимального количества маточника Ц, поступающего на контактное плавление. Малое количество Ц вынуждает проводить его нагрев до высокой температуры, что не всегда желательно. Кроме того, не будет равномерного смачивания всей кристаллической

массы теплым маточником, что может привести к локальным перегревам и значительному отклонению процесса от равновесия. В свою очередь, добавление слишком большого количества маточника 13 к кристаллической фазе на стадии плавления может привести к снижению концентрации конечного продукта разделения х52.

На рис. 4 показано влияние коэффициента рециркуляции а^ на выход кристаллической фазы Из представленных данных видно, что выход

кристаллической фазы (як| тем выше, чем выше коэффициент аь. При значении аь = О весь маточник со стадии Ф2 идет на контактное плавление. В случае, когда аь= 1, весь маточник уходит на стадию Кр. В этом случае процесс с использованием контактного плавления становится невозможным. Значения коэффициента рециркуляции 0,25; 0,5 и 0,75 соответствуют промежуточным вариантам проведения процесса разделения, когда часть потока рециркулирующего маточника направляется на стадию кристаллизации, а часть - на стадию фракционного плавления.

Влияние коэффициента рециркуляции на коэффициент извлечения при различных значениях (к представлено на рис. 5. Видно, что повышение положительно 'сказывается на значении (особенно в области низких значений

/к).

На ход рассматриваемого процесса так же, как и на процесс разделения с полным возвратом маточника на стадию кристаллизации, определенное влияние оказывает температура нагрева смеси на стадии плавления На рис. 6,а приведена зависимость выхода кристаллической фазы на стадии кристаллизации от температуры нагрева смеси /„ при различных значениях коэффициента рециркуляции а^ В случае, когда температура близка к температуре на стадии кристаллизации, влияние коэффициента рециркуляции незначительно, что вызвано близкими составами рециркулирующего маточника и маточника, образующегося на стадии Кр. В силу этого на стадии кристаллизации из возвращенного маточника ¿4 не происходит образования заметного количества кристаллической массы

Рисунок 4 - Зависимость выхода кристаллической фазы на стадии кристаллизации (рК\ от температуры охлаждения смеси (нафталин - дифенил, /„=70*С, х¥ = 70 % нафт.): 1 - а, = 0; 2 - 0,25; 3 - 0,5; 4 - 0.75: 5 - я,. = 1.

высокоплавкого компонента. При высоких же температурах /н наоборот, происходит довольно резкое увеличение выхода кристаллической фазы поскольку маточник возвращаемый на стадию кристаллизации имеет высокую концентрацию высокоплавкого компонента.

Зависимость выхода кристаллической фазы (ок2 на стадии фракционного плавления от температуры нагрева смеси на /„ представлена на рис. 6,6. При низких температурах нагрева не происходит значительного подплавления кристаллической фазы З1!, поступающей на стадию ФП, поскольку она имеет довольно высокую концентрацию высокоплавкого компонента. Однако при достижении („ значений, близких к температуре плавления высокоплавкого компонента (в нашем случае нафталина) происходит резкое уменьшение выхода кристаллической фазы вплоть до нулевого значения.

Изменение состава исходной смеси хр и коэффициентов захвата маточника т1 и «2 оказывают примерно такое же влияние на рассматриваемый процесс разделения, как и в процессе с полным возвратом маточника Ь2 на стадию Кр.

В четвёртой главе рассмотрен вариант разделение с частичной рециркуляцией высокоплавкого продукта, принципиальная схема которого приведена на рис. 3,6. В 'данном варианте разделение осуществляется с использованием пяти стадий: частичной кристаллизации Кр, фракционного плавления ФП и стадий сепарации суспензий Ф, и Ф2, а также стадии плавления Пл. Отделенный на стадии сепарации Ф2 маточник ¿2 с концентрацией целевого компонента полностью возвращается на стадию кристаллизации Кр, как и в варианте рассмотренном в главе 2, в виде рециркулирующего потока 12. Характерной особенностью рассматриваемого в данной главе процесса разделения является то, что при его реализации полученный на стадии сепарации Ф2 кристаллический продукт 52 подвергается полному расплавлению и разделяется на два потока. Один из них возвращается на стадию фракционного плавления ФП в виде рециркулирующего потока IV, а другой отводится из схемы в виде конечного целевого высокоплавкого продукта V. -Нагретый маточник поток IV с температурой

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента извлечения ;/52 от коэффициента рециркуляции а[_ (параметры разделения - см. рис. 4): ] - /к = 35,5'С; 2 - 40"С; 3 -45'С; 4- 50'С; 5 - 55 С; 6 -/к = 60"С.

¡2 подается на стадию фракционного плавления ФП, где он смешивается с кристаллической фазой поступающей со стадии сепарации Ф]. В результате контактного тепломассообмена между потоками и ¡V происходит частичное расплавление кристаллической фазы. При этом получается суспензия с температурой состоящая из кристаллической фазы К2 состава хК2 и маточника М2 состава Лм2, которая подается на стадию сепарации Ф2.

Достоинствами такого процесса являются контактный нагрев смеси высокоплавким продуктом и полный рецикл маточника Ь2 со стадии сепарации Ф2 на стадию кристаллизации Кр. Нагрев высокоплавким продуктом приводит получению более высоких концентраций высокоплавкого компонента в кристаллическом продукте 52, полученном на стадии сепарации Ф2 (по сравнению с контактным нагревом рециркулирующим маточником).

Для данного варианта разделения также были получены все необходимые расчетные зависимости. Для стадий КР и Ф| это зависимости имеют то же вид, что и для варианта с полной рециркуляцией маточника Ь2 (глава 2).

Рисунок 6 - Зависимость выхода кристаллических фаз <рк, (а) и <рК2 (б) от температуры нагрева 1Н (нафталин - дифенил, /К=40'С, .тР = 70 % нафт.): 1 — = 0; 2 -0,25; 3-0,5; 4-0,75; 5-0!,= 1.

Выход кристаллической фазы на стадии фракционного плавления в данном случае можно рассчитать, используя зависимость

_ = Рм С*3| ~хш) + (*яг -*М2) Р -*К2 —

где а$ = IV/ - коэффициент рециркуляции высокоплавкого продукта.

Температуру которую должен иметь поток IV для осуществления процесса фракционного плавления, можно определить из уравнения: 1 _ + А/2СмЛ +(АГ| -Л~2)/;

Количество тепла, подводимого на стадии плавления Пл, равно

= ((1 ■- т2) (г„ - (сК2 - сМ2) /„) + (с„/„ - сш12)), (15)

Анализ процесса для данного варианта разделения был выполнен применительно к разделению двух бинарных смесей: нафталин - дифенил, имеющей диаграмму равновесия фаз эвтектического типа, и (3-метилнафталин -флуарен, при кристаллизации которой образуется непрерывный ряд твердых растворов. Некоторые результаты такого анализа представлены в таблицах 1 и 2.

