Krystallisering

26-08-2017 John Horn K
FONT SIZE:
fontsize_dec
fontsize_inc

Kemiingeniør, krystallisationen er en enkelt operation, hvor et kemisk stof opløst i et opløsningsmiddel udfælder på en kontrolleret måde, således at den kan adskilles fra selve opløsningsmidlet.

Krystallisering, som er et særligt tilfælde af nedbør, det adskiller sig fra dette i det, der opnås ved variation af betingelserne for opløselighed og ikke ved kemisk reaktion, eller i det mindste ikke udelukkende som et resultat af den kemiske reaktion.

Apparatet bruges til at udføre denne operation er enhedsstat krystalliseringsorganet.

Historiske noter

Krystallisation er en af ​​de ældste enhedsoperationer. Forhistoriske mand angiveligt brugt natriumchlorid tilbage i sprækker i klipperne ved havet bølger og sol fordampning; på det samme princip ligger til grund for processen med fordampning krystallisering stadig bruges i strandengene.

Efter har etableret andre krystallisationsprocesser, for eksempel i branchen af ​​saccharose, eller udarbejdelse af pigmenter i pulverform, fremstillet i oldtiden, ved krystallisation fra løsninger.

I moderne tid er udviklingen af ​​kemiske industri ført til udviklingen af ​​krystallisationsprocessen, nu anvendes til mange almindeligt anvendte produkter. De er fremstillet ved krystallisation, med forskellige processer, produkter af udbredt anvendelse, såsom kogsalt, sukker, natriumsulfat og mange andre.

Hånd i hånd med realiseringen af ​​nye processer er skredet teknologi krystallisatorer: fra simple tanke, hvor for køling eller ved fordampning eller ved pH-variation blev opnået krystal, er det kommet til kontinuerlige maskiner, der garanterer stor ensartethed i de særlige kendetegn ved produkter. De første moderne krystallisatorer var sandsynligvis modeller Calandria, stadig ansat i sukkerindustrien, og Oslo-krystallisatoren, som tager deres navn fra den norske hovedstad, der er blevet udviklet til produktion, i klimaer ikke egnet til salt, sol salt Fødevarer, meget udbredt i industrien i Norge tørfisk. Oslo var sandsynligvis den første krystallisator industrielle designet specielt til styring af partikelstørrelsen af ​​produktet.

Dynamics of krystallisering

Krystallen er dannet ved at følge en veldefineret struktur, bestemt ved de kræfter, der virker på det molekylære niveau.
Passagen af ​​tilstand fra flydende krystal sker ved en veldefineret kritisk koncentration af opløst stof, som er grænsen for opløselighed, som afhænger af arten af ​​det opløste stof, opløsningsmidlet og betingelser for temperatur og tryk; for eksempel opløseligheden af ​​natriumchlorid i vand ved en temperatur på 293 K og et tryk på 1 atm er lig med 358 g / l
For værdier af koncentration af opløst stof under opløselighedsgrænsen, er det opløste stof fuldstændigt opløst i opløsningsmidlet, for hvilke dannelsen af ​​krystallen ikke kan finde sted. For værdier af koncentrationen af ​​opløst stof over opløselighedsgrænsen, overskydende opløste stof udfældes stedet i form af krystaller.

Forskellen mellem den faktiske værdi af tidlig krystallisation og den teoretiske værdi af opløselighed kaldes overmætning, og er en vigtig faktor i dynamikken i krystalvækst. Det har:

hvor:

  • CSAT der er koncentrationer og mætning strøm;
  • ysat I er de muldvarp fraktioner tilstedeværende og mætning;
  • og det molære tæthed og mætning strøm.

Den definerer også opløselighed som:

hvor s er den del af overmætning.

Dannelsen af ​​krystallerne afhænger også af andre krystaller i opløsningen. For koncentrationer lidt mere af koncentrationen ved mætning er der et område kaldet "metastabil", hvor fældningen sker kun i nærværelse af andre krystaller, hvis virkning er at reducere grænsefladespændingen nødvendig for dannelsen af ​​krystaller.

Dannelsen af ​​krystallen udføres i to successive faser:

  • nukleation
  • vækst.

Nukleation

Inde i opløsningen vil der være punkter, hvor den lokale koncentration er forøget i forhold til de omgivende områder; Disse punkter kaldes klynger.

Klynger udvikler sig organisere strukturer i en bestemt rækkefølge: disse er embryoner.

