Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы по вопросам Фракционного плавления 7
1.1. Однократное фракционное плавление 8
1.2. Последовательное фракционное плавление 16
1.3. Контактное фракционное плавление 25
1.4. Многоступенчатое и противоточное фракционное плавление 27
1.5. Дистиллятивкое фракционное плавление 34
1.6. Другие методы фракционного плавления , 37
1.7. Особенности кристаллизации бинарных смесей 40
1.8. Особенности процесса шіавлени|йвищбств,-:г.іл/л 45
1.9. Основные особенности процесса растворения 50
1.10. Выводы 55
Глава 2. Фракционное плавление с использованием нагретого исходного раствора 56
2.1. Схема и описание процесса разделения 56
2.2. Теоретическое описание процесса 5о
2.3. Анализ влияния технологических параметров на ход процесса разделения . 72
Глава 3. Фракционное плавление с рециркуляцией расплава кристаллической фракции 89
3.1. Схема и описание процесса разделения 89
3.2. Теоретическое описание процесса 91
3.3. Анализ влияния технологических параметров на ход процесса разделения 101
Глава 4. Фрактгаонное плавление с частичной рециркуляцией маточника 121
4.1. Схема и описание поопесса оазделения 121
4.2. Теоретическое описание процесса 123
4.3. Анализ влияния технологических параметров на ход процесса разделения 130
4.4. Сравнение различных вариантов разделения 142
Глава 5. Экспериментальные исследования процесса контактного плавления
5.1. Методика проведения эксперимента 147
5.2. Результаты экспериментов и их обсуждение. 149
Выводы 164
Приложение 175
- Многоступенчатое и противоточное фракционное плавление
- Анализ влияния технологических параметров на ход процесса разделения
- Теоретическое описание процесса
- Сравнение различных вариантов разделения
Введение к работе
Фракционное плавление является одним из методов фракционной кристаллизации. Данный процесс успешно используется для разделения технологических смесей на фракции, обогащенные тем или иным компонентом, для концентрирования разбавленных растворов, а также для очистки веществ от различных примесей [1,2].
В литературе описан целый ряд возможных вариантов проведения процесса фракционного плавления. Для его осуществления используется довольно разнообразное оборудование. Часто данный процесс осуществляется в сочетании с другими маееообменными процессами ^Фракционной кристйллизоциси, жидкостной и твердофазной экстракцией, дистилляцией и др.).
Процесс фракционного плавления обычно состоит из трех стадий: кристаллизации, плавления и сепарации полученной кристаллической суспензии. В большинстве известных вариантов рассматриваемого процесса стадию плавления осуществляют путем контакта кристаллической фазы с поверхностями различных нагревающих элементов. При этом перенос тепла в разделяемой смеси происходит в основном за счет теплопроводности, что является причиной относительно низкой интенсивности тепло - массопереноса в системе.
о ДОНКОЙ раООТс Приведены ТсОреТйЧеСКйс й ЗІССПсрйлісНТаЛЬНЬЇс
исследования одного из перспективных вариантов рассматриваемого процесса - контактного фракционного плавления. В рассматриваемом случае стадия плавления осуществляется путем непосредственного контакта разделяемой смеси с нагретым жидким теплоносителем, в качестве которого может быть использован подогретый исходный раствор, отходящий маточник, расплав очищенного вещества или же какая-то промежуточная фракция. Использование контактного нагрева позволяет
существенно интенсифицировать процесс разделения и упростить его аппаратурное оформление.
В рамках данной работы нами было разработано теоретическое описание основных вариантов рассматриваемого процесса, выполнен анализ влияния различных технологических параметров на эффективность процесса разделения, а также проведены его экспериментальные исследования. При этом теоретический анализ и экспериментальные исследования проводились нами применительно к разделению водно-солевых систем. Полученные при этом данные, естественно, могут быть использованы и для разделения других систем.
