На каком свойстве основан способ кристаллизации

 кристаллизация это процесс, в котором твердое тело образуется с атомами или молекулами в организованных структурах, которые называются кристаллическими сетями. Кристаллы и кристаллические сети могут образовываться в результате осаждения раствора, путем синтеза и, в некоторых случаях, путем прямого осаждения газа..

Структура и природа этой кристаллической сети будет зависеть от условий, в которых происходит процесс, включая время, прошедшее до достижения этого нового состояния. Кристаллизация как процесс разделения чрезвычайно полезна, поскольку она позволяет гарантировать, что структуры получаются только из желаемого соединения..

Кроме того, этот процесс гарантирует, что прохождение других частиц не будет разрешено, учитывая упорядоченную природу кристалла, что делает этот метод отличной альтернативой для очистки растворов. Много раз в химии и химическом машиностроении необходимо использовать процесс разделения смешения.

Эта потребность возникает либо для повышения чистоты смеси, либо для получения ее конкретного компонента, и по этой причине существует несколько методов, которые можно использовать в зависимости от фаз, в которых обнаружена эта комбинация веществ..

индекс

• 1 Что такое кристаллизация??
  • 1.1 Нуклеация
  • 1.2 Рост кристаллов
• 2 Как метод разделения
  • 2.1 Рекристаллизация
  • 2.2 В промышленной сфере
• 3 типа кристаллизации
  • 3.1 Кристаллизация при охлаждении
  • 3.2 Кристаллизация выпариванием
• 4 примера
• 5 ссылок

Из чего состоит кристаллизация??

Кристаллизация требует двух шагов, которые должны произойти, прежде чем может быть образование кристаллической сети: во-первых, должно быть достаточно накопления атомов или молекул на микроскопическом уровне, чтобы началось так называемое зародышеобразование.

Эта стадия кристаллизации может происходить только в переохлажденных жидкостях (т. Е. Охлажденных ниже точки замерзания, не делая их твердыми) или перенасыщенных растворах..

После начала зародышеобразования в системе ядра могут быть сформированы достаточно стабильными и достаточно большими, чтобы начать второй этап кристаллизации: рост кристаллов.

зарождение

На этом первом этапе определяется расположение частиц, которые будут образовывать кристаллы, и наблюдается влияние факторов окружающей среды на образовавшиеся кристаллы; например, время, необходимое для появления первого кристалла, называется временем зарождения.

Существует две стадии нуклеации: первичная и вторичная нуклеация. В первом случае новые ядра образуются, когда в середине нет других кристаллов или когда другие существующие кристаллы не влияют на их образование..

Первичное зародышеобразование может быть гомогенным, при котором нет влияния на часть твердых веществ, присутствующих в среде; или он может быть гетерогенным, когда твердые частицы внешних веществ вызывают увеличение скорости нуклеации, которое обычно не происходит.

При вторичном зародышеобразовании новые кристаллы образуются под воздействием других существующих кристаллов; это может произойти из-за сил резания, которые делают сегменты существующих кристаллов новыми кристаллами, которые также растут с собственной скоростью.

Этот тип зародышеобразования выгоден в системах с высокой энергией или в потоке, где вовлеченная жидкость вызывает столкновения между кристаллами.

Рост кристаллов

Это процесс, в котором кристалл увеличивает свой размер путем агрегации большего количества молекул или ионов в промежуточные положения своей кристаллической сети..

В отличие от жидкостей, кристаллы растут равномерно только тогда, когда молекулы или ионы входят в эти положения, хотя их форма будет зависеть от природы рассматриваемого соединения. Любое неправильное расположение этой структуры называется дефектом кристалла..

Рост кристалла зависит от ряда факторов, среди которых, среди прочего, поверхностное натяжение раствора, давление, температура, относительная скорость кристаллов в растворе и число Рейнольдса..

Самый простой способ обеспечить рост кристаллов до больших размеров и их высокую чистоту — это контролируемое и медленное охлаждение, которое предотвращает образование кристаллов за короткое время и попадание посторонних веществ внутрь. они.

