Способ разделения смесей противоточной кристаллизацией из расплава и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к разделению смесей веществ методом противеточной кристаллизации и позволяет повысить эффективность разделения и упростить конструкцию разделительной колонны. Способ осуществляется в колонне, состоящей из кристаллизатора (К) 3, плавителя (П) 6 и зоны массообмена, разделенной на участок 1, прилегающий к К 3, и участок

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

„„Я0„„373411 (51) 4 В О) Л 9/02 р(г; ж (1 ьи

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4110400/3)-26 (22) )3,06,86 (46) 15.02.88, Бюл, У 6 (7) ) Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова (72 ) Ю.Л. Куэменко, С.К. Мясников и В.А. Малюсов (53 ) 66.065.52.05 (088. 8 ) (56) Девятых Г.Г., Еллиев Ю.Е. Введение в теорию глубокой очистки веществ. М.: Наука, 1981, с. 32.

Гельперин Н.И., Носов Г.А. Основы тех.. ики кристаллизации расплавов.

М.: Химия, 1975, с. 275 277. (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ ПРОТИВОТОЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ ИЗ РАСПЛАВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к разделению смесей веществ методом протиноточной кристаллизации и позволяет повысить эффективность разделения и упростить конструкцию разделительной колонны. Способ осуществляется в колонне, состоящей из кристаллизатора (К) 3, плавителя (П) 6 и зоны массообмена, разделенной на участок 1, прилегающий к К 3, и участок

1373411

2, прилегающий к 11 6. Участки 1 и 2 снабжены независимо регулируемыми термостатами 16 и 17 с датчиками температуры 11,12,13, 14, 18, 19.

Исходную смесь загружают в колонну и включают К 3 и П 6. Для интенсификации процесса разделения понижают температуру смеси на участке 1 и повышают на участке 2 до установления

Изобретение относится к разделению смесей расплавленных или жидких веществ по методу противоточной кристаллизации и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической и др. отраслях промышленности, а также в лабораторной практике.

Целью изобретения является повышение эффективности разделения смесей и упрощение аппаратурного оформления.

На чертеже представлена схема колонны, в которой реализован предложенный способ.

Колонна состоит иэ верхнего 1 и нижнего 2 участков зоны массообмена, кристаллизатора 3 с патрубками для подвода 4 и отвода 5 рабочего агента (тепло- или хладоносителя), плавителя 6 с электронагреваемой спиралью 7. Колонна снабжена патрубком 8, через который заливают разделяемую смесь при работе колонны в периодическом режиме. В случае непрерывного режима через патрубок 8 отводят низкоплавкий компонент, исходную смес1. подводят через патрубок 9, а высокоплавкий компонент отводят через патрубок 10.

Колонна снабжена датчиками 11 — 14 температуры, чувствительные элементы которых находятся в расплаве, соответственно, у кристаллизатора 3 и у границы раздела 15 в верхнем участке 1 колонны, у границы раздела 15 и плавителя 6 в нижнем участке 2.

Верхний 1 и нижний 2 участки колонны снабжены независимо регулируемыми термостатами 16 и 17, в толще на границе раздела участков 1 2 перепада температур, равного разности температур плавления высоко- и ниэкоплавкого компонентов. На границе раздела происходит основное изменение состава смеси (скачку температур соответствует скачок концентрации).

2 с. н 1 э. п. ф — лы, l ил

1 табл. стенок каждого участка установлены дополнительные датчики, 18 и 19 соответственно. Кроме того, стенки колонны могут быть выполнены теплоиэолированными. Датчик 11 соединен командной связью (не показано) с термостатом 16, а датчик 14 — с термостатом

17, что позволяет регулировать температуру стенок на участках 1,2 так, чтобы показания датчиков 18 и 19 всегда были равны показаниям датчи-. ков ll и 14 соответственно.

Способ реализуется следующим образом.

Необходимые параметры процесса: местоположение границы раздела 15, начальная температура, конечные температуры участков 1, 2 — определяются из характеристик исходной смеси.

Расчет длин верхней (1 ) и нижней (1„) эон может проводиться исходя из того, что смесь в колонне полностью делится на чистые компоненты (или компонент и звтектику), которые занимают каждый свою зону. Тогда для колонн с постоянным сечением справедливо выражение:

Чн. 1н

Х=--- -=---, (1)

Ч L где Х вЂ” объемная доля высокоплавкого компонента в исходной смеси (если система имеет эвтектику, то Х вЂ” доля компонента

35 в его смеси с эвтектикой, а не вторым компонентом);

Ч и Ь - общий объем и длина колонны;

V объем нижнего участка 2 эоны массообмена.

40 Если необходимо, в формулу (1) вводятся дополнительные члены, учи1373411

55 тывающие объем кристаллизатора и плавителя. В итоге получают

i, =х!., (2)

6 Н (3)

Начальная температура процесса (Т,) равна температуре плавления исходной смеси (определяется по равновесной фазовой диаграмме), конечные температуры (T > и Т „ ), которые ус1 k к танавливаются в участках 1, 2, равны температурам плавления чистых ве— ществ или вещества и эвтектики.