П оттттогг тттілллптотттіа ЛГЧЛТЛГГГ1 ТШ ТТГГТ'ТХ ргтоп I » л»лп огт Terror» о rTt^a, ТТЛТОЛ ТТГТОТ1
і і /I r*i i"f ' і л її vii ,i :i :i і і /її і vi л і і it . і і і vi і » j "ч tan і vm t і s г-ч і 4 і і n / і ri t і f r*% j ш ititi.iii.tsi г* і n % . t
j-l,bt-xi.ibtJA ,_^і. iV V- щг bj j. ' - '^ - J* -4.- V.' V j. V -Аі — і—Г іі/і ж. і. і j. w aUU , і XV w J-f ъи^ і lbiiJ vi. ilL-' Ч^^-Ц,*/ х. Wbi-J» jjj-V- і.
собой краткий обзор литературных данньтх по вопросам фракционного
X" х А" . А" I" " л. А '
плавления. В главе 2 рассмотрен процесс контактного фракционного плавления, в котором в качестве теплоносителя использован нагретый исходный раствор. В главе 3 рассмотрен процесс фракционного плавления, который осуществляется за счет контакта кристаллической смеси с рециркулируемым расплавом кристаллической фракции. В главе 4 представлен процесс плавления с рециркуляцией маточника и проведен сравнительный анализ всех рассмотренных вариантов разделения. В главе j приведены результаты экспериментальных исследований процесса контактного фракционного плавления.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.
сА - теплоемкость растворенного вещества.
св -теплоемкость воды.
cF -теплоемкость исходной смеси.
cF2 -теплоемкость смеси F2.
ск ; см -теплоемкости кристаллической фазы и маточника.
cs; cL -теплоемкости кристаллов воды (льда) и маточника.
F ; xF - поток, масса исходной смеси и ее концентрация.
Fj; F2 -поток, масса нагретой и закристаллизованной смеси.
К ; хк - поток, масса кристаллической фазы и ее концентрация.
L ; xL -поток, масса отделенного маточника и его концентрация.
Lp — поток, масса рециркулируемого маточника.
М ; хм - поток, масса маточника и его концентрация.
Мх\хш -поток, масса маточника на стадии кристаллизации и его
концентрация.
т — коэффициент захвата маточной жидкости.
NM —степень концентрирования раствора.
п — коэффициент смешения.
RL; Rs -коэффициенты отбора маточника и кристаллической фазы.
7"в ; Гр — удельные теплоты кристаллизации воды и исходного раствора. 5 ;xs- поток, масса отделенной кристаллической фазы и ее концентрация. 5р - поток, масса рециркулируемого расплава кристаллической фазы.
t -температура на стадии фракционного плавления.
t2 -температура потока F2.
tv - температура исходной смеси.
tE — температура эвтектики.
L -температура рециркулируемой смеси.
в -температура охлаждения на стадии кристаллизации.
бохл' Qn' Qnn -затраты тепла на процессы охлаждения, нагрева и
плавления.
(рк. (ри - содержание кристаллической фазы и маточника в суспензии.
(ps. срь -выход маточника и кристаллической фазы.
r/L - коэффициент извлечения целевого компонента с маточной жидкостью.
Т^ —время плавления.
Многоступенчатое и противоточное фракционное плавление
В тарельчатых камерах установлены батареи тарелок прямоугольного сечения (рис. 1.6), разделенные на четыре секции. Каждая тарелка состоит из опорной решетки 1, на которой устанавливается оцинкованная сетка2 с отверстиями 3x3 мм. Перед заполнением камеры сырьем тарелку заливают водой несколько выше уровня сетки. После загрузки расплавленного сырья, последнее кристаллизуют со скоростью 1 - 2С/час, для чего . подают холодную воду через змеевики 3, расположенные на сетке. После завершения кристаллизации воду сливают и производят нагрев системы со скоростью 1С/час. Маточник, образующийся при нагревании, спускают под сетку, а затем удаляют из аппарата. Выплавление очищенного продукта в конце процесса производится с помощью парового змеевика 4.
В цилиндрических камерах потения вместо тарелок устанавливают цилиндры, количество которых в камере может доходить до 96. Цилиндр состоит из двух усеченных конусов разного диаметра, соединенных ребрами. Внутри цилиндров помещены сетки. Дно также покрыто сеткой и имеет штуцер для отвода оттеков. Охлаждение расплава производят орошением сеток цилиндра холодной водой.
