Способ непрерывной многостадийной кристаллизации из раствора Советский патент 1984 года по МПК B01D9/00 

Изобретение относится к aппapaтy но-технологическому оформлению процессов кристаллизации из растворов и может быть использовано из растворов в химической и смежных отраслях промьшшенности, Известен способ непрерывной многостадийной кристаллизации из раствора, включающий подачу исходного раствора на первую ступень, классификацию частично закристаллизовавшейся суспензии, отвод части суспен зии, содержащей мелкие кристаллы, с каждой ступени на последующую ступень, сепарацию оставшихся кристаллов из суспензии, полученной после конечной ступени кристаллизации, возврат на предьщущую ступень отсепарированных кристаллов,объединенны с возвратной супензией, движущейся через все предшествующие ступени противотоком к общему направлению потока части суспензии, содержащей мелкие кристаллы и удаление готовых крупных кристаллов с первой ступени подлежащих классификации и выгруз« eig. Недостатком известного способа кристаллизации является отсутствие регулирования времени пребывания крупных кристаллов на каждой ступени, что приводит к получению криста лического продукта, различного по фрикционному составу. Цель изобретения - получение выс кокачественного и однородного готового продукта, упрощение процесса и повышение его производительности путем осуществления контролируемой внутренней циркуляции частично осаж денных кристаллов между смежньми ступенями. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу непрерывной многостадийной кристаллизации из раствора, включающему подачу исходного раствора на первую ступень, классификацию частично закристаллизовавшейся суспензии,отвод части суспензии, содержащей мел кие кристаллы, с каждой ступени на последующую, сепарацию оставшихся кристаллов из суспензии, полученной после конечной ступени кристаллизации, возврат на предьщущую ступень отсепарированных кристаллов, объеди ненных с возвратной суспензией, движущейся через все предшествующие ступени противотоком к общему направлению потока части суспензии, содержащей мелкие кристаллы, и удаление готовых крупных кристаллов с первой ступени, подлежащих классификации и выгрузке, суспензию кристаллов, удаляемую с казвдой ступени и подаваемую на последующую ступень, разделяют на два потока, один из которых возвращают на ту же ступень, а другой направляют в последующую ступень, а готовые крупные кристаллы удаляют с первой ступени противотоком к части исходного потока. На фиг.1 показана схема многоступенчатого кристаллизатора для осуществления способа непрерьшной кристаллизации из раствора{ на фиг.2 устройство для соединения ступе ней,используемое в кристаллизаторе; на фиг.З - устройство для подачи сырья и выгрузки кристаллов продукта из кристаллизатора; на фиг.4 - распределение кристаллов по размерам, выра женное на основе веса продукта по примерам 1,3,5 : и 10., Кристаллизатор (фиг.1) содержит три ступени 1-3. На каждой ступени имеется сливная труба 4-6 соответственно. За исключением первой на каждой ступени также имеется трубопровод 7 и 8 нижнего перетока соответственно. Кроме того,каждая ступень снабжена устройством для классификации потока из сливной трубы. На фиг.1 эти классификационные устройства для слива показаны в виде кольцевых камер 9-11 соответственно, однако могут использоваться также и другие устройства, такие, как, например, гидроциклбны. Размеры кольцевой камеры определяют линейную скорость жидкости для данной объ.