СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСТВОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК C30B7/08 C30B29/14 

Предлагаемые способ выращивания кристаллов из раствора и устройство для его осуществления относятся к области техники, связанной с получением искусственных кристаллов, в частности для скоростного выращивания кристаллов группы KDP (KH₂PO₄). с постоянной фильтрацией в течение всего процесса.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому способу является способ выращивания кристаллов из раствора, включающий кристаллизацию на затравку из пересыщенного раствора, вывод части раствора, его перегрев, фильтрацию и стабилизацию температуры раствора в кристаллизаторе до температуры кристаллизации.

Этот способ рассмотрен в [1]. В нем кристаллизатор и фильтрующая система соединены последовательно.

Недостаток этого способа состоит в том, что профильтрованный раствор перед подачей в кристаллизатор охлаждается в холодильнике до температуры роста кристалла.

Переохлаждение составляет несколько градусов ниже температуры насыщения (T_нас), поэтому в этой части системы фильтрации раствор сильно пересыщен, находится в нестабильном состоянии и имеет большую вероятность образования паразитических кристаллов.

Кроме этого, стабилизация температуры в кристаллизаторе осуществляется с помощью жидкостного термостата, для которого требуется мешалка, электродвигатели и прочая оснастка.

Указанные недостатки устраняются предлагаемым способом выращивания кристаллов из раствора, включающего кристаллизацию на затравку из пересыщенного раствора, вывод части раствора, его перегрев выше температуры насыщения, фильтрацию и стабилизацию температуры раствора в кристаллизаторе до температуры кристаллизации посредством системы фильтрации, в котором стабилизацию температуры раствора осуществляют путем периодической подачи в кристаллизатор из системы фильтрации очищенного раствора, перегретого выше температуры насыщения, с одновременным выводом из кристаллизатора такого же количества раствора, температура которого ниже температуры кристаллизации, причем подачу перегретого раствора осуществляют до момента достижения температуры раствора в кристаллизаторе, равной температуре кристаллизации, и определяемого датчиком температуры.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому устройству является устройство для выращивания кристаллов из раствора, содержащее кристаллизатор с герметичной крышкой и систему фильтрации раствора, состоящую из соединенных последовательно выходного патрубка, нагревателя раствора, фильтра, насоса и входного патрубка [1].

Недостатком этого устройства является высокая вероятность образования паразитических кристаллов, особенно в той части системы фильтрации, где раствор перед подачей в кристаллизатор охлаждается до температуры кристаллизации, которая, в случае скоростного выращивания, на 8-10°С ниже температуры насыщения.

Указанный недостаток устраняется в предлагаемом устройстве для выращивания кристаллов из раствора, содержащем кристаллизатор с герметичной крышкой и систему фильтрации раствора, состоящую из соединенных последовательно выходного патрубка, нагревателя раствора, фильтра, насоса и входного патрубка, в котором система фильтрации выполнена так, что между входным и выходным патрубками, параллельно кристаллизатору, установлен перепускной канал, выходной конец которого аксиально расположен внутри выходного патрубка с возможностью его перемещения по глубине патрубка, причем перепускной канал так же, как и входной патрубок, снабжен клапаном с регулируемым дросселем.

Реализация предлагаемого способа выращивания кристаллов осуществляется с помощью устройства, показанного на фиг.1.

Устройство состоит из кристаллизатора 1, термостата 2 из пенопласта или поролона, перепускного канала 3, выходного конца 4 перепускного канала 3, клапанов 5 и 6, дросселей 7 и 8, входного патрубка 9, выходного патрубка 10, нагревателя раствора 11, фильтра 12, насоса 13, датчика температуры 14, герметичной прокладки 15.

На фиг.2 показан вариант устройства, в котором входной патрубок 9 и выходной патрубок 10 размещены в дне кристаллизатора.

На фиг.3 показан общий вид перепускного канала 3 с входным патрубком 9 и выходным патрубком 10. L - глубина погружения выходного конца 4 перепускного канала 3, которая может изменяться. σ₁ и σ₂ - пропускные сечения дросселей 7 и 8.

В зависимости от условий выращивания кристалла глубину погружения L выходного конца 4 перепускного канала 3 можно регулировать, перемещая его вдоль выходного патрубка 10, разжимая уплотнительную герметичную прокладку 15. При необходимости выходной конец 4 перепускного канала 3 может быть опущен ниже уровня раствора в кристаллизаторе.

Пропускные сечения σ₁ и σ₂ дросселей 7 и 8 на входном патрубке 9 и на перепускном канале 3 открыты постоянно, независимо от того, закрыт или открыт связанный с дросселем клапан.