Аппараты, применяемые для очистки небольшого количества вещества в лабораторных условиях, описаны в работах [1,2,18]. Такие аппараты, как правило, представляет собой стеклянную трубку, снабженную охлаждающей рубашкой. Внутри трубки укрепляется фильтр или опорная решетка, а внизу имеется спускной штуцер с краном. Исходную смесь первоначально медленно охлаждают хладогентом, подаваемым из термостата, где температура изменяется по определенной программе. По окончании охлаждения спускной кран открывают и начинают постепенный нагрев, путем подачи теплоносителя в рубашку, в процессе которого образующиеся жидкая фаза стекает в сборник. Кристаллическая фаза в процессе нагрева удерживается на решетке или фильтре. Для лучшего отделения образующихся жидких фракций от кристаллической фазы в ряде случаев используют вакуумный насос.
Эффективность последовательного фракционного плавления со свободным стеканием жидких фракций существенно зависит от конструкции теплообменных элементов [1,2,34-38]. Конструкция теплообменного элемента должна обеспечивать равномерность температуры в системе на стадиях охлаждения и плавления, а также должна способствовать удержанию кристаллической фазы в зоне очистки до окончания стадии плавления, предотвращая унос кристаллов с отделяемым маточником. В случае гладкого цилиндрического элемента наблюдается наименьшая разделяющая способность, что объясняется его малой удельной поверхностью и плохой удерживающей способностью. Установка на теплообменном элементе нижней опорной сетки, а также применение горизонтальных ребристых элементов приводит к значительному повышению эффективности разделения. Хорошее разделение достигается и при использовании змеевиков.
В работе [38] предложено проводить процесс фракционного плавления в трубчатом аппарате, снабженном перфорированными перегородками, расположенными по высоте аппарата. При этом трубы теплообменника проходят через отверстия в секционирующих перегородках. Исходную смесь в таких аппаратах загружают в межтрубное пространство. Использование секционирующих перегородок способствует удержанию кристаллической фазы на стадии плавления и более равномерному распределению температуры в системе. Это, в свою очередь, позволяет проводить процессы охлаждения и нагрева с более высокими скоростями.
Сократить продолжительность процесса можно, если использовать на стадии плавления однократный или ступенчатый индукционный нагрев со скоростью 5-20С/час [39]. Частота изменения напряженности поля индукционного нагрева при фракционном плавлении определяется физико-химическими свойствами компонентов разделяемой смеси. Для веществ, обладающих высокой диэлектрической проницаемостью, например, при очистке металлов от примесей, используют низкочастотный индукционный нагрев, а для веществ с низкой диэлектрической проницаемостью, например, разделение органических смесей, используют высокочастотный или сверхвысокочастотный нагрев.
Эффективность разделения в трубчатых аппаратах со свободным стеканием жидких фракций можно значительно повысить, применяя аппараты с локальными зонами нагрева [2,40,41]. Внутри таких аппаратов между вертикальными охлаждающими элементами размещены нагревающие элементы, с помощью которых на стадии кристаллизации создаются локальные зоны нагрева. Нагревающие и охлаждающие элементы могут быть изготовлены как из гладких труб, так и из снабженных продольными ребрамми. Соотношение рабочих поверхностей охлаждающих и нагревающих элементов и их взаимное расположение в рабочем пространстве аппарата определяется концентрацией примесей в исходной смеси, а также физико-химическими и теплофизическими свойствами разделяемой смеси. Стадию кристаллизации в таком аппарате проводят путем постепенного понижения температуры хладоагента в охлаждающих элементах. В течение всей стадии охлаждения в нагревающие элементы подают теплоноситель, с температурой на 1-3С выше температуры ликвидуса разделяемой смеси, в следствии чего вокруг этих элементов остается зона не закристаллизовавшегося маточника, который удаляют после окончания стадии кристаллизации. При этом вдоль нагревающих элементов образуются вертикальные каналы, свободные от кристаллической фазы, которые на стадии плавления облегчают отделение жидких фракций от оставшейся кристаллической фазы. Вследствие быстрого отделения жидких фракций, существенно сокращается продолжительность разделения. Кроме этого, создаваемые в таких аппаратах градиенты температур приводят к образованию правильных, хорошо сформированных кристаллов, что существенно снижает захват ими маточной жидкости на стадии плавления. При направленном росте кристаллов в аппаратах с локальными зонами нагрева, низкоплавкие примеси постепенно оттесняются растущими кристаллами в зону повышенной температуры, откуда они удаляются с оставшимся маточником.
