Реферат: Способы кристаллизации

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химико-технологический факультет

РЕФЕРАТ

по курсу "Технология получения твердых веществ с заданнымисвойствами "

на тему:

СПОСОБЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Выполнил: Нагорный О.В.

Проверил:     д.т.н. Пойлов В.З.

Пермь, 2000

СПОСОБЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Дляосуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создатьпересыщение. По способам его создания различают два основных ме­тодакристаллизации: 1) охлаждение горячих насыщенных растворов (изогидрическая илиполитермическая кристаллизация) и 2) удаление части растворителя путемвыпаривания (изотермическая кристаллизация).

ПОЛИТЕРМИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

 

Растворимостьбольшинства веществ уменьшается с понижением температуры. Поэтому приохлаждении горячих растворов возникает пересыщение, обусловливающее выделениекристаллов. Этот метод также получил название изогидрической кристаллизации,поскольку при его осуществлении количество растворителя (например, воды)остается постоянным.

/>

Рис. 1. Кпояснению  методов кристаллизации (см. текст).

На диаграммерастворимости (рис. 1) охлаждение горячего ненасыщенного раствора, имеющеготемпературу t1 и концентрацию C1 (точка А), до конечной температуры t2 условно можно изобразить линией АС,которая пересекает кривую растворимости в точке В, характеризующейнасыщенное состояние раствора при температуре t1'. Если кристаллизация раствора начинается только послеего охлаждения до температуры t2, при которой и заканчивается полноеснятие пересыщения, то процесс кристаллизации изобразится линией CD, а конечное состояние раствора—точкой D на кривой растворимости,соответствующей равновесной концентрации C2.

В том случае, еслираствор не способен к образованию сколько-нибудь заметного пересыщения, процессего охлаждения и кристаллизации изобразится линией АВD. В зависимости от скорости охлаждения раствора и егоспособности образовывать пересыщение реальный процесс может протекать также полиниям AB'D'D или AB"D.

ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Перевод исходногораствора, характеризуемого точкой А (см. рис. 1), в пересыщенное состояниеможно осуществить и за счет частичного удаления растворителяпривыпаривании раствора. Такой метод получил название изотермическойкристаллизации, так как выпаривание насыщенного раствора происходит припостоянной температуре его кипения.

Изменение концентрацииисходного ненасыщенного раствора при выпаривании изобразится линией AEG, которая показывает, что с повышением концентрациираствора соответственно возрастает и его температура кипения. Только послеперехода раствора в насыщенное состояние при концентрации С1'(точка Е) температура уже больше не меняется и остается равной t1''.

Понятно, что приведенноевыше изображение процесса кристаллизации по линии AEG на диаграммерастворимости яв­ляется условным, и точка G характеризует лишь общее пересыщение раствора,которое может быть получено при удалении из него определенной частирастворителя. В большинстве случаев кристаллизация раствора при выпариваниипротекает при постоянной концентрации, очень близкой к состоянию насыщения дляданной температуры t1''.

/> <td/> />
Выбор того или иного методакристаллизации зависит, в первую очередь, от характера изменения растворимостивещества при различной температуре. Для солей, растворимость которых резкоуменьшается с понижением температуры, целесообразной является изогидрическаякристаллизация. В этом случае даже при сравнительно небольшом охлаждениираствора из него будет выделяться значительное количество соли (см. кривуюрастворимости KNO3 на рис. 2). Именно изогидрической кристаллизациейполучают большинство солей с резко выраженной прямой растворимостью (NaNO3, К2Сr2О7, NH4C1, CuS04-5H20 и др.).

Рис. 2. Кривые растворимости в воде КNО3 (1), Ва(NО3)2 (2) и NaCl (3).

В тех случаях, когда растворимостьсоли почти не меняется при изменении температуры, кристаллизация охлаждениемстановится неэффективной и применяется изотермическая кристаллизация Криваярастворимости, например NaCl(см. рис.2) показывает, что при охлаждении насыщенного раствора из неговыпадает лишь очень небольшое количество соли, поэтому кристаллизация NaCI проводится всегда выпариванием.

Изотермическаякристаллизация применяется также для солей с обратной растворимостью, напримердля Na2S04, растворимость которого, начиная с 32,4° С,уменьшается с повышением температуры. Для кристаллизации солей с резковыраженной обратной растворимостью иногда используют просто нагревание растворадо высоких температур. Так, например, получают безводный кристаллическийсульфит натрия Nа2S0з и сульфат марганца MnS04.

На практике в рядеслучаев комбинируют рассмотренные выше методы создания пересыщения. Так, привакуум-кристаллизации раствор охлаждается за счет адиабатического испаре­ниячасти растворителя. Этот метод кристаллизации особенно эффективен для солей,растворимость которых сравнительно плавно уменьшается с понижением температуры,например для КС1 (см. рис. 2), (NH4)2S04, FeS04-7H20 и др.