емной скорости и, таким образом, определяют размер кристаллов, которые не будут увлечены с мелкой фракцией. На ступени 1 вместо трубопровода нижнего перетока имеется элютрационная колонна 12, которая находится в распределителе 13 жидкости, связанном через трубопровод 14 с фильтром 15. Для заданной объемной скорости потока вверх через элютрационную колонну диаметр этой колонны определяется минимально дoпycкae ым 3 размером кристаллов в продукте. Фильтр 15 может быть заменен другим аппаратом, пригодным для вьщеления твердого вещества иэ жидкого, напри мер, центрифугой. Кристаллы продук та удаляются из фильтра 15 по трубо проводу 16. Фильтр 15 соединен возвратной трубой 17с распределителем 13 зшдкости. Раствор,. который необходимо подвергнуть кристаллизации, подается через трубопровод 18 с ответвлениям 19и 20 соответственно. Верхний сло из последней ступени.направляется в емкость 21 для разделения, котора снабжена сборником 22 слива для истощенного раствора и трубопроводом 23 рециркуляции. Вместо седимен тационной емкости для разделения может быть использован гидроцнклон или фильтр. Создание внутреннего циркуляционного контура осуществляется . с помощью воздушных насосов 24-26. Кристаллизатор снабжен насосом 27 для рециркуляции суспензии магнит ной из ступени 2 в ступень 1, насреом 28 для слива со ступени 1. Для регулирования потоков сооружают вентили 29-31,обеспечение возвратного потока суспензии осуществляется регулируемым насосом 32 по трубопроводу 33. Трубопровод 14 снабжен вентилем 34, в ответвлении 20установлен регулируемый насос 35 :Кристаллизатор для осуществления способа непрерывной многостадийной кристаллизации из раствора работает следуюащм образом. В процессе эксплуатации кристаллизатор снабжается сырьем через трубопровод 18. Большая часть сырья на ступень 1 подается через ответвление 19 и распределитель 13 жидкости. Кристаллы приемлемого размера падают из донной части ступени 1 в элютрационную колонну 12 и отби- раются как продукт. Для поддердания постоянного уровня на ступени 1 часть сырья может направляться непосредственно на ступень 1 через ответвление 19, не смепмваясь со скоростным жидким потоком в элютрационной колонне 12. На всех ступенях находится смешанная суспензия содержащая и крупнозернистые, и мелкие кристаллы. 2 ..4 Основной поток каждой ступени покидает ее через сливные трубы 4-6 соответственно. Прежде чем суспензия достигнет сливной трубы,она должна пройти через кольцевые камеры 9-11. В кольцевой камере суспензия классифицируется за счет того, что . она проходит через камеру с заданной скоростью. Более крупнозернистые кристаллы покидают ступень побочным потоком через трубопровод 7 или 8 нижнего перетока или -на ступени 1 через элютрационную колонну 12, за которой следует распределител1ь 13 жидкости и трубопровод 14, к фильтру 15, в котором кристаллы продукта, покидающие устройство через трубопровод 16, отделяются от захваченной жидкости, , Которая возвращается через возвратную трубу 17 и вводится повторно на ступень 1 через ответвле11ие 20. От ступени 1 до емкости 21 для . разделения имеется целая сеть потоков зетдкости и более мелких кристаллов, тогда как более крупнозернистые кристаллы, суспендированные в жцдкости, могут транспортироваться только в противоположном направлении. Истощенная жидкость покидает последнюю ступень через выходную трубу 6, отделяется от захваченных кристаллов в емкости 21 для разделения и вытекает как сточная жидкость через сборник 22 слива. Отделенные кристаллы, находящиеся в смеси с жидкостью, направляются обратно на последнюю стадию через возвратный трубопровод 23. PeryjsipyeMMft насос 27 обеспечивает рециркуляцию жндг кости из ступени 2 на ступень 1 .Другой регулируемый насос 28 обеспечивает слив жвдкости на ступень 1.