При фракционном плавлении бинарных и многокомпонентных смесей в аппаратах со свободным стеканием жидкой фазы, как правило, образуется пористый кристаллический слой, который за счет капиллярных и адсорбционных сил удерживает значительное количество жидкой фазы, обогащенной низкоплавкими примесями и препятствует полному отделению жидких фракций от кристаллической фазы [1,2]. Некоторого повышения эффективности процесса, как отмечалось выше, можно достичь путем уменьшения скоростей охлаждения смеси на стадии кристаллизации и нагрева на стадии плавления. Однако, при этом значительно возрастает продолжительность процесса. Значительно повысить эффективность разделения можно, если использовать принудительный отвод из аппарата образующихся жидких фракций, путем сжатия кристаллической фазы в процессе нагрева подвижным поршнем до ЮМПа [3,10,32-34,42,43]. При этом достигается уменьшение задержки низкоплавких фракций из-за понижения порозности кристаллического слоя. Принудительный отвод жидких фракций можно осуществить также путем вакуумирования системы [23,24].
Анализ влияния технологических параметров на ход процесса разделения
К методам фракционного плавления, использующим в том или ином виде процесс плавления, можно также отнести процессы фракционного плавления с растворителем, зонную плавку и горячую промывку
Фракционное плавление с использованием растворителя используется при разделении смесей с высокой вязкостью, трудно кристаллизующихся веществ, а также при очистке веществ от примесей, повышающих температуру кристаллизации и разделении смесей, имеющих низкие коэффициенты распределения [2,3,49]. В этом случае к исходному веществу добавляют некоторое количество низкоплавкого растворителя, растворяющего преимущественно примеси исходного вещества и не образующего с основным очищенным веществом твердых растворов. Добавление растворителя способствует значительному снижению вязкости исходной смеси и, как правило, приводит к снижению температуры кристаллизации, что особенно важно при очистке высокоплавких веществ. Способ фракционного плавления с добавлением растворителя был успешно применен для очистки ряда технологических продуктов (каптакса, дифениленпропана, гексахлорпараксилола, бензола и др.), а также для разделения ряда жировых смесей [2,3].
Для глубокой очистки небольшого количества вещества от примесей используется зонная плавка [1,2,50-52]. Данный процесс характеризуется относительной простатой и высокой степенью разделения.
Зонную плавку проводят следующим образом. Вдоль удлиненного образца исходного материала медленно перемещают расплавленную зону, создаваемую с помощью нагревателей различных конструкций. При этом образуются две подвижные межфазные границы. На одной из которых происходит плавление материала образца, а на другой - его затвердевание. Вследствие различной растворимости примеси в жидкой и твердой фазах, при движении расплавленной зоны вдоль образца концентрация примеси в нем перераспределяется. В зависимости от значения коэффициента распределения, примесь концентрируется либо расплавленной зоне. Либо в твердой фазе. Распределение примеси вдоль образца зависит от числа прохода зон. С их увеличением степень разделения (градиент концентраций) возрастает [66-68J.