Произведенные расчеты показали, что на некоторые параметры рассматриваемого процесса разделения довольно сильное влияние оказывает коэффициент рециркуляции высокоплавкого продукта а$. Так, относительный выход кристаллической фазы на стадии фракционного плавления 0>К2 увеличивается с ростом коэффициента рециркуляции высокоплавкого продукта а5. Это вызвано тем, что на стадию ФП поступает расплав продукта разделения, который состоит практически из чистого высокоплавкого компонента. Содержание кристаллической фазы в получаемой суспензии /?К2 также повышается с ростом коэффициента Характерно, что изменение а5 не влияет на выход маточника стадии ФП ¡р^. С ростом коэффициента рециркуляции наблюдается увеличение удельного потока подводимого тепла ди, что связано с увеличением потока высокоплавкого продукта 52, который подвергается полному расплавлению.

В пятой главе проанализирована возможность использования энтальпийных диаграмм • для анализа процессов разделения смесей методами фракционной кристаллизации и фракционного плавления. Как известно, для ряда массообменных процессов энтальпийные диаграммы часто дают возможность без проведения аналитических расчетов определять составы и выход получаемых продуктов, а также затраты тепловой энергии на различных стадиях разделения. Такой анализ был выполнен применительно к разделению бинарных смесей, образующих непрерывный ряд твердых растворов, а также смесей эвтектического типа с полной взаимной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии. Для этих смесей были построены соответствующие энтальпийные диаграммы и с их помощью были произведены расчеты процессов фракционной кристаллизации, фракционного плавления и разделения путем сочетания этих процессов. На рис. 7,а показан ход процесса разделения бинарной смеси образующей непрерывный ряд твердых растворов, путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления с полной рециркуляцией маточника £2. Аналогичный процесс разделения эвтектикообразующей смеси представлен на рис. 7.6.

Таблица 1. Результаты разделения смеси нафталин - дифенил ((К=40'С, <Н=75'С, т|=/я2=0,1, Дт = 70 % нафт.)_

Параметр

0 0,25 0,5 0,75

1,252 1,252 1,252 1,252

0,654 0,654 0,654 0,654

Ч>%\ 1,391 1,391 1,391 1,391

4>и 0,522 0,522 0,522 0,522

<7о, кДж/кг 260 260 260 260

% нафт 0,943 0,943 0,943 0,943

% нафт 0,433 0,433 0,433 0,433

<РК2 0,430 0,537 0,860 1,721

Рк2 0,309 0,346 0,460 0,609

<РЬ2 0,478 0,637 0,956 1,912

0,913 0,913 0,913 0,913

<Р\Ч 0 0,159 0,478 1,434

<?\ 0,478 0,478 0,478 0,478

кДж/кг 165 186 229 360

л52, % нафт 0,991 0,991 0,991 0,991

хи, % нафт 0,912 0,912 0,912 0,912

Таблица 2. Результаты разделения смеси р-метилнафталин - флуарен (7к=40'С, ¿Н=70'С, тх=тг=0Л, х? -- 40 % р-метил.)_

Параметр

0 0,25 0,5 0,75

<РК1 1,240 1,240 1,240 1,240

0,620 0,620 0,620 0,620

<Р&\ 1,378 1,378 1,378 1,378

¥>и 0,612 0,612 0,612 0,612

кДж/кг 315 315 315 315

■х5ь % нафт 0.586 0,586 0,586 0,586

хи,% нафт 0,143 0,143 0,143 0,143

Укг 0,340 0,454 0,680 1,361

/?К2 0.247 0,302 0,387 0,542

<Р52 0,378 0,504 0,756 1,512

Ч>12 1,00 1.00 1,00 1,00

0 0,126 0,378 1,134

<Р\> 0.378 0,378 0.378 0,378

кДж/кг 152 162 182 241

% нафт 0,822 0,822 0.822 0,822

.Г[_2, % нафт 0.475 0.475 0.475 0,475

Рисунок 7 - Изображение процесса разделения бинарной смеси, образующей непрерывный ряд твердых растворов (а) и звтектикообразующей бинарной смеси (6) путем сочетания однократных процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления на энтальпийной диаграмме при > .ге-

Таблица 3. Результаты расчета процесса разделения смеси р-метилнафталин - флуарен путем сочетания фракционной кристаллизации и фракционного плавления (/„=70'С, /я[=«2=0,1, А%=5'С, х¥ = 40 % Р-метил.)

Параметр

/К=40'С

Аналитический способ

С помощью энтальпийных диаграмм

Л<=50'С

Аналитический способ

С помощью энтальпийных диаграмм

гк=60'С

Аналитический способ

V К1

<Ри до, кДж

<РК2

Пг

Ят кДж

1,240 0,620 1,378 0,612

315

0,340 0,247 0,378 1,00

152

1,265 0,632 1,389 0,605

332

0,314 0,222 0,352 0,986

144

0,994 0,585 1,104 0,647

224

0,318 0,288 0,353 0,751

142

1,014 0,597 1,142 0,641

231

0,294 0,271 0,345 0,742

134

0,309 0,279 0,343 0,764

83,1

0,212 0,617 0,236 0,107

23,4

Используя энтальпийные диаграммы были выполнены расчеты процессов разделения бинарных смесей нафталин - дифенил, имеющей диаграмму равновесия фаз эвтектического типа и смеси Р-метилнафталин - флуарен, образующую непрерывный ряд твердых растворов. Некоторые результаты таких расчетов приведены в таблице 3. Также проведено сопоставление полученных результатов с данными аналитических расчетов. Они достаточно хорошо согласуются между собой.

Также, следует отметить, что аналитический способ расчета параметров процесса разделения более точен, но намного более трудоемок. Расчет, построенный на использовании правила рычага, хоть и является менее точным, обладает неоспоримыми преимуществами - простотой и быстротой получения результатов.

В шестой главе представлены результаты экспериментальных исследований трех процессов: фракционной кристаллизации на охлаждаемой поверхности вращающегося барабана, массовой кристаллизации перемешиваемой смеси в емкостном аппарате и фракционного плавления в емкостном аппарате с внутренним теплообменным элементом.

Исследование процесса фракционной кристаллизации на охлаждаемых поверхностях проводили с использованием лабораторной установки, которая состояла из барабанного кристаллизатора, двух термостатов и контрольно-измерительных приборов. Барабан был изготовлен из бронзы. Его диаметр был равен 130 мм, а ширина 70 мм. Привод барабана позволял варьировать скорость

вращения барабана в диапазоне от 0,19 до 0,76 об/мин. Охлаждение барабана осуществляли путем подачи термостатированной воды во внутреннюю полость барабана через полые цапфы. Ванна кристаллизатора была снабжена греющей рубашкой, в которую подавали теплоноситель с заданной температурой. Кристаллический слой, образующийся на поверхности вращающегося барабана, снимали неподвижным ножом.

