III. Кинетика и условия кристаллизации

 

Переход вещества из раствора в твердую фазу осуществляется
путем диффузии растворенного вещества через пограничный слой,
окружающий поверхность кристалла. Скорость процесса кристал­лизации может определяться скоростью диффузии растворенного вещества через пограничный слой либо скоростью слияния вещества с телом кристалла либо зависеть от обеих стадий одновременно.

Рассмотрим процесс кристаллизации сахарозы. В процессе роста кристаллы окружены пограничным слоем пересыщенного межкри­стального раствора толщиной d. Избыток молекул сахарозы из этого слоя пересыщенного раствора быстро выделяется на поверх­ности кристаллов, и раствор становится насыщенным с концентра­цией сахарозы у_н. На некотором расстоянии от граней кристаллов в окружающем растворе сохраняется пересыщение с концентрацией сахарозы у_п.

Вследствие разности концентраций у_п— у_н сахароза диффунди­рует через пограничный слой раствора. Приблизившись к граням кристаллов, молекулы сахарозы переходят в кристаллическую решетку — происходит фазовый переход. Таким образом, скорость роста кристаллов обусловлена скоростью диффузии сахарозы и ско­ростью фазового перехода на границе раздела фаз. Если скорость фазового перехода намного выше скорости диффузии сахарозы, то лимитирующей стадией процесса кристаллизации сахарозы является ее диффузия. Скорость роста кристаллов сахарозы можно выразить уравнением:

 

dM/dt=[DF(y_n-y_н)]/d, (1)

 

где dM — количество вещества, выкристаллизованного в единицу времени; D — коэф­фициент диффузии; F — площадь поверхности кристаллов, на которых выкристаллизовывается вещество; у_п — концентрация вещества в объеме пересыщенного раство­ра; у_н — концентрация вещества у поверхности кристалла (принимается равной концентрации раствора); d — толщина пограничного слоя раствора, в котором концентра­ция изменяется от у_п до у_н.

 

Интегрируя уравнение (1), получаем M=[D(y_n— y_н)Ft]/d.

 

Скорость кристаллизации

 

М/(Ft)=D(y_n— y_н)/d. (2)

 

Толщина пограничного слоя, имея в виду ламинарный характер обтекания кристалла пересыщенным раствором,

 

d=(m/v)^0,5, (3)

где m — динамическая вязкость насыщенного раствора; v — скорость движения кри­сталла в растворе.

 

Согласно закону Стокса у=1/m.

Зависимость коэффициента диффузии от абсолютной темпера­туры Т и вязкости m по Эйнштейну имеет вид D=kT/m, где k — неко­торая постоянная величина, зависящая от природы диффундиру­ющего вещества.

 

Тогда, подставляя d=(m/v)^0.5=[m/(1/m)]^0.5=m и D=kT/m в уравнение (2), получим

 

M/(Ft)=kT(y_п-y_н)/m². (4)

 

При m²=1 значение коэффициента k равно 2318. Тогда уравнение примет вид

 

М/(Ft)=2318(у_п-у_н)/m², (5)

 

где M/(Ft) — скорость кристаллизации сахарозы, мг/(м²-мин); у_п-у_н — разность кон­центраций, г на 100 г раствора; m — динамическая вязкость насыщенного раствора при данной температуре, мПа×с.

 

Уравнение (5) применимо для общей качественной оценки процесса роста кристаллов сахарозы в чистых и технических раство­рах.

Основными факторами, определяющими скорость кристаллиза­ции, являются степень пересыщения раствора, температура, образо­вание центров кристаллизации, интенсивность перемешивания, наличие примесей в растворе.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: образование центров кристаллизации и рост кристаллов.

Оптимизация процесса кристаллизации заключается в устойчивом регулируемом кристаллообразовании, росте кристаллов, регу­лируемом отводе или подводе теплоты в системе. Количество и раз­мер зародышей кристаллов зависят от скорости достижения пересы­щения раствора и его температуры. Отвод или подвод теплоты дол­жен происходить по определенному закону с определенной скоро­стью. При слишком быстром переохлаждении раствора или его концентрировании можно затормозить образование зародышей и рост кристаллов.

Образование центров кристаллизации в пересыщенных или переохлажденных растворах может инициироваться искусственно, например при добавлении в раствор тонкодисперсных частиц или «затравки», или возникать самопроизвольно.

При самопроизвольном возникновении кристаллов имеет место индукционный период, в котором видимой кристаллизации не происходит. В этот период зародыши кристаллов находятся в подвижном равновесии с раствором. Массовая кристаллизация начи­нается после нарушения подвижного равновесия между зародышами и раствором. Скорость образования зародышей кристаллов увели­чивается с повышением температуры, при перемешивании или встряхивании раствора.

Рост кристаллов происходит на сформировавшемся зародыше за счет адсорбции частиц растворенного вещества из раствора. Кристалл растет одновременно по всем граням, однако с различной ско­ростью роста, что приводит к изменению формы и размеров кри­сталлов в процессе кристаллизации. При получении кристалличес­кого сахара, соли требуются максимальная однородность кристал­лов и их правильная форма.

Форма кристаллов в основном зависит от природы кристаллизу­емого вещества. Кристаллы правильной формы с хорошо разви­тыми гранями получаются при свободном и равномерном обтекании их раствором. При трении кристаллов о стенки или механические устройства внутри аппарата происходит нарушение формы кри­сталла за счет сглаживания его ребер, что снижает качество продук­та.

Неоднородность получаемых кристаллов связана, как правило, с плохим перемешиванием раствора. Однако интенсивное перемеши­вание раствора, с одной стороны, увеличивает скорость кристалли­зации, а с другой — способствует образованию мелких кристаллов.

На практике применяют соответствующие приемы для вывода мелких кристаллов из зоны кристаллизации.

Увеличение однородности кристаллов достигается их последу­ющей классификацией.

Чистота кристаллов зависит от условий проведения кристаллиза­ции, а также от фильтрования и промывки кристаллов. Посторон­ние примеси могут попасть внутрь кристаллов с маточным раство­ром или адсорбироваться гранями кристаллов. Мелкие кристаллы, как правило, больше сорбируют примесей из маточного раствора.

 

IV. МЕТОДЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

 

Процесс кристаллизации можно проводить периодически или непрерывно. Периодическую кристаллизацию применяют в мало­тоннажных производствах. В крупнотоннажных производствах, например в сахарной промышленности, процессы кристаллизации организованы по непрерывной схеме.

В пищевой промышленности используют следующие методы кристаллизации: с частичной отгонкой воды, с охлаждением или нагреванием исходного раствора, комбинированно.

Кристаллизация с частичной отгонкой воды осуществляется в вакуум-аппаратах. Отгонка воды происходит путем ее испарения. В тех же вакуум-аппаратах проводят кристаллизацию раствора.

На сахаропесочных и рафинадных заводах сахарные сиропы поступают на уваривание (концентрирование) в вакуум-аппараты с целью кристаллизации сахара из пересыщенного раствора. Полу­ченный после уваривания продукт называется утфелем.

Недостаток этого метода кристаллизации — отложение кристаллов на поверхностях теплопередачи вакуум-аппаратов. Выпадение кристаллов на трубах и стенках аппаратов затрудняет их выгрузку.

Кристаллизация с охлаждением растворов водой или воздухом позволяет получить пересыщенные растворы.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: