Анализ процесса кристализации в вакуумном производстве соли

1. ВВЕДЕНИЕ

В последние годы, наблюдается рост объёма производств и увеличение доли потребления соли, получаемой вакуумным испарением, привлекает к себе все большее внимание многих производственных предприятий. Одним из важных качественных параметров конечного продукта, является размер и однородность кристаллов в общей массе выработанной (выпаренной) соли, который непосредственно влияет на чистоту, свойства и конечную цену соли. Кристаллы большего размера легче просеивать, при процессе сушки крупных кристаллов снижается потребление энергоносителей, а так же уменьшается возможность комкования (слипания) соли состоящей из крупных кристаллов при хранении и транспортировке.

Даже после агломерации (от лат. agglomero — присоединяю, накопляю) — метод для создания предметов из порошкового материала при нагревании ниже температуры плавления, при этом происходит слипание частиц между собой из-за затвердевания легкосплавных частей материала) кристалл соли легко разрушить, так как его связи очень хрупкие.

Хоть размер соляного кристалла – очень важный параметр, но ему не уделялось достаточного внимания в процессе вакуумного (выварочного) производства соли. Все внимание было сфокусировано на увеличении объёма производства и уменьшении потребления производством энергоносителей.

Дискуссии о том, как обеспечить благоприятную для кристаллизации среду в вакуумных испарителях и как контролировать размер соляного кристалла далеко не продвинулись. Главным образом, теория о том, как контролировать размер соляного кристалла в испарительной системе многократного эффекта, не доведена до ума.

Цель данной статьи – проанализировать выше названные проблемы и обсудить пути увеличения размера соляного кристалла в процессе вакуумного производства соли, основанного на принципе кристаллизации, так что внимание всех производящих компаний должно быть обращено на контроль над размером кристалла. Для данного процесса может быть установлена технология отслеживания размера соляного кристалла.

2. ОСНОВНАЯ ТЕОРИЯ РАБОТЫ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Кристаллизация из раствора – это процесс, в котором растворенное вещество превращается в кристаллы. Объем производства в расчете на единицу раствора определяется растворимостью вещества. Раствор, концентрация которого равна коэффициенту растворимости, называется насыщенным. Когда концентрация выше этого коэффициента, раствор называют перенасыщенным.

Разница между концентрациями перенасыщенного и насыщенного растворов выражается пресыщением. Пресыщение – это движущая сила в процессе кристаллизации. Оно оказывает на него огромное влияние. Уровень пресыщения определяет процесс кристаллизации и темпы различных других процессов, кроме того он влияет на размер кристаллов и их ранжирование. Согласно многим исследованиям, связь между состоянием раствора и кристаллизацией можно выразить на рис.1.

Рис.1 кривая растворимости и кривая пресыщенной растворимости.

Кривые насыщения и перенасыщения делит график зависимости концентрации от температуры на стабильную, переходную и нестабильную область. В стабильной области раствор не насыщен, таким образом процесс кристаллизации не идет. В переходной области процесс не начнется спонтанно, но если там будет присутствовать кристалл, то кристаллизация начнется. В «нестабильной области» образование кристаллов начнется спонтанно. Чем меньше стабилен раствор, тем больше частиц образуется. Поэтому в работе процесса кристаллизации шкала перенасыщения – это ключевой параметр, который нужно контролировать.

Относительно связи между шкалой перенасыщения и кристаллизацией в процессе производства, результат, предоставленный Дингом 2 , показывает, что специфическая система имеет лишь явную кривую насыщения, а кривая перенасыщения зависит от многих факторов, таких как скорость перемешивания, семя кристалла. В процессе кристаллизации, раствор должен контролироваться в переходной области как можно дольше во избежание спонтанного образования частиц и получения огромного количества продукта.

2.1 КИНЕТИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Вообще говоря, образование частиц и их рост – это главные процессы при кристаллизации. Образование и рост происходят параллельно. Скорость этих процессов вместе называется кинетикой кристаллизации.

2.1.1 ОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТИЦ

Ядро – это основа роста кристалла. Если его нет, то стадия не перейдет в нужную степень перенасыщения, то есть в растворе должно поддерживаться перенасыщение. Начало образования частиц имеет главным образом 3 формы.

Первое, добавление искусственного кристалла, называется добавление «семени» кристалла. Процесс кристаллизации проходит путем наращивания растворенного вещества поверх семени кристалла. Второй вид образования частиц основан на перенасыщенном растворе, этот вид образования назван «первичное образование».