Опыты проводили следующим образом. Исходную смесь определенного состава загружали в ванну кристаллизатора. После термостатирования разделяемой смеси включали привод барабана и начинали его охлаждение. При выходе кристаллизатора на стационарный режим, снимаемый с барабана кристаллический слой возвращали в ванну с расплавом, где он плавился. Это позволяло поддерживать постоянный состав смеси в ванне при выходе установки на стационарный режим. Среднее время выхода аппарата на стационарный режим составляло 15-20 минут. После этого производили отбор образцов кристаллической фазы для анализа.

Опыты проводили с бинарными смесями эвтектического типа: нафталин-дифенил и карбамид-вода. Анализ состава продуктов разделения для смеси нафталин-дифенил производили термографическим методом, а для смеси карбамид-вода путем их полного обезвоживания в вакуумном шкафу с последующим взвешиванием образцов на аналитических весах.

Проведенные исследования показали, что сильное влияние на толщину кристаллического слоя «5 оказывает температура охлаждающего агента (воды) ¡ю подаваемого в полость барабана. С повышением данной температуры барабана происходит закономерное снижение толщины кристаллического слоя. При приближении к температуре ликвидуса исходной смеси толщина образующегося на барабане кристаллического слоя стремится к нулю. С уменьшением скорости вращения барабана происходит увеличение времени контакта поверхности барабана с расплавом, и соответственно, увеличивается толщина образующегося кристаллического слоя. Существенное влияние на толщину слоя с) оказывает величина перегрева расплава ДгР- С его ростом происходит резкое снижение величины ¿5.

Влияние температуры охлаждения ¡к и скорости вращения барабана п на состав получаемого кристаллического продукта .х5 для системы карбамид-вода показано на рис. 8. Из представленных данных видно, что с понижением температуры охлаждения барабана содержание высокоплавкого компонента в кристаллической фазе .г5 снижается. Это очевидно объясняется тем, что при понижении температуры <к возрастает вязкость жидкой фазы и соответственно затрудняется ее отделение от образующихся кристаллов. При понижении скорости вращения барабана п концентрация кристаллической фазы наоборот возрастает, и реальный процесс кристаллизации приближается к равновесному. Это видимо, связано с тем, что при понижении скорости вращения барабана образуются более крупные кристаллы и маточник лучше отделяется от них. Увеличение перегрева расплава Д/Р также приводит к повышению содержания высокоплавкого компонента в кристаллической фазе.

Используя полученные данные, была произведена оценка эффективности разделения. Для этого использовали коэффициент захвата маточника кристаллической фазой т, и коэффициент эффективности разделения Е. Эти коэффициенты рассчитывали, используя зависимости:

т= ; (16) Е = (17)

хк ~ хм хк~ хм

Для системы карбамид-вода величина коэффициента захвата маточника т в зависимости от технологических параметров проведения процесса изменялась в диапазоне от 0,16 до 0,6, а величина коэффициента эффективности разделения Е соответственно изменялась от 0,6 до 0,86. Для системы нафталин-дифенил величина коэффициента эффективности разделения находилась в диапазоне от 0,1 до 0,4.

Здесь следует отметить, что результаты, полученные нами при исследовании процесса кристаллизации бинарных смесей на поверхности вращающегося барабана, достаточно хорошо согласуется с результатами других исследований данного процесса, выполненных применительно к разделению ряда бинарных органических смесей.

Для исследования процесса массовой фракционной кристаллизации использовали установку, которая состояла из емкостного кристаллизатора, двух термостатов и контрольно-измерительных приборов. Кристаллизатор был изготовлен из термостойкого стекла и представлял собой вертикальный аппарат, снабженный греющей рубашкой. Внутренний диаметр кристаллизатора составлял 50 мм, высота - 100 мм. Сверху он закрывался крышкой, изготовленной из пенопласта. Перемешивание осуществляли посредством лопастной мешалки. Контроль температуры осуществляли с помощью ртутного термометра.

Опыты проводили следующим образом. Исходную смесь определенного состава загружали в кристаллизатор. При помощи одного из термостатов смесь нагревали до температуры выше температуры ликвидуса. После нагрева смеси до заданной температуры переключали подачу теплоносителя на другой термостат, с помощью которого обеспечивали подачу в рубашку кристаллизатора охлаждающей

Рисунок 8 - Зависимость состава кристаллической фазы от температуры барабана /к (система мочевина - вода, Дгг=4'С): 1 - п = 0,76 об/мин; 2 - п = 0.38 об/мин; 3 - п = 0,19 об/мин.

воды с заданной температурой охлаждения ¡к. Далее через определенные промежутки времени измеряли температуру образующейся кристаллической суспензии. При достижении температуры суспензии значений близких к температуре охлаждающего агента охлаждение прекращали. После этого полученную суспензию выгружали из кристаллизатора и производили ее сепарацию с использованием вакуумного фильтра Шота. Полученные маточник и кристаллическую фазу взвешивали и производили анализ их состава. Опыты проводили с бинарной смесью карбамид-вода.

Для оценки продолжительности процесса кристаллизации были сняты кинетические кривые охлаждения при различных температурах охлаждающего агента, подаваемого в рубашку кристаллизатора. Типичные кривые охлаждения показаны на рис. 9. В условиях проведенных опытов продолжительность процесса кристаллизации составляла порядка 30 - 40 минут. Стоит отметить, что на большинстве кривых охлаждения имеются перегибы в области температуры ликвидуса исходных смесей.

Рисунок 9 - Изменение температуры суспензии в процессе охлаждения (система карбамид - вода, д-Р=70 % карб., /„ = ЗО'С): I - Д/р = З'С; 2 - ДгР = 8'С; 3 -Д%= 13'С.

Рисунок 10 - Зависимость выхода кристаллической фазы <р$ от температуры охлаждения /к (система карбамид - вода, Д/( =3'С): 1 - .тР = 60 %; 2 - д-р = 70 %; 3 -лр = 80 %.

Таблица 4. Параметры и результаты разделения смеси мочевина-вода в емкостном кристаллизаторе (А^=3'С, ¡к = 30°С)__

к, "С Теор. .хм, % Эксп. Хм, % хг = 60 % = 70 % хГ = 80 %

fs эксп. Ч>5 теор. эксп. <Ря теор. <р$ эксп. <р$ теор.

