Конструкции аппаратов

Аппараты, в которых осуществляют процесс кристаллизации, называются кристаллизаторы.

По условию образования и роста кристаллов кристаллизаторы классифицируются на поверхностные, в которых образование кристаллов происходит на охлаждаемой поверхности, и объемные, в которых образование и рост кристаллов происходят во всем объеме аппарата. Существуют также аппараты смешанного типа, в которых образование и рост кристаллов происходят на охлаждаемой поверхности и в объеме аппарата; они бывают прямоточные, емкостные и циркуляционные.

По типу создания условий пересыщения кристаллизаторы можно подразделить на три группы: изогидрические, вакуумные и испарительные.

На рис.17.5 представлена схема устройства изогидрического поверхностного вальцового кристаллизатора, который используется для кристаллизации солей с существенно снижающейся раствори-мостью при понижении температуры.

Вальцовые кристаллизаторы применяются для кристаллизации из расплавов или из растворов с небольшим содержанием маточного раствора. Недостаток: мелкокристалличность получаемого продукта, присутствие примесей в готовом продукте.

Негативным фактором при кристаллизации является отложение накипи и кристаллов на стенках аппарата – инкрустация. Чтобы снизить ее, нужно перемешивать раствор и полировать стенки аппарата.

Из объемных кристаллизаторов наибольшее распространение получил аппарат с рубашкой и мешалкой. На рис.17.6 изображен изогидрический кристаллизатор периодического действия. Раствор в нем охлаждается при постоянном количестве растворителя до температуры, ниже температуры насыщения. В результате охлаждения раствор становится пересыщенным, что приводит к возникновению процесса кристаллизации.

Рисунок 17.6. Изогидрический кристаллизатор периодического действия с мешалкой

1 – корпус; 2 – охлаждающая рубашка; 3 – мешалка

2.Мембранные процессы. Общие сведения

Мембранными процессами называют процессы разделения смесей посредством полупроницаемых мембран.

Мембрана – полупроницаемая перегородка, пропускающая определенные компоненты жидких и газовых смесей.

Мембранные процессы в настоящее время применяются достаточно широко. В химической промышленности мембранные процессы применяются для выделения высокомолекулярных соединений, разделения азеотропных смесей, очистки и концентрирования растворов. В биотехнологии мембранные процессы используют для выделения биологически активных веществ. В пищевой промышленности – для концентрирования соков, для получения высококачественных сахаров. Наиболее широко мембранные процессы применяются для обработки воды и водных растворов, для очистки сточных вод.

Физическая сущность процесса

Сущность процесса заключается в следующем (рис.17.7). Разделяемая в аппарате 1 смесь вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной 2 с одной стороны, и вследствие особых свойств мембраны прошедший через нее продукт обогащается одним из компонентов смеси, в результате образуется пермеат. Оставшийся раствор называется ретант.

Рис.17.7. Схема процесса разделения наполупроницаемой мембране

1 – аппарат; 2 – мембрана

Основными параметрами мембранного разделения являются производительность и селективность.

Удельная производительность – объем пермеата, получаемый при данной движущей силе в единицу времени с единицы рабочей поверхности мембраны.

Селективность характеризует эффективность мембранного процесса и может быть охарактеризована с помощью фактора разделения:

, (17.11)

где – мольные концентрации компонентов А и В в исходной смеси;

– мольные концентрации компонентов А и В в пермеате.

К основным мембранным методам разделения относятся обратный осмос, ультрафильтрация, испарение через мембрану, диализ, электродиализ, диффузионное разделение газов.

Движущей силой мембранных процессов является разность химических (электрохимических) потенциалов. В табл.17.1 приведена классификация мембранных процессов в зависимости от вида движущей силы.

Табл.17.1. Классификация мембранных процессов

Движущая сила	Вид разделения
Разность давлений	Баромембранные процессы – обратный осмос, нано-, ультра-, или микрофильтрация
Разность концентраций	Диффузионно-мембранные процессы – диализ; испарение через мембрану
Разность электрических потенциалов	Электродиализ; электроосмос
Разность температур	Термомембранные процессы – мембранная дистилляция

Рассмотрим обратный осмос и ультрафильтрацию, поскольку эти процессы являются наиболее распространенными.

Метод обратного осмоса заключается в фильтрации раствора под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы растворенных веществ. В основе метода лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через мембрану в раствор (рис.17.8).

Рис.17.8. К понятию обратный осмос

а – осмос; б – равновесие; в – обратный осмос

Обратный осмос (перенос растворителя через мембрану) наступает, когда давление со стороны раствора превышает осмотическое. Движущая сила процесса обратного осмоса составляет

, (17.12)

где Р – рабочее давление над исходным раствором; – осмотическое давление раствора.

Важным преимуществом процессов обратного осмоса является простота конструкций аппаратов, а также проведение процессов при температуре окружающей среды.

Ультрафильтрация – это разделение растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений в жидкой фазе с использованием селективных полупроницаемых мембран, пропускающих преимущественно молекулы низкомолекулярных соединений.

Ультрафильтрацией разделяют жидкие однофазные системы, в которых молекулярная масса растворенных компонентов во много раз превышает молекулярную массу растворителя.