Частичное испарениерастворителя характерно и для некоторых кристаллизаторов охладительного типа,например, для башенных кристаллизаторов, барабанных с воздушным охлаждением,качающихся и др.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯВЫСАЛИВАНИЕМ

Придобавлении к раствору вещества, понижающего растворимость выделяемой соли,можно вызвать пересыщение раствора и кристаллизацию. Подобный методкристаллизации получил название высаливания.

Вещества, добавляемые враствор, обычно имеют одинаковый ион с кристаллизуемой солью. Характернымипримерами процессов высаливания являются: кристаллизация железного купороса изтравильных растворов при добавлении в них концентрированной серной кислоты,высаливание NaCI из рассолов за счет введения в ниххлористого магния или хлористого кальция; получение безводного сульфата натриядобавлением к его растворам NaCI; высаливание поваренной солью хлористого барияиз гидросульфидных щелоков и др.

Высаливающее веществолучше вводить в раствор в виде насыщенного раствора, так как при добавлениитвердого высаливателя на нем может осаждаться кристаллизующаяся соль, чтовызовет замедление или даже прекращение растворения осадителя.

В некоторых случаях длявыделения соли к раствору добавляют вещества, понижающие растворимостькристаллизуемой соли. Так, для высаливания сульфата натрия из водного раствораможно использовать аммиак, метиловый или этиловый спирты и др. Аналогичнокристаллизуют железный купорос из травильных растворов при добавлении ацетона.

Введение органическихрастворителей в водные растворы неорганических солей увеличивает эффективностьпроцесса кристаллизации, обеспечивая высокую степень извлечения соли израствора и возможность получения продукта в чистом виде. Недостатком этогоспособа является сравнительно высокая стоимость органических растворителей,регенерация которых требует проведения дополнительных операций (например,ректификации и дистилляции) и связана с некоторой потерей реагента.

В органической технологиидля кристаллизации из органических растворителей в качестве высаливающейдобавки часто используется вода, резко снижающая растворимость кристаллизуемыхвеществ.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ, В

ТОМ ЧИСЛЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ХИМИЧЕСКОГООСАЖДЕНИЯ

Пересыщениеможно создать за счет проведения химических реакций. Образующееся в результатевещество выделяется в виде кристаллической фазы из раствора. Такой химическийметод кристаллизации используется в аналитической практике, а также в рядетехнологических схем.

Так,например, при очистке природных и сточных вод чаще всего проводяткристаллизацию карбонатов, сульфатов и гидроокисей металлов, обладающихнезначительной растворимостью. Использование при очистке кристаллизациитруднорастворимых соединений обусловлено главным образом одной причиной — полнотой осаждения. Следует, однако, отметить, что в определенных условияхостаточные пересыщения при кристаллизации труднорастворимых соединений могутбыть значительными. Наблюдаемая картина связана с особой способностью такихвеществ образовывать устойчивые пересыщенные растворы.

Так какпересыщенные растворы веществ с малой растворимостью образуются в результатехимических реакций, в принципе можно добиться очень большого исходногопересыщения. Следовательно, одной из отличительных черт осаждениятруднорастворимых соединений является то, что они кристаллизуются в широкоминтервале пересыщений, а это дает возможность проводить процесс фазообразованияв самых разнообразных вариантах. Создавая различные исходные пересыщения, можновести осаждение и очень быстро, и очень медленно, получая при этом осадкиразнообразного гранулометрического состава. От скорости кристаллизации в своюочередь зависят конечные размеры и форма кристаллов.

За счетпроведения химической реакции в коксохимическом производстве получаюткристаллический сульфат аммония при нейтрализации растворов серной кислотыаммиаком, содержащимся в коксовом газе. В сатураторах, используемых для этойцели, протекает следующая реакция:

2NH3+ H2S04 → (NH4)2SO4

Впроизводстве кальцинированной соды промежуточный продукт (бикарбонат натрия NaHCO3) также получают вследствие химической реакции,протекающей при абсорбции аммиачно-соляным раствором двуокиси углерода. Этареакция может быть выражена суммарным уравнением:

NaCl+ NH3 + CO2 + H2O → NaHCO3 +NH4Cl

Вобразующемся растворе наименее растворимой солью является бикарбонат натрия,который выпадает в виде кристаллического осадка и служит для получениякальцинированной соды.

Другими способамиполучения кристаллических продуктов в результате химических реакций являются:кристаллизация хлористого аммония при нейтрализации газообразным аммиакомводных растворов NH4C1, насыщенных хлористым водородом;осаждение мелкокристаллического сульфата бария при обработке растворов солейбария (например, BaCl2) серной кислотой или сернокислымисолями (например, Na2SO4); кристаллизация нитрата бария при сливаниинасыщенных растворов хлористого бария и азотнокислого аммония и др.

Каждая из приведенныхвыше химических реакций лежит в основе технологического процесса лишьконкретного производства, поэтому химические методы кристаллизации и ихаппаратурное оформление в настоящей работе не рассматриваются.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.   Матусевич Л.Н. Кристаллизация израстворов в химической промышленности. М.: Химия.1968. 304 с.

2.   Хамский Е.В. Кристаллизация вхимической промышленности. М.: Химия. 1979. 343 с.