Fra embryoner genereret kerner, som nøjagtigt afspejler rækkefølgen af ​​krystal, men stadig mikroskopiske i størrelse.

Den kernedannelse kan finde sted i henhold til forskellige mekanismer. Hvad beskrevet ovenfor, er den primære mekanisme for homogen nukleering som er tæt knyttet til overmætning. Mere præcist, kan du have følgende kernedannelsespunkterne mekanismer:

  • primær homogen nukleation
  • Primær heterogene nukleation
  • nukleation uægte
  • sekundær kernedannelse

For mekanismen for homogene nukleation primære ret besidder Kelvin:

hvor er grænsefladespændingen, det molære volumen af ​​krystal, koefficienten for dissociation, absolutte temperatur og størrelsen af ​​krystallen.

Mekanismen af ​​primær homogen nukleering kræver i teorien til meget høje værdier af overmætning, så i virkeligheden vil have kernedannelse ved andre midler, for eksempel til heterogene primære kernedannelse. I dette andet tilfælde er kernen dannes på forsiden af ​​en væg uvedkommende til opløsningen. På denne måde er det nødvendigt med en lavere grænsefladespænding til dannelse af kernen.

Du har måske også falsk nukleation:

  • til placering af krystaller: når du tilføjer i løsningen af ​​de krystaller, som er udstyret med dendritiske vækster på deres overflade, der fungerer som kerner
  • til glas brud:
  • Vækst af nåle: de dendritiske vækster på krystal, på grund af en høj vækst hastighed, kan briste og dermed skabe kerner

En endelig mekanisme nukleering er kernedannende sekundær: på krystaloverfladen dannes embryoner, der efterfølgende frigives ved friktion mellem krystallerne. Denne mekanisme er afhængig af overmætning og koncentrationen af ​​den faste fase.

Vi kan udtrykke nukleationshastighed som antallet af kerner, der skabes i en vis mængde i et givet tidsinterval, nemlig:

Er massen af ​​faste stoffer pr volumen af ​​suspension.

Tilvækst

Når dannede det første udkast til krystal, kaldet "kerne", det fungerer som et mødested for de ustabile molekyler af opløsningsmiddel, der kommer i kontakt med ham, og derefter krystal forstørres ved successive lag, lidt 'som en løg. Mængden af ​​opløst stof er overmættet, at kernen er i stand til at fange tidsenhed, hvilken vækstrate og udtrykt i kg /, er en bestemt værdi af processen, da det afhænger af en række fysiske egenskaber, såsom overfladespænding af opløsningen trykket, temperaturen og den relative hastighed af krystallen i opløsningen.

Den forstår også, at de vigtigste faktorer til at overveje, er:

  • værdi af overmætning, som et indeks for den mængde af produktet til rådighed for væksten af ​​krystal;
  • mængde krystal overflade i enhed af denne flydende masse, som et indeks for evnen til at løse nye molekyler på overfladen af ​​den samme;
  • station tid, som et indeks for sandsynligheden for, at et opløst molekyle kommer i kontakt med overfladen af ​​krystallen;
  • vandføringen, som en indikator for sandsynligheden for, at det opløste stof molekylet er fastgjort til krystal.

Mens den første værdi afhænger mere på de fysiske egenskaber af løsningen, så det er vanskeligt at håndtere, andre gøre forskellen mellem en god og en dårlig en krystallisator.

Hastigheden af ​​krystalvækst er givet ved:

Det bemærkes, at vækstraten ikke afhænger af størrelsen L af krystal.

Klassifikation krystalvand processer

Da de faktorer, der påvirker opløseligheden er særligt koncentration og temperatur, kan vi skelne to familier af krystallisatorer:

  • køling krystallisatorer
  • de fordampningsemissioner krystallisatorer

Det er imidlertid klart, at sondringen er ikke så klar, da der er hybrider, hvor afkølingen foregår ved fordampning, og derefter med samtidig koncentrationen af ​​opløsningen. Desuden er der også andre krystallisationsteknikker udføres ved at tilsætte de midler adskillelse materialer, hvilket skaber af ternære systemer, som faktisk påvirker betingelserne for mætning eller bedre opløselighed produkt:

  • udsaltning: tilsætning af et co-opløsningsmiddel til systemet med henblik på at fremme udfældning af det opløste stof.
  • nedbør: tilsætning af et opløst stof til systemet, der letter udfældningen af ​​det opløste stof, hvor vi er interesseret

Krystallisatorer til køling

Ansøgning

Det store flertal af de kemiske forbindelser, steder i opløsning langt de fleste opløsningsmidler har opløselighedsegenskaber af såkaldte direkte, dvs. værdien af ​​opløselighed stiger med stigende temperatur. I systemer med invers solubilitet, mindre almindelige, men opløseligheden falder med stigende temperatur.