20 0,525 0,567 0,19 0,205 0,452 0,478 0,710 0,752

30 0,575 0,580 0,030 0,076 0,353 0,377 0,637 0,687

40 0,625 0,647 - - 0,221 0,259 0,470 0,606

Это связано с тем, что при данной температуре начинается процесс массовой кристаллизации, сопровождающийся выделением значительного количества теплоты фазового превращения. На продолжительность процесса кристаллизации определенное влияние оказывает температура охлаждения Гк. С ее понижением продолжительность процесса при прочих равных условиях возрастает. Перегрев исходной смеси Д(р = ?Р - *л на продолжительность процесса кристаллизации оказывает относительно слабое влияние.

Зависимость выхода кристаллической фазы ¡р$ при различных составах исходной смеси хР от температуры кристаллизации представлена на рис. 10. Из представленных данных видно, что концентрация высокоплавкого компонента в исходной смеси оказывает значительное влияния на выход кристаллической фазы. При высоких значениях хр происходит закономерное увеличение доли кристаллов в суспензии, а с ростом температуры кристаллизации происходит ее снижение. Данная зависимость хорошо согласуется с полученными в главе 2 результатами теоретических исследований.

Анализ состава продуктов разделения показал, что концентрация получаемого маточника близка к равновесному составу жидкой фазы разделяемой смеси при конечной температуре ее охлаждения. Состав получаемой кристаллической фазы в зависимости от параметров разделения изменялся в диапазоне 0,90 - 0,92, что соответствовало значениям коэффициентов захвата маточника 0,22 - 0,23.

Сравнение экспериментальных данных, полученных при исследовании массовой кристаллизации в емкостных аппаратах, с результатами теоретического анализа показало, что они неплохо согласуются между собой (см. табл. 4). Некоторые расхождения опытных и расчетных данных возможно связано с тем, что температура смеси на стадии сепарации может несколько отличаться от температуры полученной суспензии из-за тепловых потерь в окружающую среду.

При исследовании фракционного плавления использовали стеклянный вертикальный кристаллизатор с греющей рубашкой. Внутренний диаметр кристаллизатора составлял 30 мм, высота рабочей части - 100 мм. Внутри аппарата размещался теплообменный элемент, который был изготовлен из нержавеющей стали в виде трубки Фильда. снабженной шестью ребрами. Наружный диаметр трубки был равен - 20 мм. Внешний диаметр ребер - 30 мм. Установка была снабжена двумя термостатами. Один из них был подключен к греющей рубашке кристаллизатора, а другой был соединен с теплообменным элементом.

Опыты проводились следующим образом. Исходную смесь Г определенного состава загружали в расплавленном состоянии в предварительно нагретый

кристаллизатор. После термостатирования смеси проводили ее медленное охлаждение с постоянной скоростью у0 до заданной конечной температуры Путем подачи в теплообменный элемент хладагента с определенной температурой. На стадии охлаждения в рубашку кристаллизатора подавали теплоноситель с температурой примерно равной температуре ликвидуса исходной смеси. Это позволяло практически исключить образование кристаллической фазы на внутренних стенках кристаллизатора. При этом кристаллическая фаза образовывалась преимущественно на поверхности теплообменного элемента.

После окончания стадии охлаждения открывали сливной штуцер кристаллизатора и начинали медленный нагрев разделяемой смеси с постоянной скоростью ун до полного выплавления кристаллической фазы из кристаллизатора. Образующиеся жидкие фракции периодически отбирали, взвешивали и проводили их анализ. Опыты проводили с бинарной смесью нафталин-дифенил в кристаллизационном поле нафталина. Анализ продуктов разделения производили термографическим методом.

Проведенные исследования показали, что с увеличением температуры нагрева смеси на плавлении („ концентрация образующейся жидкой фазы постепенно повышается. В начале стадии плавления при температуре г„ близкой к температуре плавления эвтектики /Е концентрация выделяющейся жидкой фазы хм, естественно, меньше исходной концентрации лр, а в конце стадии плавления лм > При этом составы образующихся жидких фаз практически совпадают с равновесными составами жидкой фазы при различных температурах нагрева.

На рис. 11 показаны зависимости концентрации высокоплавкого продукта хм от доли выплавленной жидкой фазы при двух скоростях нагрева. Из представленных данных видно, что при понижении скорости нагрева эффективность разделения возрастает. Это объясняется тем, что при медленном нагреве происходит более полное отделение образующегося маточника от оставшейся кристаллической фазы. Понижение скорости охлаждения исходной смеси на стадии охлаждения у0 оказывает примерно такое же влияние на ход процесса разделения, как и снижение ун.

иг

Рисунок 11 - Зависимость концентрации жидкой фазы от доли ее выплавления (система нафталин - дифенил, тр = 70 %; уи=6 °С/ч, = 36 °С): 1 - ун = 3°С/ч;2-у„= 12 °С/ч.

Полученные нами результаты исследований процесса фракционного плавления хорошо согласуются с результатами других исследователей данного процесса.

ВЫВОДЫ

1. Предложено три варианта схем разделения бинарных смесей путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления с рециркуляцией промежуточных потоков. Для всех вариантов разработаны математические модели, описывающие основные стадии разделения.

2. Используя полученные теоретические модели, проведен анализ влияния различных технологических параметров (температуры охлаждения исходных смесей на стадии кристаллизации, их состава, температуры нагрева кристаллической фазы на стадии плавления, коэффициентов захвата маточника на стадиях разделения получаемой суспензии, коэффициентов рециркуляции потоков и др.) на выход и состав промежуточных и конечных продуктов, удельные потоки отводимого тепла на стадиях кристаллизации и расходы тепла на стадиях плавления.

3. Установлено, что при организации полной рециркуляции маточника со стадии фракционного плавления на стадию кристаллизации увеличивается выход конечных продуктов разделения по сравнению с обычными процессами разделения.

4. Показана возможность интенсификации процесса разделения и упрощения его аппаратурного оформления при использовании контактного метода нагрева разделяемой смеси на стадии фракционного плавления рециркулирующим потоком маточника.

5. Установлено, что при использовании схемы разделения с частичной рециркуляцией расплава высокоплавкого продукта можно достичь более высокой эффективности разделения. Данная схема особенно перспективна для разделения смесей, образующих твердые растворы.

6. Показана возможность использования энтальпийных диаграмм для анализа и расчета процессов разделения смесей методами фракционной кристаллизации и фракционного плавления. Выполнены расчеты разделения бинарной смеси, образующей непрерывный ряд твердых растворов, и смеси эвтектического типа. Проведено сопоставление полученных результатов с аналитическими расчетами.

