Разделение бинарных водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Бубенцов, Владимир Юрьевич

• Бубенцов, Владимир Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бубенцов, Владимир Юрьевич

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы по вопросам фракционной кристаллизации.

1.1. Классификация методов кристаллизации.

1.2. Основные методы фракционной кристаллизации.

1.2.1. Массовая кристаллизация с отводом теплоты через охлаждающие поверхности.

1.2.2. Массовая кристаллизация при непосредственном контакте исходной смеси с хладагентом.

1.2.3. Фракционная кристаллизация на охлаждаемых поверхностях.

1.2.4. Противоточная кристаллизация.

1.2.5. Направленная кристаллизация.

1.2.6. Фракционное плавление.

1.2.7. Зонная плавка.

1.2.8. Вымораживание.

1.2.9. Выпарная кристаллизация.

1.2.10. Адиабатная кристаллизация.

1.2.11. Экстрактивная кристаллизация.

1.2.12. Аддуктивная кристаллизация.

1.2.13. Фракционная кристаллизация из паровой фазы.

1.2.14. Дистиллятивное плавление.

1.2.15. Дистиллятивная кристаллизация.

1.3.Метод натуральных масштабов.

1.4.Вывод ы.

2. Теоретическое описание процесса адиабатной кристаллизации растворов в емкостных аппаратах.

2.1. Основные особенности процесса.

2.2. Периодический процесс.

2.2.1. Стадия простого испарения.

2.2.2. Стадия кристаллизации.

2.3. Непрерывный процесс.

3. Анализ влияния различных параметров на процесс адиабатной кристаллизации в емкостных аппаратах.

3.1. Свойства используемых систем.

3.2. Результаты анализа.

4. Адиабатная кристаллизация диспергированных растворов.

4.1. Основные особенности процесса.

4.2. Теоретическое описание стадии простого испарения.

4.3. Теоретическое описание стадии кристаллизации.

4.4. Определение масштабов процесса.

5. Экспериментальные исследования.

5.1. Адиабатная кристаллизация в емкостном аппарате.

5.2. Адиабатная кристаллизация диспергированного раствора.

5.3. Рекомендации по конструированию аппарата для проведения процесса адиабатной кристаллизации диспергированных растворов.

Выводы из работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разделение бинарных водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизации»

Процессы кристаллизации широко используются в химической, нефтехимической, коксохимической, металлургической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Их применение позволяет решать широкий спектр задач по выделению различных веществ из растворов, их глубокой очистки от примесей, концентрированию разбавленных растворов, получению продуктов с определенными физико-механическими свойствами и др. Одним из методов кристаллизации является адиабатная кристаллизация.

Адиабатная кристаллизация представляет собой процесс, в котором пересыщение раствора достигается вследствие адиабатического испарения части растворителя при понижении давления в системе. На испарение жидкости расходуется физическая теплота раствора, который при этом охлаждается до температуры ниже точки насыщения раствора. Данный процесс в литературе часто выступает под разными наименованиями: "вакуумная кристаллизация", "вакуум - выпарная кристаллизация", "адиабатная кристаллизация".

Рассматриваемый процесс довольно часто используется для кристаллизации водно-солевых растворов веществ, растворимость которых слабо зависит от температуры, например, таких как: КС1, NaCl, NaNCb, (NH4)2S04, сахароза и др. Адиабатическая кристаллизация может быть также использована для концентрирования разбавленных растворов путем частичного вымораживания растворителя. Такой процесс особенно перспективен для концентрирования растворов биологически активных и термолабильных веществ, таких, как витамины, аминокислоты, гормоны, плазма крови, экстракты кофе, чая, пива, вина, овощные и фруктовые соки и т.д. При этом данный процесс может быть осуществлен в периодическом и непрерывном вариантах.

В сочетании с процессом сублимационной сушки адиабатная кристаллизация может быть применена для проведения процесса полного обезвоживания растворов различных веществ, а также для получения ультратонких порошкообразных материалов (пищевых добавок, лекарств, окислителей, стабилизаторов и др.).

Адиабатная кристаллизация может быть использована не только для разделения водных растворов. Её можно также применить для разделения различных органических смесей, компоненты которых обладают различными парциальными давлениями паров.