Этот поток разделяется на две части, одна из которых подается через регулирукшщй вентиль 29 на ступень 2, а другая возвращается через вентиль 30 иа 1. Регулирующий вентиль управляется детектором уровня (не показан) на ступени 2. Измене«яй потоков, входящих или выходящих со ступени 2, таким образом, компенсируются с помощью основного потока через регулируемый вентиль 29. Таким образом, регулирование уровня оказывает незначительный эффект на транспорт кристаллов медду ступенями. Из нижней части ступени 1 осуществляется выгрузка кристаллов (фиг.З), при этом насос 32 обеспечивает регулирование возвратного потока суспензии, содержащего кристаллы продукта и сьфьевого раствора из трубопровода 14 обратно на ступень 1. Через водосбросный вентиль 34 в трубопроводе 14 основной поток суспензии с кристаллаьш продукта поступает на фильтр 15, причем водосборный вентиль может быть заменен вентилем другого типа. Регулируемый насос 35 в ответвлении 20 обеспечивает регулируемую объемную скорость подачи сырья через э потрационную колонну 12 при неизменном потоке че рез трубопровод 33. При согласовании применения регулируемых насосов 32 и 35 соответственно классификация в элютрационной колонне и основной поток кристаллов продукта к фильтру могут регулироваться независимо дру от друга. Регулируемый вентиль 31 в ответвлении 19 для подачи сьфья на ступень 1 может управляться детектором уровйя (не показан) на ступени I.Ta «им образ см,регулирование уровня на ступени 1 может осуществляться без помех для классификации кристаллов продукта или их выгрузки на фильтр. Цифровые примеры предлагаемого и известного способов по необходимост должны основываться на существенных упрощениях, поскольку условия процесса описьшаются системой нелинейных дифференциальных уравнений,которая должна решаться численно. Следующие расчеты ограничиваются определением распределения кристаллов по размерам на каждой стадии и в продукте. Решение является аналитическим и было HaitaeHO с помощыо программированной вычислительной машины. всего необходимо рассмотреть кристаллизатор с рециркуляцией суспензии кристаллов. Продукт содер жит исключительно кристаллы, имеющи размер больше характерного. Распред ление размера частиц в продукте так же, как для кристаллов на стадии выгрузки, готовых стать продуктом, за исключением постоянного фактора концентрации (т.е. идеальная класси фикация) . Кроме того, принимаются следующие условия: стационарный режим эксплуатации, {пересыщение создается из изменений объема (например, охлаждения)5 доля объема кристаллов пренебрежимо мала; все стадии кристаллизатора имеют одинаковую и постоянную плотность зародьшей кристаллизации ; общий объем одинаков для всех кристаллизаторов, для кристаллизаторов, о которых вдет речь, общая масса продукции одинакова и распределена равномерно по всем стадиям; наименьший размер кристаллов продукта равен зталонному размеру. В качестве эталонного для расчетов бып выбран 1-стадийный общепринятый кристаллизатор с рециркуляцией 20% от подачи сырья. В качестве эталонного размера выбран размер, до которого вырастают зародыши кристаллов в течение общего времени пребывания жидкости в эталонном кристаллизаторе. Эталонная площадь это общая площадь поверхности кристаллов в эталонном кристаллизаторе. При расчете кристал;тзатора, используемого в предлагаемом способе, удаление кристаллов продукта должно быть представлено особым образом. Транспорт представляется фикстивньм объемом потока, умноженньм на рас- пределение кристаллов продукта по размерам на стадии выгрузки. Объем потока выбирается таким образом, чтобы кристаллы продукта имели приблизительно одинаковое время пребьгаания на обеих стадиях. Предполагается, что классификация в основном потоке частично.кристаллизованной суспензии из первой ступени является идеальной. Расчеты выполнены на основе уравнений /,. iUx)r ttifL %U(;...,i-2(U(ont.;l ./l. ot;-Ai/Ai -5{Ari)(MVl3 bi,.i 5w..4pi i i /jxi иЫ-х, Л где -Jx определяется уравнением