Кроме того, важно отметить, что с маленькими кристаллами намного сложнее манипулировать, хранить и перемещать, и их фильтрация из раствора стоит дороже, чем более крупные. В подавляющем большинстве случаев самые крупные кристаллы будут наиболее желательными по этим и другим причинам..

Как метод разделения

Необходимость в очистке растворов является общей в химии и химической инженерии, поскольку может возникнуть необходимость в получении продукта, который гомогенно смешан с другими или другими растворенными веществами..

Вот почему было разработано оборудование и методы для проведения кристаллизации как процесса промышленного разделения..

Существуют различные уровни кристаллизации, в зависимости от требований, и могут быть выполнены в небольшом или крупном масштабе. Следовательно, его можно разделить на две основные классификации:

перекристаллизация

Это называется перекристаллизацией в технику, которая используется для очистки химикатов в меньших масштабах, обычно в лаборатории.

Это делается с помощью раствора желаемого соединения вместе с его примесями в подходящем растворителе, стремясь тем самым осаждать в виде кристаллов некоторые из двух частиц, которые впоследствии будут удалены..

Существует несколько способов перекристаллизации растворов, среди которых перекристаллизация с растворителем, с несколькими растворителями или с горячей фильтрацией..

-Единый растворитель

Когда используется один растворитель, для получения насыщенного раствора готовят раствор соединения «А», примеси «В» и минимально необходимого количества растворителя (при высокой температуре)..

Затем раствор охлаждают, что приводит к падению растворимости обоих соединений и перекристаллизации соединения «А» или примеси «В». В идеале желательно, чтобы кристаллы были из чистого соединения «А». Может быть необходимо добавить ядро, чтобы начать этот процесс, который может даже быть осколком стекла.

-Различные растворители

При перекристаллизации нескольких растворителей используют два или более растворителей, и проводят тот же процесс, что и с растворителем. Преимущество этого процесса состоит в том, что соединение или примесь будут осаждаться при добавлении второго растворителя, поскольку они не растворимы в нем. В этом методе перекристаллизации нет необходимости нагревать смесь.

-Горячая фильтрация

Наконец, рекристаллизация с горячей фильтрацией используется, когда есть нерастворимое вещество «С», которое удаляется с помощью высокотемпературного фильтра после выполнения той же процедуры перекристаллизации одного растворителя..

В промышленной сфере

В промышленной области мы хотим осуществить процесс, называемый фракционной кристаллизацией, который представляет собой метод, который очищает вещества в соответствии с их различиями в растворимости..

Эти процессы напоминают процессы перекристаллизации, но используют разные технологии для обработки больших количеств продукта.

Применяются два метода, которые будут лучше объяснены в следующем утверждении: кристаллизация охлаждением и кристаллизация испарением.

Будучи крупномасштабным, этот процесс генерирует отходы, но они обычно рециркулируются системой для обеспечения абсолютной чистоты конечного продукта..

Типы кристаллизации

Как указано выше, существует два типа крупномасштабной кристаллизации: охлаждение и испарение. Также были созданы гибридные системы, где оба явления происходят одновременно.

Кристаллизация при охлаждении

В этом методе раствор охлаждают, чтобы уменьшить растворимость желаемого соединения, заставляя его начать осаждаться с желаемой скоростью..

В химическом машиностроении (или процессах) кристаллизаторы используются в форме резервуаров со смесителями, которые циркулируют хладагенты в отсеках, которые окружают смесь, так что оба вещества не вступают в контакт, пока происходит теплопередача хладагента в раствор..

Для удаления кристаллов используются скребки, которые толкают твердые фрагменты в яму.

Кристаллизация выпариванием

Это еще один вариант достижения осаждения кристаллов растворенного вещества с использованием процесса испарения растворителя (при постоянной температуре, в отличие от предыдущего метода), чтобы концентрация растворенного вещества превышала уровень растворимости..

Наиболее распространенными моделями являются так называемые модели с принудительной циркуляцией, которые удерживают раствор кристаллов в однородной суспензии через резервуар, управляя их потоком и скоростью, и обычно генерируют кристаллы большего размера, чем те, которые образуются при кристаллизации. охлаждением.