Это вид спонтанного процесса, при котором формируются кристаллы малого размера, когда раствор слишком перенасыщен и его сложно контролировать. Третий вид образования частиц – из уже существующего кристалла. Маленькие кристаллы отламываются от уже имеющегося - этот вид образования назван вторичным. Вторичное образование – сложный процесс, и он подвержен многим факторам, включающим в себя главным образом свойства кристалла и условия процесса, такие как интенсивность перемешивания, плотность суспензии и степень перенасыщения раствора[1, 2, 3] .

Связь между скоростью вторичного образования кристаллов и факторами главным образом выражается следующим уравнением. B=KNNiMTJ(∆C)n

Где В это скорость образования, KN– коэффициент скорости образования, N – интенсивность перемешивания, MT – плотность суспензии, кг/м3, ∆C – степень перенасыщения, I,j,n – степень относительных параметров в уравнении образования, которые могут быть получены экспериментальными данными.

2.1.2 ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛА

Если кристаллы, не важно, выращены ли они из «семени», вторичным или первичным образованием, находятся в перенасыщенном растворе, то они будут расти. Этот процесс называется рост кристалла. Согласно теории диффузии, этот процесс проходит в три этапа: (1) кристаллизирующееся вещество переходит из раствора на поверхность кристалла путем диффузии; (2) Растворенное вещество достигает поверхности кристалла и проникает в него, вызывая непрерывный рост кристалла, одновременно высвобождая тепло от кристаллизации; (3) тепло от кристаллизации возвращается обратно в раствор путем проводимости. Поэтому степень перенасыщенности – это движущая сила в процессе выращивания кристалла и прямо влияет на темп его роста. Обычно связь роста скорости кристаллизации и степенью перенасыщения раствора выражается формулой: G=Kg∆Cg

Где G – скорость роста кристалла, м/с, Kg– коэффициент скорости роста, ∆C – перенасыщенность раствора, кг/м3.

Так как перенасыщенность является движущей силой для образования частиц и скорости роста, степень перенасыщенность – это ключевой фактор в процессе кристаллизации. Чем выше перенасыщенность, тем интенсивнее идет образование частиц и темп их роста. Тем не менее, степень перенасыщенности должна поддерживаться на нужном уровне, чтобы избегать излишних образований и увеличить имеющийся рост кристалла.

Согласно отчету, разные размеры кристаллов могут иметь разные темпы роста. С другой стороны, кристаллы одного размера так же могут различаться по темпам роста. Это так называемый размер кристалла зависит от темпа роста и его рассеивания. О характеристиках темпа роста кристаллов, о влиянии на процесс кристаллизации и распределение продукта по размеру более сложно и не обсуждается в данной статье.

2.2 КИНЕТИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ NaCl

2.2.1 СКОРОСТЬ РОСТА КРИСТАЛЛА NaCl

Рис.2 Скорость роста NaCl

Основанный на теории диффузии темп роста кристалла может контролироваться диффузией или поверхностной реакцией. При высокой температуре скорость поверхностной реакции может сильно возрасти, но скорость диффузии увеличивается ограниченно, поэтому темп роста кристалла NaCl подлежит диффузному контролю.

С другой стороны, процесс может контролироваться поверхностной реакцией при низких температурах. Темп роста NaCl отображен на рис.2. Когда температура выше 50°C, темп роста кристалла пропорционален степени перенасыщенности и отображен прямой линией. Это означает, что рост контролируется диффузией. Когда температура ниже 50°C, связь становится кривой – это контроль поверхностной реакции.

2.2.2 КИНЕТИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ NaCl

Теоретически говоря, кривая растворимости NaCl довольно плоская, и степень перенасыщения так же невысокая, переходная зона узкая и в ней легко начать процесс образования частиц. Если степень перенасыщения мала, то и скорость роста кристалла не высокая соответственно.

Для того, чтобы получить кристаллы большого размера, должно быть достаточно времени для роста кристалла, и процесс его образования должен тщательно контролироваться. Чжоу и другие изучали влияние различных добавок на рост кристалла NaCl в лаборатории кристаллизирования кипящего слоя. Результаты показали, что PbCl2 и K3[Fe(CN)6] могут эффективно подавить рост кристалла NaCl, даже если концентрация добавок очень низкая.

Согласно исследованиям Грутшолтена, вторичная скорость образования частиц в кристаллизаторе MSMPR (V=55-91л) может быть выражена формулой: B=1.0*1020 (P0N3d5) 2/3G2MT

Скорость вторичного образования частиц в кристаллизаторе (V=1000-1800 л) выражается: B=0.023KN0.6N1.2τ-1.6MT, KN=5*1015

3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАЗМЕР КРИСТАЛЛА И СТРАТЕГИЮ УПРАВЛЕНИЯ.

Раньше процессы производства вакуумной соли в основном осуществлялись с помощью четырех воздействий испарителя. Факторы, которые могут повлиять на размер кристалла, рассмотрены далее.