Клапаны 5 и 6 работают в противофазе. С помощью дросселей 7 и 8 регулируется постоянный вспомогательный поток профильтрованного раствора. Вспомогательный поток, как и основной, имеет температуру Т₂, которая выше температуры насыщения раствора. Вследствие этого в нем не могут образовываться паразитические кристаллы.

Кроме того, изменяя действующие сечения σ₁ и σ₂ дросселей 7 и 8, можно добиваться стабилизации температуры с требуемой точностью.

Работает устройство следующим образом (фиг.1). Кристаллизатор 1 и система фильтрации заполняются профильтрованным раствором. С помощью датчика температуры 14 в кристаллизаторе 1 устанавливают стабилизируемую температуру T₁ роста кристалла, которая ниже температуры насыщения Т_нас раствора. Разница температур (Т_нас-T₁) определяет выбранное пересыщение, необходимое для роста кристалла.

В контуре системы фильтрации устанавливают температуру Т₂, которая выше температуры насыщения Т_нас. Таким образом, Т₁=Т_{стабилизации}<Т_нас<Т₂. Дроссели 7 и 8 настроены так, чтобы через перепускной канал 3 и входной патрубок 9 протекал вспомогательный поток с температурой Т₂, который достаточен для того, чтобы входной патрубок 9 и выходной патрубок 10 были прогреты, но недостаточен для того, чтобы температура раствора в кристаллизаторе 1 стала больше температуры роста Т₁.

Когда в кристаллизаторе 1, вследствие отдачи его стенками тепла в окружающую среду, стабилизируемая температура T₁, при которой растет кристалл, понизится, клапан 5 на перепускном канале 3 закрывается, клапан 6 на входном патрубке 9 открывается, и основной поток раствора с температурой Т₂ из системы фильтрации, минуя перепускной канал 3, через входной патрубок 9 поступает в кристаллизатор 1. Такое же количество неочищенного раствора при температуре, которая стала ниже температуры стабилизации T₁, выводится из кристаллизатора 1 в систему фильтрации через выходной патрубок 10. В выходном патрубке 10 выводимый раствор сразу же нагревается вследствие того что смешивается с перегретым до температуры Т₂ вспомогательным потоком, который поступает в выходной патрубок 10 через выходной конец 4 перепускного канала 3. Смешанный с вспомогательным потоком раствор из выходного патрубка 10 поступает в нагреватель 11, где нагревается до температуры Т₂. Далее нагретый раствор проходит через фильтр 12 и насосом 13 через открытый клапан 6 и входной патрубок 9 снова подается в кристаллизатор 1. Температура раствора в кристаллизаторе 1 начинает повышаться и достигает заданной температуры стабилизации Т₁. Этот момент определяется датчиком температуры 14. который подает команду для закрытия клапана 6 на входном патрубке 9 и открытия клапана 5 на перепускном канале 3. Основной поток раствора с температурой Т₂, минуя кристаллизатор 1, через перепускной канал 3, выходной конец 4 перепускного канала 3 и выходной патрубок 10, начинает циркулировать по системе фильтрации до следующего понижения стабилизируемой температуры Т₁, после чего цикл нагрева раствора в кристаллизаторе и стабилизации его температуры повторяется.

Предлагаемые способ и устройство для выращивания кристаллов позволяют достигать требуемой точности стабилизации температуры роста кристаллов при непрерывной фильтрации раствора, без образования паразитических кристаллов.

Оценка точности стабилизации температуры роста была проведена на 10-литровом кристаллизаторе.

Датчиком температуры служило термосопротивление из медной проволоки, регулирующим и измеряющим прибором «Ремиконт» с точностью ±0,01°С.

Кристаллоносец имел реверсивное вращение, скорость вращения 70 об/мин, периодичность реверсирования 1 мин. Был использован шланговый насос марки БНШ 60-12 со сдвоенной головкой. Фильтрующим элементом служил мембранный фильтр с размером пор 0,2 мкм. Были заданы следующие параметры: поток раствора ˜200 мл/мин. стабилизируемая температура роста T₁=51,35°С, температура насыщения раствора Т_нас=59°С, температура потока Т₂=68°С.

У предлагаемого кристаллизатора отсутствовал жидкостный термостат с электромешалкой и электронагревателем. Кристаллизатор имел жесткий термостат из поролона.

Измерения показали, что при предлагаемом способе стабилизируемая температура в кристаллизаторе изменяется в пределах ±0,05°С (51,35÷51,24°С). При этом время между подачей в кристаллизатор горячего перегретого раствора с температурой 68°С составляло в среднем 50 секунд, а время поступления горячего раствора с температурой 68°С составляло 30-35 секунд.