7. Проведены экспериментальные исследования процесса фракционной кристаллизации бинарных смесей с использованием аппаратов барабанного и емкостного типов, а также процесса фракционного плавления в аппарате с ребристым теплообмеиным элементом. Полученные результаты неплохо согласуются с данными других исследователей и могут быть использованы при разработке изучаемых процессов разделения.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

- коэффициент рециркуляции маточника: о5 - коэффициент рециркуляции высокоплавкого продукта: сР, ск, см - теплоемкость исходной смеси, кристаллической фазы и маточника; У7 - поток исходной смеси; I - энтальпия: К -

поток кристаллической фазы; L - поток маточника; М - поток маточника; М' -масса захватываемого маточника; т - коэффициент захвата маточника; Q0 -количество тепла отводимое на стадии кристаллизации; Qn - количество тепла подводимого на стадии фракционного плавления; q0 - удельное количество тепла отводимое на стадии кристаллизации; qH - удельное количество тепла подводимого на стадии фракционного плавления; /-„ -теплота кристаллизации; ги -теплота плавления; S - поток кристаллической фазы; /Е - температура кристаллизации эвтектики; tf - температура исходной смеси; 1К - температура кристаллизации; t„ -температура ликвидуса; /„ - температура нагрева; tc - температура солидуса; V -расплав целевого продукта; W - поток рециркулирующего расплава продукта; -концентрация исходной смеси; xL - состав маточника; хм - концентрация маточника; хк - состав кристаллической фазы; - концентрация кристаллического продукта; /?к - доля кристаллической фазы в суспензии; Дt - разность температур; ?/s - степень извлечения целевого компонента; <ps — выход высокоплавкого продукта; <рг - содержание кристаллической фазы; Кр - стадия кристаллизации; Пл - стадия плавления; Ф - стадия сепарации; ФП - стадия фракционного плавления;

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Носов Г.А., Попов Д.А., Карасев В.В., Бессонов A.A. Разделение веществ с использованием комбинированных методов фракционной кристаллизации // «Наукоемкие химические технологи - 2008»: Тезисы докладов XII Междунар. научно-техн. конф., Волгоград, 09-11 сентября 2008. - Изд-во ВолгГТУ, 2008. - с. 35.

2. Носов Г.А., Карасев В.В., Попов Д.А., Нечаев А.Д., Бессонов A.A. Кристаллизация веществ из растворов с использованием бинарных растворителей и контактных методов охлаждения // «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация для нанотехнологии, техники и медицины»: Тезисы докладов на V Междунар. научно-техн. конф., Иваново, 23-26 сентября 2008. - ОАО «Издательство «Иваново», 2008. - с. 146.

3. Носов Г.А., Бессонов A.A., Карасев В.В. / Разделение бинарных смесей путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления // Вестник МИТХТ. - 2009. - Т.4, №2. - С. 32-38.

4. Носов Г.А., Бессонов A.A., Карасев В.В. / Расчет процессов фракционной кристаллизации с использованием энтальпийных диаграмм // Вестник МИТХТ. -2009.-Т.4, №2.-С. 39-44.

Подписано в печать 17.11.2009

Заказ № 151 Тираж 120 экз.

Печать трафаретная.

Типография "Реглет" ИНН 7710566869 119526, Москва, пр-т Вернадского, 39 (495) 363-78-90 vvvw.reglet.ru

Обозначения и сокращения.

Введение.

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА ОХЛАЖДАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ.

1.1. Основные особенности процесса фракционной кристаллизации.

1.2. Массовая кристаллизация с отводом тепла через теплопередающие поверхности.

1.3. Контактная кристаллизация.

1.4. Кристаллизация на охлаждаемых поверхностях.

1.5. Фракционное плавление.

1.6. Оценка эффективности фракционной кристаллизации.

1.7. Использование комбинированных методов разделения веществ.

1.8. Выводы.

2. РАЗДЕЛЕНИЕ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ С ПОЛНОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ МАТОЧНИКА СТАДИИ ФРАКЦИОННОГО ПЛАВЛЕНИЯ.

2.1. Принципиальная схема и описание процесса разделения.

2.2. Теоретическое описание процесса.

2.3. Анализ процесса разделения.

3. РАЗДЕЛЕНИЕ С КОНТАКТНЫМ НАГРЕВОМ СМЕСИ РЕЦИРКУЛИРУЮЩИМ МАТОЧНИКОМ.

3.1. Принципиальная схема разделения.

3.2 Теоретическое описание процесса.

3.3. Анализ процесса разделения.

4. РАЗДЕЛЕНИЕ С ЧАСТИЧНОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ВЫСОКОПЛАВКОГО ПРОДУКТА.

4.1. Принципиальная схема разделения.

4.2. Теоретическое описание процесса.

4.3. Анализ процесса разделения.

5. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ФРАКЦИОННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ФРАКЦИОННОГО ПЛАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНТАЛЬПИЙНЫХ

ДИАГРАММ.

5Л. Разделение бинарных смесей, образующих непрерывный ряд твердых растворов.

5.2. Разделение бинарных смесей, не образующих твердых растворов.

5.3. Результаты расчета разделения конкретных смесей.

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФРАКЦИОННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ФРАКЦИОННОГО ПЛАВЛЕНИЯ.

6.1. Разделение бинарных смесей на охлаждаемой поверхности вращающегося барабана.

6.2. Разделение бинарных смесей в емкостном аппарате.

6.3 Разделение методом фракционного плавления.

ВЫВОДЫ.

Фракционная кристаллизация в настоящее время успешно используется в химической, нефтехимической, коксохимической, металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности для выделения различных веществ из природных и технологических растворов, разделения смесей на фракции, обогащенные тем или иным компонентом, концентрирования разбавленных растворов, а также для глубокой очистки различных веществ от примесей.

Данные процессы отличаются значительным числом методов и способов его реализации. Все эти методы, к сожалению, не являются универсальными. Каждый из них имеет свою область технически возможного или экономически целесообразного применения. Часто при использовании того или иного метода не удается достичь требуемой степени разделения или очистки. В этом случае приходится использовать различные варианты многоступенчатого разделения или производить процесс разделения путем сочетания нескольких методов фракционной кристаллизации и фракционного плавления, а иногда указанные процессы приходится сочетать с другими массообменными процессами (адсорбцией, дистилляцией, ректификацией, сублимацией и др.). Учитывая это, разработка и исследование комбинированных процессов разделения и очистки веществ представляются весьма актуальными.

В данной работе приведены теоретические и экспериментальные исследования разделения смесей путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления. При этом был рассмотрен ряд вариантов такого разделения, разработано их теоретическое описание и выполнен анализ влияния различных технологических параметров на эффективность процесса разделения. При этом теоретический анализ проводился нами применительно к разделению бинарных систем эвтектического типа и систем, образующих непрерывный ряд твердых растворов. При этом, полученные данные, естественно, могут быть использованы при разработке процессов разделения и других смесей.

