8.9. Кристалізація

Процес утворення і росту кристалів із розчинів і газо­вої фази називають кристалізацією. Зазвичай речовини мають кри­сталічні ґратки строго визначеної конфігурації, за винятком полі­морфних речовин. Ряд речовин утворюють кристалогідрати, причому кількість включених молекул води залежить від температури. Для утворення кристалів із розчинів необхідне пересичення, зумовлене різницею вихідної концентрації а_п і рівноважної концентрації на­сичення (граничної розчинності А_п). Кристалізація відбувається, коли перехід речовини з рідкого у твердий стан супроводжується зменшенням вільної енергії системи Ф, тобто:

де p—густина зародка кристала;

V і F —його об'єм і поверхня; M —його молекулярна маса;

ф₂ і ф_х —хімічні потенціали вихідної і нової фаз; а —міжфазний поверхневий натяг.

Для одержання крупнокристалічного порошку кристалізацію ведуть при малому пересиченні, у розчин уводять кристали для затравки, дрібні кристали видаляютьу процесі кристалізації, кри­сталічний продукт повторно обробляють у насиченому розчині (при цьому дрібні кристали розчиняються), уводять у розчин сторонні домішки, підвищують температуру (обмежено).

Методи кристалізації: випарювання розчинника (ізотермічний), охолодження гарячих розчинів (ізогідричний), одночасне охоло­дження і випарювання (комбінований), додавання в розчин ін­ших речовин, які знімають розчинність (висолювання), виморо­жування.

Схеми кристалізації: одноразова (з повним поверненням маточ­ного розчину і періодично повним зливанням, із частковим його

поверненням, із частковим поверненням після додаткового упа­рювання і кристалізації); дворазова з такими ж маніпуляціями маточним розчином, причому на злив подають маточний розчин після першого кристалізатора, а після другого —насичений мато­чний розчин повертають у перший кристалізатор.

У фармацевтичній промисловості кристалізацією виділяють тверді речовини з їх розчинів, розділяють суміші речовин на фрак­ції та очищають їх від домішок. Для дуже глибокого очищення термолабільних речовин слід було б використовувати зонну плав­ку, для розділення евтектичних розплавів або речовин з низьки­ми коефіцієнтами розподілу — екстракційну кристалізацію. При розділенні евтектичних і азеотропних розплавів доцільно поєдна­ти процеси кристалізації і ректифікації.

8.10. Екстракція в системах рідина—рідина

В основі рідинної екстракції лежить перехід речови­ни з однієї рідини (розчину) в іншу, що не змішується з першою. У результаті взаємодії екстрагента з вихідною рідиною одер­жують екстракт-розчин витягнутих речовин і рафінад — залиш­ковий вихідний розчин, збіднений на речовини, що витягаються, із вмістом якоїсь кількості екстрагента. Перехід речовин відбува­ється за наявності різниці концентрації між рідкими фазами за законом рівноважного розподілу між рідкими фазами до динаміч­ної рівноваги між ними. Відповідно до цього закону відношення рівноважних концентрацій речовини, що розподіляється між двома рідкими фазами, є величина стала (для даної температури) і нази­вається коефіцієнтом розподілення W:

де V і x —рівноважні концентрації розподілюваної речовини в екстракті і рафінаді, %.

Процес екстракції в системах рідина—рідина складається з таких стадій: змішування вихідного розчину з екстрагентом для створення між ними тісного контакту, розділення двох рідких фаз, які не змішуються, регенерація екстрагента, тобто видален­ня його з екстракту (розчину) і рафінаду.

Рідинна екстракція може бути ступінчастою і безперервною. Ступінчаста екстракція ділиться на одноступінчасту і проходить в одному апараті, багатоступінчасту —екстракція проходить в декількох апаратах. Багатоступінчаста екстракція може бути прямоточною і протитечійною.

192

193

У промисловості застосовують різноманітні технологічні схе­ми екстракційних процесів. Апарати для рідинної екстракції функціонують за принципом механічного перемішування і граві­тації. Апарати, які працюють за принципом механічного перемі­шування,— це колони з мішалкою і відцентрові екстрактори, що використовують відцентрову силу для змішування і розділення фаз. У гравітаційних апаратах використовується різниця густин розчинників. Принцип гравітації лежить в основі роботи різних насадкових колон із сітчастими тарілками колонного типу, роз­пилювальних та інших конструкцій.