примеров

Кристаллизация — это процесс, часто используемый в промышленности, и можно привести несколько примеров:

— При добыче соли из морской воды.

— В производстве сахара.

— При образовании сульфата натрия (Na2SW4).

— В фармацевтической промышленности.

— При изготовлении шоколада, мороженого, масла и маргарина, в дополнение ко многим другим продуктам.

ссылки

1. Кристаллизация. (Н.Д.). Получено с en.wikipedia.org
2. Anne Marie Helmenstine, P. (s.f.). ThoughtCo. Получено с мысли
3. Boulder, C. (s.f.). Колорадский университет в Боулдере. Получено с сайта orgchemboulder.com
4. Britannica, E. (s.f.). Энциклопедия Британика. Получено с сайта britannica.com

Процесс преобразования, а точнее, перехода вещества из субстанции жидкости в состояние твердого тела называется кристаллизация. Наиболее ярким примером подобной химической реакции является лед. Результат процесса называется кристаллом.

Чтобы запустить процесс, в растворе, над которым производится опыт, необходимо создать состояние перенасыщенности. Фазовый переход жидкости протекает следующим образом:

1. Меняется уровень температуры жидкости.
2. Удаляется часть растворителя.
3. Происходит комбинирование двух предыдущих действий.
4. Из получившихся расплавов происходит процесс кристаллизации.

Кристаллизация и методы получения кристаллов из жидкости

Существует два метода кристаллизации: изотермический и политермический.

При первом способе раствор подвергается интенсивному охлаждению, при этом начинают выделяться кристаллы, а количество жидкости растворителя остается прежним.

При изотермической кристаллизации, появление кристаллов происходит путем выпаривания. Процесс получил названия, поскольку вся реакция происходит при постоянной температуре, являющейся точкой кипения раствора. На практике, оба способа используются совместно. В этом случае, часть растворителя испаряется путем кипячения, при этом в это же время происходит охлаждение жидкости.

Есть еще один вариант кристаллизации, при котором в раствор добавляют вещества, обладающие хорошей способностью впитывать воду и уменьшающие восприимчивость содержащейся в жидкости соли к растворению. Вариант такого развития событий называется высаливанием. В этом случае используются препараты, способные «связать воду» (таким способом производится кристаллизация сульфата натрия, в процессе которой добавляется аммиак либо спирт), либо у них имеется одинаковый с используемой солью ион. Примером может служить химическая реакция, направленная на кристаллизацию медного купороса либо хлористого натрия.

Чтобы вырастить кристалл, начинают с мелкой частицы, называемой «зародышем». Иначе говоря, это своеобразный центр, вокруг которого, в процессе химической реакции начинает образовываться кристалл. В этом случае, процесс, при котором протекает образование зародышей, и сам процесс кристаллизации происходит в одно и то же время. В случае если это не так, например, зародыши образуются быстрее, появляется много слишком мелких кристалликов, а вот в обратном случае их получается мало, но большего размера.

Благодаря этому свойству, можно контролировать величину и скорость, с которой происходит кристаллизация. Осуществляется это с помощью следующих факторов:

1. Раствор, должен быстро охлаждаться.
2. Жидкости нельзя находиться в состоянии покоя.
3. Нужна повышенная температура.
4. Молекулярная масса кристаллов должна быть низкой.

Все вышеперечисленные нюансы способствуют появлению в результате продукции небольшого калибра, чтобы получить кристаллы большего размера требуется:

1. Медленное охлаждение.
2. Жидкость в состоянии покоя.
3. Значительно пониженная температура.
4. Высокая молекулярная масса.

Чтобы облегчить сам момент, когда начинают формироваться зародыши, в раствор вносят элементы кристаллического вещества, в виде мелкоизмельченного порошка. При этом сам процесс кристаллизации происходит за счет последующего ввода частиц того же элемента. Количество вводимого вещества, зависит от величины желаемого кристалла, например, для более крупного, используется небольшое количество затравочного материала.

