Стадии процесса. Технические способы получения кристаллов заданного размера. Устройство кристаллизаторов.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Кристаллизация – массообменный процесс перехода вещества из раствора (или расплава) в твердую фазу. Особенностью процесса кристаллизации является возможность получения распределяемого компонента в чистом виде, связанная с различной растворимостью выделяемого вещества и примесей, которые остаются в растворе.

Кристаллизация сопровождается явлениями полиморфизма, образования кристаллогидратов и изоморфизма.

Полиморфизм – явление образования при различных термодинамических условиях одними тем же веществом разных по симметрии и форме кристаллов.

Кристаллогидраты – кристаллы, содержащие в структуре химически связанные молекулы воды, причем одно и то же вещество в зависимости от условий кристаллизации и хранения может включать различное число молекул воды.

Изоморфизм – явление образования смешанных кристаллов из химически однотипных и сходных по кристаллографическим признакам веществ.

Кристаллизация осуществляется вследствие изменения растворимости кристаллизуемого компонента в исходной смеси.

Растворы, находящиеся в равновесии с твердой фазой при определенной температуре, называют насыщенными. Вещества, у которых растворимость увеличивается с ростом температуры, называют веществами с положительной растворимостью. Вещества с растворимостью, понижающейся с увеличением температуры, называются веществами с обратной растворимостью.

Если концентрация вещества превышает его растворимость, растворы называются пересыщенными и являются нестабильными, легко переходя в состояние насыщения. При этом из них выпадает часть твердой фазы.

Растворимость в зависимости от свойств растворенного вещества и растворителя в определенном температурном интервале характеризуется кривой растворимости.

На диаграмме состояния (рис. 15.1) растворов нанесены линии растворимости некоторого вещества в зависимости от температуры. Область А называется неустойчивой, или лабильной; область Б – относительно устойчивой, или метастабильной, и область В - область ненасыщенных растворов.

Пересыщенные растворы с концентрациями, соответствующими лабильной области, кристаллизуются мгновенно, в метастабильной же области эти растворы какое-то время остаются без изменения.

Границы метастабильной области зависят от температуры раствора, скорости его охлаждения, перемешивания и других факторов.

Скорость процесса кристаллизации зависит от температуры раствора, степени его пересыщения, скорости образования зародышей кристаллов, интенсивности перемешивания и других факторов.

Зародыши (или центры) кристаллизации образуются из пересыщенных или переохлажденных растворов самопроизвольно. Скорость их образования может быть увеличена повышением температуры, перемешиванием, встряхиванием, присутствием примесей (например, ПАВ*), ультразвуковым воздействием и др.

Различают две стадии образования кристалла: возникновение в пересыщенном растворе центра кристаллизации (зародыша); рост кристалла на основе этого зародыша (при условии его термодинамической устойчивости).

Размеры получаемых кристаллов зависят в первую очередь от условий кристаллизации и времени осуществления процесса. Кроме

этого, на их гранулометрический состав влияют скорость зародышеобразования, скорость роста кристаллов, дробление частиц в ходе процесса в результате соударения друг с другом столкновения со стенками аппаратуры, агрегации и т. д.

Различают кристаллизацию из растворов, наиболее часто используемую в технологических процессах, и кристаллизацию из расплавов. Одновременное получение большого числа кристаллов, частности в производстве минеральных удобрений, называется массовой кристаллизацией.

Кристаллизацию из растворов осуществляют изогидрическим способом – изменением температуры (для веществ с прямой растворимостью – понижением температуры; для веществ с обратной растворимостью – повышением температуры) или изотермическим способом – удалением части растворителя испарением или вымораживанием; добавлением в раствор веществ, связывающих растворитель.

Кристаллизация из расплава, осуществляемая постепенным его охлаждением с целью получения отливок, монокристаллов, пластинок, гранул и др.

Комбинированные способы кристаллизации, к которым относятся вакуум-кристаллизация, кристаллизация с испарением части растворителя в потоке носителя (чаще всего воздуха) и фракционная кристаллизация, используемая для разделения бинарных многокомпонентных расплавов на индивидуальные компоненты или фракции, содержащие определенные компоненты.