Способы кристаллизации

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химико-технологический факультет

РЕФЕРАТ

по курсу " Технология получения твердых веществ с заданными свойствами "

на тему:

СПОСОБЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Выполнил: Нагорный О.В.

Проверил: д.т.н. Пойлов В.З.

Пермь, 2000

СПОСОБЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать пересыщение. По способам его создания различают два основных ме­тода кристаллизации: 1) охлаждение горячих насыщенных растворов (изогидрическая или политермическая кристаллизация) и 2) удаление части растворителя путем выпаривания (изотермическая кристаллизация).

ПОЛИТЕРМИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

 

Растворимость большинства веществ уменьшается с понижением температуры. Поэтому при охлаждении горячих растворов возникает пересыщение, обусловливающее выделение кристаллов. Этот метод также получил название изогидрической кристаллизации, поскольку при его осуществлении количество растворителя (например, воды) остается постоянным.

Рис. 1. К пояснению методов кристаллизации (см. текст).

На диаграмме растворимости (рис. 1) охлаждение горячего ненасыщенного раствора, имеющего температуру t₁ и концентрацию C₁ (точка А), до конечной температуры t₂ условно можно изобразить линией АС, которая пересекает кривую растворимости в точке В, характеризующей насыщенное состояние раствора при температуре t₁'. Если кристаллизация раствора начинается только после его охлаждения до температуры t₂, при которой и заканчивается полное снятие пересыщения, то процесс кристаллизации изобразится линией CD, а конечное состояние раствора—точкой D на кривой растворимости, соответствующей равновесной концентрации C₂.

В том случае, если раствор не способен к образованию сколько-нибудь заметного пересыщения, процесс его охлаждения и кристаллизации изобразится линией АВD. В зависимости от скорости охлаждения раствора и его способности образовывать пересыщение реальный процесс может протекать также по линиям AB'D'D или AB"D.

ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Перевод исходного раствора, характеризуемого точкой А (см. рис. 1), в пересыщенное состояние можно осуществить и за счет частичного удаления растворителя при выпаривании раствора. Такой метод получил название изотермической кристаллизации, так как выпаривание насыщенного раствора происходит при постоянной температуре его кипения.

Изменение концентрации исходного ненасыщенного раствора при выпаривании изобразится линией AEG, которая показывает, что с повышением концентрации раствора соответственно возрастает и его температура кипения. Только после перехода раствора в насыщенное состояние при концентрации С₁' (точка Е) температура уже больше не меняется и остается равной t₁''.

Понятно, что приведенное выше изображение процесса кристаллизации по линии AEG на диаграмме растворимости яв­ляется условным, и точка G характеризует лишь общее пересыщение раствора, которое может быть получено при удалении из него определенной части растворителя. В большинстве случаев кристаллизация раствора при выпаривании протекает при постоянной концентрации, очень близкой к состоянию насыщения для данной температуры t₁''.

Выбор того или иного метода кристаллизации зависит, в первую очередь, от характера изменения растворимости вещества при различной температуре. Для солей, растворимость которых резко уменьшается с понижением температуры, целесообразной является изогидрическая кристаллизация. В этом случае даже при сравнительно небольшом охлаждении раствора из него будет выделяться значительное количество соли (см. кривую растворимости KNO₃ на рис. 2). Именно изогидрической кристаллизацией получают большинство солей с резко выраженной прямой растворимостью (NaNO₃, К₂Сr₂О₇, NH₄C1, CuS0₄-5H₂0 и др.).

Рис. 2. Кривые растворимости в воде КNО₃ (1), Ва(NО₃)₂ (2) и NaCl (3).

В тех случаях, когда растворимость соли почти не меняется при изменении температуры, кристаллизация охлаждением становится неэффективной и применяется изотермическая кристаллизация Кривая растворимости, например NaCl (см. рис.2) показывает, что при охлаждении насыщенного раствора из него выпадает лишь очень небольшое количество соли, поэтому кристаллизация NaCI проводится всегда выпариванием.

Изотермическая кристаллизация применяется также для солей с обратной растворимостью, например для Na₂S0₄, растворимость которого, начиная с 32,4° С, уменьшается с повышением температуры. Для кристаллизации солей с резко выраженной обратной растворимостью иногда используют просто нагревание раствора до высоких температур. Так, например, получают безводный кристаллический сульфит натрия Nа₂S0з и сульфат марганца MnS0₄.

На практике в ряде случаев комбинируют рассмотренные выше методы создания пересыщения. Так, при вакуум-кристаллизации раствор охлаждается за счет адиабатического испаре­ния части растворителя. Этот метод кристаллизации особенно эффективен для солей, растворимость которых сравнительно плавно уменьшается с понижением температуры, например для КС1 (см. рис. 2), (NH₄)₂S0₄, FeS0₄-7H₂