Размеры кристаллов имеют значение при их дальнейшей обработке, например, большие кристаллы способны отдавать большое количество влаги в процессе мытья и фильтрации. Они быстрее сохнут, отстаиваются, легче отфильтровываются.

Поскольку основное назначение кристаллизации – получение конечного вещества, идеально чистого и без примесей, то обычно, полученные кристаллы подвергают процессы перекристаллизации, с удалением излишних примесей и повторной промывкой и сушкой.

Кристаллизация – выделение твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллы – однородные твёрдые тела различной геометрии в зависимости от вида химического соединения. В химической промышленности кристаллизация применяется для получения в чистом виде веществ. Кристаллизацию обычно производят из водных растворов (понижая температуру или удаляя часть растворителя) или из растворов органических веществ, испаряя их. Из расплавов – путём охлаждения. На скорость кристаллизации влияют степень пересыщения раствора, его температура, образование центров кристаллизации, интенсивность перемешивания, наличие примесей и др.

Скорость кристаллизации величина не постоянная, изменяющаяся во времени в зависимости от условий кристаллизации. В начале скорость равна нулю (период индукции), затем максимальна и падает до 0(1) (при большой степени пересыщения). При наличии тормозящих кристаллизацию примесей период индукции возрастает, наблюдается период постоянной скорости (2).

Влияние температуры – при более высокой температуре уменьшается μ и увеличивается диффузия. Но с повышением температуры растёт число центров кристаллизации и образуются более мелкие кристаллы.

Кристаллизация из р-ров основана на ограниченной растворимости твердых веществ. Раствор, содержащий максимальное количество р-ренного в-ва в данном количестве р-рителя при определенной температуре, называется насыщенным; если р-р содержит большее количество р-ренного в-ва, то он является пересыщенным; если же он содержит меньшее количество р-ренного в-ва, то называется ненасыщенным. Пересыщенные р-ры неустойчивы: из них выделяется избыточное количество р-ренного в-ва, т. е. происходит процесс К. После выделения кр-лов р-р становится насыщенным. Этот насыщенный р-р, полученный в результате выделения кр-лов, называется маточным р-ром, или маточником. Отделение маточного р-ра от кр-лов производится центрифугированием и тд.

Ненасыщенные р-ры сами по себе устойчивы, но при добавлении в такой р-р тв в-ва оно будет р-ряться до тех пор, пока р-р не станет насыщенным. Твердое вещество находится в равновесии с насыщенным р-ром.

Р-римость равна концентрации насыщенного р-ра и зависит от температуры, а также от свойств р-ряемого в-ва и р-рителя. Для большинства твердых веществ р-римость с повышением температуры возрастает, но для некоторых веществ она с повышением температуры уменьшается или имеет при определенной температуре максимальное значение.

Способы кристаллизации

1)с удалением части растворителя – путём его испарения или вымораживания. Это изотермический метод. Испарение производят в выпарной установке, там же производят и кристаллизацию. Общий недостаток метода – отложение кристаллов на поверхности аппарата.

2)Кристаллизация с изменением температуры раствора — изогидрический способ, осуществляется при постоянном содержании в растворе растворителя. Процесс ведут как в аппарате периодического, так и непрерывного действия. В качестве охладителя используют воду.

3)Комбинированные способы.

а) вакуум-кристаллизация – здесь испарение происходит за счёт отдачи раствором своего физического тепла. Пары откачиваются вакуум-насосом. Процесс протекает адиабатически. Пересыщение раствора достигается его охлаждением;

б) кристаллизация с испарением части растворителя в токе носителя;

в) дробная (фракционированная) кристаллизация.

КАКИЕ ТИПЫ АППАРАТОВ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Кристаллизационное оборудование может быть классифицировано по ряду признаков классификации следующим образом.

1.По способу работы аппаратов: 1) аппараты периодического действия; 2) аппараты непрерывного действия.

2.По размеру получаемых кристаллов: 1) с регулируемым ростом кристаллов; 2) с нерегулируемым ростом кристаллов.