Теоретически и экспериментально процесс адиабатной кристаллизации изучен пока недостаточно. Отсутствуют физико-математические модели, описывающие данный процесс с учетом его кинетических и фазовых особенностей. Отсутствуют также данные о влиянии различных факторов (физико-химических свойств разделяемых смесей, их состава, исходной температуры, изменения давления в процессе фракционирования и др.) на выход и состав получаемых продуктов.

Целью работы является теоретический анализ процесса адиабатной кристаллизации применительно к концентрированию водно-солевых растворов в аппаратах емкостного типа, а также концентрированию растворов, диспергированных в среду с пониженным давлением; анализ влияния основных параметров на выходы продуктов разделения; разработка математической модели процесса адиабатной кристаллизации диспергированных растворов и выдача рекомендаций по разработке оборудования.

Работа состоит из пяти глав (разделов). При этом данный процесс нами рассматривался применительно к концентрированию водных растворов веществ, обладающих относительно низкой летучестью, путем частичного вымораживания растворителя (воды).

В первой главе работы изложены результаты обзора литературы по методам фракционной кристаллизации, описано состояние вопроса по адиабатной кристаллизации и показано её место среди остальных методов, обоснована необходимость изучения и дальнейшей проработки этого метода. Так как при исследовании адиабатной кристаллизации нами был использован метод натуральных масштабов, то в данной главе рассмотрены основные особенности этого метода.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу процесса адиабатной кристаллизации при вакуумировании раствора в емкостных аппаратах. При этом показано, что периодический процесс состоит из двух основных стадий: простого адиабатного испарения растворителя до достижения насыщения раствора и испарения растворителя, сопровождающегося его частичной кристаллизацией.

Третья глава посвящена анализу влияния различных факторов на протекание процесса концентрирования растворов методом адиабатной кристаллизации. Данный анализ был выполнен применительно к разделению водно-солевых систем.

В четвертой главе приведены результаты теоретического рассмотрения адиабатной кристаллизации диспергированных растворов в газообразную среду, находящуюся под пониженным давлением. При анализе данного процесса в силу его повышенной сложности нами был использован метод натуральных масштабов, являющийся одной из модификаций теории подобия.

В пятой главе приведены данные экспериментальных исследований, позволяющие говорить о достаточно адекватном отражении предлагаемыми моделями хода рассматриваемых процессов.

Научная новизна работы заключается в том, что выполнен теоретический анализ процесса адиабатной кристаллизации применительно к концентрированию водно-солевых растворов в аппаратах емкостного типа.

При этом получены теоретические зависимости, описывающие как стадию простого адиабатного испарения, так и стадию кристаллизации. Используя полученные зависимости, проанализировано влияние основных параметров (исходной концентрации раствора, его температуры, остаточного давления и др.) на выход паровой, жидкой и кристаллической фаз, а также на их состав. Выявлено также влияние на ход рассматриваемого процесса температурной депрессии разделяемых растворов и их физико-химических свойств.

Проанализирован процесс адиабатной кристаллизации для диспергированных водно-солевых растворов в среду с пониженным давлением. Предложена математическая модель процесса, учитывающая теплоперенос в жидкой, паровой и кристаллической фазах. Показано, что в области низких давлений могут одновременно протекать процессы кристаллизации из жидкой фазы и сублимации льда. Используя метод натуральных масштабов, были установлены лимитирующие стадии процесса и выявлены основные параметры, влияющие на его ход.

Проведены экспериментальные исследования, позволяющих сделать вывод о применимости полученных моделей для описания процесса адиабатной кристаллизации как в большом объеме раствора, так и в диспергированных каплях.

Практическая значимость работы заключается в том, что были разработаны методики расчета процесса разделения водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизации в емкостных аппаратах с учетом влияния температурных депрессий растворов, и при диспергировании растворов в среде под разряжением с учетом теплопереноса в жидкой, твердой и газовой фазах. Адекватность полученных результатов подтверждена экспериментами. Методики пригодны для инженерных расчетов процесса адиабатной кристаллизации в рассмотренных вариантах исполнения. Даны рекомендации по разработке оборудования для проведения исследованных процессов.

Мы хотели бы выразить нашу глубокую благодарность доценту, к.т.н. Прохоренко Николаю Николаевичу, принявшему активнейшее участие в работе над разделами, посвященными адиабатной кристаллизации диспергированных растворов, и чья помощь в применении метода натуральных масштабов для анализа процесса была неоценима.