Конструктивное оформление процесса зонной плавки весьма разнообразно и зависит от множества факторов: температуры плавления очищаемого вещества, его теплоемкости и теплопроводности, степени требуемой очистки, способа нагрева, масштаба производства и т.д. [1,2,66-68]. Основными элементами установки для зонной плавки являются: контейнеры, в которых производится очистка вещества; нагреватели для создания расплавленных зон; приводы для перемещения нагревателей или контейнеров; холодильники и устройства для перемешивания расплавов. Более подробные сведения о влиянии различных факторов на процесс зонной плавки, а также на аппаратурное оформление этого процесса содержаться в работах [66-68]. В технике фракционной кристаллизации для повышения степени очистки веществ часто применяют промывку кристаллической фазы на стадии фильтрации [2,24]. В частности, данный процесс широко используется в опреснительных вымораживающих установках и в технологии концентрирования вин и фруктовых соков [2,27-29,62-70]. Промывка твердой дисперсной фазы представляет собой сложный физико-химический процесс, в ходе которого растворенные вещества, находящиеся в порах твердой фазы, извлекаются с помощью какой - либо жидкости. В качестве промывных жидкостей чаще всего используют воду, различные органические и неорганические растворители, а также расплав очищенного вещества [2,38,39]. Выход кристаллов и их состав на стадии промывки зависят не только от полноты удаления маточной жидкости, но и от температуры промывной жидкости [62]. Если на стадии промывки используется нагретая промывная жидкость, то такой процесс называют «горячей» промывкой. При использовании «горячей» промывной жидкости происходит частичное подплавление поступающих на промывку кристаллов. При этом понижается выход кристаллического продукта, а содержание в нем высокоплавкого компонента возрастает. Такой процесс можно рассматривать как частный случай контактного фракционного плавления. Если промывка осуществляется с использованием растворителя, то происходит дополнительное фракционное растворение примеси в кристаллической фазе. Здесь также возможен вариант проведения процесса плавления с частичным подплавлением кристаллической фазы. В этом случае плавление происходит либо при контакте с горячим растворителем либо при конденсации паров газообразного растворителя. Как правило, такая промывка используется в тех схемах разделения, где стадию промывки проводят также с использованием растворителей. Подробное описание схем таких процессов и их анализ приведен в работах [69]. Описание технологических схем с использованием «горячей» промывки можно найти в работах [62-70]. Процесс «горячей» промывки, также как и обычная промывка, часто проводится в противоточных промывных колоннах, которые напоминают противоточные кристаллизаторы. По принципу действия они разделяются на два типа: гравитационные и принудительные [27,28]. Теоретическое описание процессов разделения в противоточных промывных колоннах во многом сходно с списанием процессов противоточной фракционной кристаллизации и, как правило, основывается на рассмотрении процесса фильтрации жидкой фазы в движущемся пористом слое льда [27-29]. Кристаллизация бинарных смесей протекает в интервале температур ликвидуса tn и солидуса tcon [1,2,34,47,75]. При охлаждении бинарного расплава в полуограниченном пространстве, которое контактирует с охлаждающей поверхностью, в кристаллизующемся образце можно выделить три характерные зоны (рис. 1.13): зону расплава (x-Sn), с температурой ґр выше точки ликвидуса /л, переходную зону (Sc-Sn), где происходит зарождение и рост кристаллов, а температура изменяется от tn до /сол и зону твердой фазы (0-Sc), которая непосредственно примыкает к охлаждающей поверхности и имеет температуру ниже точки ликвидуса. По мере охлаждения границы начала 8п и конца 8С кристаллизации постепенно перемещаются в глубь расплава. В конце процесса имеются только две зоны: переходная и зона полностью закристаллизовавшегося вещества [1,34].
Теоретическое описание процесса
Используя полученные теоретические зависимости, нами был произведен анализ влияния различных параметров на ход процесса разделения. Такой анализ был выполнен применительно к концентрированию водных растворов мочевины и хлорида калия. Диаграммы состояния систем «вода-мочевина» и «вода-хлорид калия» приведены в «Приложении» Ш и П2 соответственно. Заметим, что для данных систем, линия ликвидуса в области кристаллизации воды близка к прямой и может быть описана уравнением (2.24).
