Разделение бинарных водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизации

Процессы кристаллизации широко используются в химической, нефтехимической, коксохимической, металлургической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Их применение позволяет решать широкий спектр задач по выделению различных веществ из растворов, их глубокой очистки от примесей, концентрированию разбавленных растворов, получению продуктов с определенными физико-механическими свойствами и др. Одним из методов кристаллизации является адиабатная кристаллизация.

Адиабатная кристаллизация представляет собой процесс, в котором пересыщение раствора достигается вследствие адиабатического испарения части растворителя при понижении давления в системе. На испарение жидкости расходуется физическая теплота раствора, который при этом охлаждается до температуры ниже точки насыщения раствора. Данный процесс в литературе часто выступает под разными наименованиями: «вакуумная кристаллизация», «вакуум — выпарная кристаллизация», «адиабатная кристаллизация» .

Рассматриваемый процесс довольно часто используется для кристаллизации водно-солевых растворов веществ, растворимость которых слабо зависит от температуры, например, таких как: КС1, NaCl, NaNCb, (NH4)2S04, сахароза и др. Адиабатическая кристаллизация может быть также использована для концентрирования разбавленных растворов путем частичного вымораживания растворителя. Такой процесс особенно перспективен для концентрирования растворов биологически активных и термолабильных веществ, таких, как витамины, аминокислоты, гормоны, плазма крови, экстракты кофе, чая, пива, вина, овощные и фруктовые соки и т. д. При этом данный процесс может быть осуществлен в периодическом и непрерывном вариантах.

В сочетании с процессом сублимационной сушки адиабатная кристаллизация может быть применена для проведения процесса полного обезвоживания растворов различных веществ, а также для получения ультратонких порошкообразных материалов (пищевых добавок, лекарств, окислителей, стабилизаторов и др.).

Адиабатная кристаллизация может быть использована не только для разделения водных растворов. Её можно также применить для разделения различных органических смесей, компоненты которых обладают различными парциальными давлениями паров.

Теоретически и экспериментально процесс адиабатной кристаллизации изучен пока недостаточно. Отсутствуют физико-математические модели, описывающие данный процесс с учетом его кинетических и фазовых особенностей. Отсутствуют также данные о влиянии различных факторов (физико-химических свойств разделяемых смесей, их состава, исходной температуры, изменения давления в процессе фракционирования и др.) на выход и состав получаемых продуктов.

Целью работы является теоретический анализ процесса адиабатной кристаллизации применительно к концентрированию водно-солевых растворов в аппаратах емкостного типа, а также концентрированию растворов, диспергированных в среду с пониженным давлениеманализ влияния основных параметров на выходы продуктов разделенияразработка математической модели процесса адиабатной кристаллизации диспергированных растворов и выдача рекомендаций по разработке оборудования.

Работа состоит из пяти глав (разделов). При этом данный процесс нами рассматривался применительно к концентрированию водных растворов веществ, обладающих относительно низкой летучестью, путем частичного вымораживания растворителя (воды).

В первой главе работы изложены результаты обзора литературы по методам фракционной кристаллизации, описано состояние вопроса по адиабатной кристаллизации и показано её место среди остальных методов, обоснована необходимость изучения и дальнейшей проработки этого метода. Так как при исследовании адиабатной кристаллизации нами был использован метод натуральных масштабов, то в данной главе рассмотрены основные особенности этого метода.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу процесса адиабатной кристаллизации при вакуумировании раствора в емкостных аппаратах. При этом показано, что периодический процесс состоит из двух основных стадий: простого адиабатного испарения растворителя до достижения насыщения раствора и испарения растворителя, сопровождающегося его частичной кристаллизацией.

Третья глава посвящена анализу влияния различных факторов на протекание процесса концентрирования растворов методом адиабатной кристаллизации. Данный анализ был выполнен применительно к разделению водно-солевых систем.

В четвертой главе приведены результаты теоретического рассмотрения адиабатной кристаллизации диспергированных растворов в газообразную среду, находящуюся под пониженным давлением. При анализе данного процесса в силу его повышенной сложности нами был использован метод натуральных масштабов, являющийся одной из модификаций теории подобия.

В пятой главе приведены данные экспериментальных исследований, позволяющие говорить о достаточно адекватном отражении предлагаемыми моделями хода рассматриваемых процессов.

Научная новизна работы заключается в том, что выполнен теоретический анализ процесса адиабатной кристаллизации применительно к концентрированию водно-солевых растворов в аппаратах емкостного типа.

При этом получены теоретические зависимости, описывающие как стадию простого адиабатного испарения, так и стадию кристаллизации. Используя полученные зависимости, проанализировано влияние основных параметров (исходной концентрации раствора, его температуры, остаточного давления и др.) на выход паровой, жидкой и кристаллической фаз, а также на их состав. Выявлено также влияние на ход рассматриваемого процесса температурной депрессии разделяемых растворов и их физико-химических свойств.

Проанализирован процесс адиабатной кристаллизации для диспергированных водно-солевых растворов в среду с пониженным давлением. Предложена математическая модель процесса, учитывающая теплоперенос в жидкой, паровой и кристаллической фазах. Показано, что в области низких давлений могут одновременно протекать процессы кристаллизации из жидкой фазы и сублимации льда. Используя метод натуральных масштабов, были установлены лимитирующие стадии процесса и выявлены основные параметры, влияющие на его ход.

Проведены экспериментальные исследования, позволяющих сделать вывод о применимости полученных моделей для описания процесса адиабатной кристаллизации как в большом объеме раствора, так и в диспергированных каплях.

Практическая значимость работы заключается в том, что были разработаны методики расчета процесса разделения водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизации в емкостных аппаратах с учетом влияния температурных депрессий растворов, и при диспергировании растворов в среде под разряжением с учетом теплопереноса в жидкой, твердой и газовой фазах. Адекватность полученных результатов подтверждена экспериментами. Методики пригодны для инженерных расчетов процесса адиабатной кристаллизации в рассмотренных вариантах исполнения. Даны рекомендации по разработке оборудования для проведения исследованных процессов.

Мы хотели бы выразить нашу глубокую благодарность доценту, к.т.н. Прохоренко Николаю Николаевичу, принявшему активнейшее участие в работе над разделами, посвященными адиабатной кристаллизации диспергированных растворов, и чья помощь в применении метода натуральных масштабов для анализа процесса была неоценима.