Данная диссертация состоит из шести глав. Первая глава представляет собой краткий обзор литературных данных по вопросам фракционного плавления. Во второй главе рассмотрен комбинированный процесс разделения с рециркуляцией маточника, образующегося на стадии фракционного плавления, на стадию кристаллизации. В третьей главе проанализирован процесс разделения с контактным нагревом кристаллической фазы, полученной на стадии кристаллизации, рециркулирующим маточником, поступающим со стадии фракционного плавления. В четвертой главе представлен процесс разделения с частичной рециркуляцией расплава высокоплавкого продукта на стадию фракционного плавления. В пятой главе рассмотрены особенности расчета процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления с использованием энтальпийных диаграмм. В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВОПРОСАМ РАЗДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВЕЩЕСТВ МЕТОДАМИ ФРАКЦИОННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Как известно [1 - 4], для разделения и глубокой очистки веществ от примесей используются различные массообменные процессы: абсорбция, дистилляция, ректификация, экстракция, адсорбция, фракционная кристаллизация, сублимация, десублимация, фракционное растворение и др. Области использования этих процессов зависят от целого ряда факторов (физико-химических свойств разделяемых веществ, производительности, характера производства, наличия стандартного оборудования, традиций и т.д.).

Процесс фракционной кристаллизации по сравнению с другими методами разделения имеет ряд преимуществ [5-10], основными из которых являются: -высокая эффективность разделения;

-низкие энергетические затраты, обусловленные тем, что скрытая теплота плавления веществ на порядок меньше скрытой теплоты испарения;

-низкие рабочие температуры, что важно при разделении термолабильных веществ;

-возможность разделения смесей близкокипящих компонентов и азеотропных смесей и др.

Фракционная кристаллизация может осуществляться из расплавов, растворов, и паровой фазы (процесс десублимации). Существует большое количество различных методов и способов проведения данного процесса [5-19]: -массовая кристаллизация в аппаратах с внешним охлаждением; -массовая кристаллизация в аппаратах с контактным охлаждением; -фракционная кристаллизация на охлаждаемых поверхностях; -направленная кристаллизация; -зонная плавка;

-противоточная кристаллизация; -фракционное плавление;

-кристаллизация с использованием растворителей;

-кристаллизация с частичной отгонкой растворителя;

-вымораживание;

-экстрактивная кристаллизация;

-аддуктивная кристаллизация;

-селективная кристаллизация;

-кристаллизация из паровой фазы;

-ретроградная кристаллизация;

-кристаллизация при высоких давлениях;

-высаливание и др.

Различные методы фракционной кристаллизации широко применяются в промышленности и в лабораторной практике. Они используется для разделения технологических смесей, обогащенных тем или иным компонентом, выделения вещества из растворов и газовых смесей, концентрирования разбавленных растворов и глубокой очистки веществ от примесей.

выводы

1. Предложено три варианта схем разделения бинарных смесей путем сочетания процессов фракционной кристаллизации и фракционного плавления с рециркуляцией промежуточных потоков. Для всех вариантов разработаны математические модели, описывающие основные стадии разделения.

2. Используя полученные теоретические модели, проведен анализ влияния различных технологических параметров (температуры охлаждения исходных смесей на стадии кристаллизации, их состава, температуры нагрева кристаллической фазы на стадии плавления, коэффициентов захвата маточника на стадиях разделения получаемой суспензии, коэффициентов рециркуляции потоков и др.) на выход и состав промежуточных и конечных продуктов, удельные потоки отводимого тепла на стадиях кристаллизации и расходы тепла на стадиях плавления.

3. Установлено, что при организации полной рециркуляции маточника со стадии фракционного плавления на стадию кристаллизации увеличивается выход конечных продуктов разделения по сравнению с обычными процессами разделения.

4. Показана возможность интенсификации процесса разделения и упрощения его аппаратурного оформления при использовании контактного метода нагрева разделяемой смеси на стадии фракционного плавления рециркулирующим потоком маточника.

5. Установлено, что при использовании схемы разделения с частичной рециркуляцией расплава высокоплавкого продукта можно достичь более высокой эффективности разделения. Данная схема особенно перспективна для разделения смесей, образующих твердые растворы.

6. Показана возможность использования энтальпийных диаграмм для анализа и расчета процессов разделения смесей методами фракционной кристаллизации и фракционного плавления. Выполнены расчеты разделения бинарной смеси, образующей непрерывный ряд твердых растворов, и смеси эвтектического типа. Проведено сопоставление полученных результатов с аналитическими расчетами.

7. Проведены экспериментальные исследования процесса фракционной кристаллизации бинарных смесей с использованием аппаратов барабанного и емкостного типов, а также процесса фракционного плавления в аппарате с ребристым теплообменным элементом. Полученные результаты неплохо согласуются с данными других исследователей и могут быть использованы при разработке изучаемых процессов разделения.

1. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1981. В двух книгах. - 812 с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1971.-784 с.

3. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии Изд. 2-е. В 2-х кн. Часть 2. М.: Химия, 1995. - 368 с.

4. Айнштейн В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии / Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. М.: Химия, 2000. - 1760 с.

5. Гельперин Н.И. Основы техники кристаллизации расплавов / Н.И. Гельперин, Г.А.Носов. М.: Химия, 1975.-352 с.

6. Гельперин Н.И. Основы техники фракционной кристаллизации / Н.И. Гельперин, Г.А. Носов. М.: Химия, 1986. - 304 с.

7. Матусевич JI.H. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. -М.: Химия, 1968.-304 с.

8. Маллин Д.У. Кристаллизация. М.: Металлургия, 1965. - 342 с.

9. Бемфорт А.В. Промышленная кристаллизация. М.: Химия, 1969. - 240 с.

10. Matz G. Kristallisation. Grandlagen und Technik. Berlin: Springer, 1969. - 400 s.

11. Тодес O.M., Себалло В.А., Гольцикер А.Д. Массовая кристаллизация из растворов. JL: Химия, 1984. - 232 с.

12. Crystallization as a separations process / Ed.: A.S. Myerson, K. Toyokura. -Washington: American Chemical Society, 1990. 419 p.

13. Хамский E.B. Кристаллизация из растворов. — JI.: Наука, 1967. 150 с.

14. Хамский Е.В. Кристаллизация в химической промышленности. М.: Химия, 1979.-344 с.

15. Кафаров В.В., Дорохов И.Н, Кольцова Э.М. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы массовой кристаллизации из растворов и газовой фазы. М.: Наука, 1983. - 368 с.

16. Нывлт Я. Кристаллизация из растворов. — М.: Химия, 1974. 150 с.