3.1 ПЕРЕНАСЫЩЕНИЕ И КОНТРОЛЬ НАД НИМ

Самый важный фактор, который влияет на кристаллизацию – это степень перенасыщения. В процессе кристаллизации скорость роста будет увеличиваться с увеличением степени перенасыщения. Сильное перенасыщение может увеличить рост кристалла, это преимущество получения кристаллов большого размера.

Но если степень перенасыщения слишком высокая и находится за пределами нестабильной зоны, произойдет первичное образование, частиц образуется много, а их размер будет мал. Ключевой момент в контроле над размером кристалла это продуктивный контроль над степенью перенасыщения в кристаллизаторе. Степень перенасыщения в кристаллизаторе определяется балансом между скоростями создания перенасыщения и расходования. В испарительном процессе кристаллизации скорость создания перенасыщения определяется скоростью выпаривания, а именно интенсивностью оборудования для выпаривания. Если скорость испарения высокая, то и скорость создания перенасыщения будет высока и будет легко достигнуть его высокой степени.

Темп расходования перенасыщения в основном зависит от процессов спонтанного образования и роста кристалла. Если кристаллических поверхностей достаточно, а скорость роста в кристаллизаторе велика, то перенасыщение, вызванное испарением, будет расходоваться только на рост кристалла. Оно не будет выше максимума перенасыщения, и в данном случае не произойдет первичного образования, есть возможность получить большой кристалл.

Если в суспензии недостаточно кристаллических поверхностей и скорости роста кристалла для устранения перенасыщения, вызванного испарением, то перенасыщение будет высоко, из раствора образуются новые частицы, которые и сократят перенасыщение. Поэтому, контроль над скоростями создания и расходования перенасыщения будет ключевым способом управления размером продукта в процессе вакуумного производства соли. Вопрос, как осуществить этот баланс, будет одним из наших важных исследований. Но слишком высокая интенсивность испарения является одной из главных причин слишком маленького размера частиц.

3.2 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Как показано на рис.2, если температура в кристаллизаторе высока, то и скорость роста кристалла будет большой. В процессе вакуумного производства соли температура для каждого эффекта испарителя – более 50 оС. Следовательно, скорость роста кристалла регулируется диффузией. Чем выше температура, тем быстрее растет кристалл, и получение большого кристалла становится возможнее.

3.3 ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ СУСПЕНЗИИ

Площадь поверхности кристалла может быть увеличена при увеличении плотности раствора в кристаллизаторе. Скорость расходования перенасыщения, следовательно, увеличится. Уровень перенасыщения в кристаллизаторе станет ниже. Первичного образования частиц в нем можно будет успешно избежать при высокой плотности раствора. Вместе с тем, высокая плотность раствора увеличит время пребывания кристалла в кристаллизаторе и позволит увеличить время его роста для получения частиц большого размера.

Однако слишком высокая плотность суспензии вызовет быстрое вторичное образование частиц путем столкновения кристалла и циркуляционного насоса, разогретой трубы и стенкой циркуляционной трубы, возможность столкновения самих кристаллов так же велика. Высокий темп вторичного образования может тоже уменьшить размер продукта.

Большие кристаллы не могут быть получены из растворов со слишком низкой или слишком высокой плотности. Ее оптимальное значение зависит от устройства кристаллизатора и других рабочих режимов и условий. Это так же является изучаемым параметром в процессе вакуумного производства соли.

Новое устройство кристаллизатора, контроль над вторичным образованием частиц с достаточным количеством раствора так же является темой для исследования при рассмотрении устройства кристаллизатора.

3.4 ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ЦИРКУЛЯЦИИ

При работе испарителя очень важна скорость циркуляции для контроля над размером кристалла. Если эта скорость низкая, степень перегрева циркулирующей жидкости будет увеличиваться, таким образом, степень перенасыщения раствора возрастет и возрастет вероятность образования частиц на поверхности испарителя. Это не выгодно для роста кристалла. С другой стороны, слишком высокая скорость циркуляции может увеличить силу столкновения между самими кристаллами, кристаллом и стенкой, кристаллом и крыльчаткой. Следовательно, увеличится вторичное образование. Скорость циркуляции крайне важна для больших кристаллов.

Подходящая скорость циркуляции, способствующая выращиванию больших кристаллов, так же зависит от устройства испарителя и условий работы процесса кристаллизации.

3.5 ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ

Долгое пребывание кристалла в испарителе способствует его росту, большой размер которого вполне ожидаем. Согласно литературным данным[8], если средний диаметр кристалла больше 0.4 мм, время его выращивания должно быть не менее 1 часа. Низкое перенасыщение и соответственное долгое время пребывания могут поддерживаться путем использования соответственно небольшой области теплообмена и соответственно большой камеры выпаривания.