co(n)().

Р

А. общая площадь поверхдености кристаллов на ста- j дии i, отнесенная к объему резервуара)

эталонная поверхность, отнесенная к объему резервуара,10

е

коэффициент нерегулярности (рассеяние), f(ii) плотность популяции как функция безразмерной величины кристаллаi 15

Рплотность популяции кристаллов продукта в суспензии;номер стадии,

1 фактор площади; 20

KC,характеристический размер L кристалла (например, диаметр) -,

L°эталонный размер, число стадий в кристалли- 25 п заторе;

(Л) - поток суспензии кристаллов с плотностью популяции f(A)

i - поток сырья-,30

СО нормализованное весовое распределение;

ысредний размер кристаллов, рассчитанный на основе их веса.J5

Результаты .расчетов приведены в аблице.

Примеры 1-6 показывают, что ри одинаковой рециркуляции предлааемый способ обеспечивает более Q ем трехкратное увеличение поверхности кристаллов. Более высокая поверхность кристаллов означает пониженную скорость роста, т.е. пониженное пересьщение, или иначе, более вьюокую эффективность осаждения.

В примере 5 получено большее значение среднего размера, чем в примерах 1 и 2. Наоборот, в примере 15 получены примерно такие же значения среднего размера и коэффициента нерегулярности, т.е. рассеяния, как и в примере 3, в то время как поверхност кристаллов почти в 4 раза больше.

Щ имеры 7 и 8 показывают, каким образом средний размер частиц продукта может уменьшаться или увеличиваться при постоянной степени рассеяния. Примеры 9 и 10 демонстрируют что средний размер частиц может поддерживаться постоянным, хотя рассеяние отмечается независимо от среднего размера. Пределы-таких изменений распвфяются посредством увеличения числа стадий в кристаллизаторе.

Примеры 11 и 12 показывают, каким образом общая поверхность кристаллов может быть уменьшена, не оказывая влияния на распределение размера частиц в продукте в какой-либо значительной степени. Понижение составляет 19 и 28% соответственно. Дополнительное понижение в примере 13 обусловлено несколько большим рассеянием. Примеры 13 и 14 соответственно показывают увеличение площади поверхности на 60 и 68%. Такие изменения поверхности кристаллов влияют на образование зародышей кристаллизации, что обеспечивает стабильность . кристаллизатора. Наибольший размеро кристаллов в сливе - - Поверхность, кристаллов на ступени 1 1,0 0,86 0,64 Поверхность кристаллов на ступени 2- - 1,11 Среднее значение поверхности 1,.0 0,86 0,88 Средний размер на основе 50% веса 3,42 3,19 2,91 Коэффициент не,регулярности 49,6 49,1 44,1 , - 1,0 1,0 0,84 . 0,56 4,02 4,93 4,94 : 0,96 2,49 1,30 1,22 ,;, 0,76 3,25 3,11 3,08 2,71 4,53 3,63 3,70 43,2 44,3 42,2 44,3

Продолжение таблицы

СПОСОБ .НЕПРЕРЫВНОЙ МНОГОСТАДЙ1НОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ИЗ РАСТВОРА, включающий подачу исходного раствора на первую ступень, классификацию частично закристаллизовавшейся суспензии,отвод части суспензии,содержащей мелкие кристаллы, с каждой ступени на последующую, сепарацию оставшихся кристаллов из суспензии, полученной после конечной ступени кристаллизации, возврат на предьщущую ступень отсепарированных кристаллов, объединенных с возвратной суспензией, движущейся через все предшествукйцие ступени противотоком к общему направлению потока части суспензии, содержащей мелкие кристаллы, и удаление готовых кру71ных кристаллов с первой ступени, подлежащих классификации и выгрузке, о тличающийся тем, что, с целью получения высококачественного и однородного готового продукта, упрснцения процесса и повышения его производительности путем осуществления контролируемой внутренней циркуляции частично осажденных кристаллов между смежными ступенями, суспензацию кристаллов, удаляемую с кал;дой ступени и подаваемую на О) последукицую ступень, разделяют на два потока, один из которых возвращают на ту же ступень, а другой направляют в последунмцую ступень, а готовые крупные кристаллы удаляют с первой ступени противотоком к части исходного потока.

Наибольший размер кристаллов в 1,18 0,01 4,0 сливе Поверхность кристаллов на сту3,43 4,69 3,74 пени 1 Поверхность кристаллов на ступе4,25 0,97 3,51 ни 2 Среднее значение 3,84 2,83 3,63 поверхности Средний размер на основе 50% 5,31 4,54 4,53 веса Коэффициент нере-44,3 55,4 18,5 гулярности Примеча ние. Все размеры и поверхности даны относительно эталонных величин. 0,5 0,5 1,5 1,5 0,7 2,70 2,86 7,96 7,68. 6,46 2,53 1,83 2,44 3,24 0,52 2,62 2,35 5,21 5,46 3,49 4,53 .4,52 5,54 4,53 2,88 44,7 49,4 43,9 39,7 44,2

28

.

27

т

/

Фиг.1