17. Поиомаренко В.Г., Ткаченко К.П., Курлянд Ю.А. Кристаллизация в псевдоожиженном слое. Киев: Техника, 1972. - 131 с.

18. Веригин А.Н, Щупляк И.А., Михалев М.Ф. Кристаллизация в дисперсных системах. JL: Химия, 1986. - 248 с.

19. Касымбеков Б.А. Фракционная кристаллизация. — М.: Изд. Дом «Руда и металлы», 2002. 160 с.

20. Кузнецов В.Д. Кристаллы и кристаллизация. М.: Гостехтеориздат, 1953. -411 с.

21. Акопян А.Р. Концентрирование водных растворов методом вымораживания: Дис. канд. техн. наук. М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 1992.

22. Филаткин В.Н., Плотников В.Т. Разделительные вымораживающие установки. -М.: Агропромиздат, 1981 -353 с.

23. Verdoes D., Arkenbout G.J., Bruinsma O.S.L., Koutsoukos P.G. // Appl. Therm. Eng. 1997. - V. 17. - P. 879-888.

24. Matsuoka M. Developments in melt crystallization. Advances in Industrial Crystallization // Ed.: J.Garside, R.J. Davey, A.G. Jones. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1991. - P. 229-244.

25. Пап JI. Концентрирование вымораживанием. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 96 с.

26. Колодин М.В. Опреснение воды вымораживанием. Ашхабад: Ылым, 1977. -244 с.

27. Слесаренко В.Н. Современные методы опреснения морских и соленых вод. -М.: Энергия, 1973. 248 с.

28. Barduhn A.J. The Status of Frceze-Desalination. // Chem. Eng. Prog. 1975. - V. 71. № 71.-P. 80-87.

29. Pelt J.M. Economics of Multistage freeze concentration process. // Confructa Studien. 1984. -V. 28, № 3. P. 225-228, 230-239.

30. Sulc D. Fruit juice concentration and aroma separation. // Confructa Studien. -1984. V. 28, № 3. - P. 258-275, 277-286, 288-318.

31. Wibowo С. Unified approach for synthesizing crystallization-based separation processes. // American Institution of chemical engineers journal. 2000. - V. 46, P. 1400-1421.

32. Карасев B.B. Разделение бинарных смесей методом сочетания процессов кристаллизации и ректификации. / Дисс. . канд. техн. наук. МИТХТ им. М.В. Ломоносова 1977 г., 132 с.

33. Бантац Р.Ш. Разделение бинарных неидеальных смесей путем сочетания процессов ректификации и фракционной кристаллизации. / Дисс. . канд. техн. наук. МИТХТ им. М.В. Ломоносова 1985 г., 138 с.

34. Кесоян Г.А. Технология и применение пищевых фосфатов. М.: ЗАО «Издательство «Экономика», 2007. - 360 с.

35. Кесоян Г.А. Кристаллизация веществ из растворов с частичной рециркуляцией маточника // Г.А. Кесоян, Г.А. Носов, Михайлова Н.А. Хим. пром-ть. 2002. -№2. С. 37-41.

36. Г.А. Кесоян Кристаллизация веществ из растворов с частичной рециркуляцией продуктовой суспензии // Г.А. Кесоян, Г.А. Носов — Хим. пром-ть. 2001. № 3. С, 47-50.

37. Филиппова В.В. Исследование некоторых закономерностей кристаллизации расплавов органических веществ. / Дисс. . канд. техн. наук. МИТХТ им. М.В. Ломоносова 1972 г., 133 с.

38. Контактная кристаллизация / М.Ф. Михалев, И.А. Щупляк, А.Н. Веригин и др. Л.: Изд-во ЛГУ, 1983.- 190 с.

39. Караськов Г.Г. Исследование закономерностей контактного теплообмена и кристаллизации мирабилита: Дис. . канд. техн. наук. — М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 1979. 122 с.

40. Штейман Б.Р. Разработка процессов концентрирования продуктов микробиологического синтеза: Дис. . канд. техн. наук. М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 1987. - 135 с.

41. Носов Г.А. Контактная кристаллизация веществ из водных растворов. // Г.А. Носов, Г.А. Кесоян, И.А. Царева, Т.Ю. Громова. «Химическая технология» — 2003, №3.-С. 2-5.

42. Носов Г.А. Контактная кристаллизация с использованием охлажденных растворителей. // Г.А. Носов, Г.А. Кесоян, Д.А. Попов. «Вестник МИТХТ». -2008, т. 3, № 2.

43. Макоткин А.В. Исследование процесса кристаллизации расплавов на охлаждаемой поверхности вращающегося барабана. / Дис. . канд. техн. наук. -М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова 1973 г., 130 с.

44. Arkenbout G.F. Melt crystallization technology. — Lancaster (USA): Technomic Pub.Co., 1995.-383 p.

45. Hunken Ozogus Y., Ulrich J. // Proc. of Bremen International Workshop for Industrial Crystallization. (BIWIC, 1991) / Ed. /. Ulrich. Bremen: Univ. Bremen press, 1991. - P. 42-49.

46. Рассказов A.B., Мясников C.K. // Теорет. основы хим. Технологии 1992. Т. 26. № 1.-С. 3-24.

47. Kuszlik А.К, Fisher О., Stadler R, Stepanski М. // Proc. of Bremen International Workshop for Industrial Crystallization. (BIWIC, 1993)/Ed. /. Ulrich, O. S. L. Bruinsma. Bremen: Univ. Bremen press, 1993. - P. 108-113.

48. Tiedemann H, Brendler L. // Crystal Crowth of Organic Materials, CGOM 4 / Ed. /. Ulrich Aachen: Shaker Verlag, 1997. - P. 198-205.

49. Логвиненко Г.Д., Зыков Д.Д. // Хим. и нефт. машиностроение. 1971 № 8. - С. 16-17.

50. Зыков Д.Д., Паи, Б.М. Нафталин коксохимический. — М.: Металлургия, 1981. -222 с.

51. Справочник коксохимика: Улавливание и переработка химических продуктов коксования. — М.: Металлургия, 1966. Т. 3. — 391 с.

52. Коляндр Л.Я. Улавливание и переработка химических продуктов коксования. М;: Металлургия, 1962. - 468 с.

53. Касымбеков Б.А. Разделение и очистка веществ при кристаллизации из стекающей пленки жидкости: Дис. . канд. техн. наук. М.: ИОНХ им. Н. С. Курнакова. 1985.- 152 с.

54. Касымбеков Б.А., Мясников С.К, Малюсов В.А. // Теорет. основы хим. технологии. 1985. Т. 19. № 1. - С. 17-23.

55. Рассказов А.В., Мясников С.К., Кулов Н.Н. // Теорет. основы хим. технологии.- 1995. Т.29. №2.-С. 115-120.