Однако, если время пребывания кристалла слишком велико, количество вторичных образований увеличится, кристаллы большого размера не смогут образоваться и это отразится на объеме продукции. Необходимое время выращивания кристалла основано на точных данных кинетики кристаллизации и может быть получено путем вычисления на основе требуемых размеров частиц. Так как времени пребывания достаточно для роста кристалла, образований может получиться слишком много для получения больших кристаллов. В данном случае должны быть задействованы условия работы или другие методы контроля над скоростью образования частиц в процессе уничтожения мелкозерных частиц.

 

3.6 ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА СОРТИРОВКИ

Существует несколько способов регулировать многодейственную систему выпаривания в производстве соли. Основанное на направлении потока вещества и направлении потока пара в этой системе, расположение потоков делится на сонаправленные, противоположно направленные или параллельные. С точки зрения контролирования размера кристалла, нет разницы между сонаправленным и противоположно направленным потоком для процесса в котором используется чистый раствор соли.

При других эффектах выпаривания, при другой температуре, кристаллизация будет проходить одинаково для обоих процессов. Поэтому, механизм процесса не влияет на размер кристалла. Но способ вывода продукта из системы может иметь огромное влияние на размере продукта.

Хотя система противоположно направленного потока может теоретически быть использована для получения продукта большего размера, она случайно используется в производстве соли в вакуумной системе, потому что вывод продукта при высоких температурах имеет много недостатков. Этот документ лишь анализирует сонаправленный и противоположно направленный процессы. Магма была переведена из I воздействия в II, III, IV в прямоточном (сонаправленном) процессе. Объем каждого воздействия испарителя эффективно используется для роста кристаллов.

Поэтому длительность пребывания кристалла в данном случае выше, чем в параллельном процессе. Большой размер продукта весьма ожидаем. Однако под воздействием условий работы сам процесс ограничен плотностью магмы, максимальная плотность магмы может быть использована только для последнего воздействия. Хотя интенсивность выпаривания ограниченна используемой плотностью магмы, если интенсивность выпаривания чрезмерно высокая, то степень перенасыщения будет высокой и скорость зарождения частиц будет большой, размер кристалла будет маленьким.

 

В целом, интенсивность выпаривания высока на первом воздействии испарителя. Хотя, если процесс плохо контролируется, есть возможность получения большого количества маленьких кристаллов, В параллельном процессе, каждое воздействие испарителя можно рассматривать как независимую кристаллизацию, и легко контролировать. Если процесс и кристаллизационная структура спроектированы корректно, то можно получить нужный размер кристалла.

3.6 ВЛИЯНИЕ УСТРОЙСТВА ИСПАРИТЕЛЯ

Влияние устройства испарителя на процесс кристаллизации был главным образом выведен из следующих аспектов. Во-первых, при кристаллизации кристалл должен быть подвешен, в частности в зоне испарения. Достаточное количество кристаллических поверхностей является основным требованием для сокращения перенасыщения, вызванного испарением. В противном случае, может образоваться большое количество частиц в зоне испарения, так что размер кристаллического продукта не может контролироваться.

Во-вторых, возможность вторичных образований должна быть уменьшена, особенно при контактном образовании, вызванном циркуляционным насосом. Иногда, система уничтожения мелкозернистых частиц вынуждена уничтожать уже сформировавшиеся мелкие кристаллы, так что их количество уменьшается. Это позволит создать относительно большой размер кристаллического продукта.

4. ПОДВОДЯ ИТОГ

Кристаллизация NaCl в вакуумной системе включает в себя создание перенасыщенного раствора, образование кристалла и его рост. Из выше приведенного анализа можно сделать вывод, что факторы, влияющие на размер конечного продута, включают в себя: степень перенасыщения раствора, температуру выпаривания, плотность раствора, скорость циркуляции, время пребывания кристаллов, направление потока и устройство испарителя.

Для увеличения качества соляного продукта и его размера, определение условий работы процесса и устройство испарителя очень важны в процессе создания и работы. На него нужно обращать больше внимания в будущих соляных производствах.

НОМЕНКЛАТУРА:
В – скорость образования частиц, No/м3с.
KN – постоянная скорости образования частиц.
Kg – постоянная роста кристалла.
МТ – плотность раствора , кг/м3.
G – Скорость роста кристалла, м/с.
∆С – перенасыщение, кг/м3.
Р0 – количество потребляемой мощности. d – Диаметр крыльчатки, м.
τ – время пребывания, с.

<< Назад
Copyright © 2009-2016 "Салина Трейд". Все права защищены.

Обратная связь

Оставьте Ваши данные и мы свяжемся с Вами