Проведенный анализ показал, что на ход процесса разделения сильное влияние оказывают следующие параметры: состав исходного раствора XF, температура охлаждения раствора Fj на стадии кристаллизации 6, температура раствора F2, подаваемого на стадию плавления /2, и коэффициент смешения П. Кроме этого, результаты разделения также зависят от коэффициента захвата маточника на стадии сепарации т. На рисунках 2.2-2.13 показано влияние этих параметров на примере разделения смеси «вода-мочевина» (/? = —0.0283; /Е=-11.5 С; X =32.5% (NH2)2CO). Аналогичные зависимости для системы «вода-хлорид калия» (р = -0.02; t = -10.5 С; X = 19.9%KCL) приведены на рисунках ПЗ-П6 в «Приложении». Понижение температуры охлаждения 0 потока Fj на стадии кристаллизации, при прочих равных условиях, приводит к закономерному снижению температуры суспензии t, получаемой на стадии плавления (рис 2.2,а), и увеличению выхода кристаллической фазы в ней (рк (рис. 2.2,6). Характерно, что при температуре в, равной температуре кристаллизации эвтектики tE, зависимости (рк = f(0) и t = /(в) претерпевают резкий скачок, и далее при температурах $ tB изменяется незначительно. Наличие скачка на кривых (рк = /(0)и t = f(0) объясняется тем, что при в = tE на стадии кристаллизации происходит полное отверждение (кристаллизация) раствора Fy и,в результате этого, на последующей стадии плавления при температуре в = t поглощается значительное количество тепла для компенсации теплоты фазового превращения. Дальнейшее охлаждение потока Fj на стадии кристаллизации, ниже температуры кристаллизации эвтектики, незначительно изменяет теплосодержание системы и в силу этого слабо отражается на величине (рк в области в tE. С другой стороны, повышение температуры в в области & tE обычно приводит к довольно резкому снижению содержания кристаллической фазы в суспензии, получаемой на стадии фракционного плавления ФП. Более того, при определенной температуре в на стадии ФП может происходить полное расплавление кристаллической фазы. При этом (рк становится равным нулю, а температура t достигает значений, равных температуре ликвидуса исходного раствора. Очевидно, что процесс разделения наиболее целесообразно проводить в области температур охлаждения в, близких к температуре tE. Увеличение выхода кристаллической фазы (рк с понижением температуры охлаждения потока Fj на стадии кристаллизации-# приводит к соответствующему уменьшению выхода жидкой фазы и повышению содержания в ней растворенного вещества хи, при этом степень концентрирования маточного раствора NM также возрастает (рис. 2.3). Как видно из данных, представленных на рис. 2.3, при температуре в = tE на кривых Хм = f(0) и NM = f(6) также имеется скачкообразное изменение рассматриваемых параметров. Проведенные расчеты показали, что с понижением температуры охлаждения 9 величина коэффициента извлечения растворенного вещества с отделенным на стадии сепарации маточником уменьшается (рис. 2.4,а). Это связано с тем, что при постоянном коэффициенте захвата маточника т на стадии сепарации с понижением в повышается концентрация хм и, соответственно, возрастают потери растворенного вещества с отделенной кристаллической фазой. Это же является причиной повышения содержания растворенного вещества в отделенной кристаллической фазе xs (рис. 2.5,а). Зависимости выхода кристаллической фазы на стадии сепарации ps от температуры в показаны на рис. 2.4,6. Как видно из представленных данных, зависимости ps =/(0) имеют тот же характер, что и зависимости (рк — /(в) (см. рис. 2.2,а). На рис. 2.5,6 показаны зависимости удельного количества тепла q0, отводимого на стадии кристаллизации, от температуры охлаждения потока Fj. С понижением температуры в наблюдается закономерное увеличение значений .
Сравнение различных вариантов разделения
В настоящей главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса разделения водно-солевых систем с использованием метода контактного фракционного плавления. При этом ставились две задачи: экспериментального исследования влияния основных параметров на ход процесса разделения и качественного сравнения результатов эксперимента с данными, полученными при теоретическом анализе этого процесса.
Как уже отмечалось выше, исследуемый нами процесс состоит из трех основных стадий: кристаллизации исходного раствора, частичного подплавления и сепарации полученной кристаллической суспензии.