3.По способу выгрузки кристаллов из аппарата: 1) с гидравлической классификацией; 2) без классификации.

4.По способу охлаждения раствора: 1) охлаждаемые воздухом; 2) вакуум-кристаллизационные аппараты.

5.По способу создания пересыщения: 1) аппараты для изогидрической кристаллизации (с охлаждением раствора); 2)аппараты для изотермической кристаллизации (с удалением растворителя); 3) вакуум-аппараты; 4) аппараты с созданием пересыщения высоливанием; 5) аппараты с созданием пересыщения в результате химической реакции и т.д. Классификация по последнему признаку наиболее распространена.

Основными методами, наиболее часто применяемыми в промышленности и аналитической практике являются методы изогидрической и изотермической кристаллизации, а также метод, использующий оба способа создания пересыщения, когда одновременно происходит испарение и охлаждение питающего раствора. Такой метод обычно используется в вакуум-кристаллизаторах. Вакуум-кристаллизаторы представляют большую группу аппаратов, в которых раствор охлаждается вследствие адиабатического испарения части растворителя. На испарение жидкости расходуется физическое тепло раствора, который при этом охлаждается до температуры, соответствующей его температуре кипения при данном остаточном давлении. Количество испаряющегося раствора сравнительно невелико (примерно 8—12 % от общей массы раствора), поэтому основное значение в создании пересыщения имеет не концентрирование раствора, а его охлаждение в процессе “самоиспарения”.

Изогидрический и изотермический методы и будут использованы в разрабатываемой информационной системе.

Кристаллизацию можно проводить периодически и непрерывно.

Дальнейшая классификация кристаллизаторов основана на структуре потоков в кристаллизаторах [3,4].

1) Без перемешивания раствора. Это наипростейший аппарат с минимальной производительностью на единицу объема, но дающий крупные кристаллы.

2) С перемешиванием раствора (аппарат с мешалкой, барабанные, трубчатые кристаллизаторы). Например, аппараты с мешалкой имеют сравнительно небольшую производительность (от нескольких килограммов до нескольких десятков килограммов в час) и используются обычно в мелкомасштабных производствах или там, где процесс кристаллизации осуществляется от случая к случаю. Они хорошо вписываются в технологическую схему, включающую в себя аппараты периодического действия. Наиболее простыми механическими кристаллизаторами являются аппараты, выполненные в виде вертикальных цилиндрических сосудов с мешалкой и водяным охлаждением через рубашку.

3) Кристаллизаторы-классификаторы, в которых маточный раствор и кристаллы движутся противотоком, создавая псевдоожиженный слой. В кристаллизационных аппаратах с псевдоожиженным слоем горячий исходный раствор смешивается с маточным раствором после кристаллорастителя. В результате этого концентрация и температура после смешения увеличиваются. При последующем охлаждении (в теплообменнике или за счет испарения части растворителя) раствор становится пересыщенным. Поступая в нижнюю часть кристаллорастителя, раствор псевдоожижает находящиеся в слое кристаллы. Дальнейшее движение раствора через слой сопровождается уменьшением пересыщения за счет образования новых и роста находящихся в слое кристаллов. Покидающий кристаллораститель раствор снова смешивается с исходным, и цикл повторяется [5].

Выбор той или иной конструкции аппарата зависит от многих факторов: общей технологической схемы производства, физико-химических свойств раствора, требуемой производительности и др. Кроме того, целью любого производства является получение максимальной прибыли, то есть минимизация расходов в расчете на себестоимость единицы продукции и увеличение ее цены. Ряд факторов, влияющих в дальнейшем на прибыль производителя, должны быть предусмотрены на всех этапах производства продукта, в том числе и во время проектирования. Однако среди всех существующих кристаллизаторов нет универсального аппарата. В связи с этим, в первую очередь, было обращено внимание на разработку теоретических и практических основ процессов разделения и очистки веществ путем кристаллизации из растворов, а также на разработку алгоритмов, позволяющих оптимально подобрать аппаратурное оформление этих процессов.