56. Касымбеков Б.А. Научные основы процессов разделения и очиехки пищевых веществ фракционной кристаллизацией: Дис. . докт. техн. наук. Алматы: Алматинский технологический университет. 2003. - 264 с.

57. Муравьев Ю.Н. Фракционная кристаллизация плавление в тонких кристаллических слоях: Дис. . канд. хим. наук. - М.: ИОНХ РАН. 1988. - 161 с.

58. Зарубежное химическое и нефтяное машиностроение. М.: ЦИНТИхимнефтемаш. - 1970. № 1. - С. 1-3.

59. Брон Я. А. Переработка каменноугольной смолы. М.: Металл у ргиз дат, 1963.- 272 с.

60. Привалов В.Е. Особенности переработки химических продуктов коксования в Англии. -М.: Металлургия, 1964. 143 с.

61. Гельперин Н.И, Носов Г.А., Хоршев В.И. // Разделение бинарных расплавов, образующих твердые расшоры, методом кристаллизации-плавления. / Науч. тр. МИТХТ им. М. В. Ломоносова.-М.: 1973. Т. 3. Вып. 1. С. 172-175.

62. Носов Г.А., Тихоненко Я.В., Хоршев В.И // В кн.: Массообменные и теплообменом процессы химической технологии. — Ярославль: 1976. — С. 123129.

63. Хоршев В.И. Исследование процесса разделения бинарных смесей путем сочетания процессов кристаллизации и плавления: Дис. . канд. техн. наук. -М.: МИТХТ им. М. В. Ломоносова. 1981.

64. Носов Г.А. Концентрирование водных растворов методом контактного фракционного плавления // Г.А. Носов, Михайлова Н.А. — Хим. пром-ть. — 1999. №9.-С. 561-565.

65. Носов Г.А. Контактное фракционное плавление с частичной рециркуляцией расплава кристаллической фракции // Г.А. Носов, Михайлова Н.А. Хим. пром-ть. - 2000. № 2. - С. 29-32.

66. Михайлова Н.А. Концентрирование водных растворов методом контактного фракционного плавления: Дис. . канд. техн. наук. М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2001.

67. Таран, А.Л. Кинетика кристаллизации расплавов эвтектикообразующих веществ / А.Л. Таран, Г.А. Носов, С.К. Мясников, А.Ю. Холин // Теорет. основы хим. технологии. 2004. Т.38, №2. - С. 176-180.

68. Heertjes P.M., de Leew den Bouter J.A. Subcooling effects in a crystallizations system // Chem. and Proc. Eng. - 1965, vol. 46, 12, - p. 654-658.

69. Вигдорович B.H., Вольпян A.E., Курдюмов Г.М. Направленная кристаллизация и физико-химический анализ. - М.: Химия, 1976. - 200 с.

70. Таран А.Л., Носов Г.А., Аль-Харакше Аднан Теоретический анализ процесса кристаллизации бинарных расплавов с учетом кинетических параметров. // Хим. пром. - 1994, №10,-С.710-717.

71. Чернов А.А. Процессы кристаллизации. Современная кристаллография, М.: Наука. 1980,т. 3 -232 с.

72. Кравченко В.М. Двойные системы флуарена. // ЖПХ - 1952, том 25, № 9. — С. 943-945.

73. Фам Ван Туан. Разработка процесса фракционной кристаллизации на охлаждаемых поверхностях. Дис. . докт. техн. наук., М.: МИТХТ им. М. В. Ломоносова. 1986. 152 с.

74. Черняев Ю. Л. Фракционная кристаллизация расплавов на поверхности вращающихся элементов. Дис. . докт. техн. наук., М.: МИТХТ им. М. В. Ломоносова. 1989. 135 с.

75. Пароконный В. Д. Исследование закономерностей кристаллизации расплавов на охлаждаемых поверхностях. Дис. . докт. техн. наук., М.: МИТХТ им. М. В. Ломоносова. 1978.- 163 с.

76. Правниченко В. В. Кристаллизация расплавов, склонных к переохлаждению, на охлаждаемых поверхностях. Дис. . докт. техн. наук., М.: МИТХТ им. М. В. Ломоносова. 1984,- 152 с.

77. Пономаренко В.Г., Потребня Г.Ф., Бей В.И. Кинетика кристаллизации расплавов на охлаждаемой стенке. // Теор. основы хим. технол. 1979, т. 13, №6. -С. 846-851.

78. Лодиз Р., Паркер Р. Рост монокристаллов. М.: Мир, 1974. - 540с.

79. Пономаренко В.Г., Потребня Г.Ф., Бей В.И., Ткаченко К.П. Отвердевание расплавов на поверхности вальцевых кристаллизаторов. // Хим. и пефт. маш. — 1981, №7, с. 24-26.

80. Мслешко Л.О. Механизм и кинетика кристаллизации // Минск, Наука и техника, 1964, 120 с.

81. Мелешко Л.О., Кибалышк Н.А., Хвощинский A.M. К статической теории не изотермической кристаллизации переохлажденных расплапон // Теор. основы хим. технол. 1974, т.8, №3, - С. 361-367

82. Авдонин Н.А. Математическое описание процессов кристаллизации. // Рига. Зинатне, 1980.- 176с.

83. Стрикленд-Констебл Р.Ф. Кинетика и механизм кристаллизации Л.: Недра, 1971-310с.

84. Любов Б.Я. Теория кристаллизации в больших объемах. — М.: Наука, 1975. — 256 с.

85. Мелихов И.В. Алгоритм исследования кристаллизации. // Теор. основы хим. технол. 1988, т.22, №2, - СЛ 68-176.

86. Мясников O.K., Касымбеков Б.А., Малюсов В.А, Жаворонков Н.М. -Теоретические основы процесса фракционной кристаллизации из стекающей пленки жидкости // Теор. основы хим. техн. 1984. т. 18, № 6, - С. 749-752.

87. Пономаренко В.Г., Бей В.И., Потребня Г.Ф. О кинетике кристаллизации расплавов на охлаждаемой стенке. // Теор. основы хим. техно л. 1981, т. 15, №4,- С. 631-637.

88. Пономаренко В.Г., Потребня Г.Ф., Бей В.И. Кинетика кристаллизации расплавов на охлаждаемой стенке. // Пром. теплотехника 1981, т.З., №5. - с. 42-47

89. Коканов П.К., Веровочкин Т.Е. и др. Тепломассообмен при получении монокристаллов. // М.: Металлургия. 1971. - С. 238-245.

90. Скрипов В.П., Коверда В.П. Спонтанная кристаллизация переохлажденных жидкостей. М.: Наука, 1984. - 230 с.

91. Равновесные данные смеси нафталин дифенил