For systemer til direkte opløselighed, er det derfor indlysende, at hvis forholdene tillader det, ved afkøling af opløsningen har krystaldannelse, med den ekstra fordel at opnå en lavere restkoncentrationen. Naturligvis kølekoncept er relativ: i stål opnås krystaller af austenit ved temperaturer et godt stykke over 1000 ° C. Denne type proces anvendes for eksempel i krystallisering af Glaubersalt. Det observeres i figuren, der viser temperaturerne på abscissen og på ordinaten værdien af ​​opløselighed i vægtprocent, som opløseligheden af ​​sulfat falder hurtigt til under 32,5 ° C. Hvis jeg har for eksempel en mættet opløsning ved 30 ° C, og afkøles til 0 ° C, får jeg udfældning af mængden af ​​sulfat, der konkurrerer med reduktionen af ​​opløselighed fra 29% til 4,5% ca.

Begrænsningerne for anvendelse af Cooling krystallisatorer er i følgende aspekter:

  • ved lav temperatur, mange forbindelser udfældes i hydratiseret form: dette er acceptabelt i tilfælde af Glaubersalt, men i andre tilfælde kan være uønsket, for eksempel fordi krystalvand nødvendig for den stabile form er mere end der findes i opløsningen, hvilket forårsager dannelsen af ​​en enkelt blok;
  • idet krystallisationen finder sted ved afkøling, der er den maksimale overmætning den koldeste. Disse, i de fleste tilfælde, er rørene i varmeveksleren, som derefter bliver følsom over for deponering af krystaller, med en deraf følgende reduktion eller ophør af varmeveksling;
  • som temperaturen falder, generelt er det forøger viskositeten af ​​opløsningerne. En høj viskositet, ud over at give pumpeproblemer kan forstyrre krystallisation processen på grund af det laminare regime, der genererer.
  • og frem for alt, er det ikke gælder for forbindelser, der har karakteristiske for invers solubilitet, dvs. for hvem opløseligheden falder, når temperaturen stiger.

Byggeri typer

Den enkleste krystallisatorer til køling af tankene er ophidset, hvor der opnås en sænkning af temperaturen til varmeveksling med et mellemliggende væske, som cirkulerer i den kolde skjorte. Anvendes så enkel de anvendes i diskontinuerlige processer, for eksempel i den farmaceutiske industri, men er genstand for hyppig tilsmudsning af varmeoverførselsoverflader, og dermed hyppig rengøring.

En variant består af omrørte tanke, hvor der nedsænket slanger i ikke-klæbende materiale, inden i hvilken cirkulerer en kold opløsning. Cirkulationen af ​​væsken på grund af rystelse af rørene og udstationering af de krystaller, der havde klæbet til dem. Egnet til små anlæg, er genstand for hyppige brud af rørene.

Krystallisatorer af højere kapacitet er typisk for tvungen cirkulation type. I dem en pumpeorgan ekstraheres. Et typisk tilfælde af anvendelse er DTB krystallisatoren typen, opfundet af Richard C. Bennett i slutningen af ​​50'erne .. I DTB cirkulation sikres ved en propel aksial flow turbofan som skubber opad, mens udenfor af krystallisatoren virkelige er der en cirkulær krans, i hvilken opbrugt løsning går tilbage til lav hastighed, således at sedimentering af de krystaller, som suges af den nedadgående strømning. Resultatet er en næsten perfekt styring af alle parametre for krystallisering.

Fordampningsemissioner krystallisatorer

Den anden mulighed er at udnytte, ved en temperatur mere eller mindre konstant, udfældning af krystallerne med stigende koncentration af det opløste stof over opløselighedsgrænsen. For at gøre dette, jeg er nødt til at fjerne en del af opløsningsmidlet og dette gøres ved fordampning.

Langt størstedelen af ​​industrielle krystallisatorer virker ved fordampning. Eksempler er krystallisatorer natriumchlorid og saccharose, som i sig selv udgør halvdelen af ​​den årlige produktion af krystaller i verden. Den mest udbredte model er helt sikkert, at tvungen cirkulation.

Betragtningerne om kontrol af parametrene gælder også for fordampning krystallisering.

Forrige artikel Kármán line
Næste artikel Katolske kirke i Egypten