Стадию кристаллизации проводили в морозильной камере, в которой поддерживалась температура минус 12-14С. Предварительные опыты показали, что результаты разделения зависят от размеров и формы отвержденного раствора (кристаллической фазы). Поэтому для получения стабильных результатов, исходный жидкий раствор Fj кристаллизовали в виде таблеток в специальных пластиковых формах с объемом ячеек 0.6 мл. Диаметр и высота получаемых таблеток соответственно составлял: dT =10 мм, /гт=3мм. Продолжительность стадии охлаждения обычно составляла 18 - 24 часа. Для достижения полной кристаллизации исходного раствора F\ его охлаждали в морозильной камере при температуре в ниже температуры кристаллизации эвтектики tE, то есть в tE. Для приготовления растворов при в tE исходный раствор сначала охлаждали в морозильной камере до его полной кристаллизации, а затем его медленно нагревали за счет теплообмена с внешней средой до заданной температуры 0. При этом происходило частичное подплавление исходной смеси. Далее, полученную таким образом суспензию, выдерживали в адиабатических условиях (при в = const) в течение 6 часов. Это позволяло получать исходную суспензию с однородной кристаллической структурой. Стадию плавления осуществляли путем смешения в определенном соотношении закристаллизованного раствора F\ с горячим раствором F2. Последний, перед смешением нагревали в термостате до заданной температуры /2 и выдерживали в нем 4 -5 часов. Для поддержания адиабатических условий, стадию плавления проводили в пластиковом сосуде, объемом V = 400 мл, помещенном в специально изготовленный пластиковый контейнер. Время полного смешения твердого и жидкого растворов составляло от 3 до 5 секунд в зависимости от объема подаваемого раствора. Перед смешением растворы Fj и F2 дополнительно взвешивались, с целью определения их точного соотношения п. Объем получаемой после смешения суспензии F составлял, приблизительно, 200 мл. Содержание контейнера в процессе плавления периодически перемешивалось. Через определенные промежутки времени производилось измерение температуры суспензии. После определенной выдержки, кристаллическую суспензию выгружали из контейнера и подвергали разделению (сепарации). Стадию сепарации производили на вакуумно-фильтрационной установке, которая состояла из колбы Бунзена, воронки Бюхнера и водоструйного насоса, который позволял создавать вакуум 700-730 мм. рт. ст. В качестве фильтрующей перегородки использовали обычную фильтрационную бумагу. Продолжительность стадии фильтрации обычно составляла от 100 до 300 секунд. После разделения суспензии производилось взвешивание отделенной кристаллической фазы и получаемого маточника. Опыты по изучению закономерностей фракционного плавления проводились с водными растворами хлорида калия. Диаграмма равновесия фаз системы вода - КС1 приведена на рис. Анализ исходных растворов и получаемых продуктов разделения производили с помощью термостатированного кондуктометра ОК-102. Точность анализа составляла ± 0.5 %. Массу маточных растворов и кристаллических продуктов определяли взвешиванием с точностью ±0.1 г. Измерение конечной температуры охлаждения на стадии кристаллизации 0 и температуры суспензии на стадии плавления t производили электронным датчиком температуры с точностью ±0.1 С. При проведении экспериментов по изучению закономерностей контактного фракционного плавления, прежде всего, была установлена продолжительность стадии фракционного плавления, обеспечивающая достижение постоянных значений температуры получаемой суспензии. При этом было установлено, что система достигла постоянной температуры, если ее температура изменяется не более чем на 0.1 С в течение 1 минуты. Проведенные опыты показали, что постоянная температура суспензии обычно устанавливается уже через 3-5 минут после начала смешения. Основной целью экспериментальных исследований было изучение влияния на процесс разделения следующих параметров: соотношения потоков Fj и F2 (коэффициента смешения п), температуры охлаждения на стадии кристаллизации 6, температуры t2 потока F2, концентрации исходного раствора xF, а также продолжительности выдержки суспензии на стадии плавления тХЇЛ. Влияние величины п на процесс разделения системы вода-КС1 показано на рис. 5.1-5.3. Из представленных данных видно, что с увеличением доли горячего потока F2 растет температура получаемой кристаллической суспензии t (рис.5.1,а). Рост температуры t приводит к плавлению кристаллов льда и уменьшению их доли в суспензии (ps (рис.5.2,6). Плавление кристаллов льда приводит к разбавлению маточного раствора, вызывая тем самым снижение концентрации xL (рис.5.1,6). Одновременно с уменьшением содержания целевого компонента в маточнике с ростом п, уменьшается и его содержание в получаемой кристаллической суспензии xs (рис.5.2,а).