Преимуществами предлагаемого способа и устройства являются:

1. Вследствие того что в кристаллизатор подается раствор, перегретый выше температуры насыщения, полностью исключатся образование паразитических кристаллов.

2. Наличие регулируемых дросселей позволяет прогревать элементы и производить стабилизацию температуры с высокой точностью, ±0,05°С.

3. Предложенный способ позволяет, при эффективной фильтрации, термостатировать раствор в кристаллизаторе не с помощью жидкостного термостата с электронагревателями, электродвигателями и мешалками, а периодической подачей в кристаллизатор раствора, перегретого выше температуры насыщения. Выращивание в кристаллизаторе без жидкостного термостата является существенным, так как стоимость жидкостного термостата велика (нержавеющая сталь, нагреватели, электродвигатели и т.п.) Кроме того, при случайной поломке стеклянного кристаллизатора, например, при срыве кристалла с платформы, раствор вытекает, смешивается с водой в термостате и практически пропадает. Например, объем взятого нами за аналог кристаллизатора составляет 1000 литров, и стоимость сырья очень высока. В случае выращивания дейтрированных кристаллов (DKDP) стоимость возрастает в сотни раз. В предлагаемом нами устройстве жидкостной термостат может отсутствовать. Кристаллизатор может быть обернут слоем химически стойкой пленки, на которую наложен пенопласт или поролон, поэтому при поломке раствор не вытекает и не будет потерян.

Литература

1. N.P. Zaitsera et al. "Rapid grouth of large-scale (40-50 cm) KH₂PO₄ crystals". J. of Crystal Grouth, 180 (1997) 255-262.

Изобретение относится к области техники, связанной со скоростным выращиванием кристаллов типа КН₂РО₄ (KDP) при постоянной фильтрации раствора. Способ выращивания кристаллов из раствора включает кристаллизацию на затравку из пересыщенного раствора, вывод части раствора, его перегрев выше температуры насыщения, фильтрацию и стабилизацию температуры раствора в кристаллизаторе до температуры кристаллизации посредством системы фильтрации. Стабилизацию температуры раствора осуществляют путем периодической подачи в кристаллизатор из системы фильтрации очищенного раствора перегретого выше температуры насыщения, с одновременным выводом из кристаллизатора такого же количества раствора, температура которого ниже температуры кристаллизации, причем подачу перегретого раствора осуществляют до момента достижения температуры раствора в кристаллизаторе, равной температуре кристаллизации и определяемого датчиком температуры. Способ позволяет подавать в кристаллизатор раствор, перегретый выше температуры насыщения. Стабилизация температуры при этом, с точностью не хуже ±0,05°С, происходит за счет периодической подачи перегретого раствора. Способ позволяет вместо жидкостного термостата применять воздушное охлаждение или термостаты из пенопласта или поролона. Устройство для осуществления данного способа содержит перепускной канал, включенный параллельно кристаллизатору между входным и выходным патрубками. Через канал циркулирует профильтрованный раствор в периоды, когда достигается стабилизация температуры. Кроме того, выходной конец перепускного канала введен внутрь выпускного патрубка, что исключает образование паразитов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ выращивания кристаллов из раствора, включающий кристаллизацию на затравку из пересыщенного раствора, вывод части раствора, его перегрев выше температуры насыщения, фильтрацию и стабилизацию температуры раствора в кристаллизаторе до температуры кристаллизации посредством системы фильтрации, отличающийся тем, что стабилизацию температуры раствора осуществляют путем периодической подачи в кристаллизатор из системы фильтрации очищенного раствора, перегретого выше температуры насыщения, с одновременным выводом из кристаллизатора такого же количества раствора, температура которого ниже температуры кристаллизации, причем подачу перегретого раствора осуществляют до момента достижения температуры раствора в кристаллизаторе, равной температуре кристаллизации, и определяемого датчиком температуры.2. Устройство для выращивания кристаллов из раствора, содержащее кристаллизатор с герметичной крышкой и систему фильтрации раствора, состоящую из соединенных последовательно выходного патрубка, нагревателя раствора, фильтра, насоса и входного патрубка, отличающееся тем, что система фильтрации выполнена так, что между входным и выходным патрубками параллельно кристаллизатору установлен перепускной канал, выходной конец которого аксиально расположен внутри выходного патрубка с возможностью его перемещения по глубине патрубка, причем перепускной канал и входной патрубок снабжены клапаном с регулируемым дросселем.