Исходную смесь в виде кристаллической пульпы (масса кристаллов

50-70 об.7 и жидкость), которая получается при охлаждении исходного расплава ниже температуры плавления в специальном устройстве, загружают в колонну и включают кристаллизатор

3 и плавитель 6. При заливке исходной смеси в виде расплава кристаллизатор 3 включают ранее плавителя 6 на промежуток времени, необходимый для заполнения всего объема колонны кристаллами. Противоточное движение твердой и жидкой фаз, обогащаемых соответственно высоко- и низкоплавким веществами, ведет к постепенному концентрированию первого и второго, соответственно вблизи плавителя

6 и кристаллизатора 3, что сопровождается ростом температуры, регистрируемой датчиком 14, и ее снижением, отмечаемым датчиком 11.

Для интенсификации процесса раэ— деления по мере охлаждения смеси вблизи кристаллиэатора 3 проводят понижение температуры стенок верхней эоны от Т, до Т „, одновременно в соответствии с ростом температуры у плавителя 6 температуру стенок нижнего участка 2 повышают от Т, до Т „

Н т.е. с помощью термостатов !6, 17 поддерживают равенство показаний датчиков 18 и 11, а также 19 и 14.

Таким образом, в верхнем 1 и нижнем

2 участках колонны устанавливаются постоянные температуры Т и Т„, а н„э на границе раздела 15 образуется участок интенсивных фазовых превращений с перепадом температур, равным разности температур плавления высокои низкоплавкого компонентов, где и происходит основное изменение состава смеси (скачку температуры соответствует скачок концентрации).

Пример 1. Смесь парадихлорбензол — парадибромбенэол состава

1О

51,7 (здесь и далее состав выра— жается в мольных процентах по высокоплавкому веществу) разделяли в колонне постоянного сечения с 1.=25 см, V =188,8 см и объемом кристаллиза—

3 тора 17,6 см . Компоненты системы образуют ряд твердых растворов, а также эвтектику при 5,57. По приведенным формулам, переведя мольные проценты в объемные доли, рассчитали 1„==13,6 см и 1 =11,4 см. Каждую зону снабдили электрообмотками и термопарами, расстояние между датчиками 12 и 13 — 1 см. Начальную температуру согласно равновесной фазовой диаграмме установили 68 С. Затем по мере протекания процесса (за его начало принимается момент включения плавителя) в соответствии с изменениями температуры, фиксируемыми датчиками 11 и 14, в течение 2,7 ч температуру стенок нижней зоны повышали, а верхней зоны понижали и довели соответственно до 87 и 53 С. о

Через 1,5 ч показания датчиков 12 и

l3 приблизились к показаниям датчиков 11 и 14 соответственно, что сви-детельствует об образовании в расчетном месте участка интенсивных фазовых превращений. При указанном распределении температур колонна работала еще 1 ч. В итоге разделения концентрация концевых продуктов оказалась равной 99,7 и 5,7Е.

Пример 2. Смесь и колонна те же, что в примере 1. Начальный состав 18,1Х. Рассчитали 1!=3,7 см, 1 =21,3 см. Начальную температуру установили 55 С. Время вывода температуры стенок зон до достижения конечных значений 1,9 ч, перепад температур между датчиками 12 и 13 появился еще через 1,2 ч, затем работали еще 0,8 ч. Конечный состав продуктов разделения: 99,5 и 5,7Х.

Пример 3. Смесь парахлорбромбенэол — парадибромбенэол исходного состава.49,0 разделяли в колонне, описанной в примере 1. Эта система образует непрерывный ряд твердых растворов. Рассчитали !„=12,9 см и 1 =12,1 см. Начальная температура процесса 77 С, время работы в режимах вывода температуры стенок участков

1,2 на конечные значения (87 и 68 С), до установления участка интенсивных фазовых превращений и после такого

1373411

Разделяемая система Исход рхний одукт ижний родукт исло состав по 2-му еор. тупеней компон ту,мол а б а б

Парадихлорбензолпарадибромбенэол

51,7

5,7 8,9 99,7 94,2 10 5 6

Парадихлорбензолпарадибромбенэол

18,1

5 7 5 9 99 5 69 9 10 0 4

Парахлорбромбензолпарадибромбензол

49,0

2,2 18,3 98,5 84,7 9,0 4

П р и м е ч а н и е. а — по предложенному способу; б — по способу-прототипу. установления равно соответственно

2,9, 2,1 и 1 4 ч. Состав продуктов, отобранных на концах колонны, равен

98,5 и 2,2Х.

Сравнение результата примера 1 с результатом разделения той же самой смеси по способу-прототипу показывает Заметное преимущество предлагаемого способа (см. таблицу).

Таким образом, экспериментально установлено, что применение предлагаемого способа позволяет значительно повысить эффективность разделения смесей. При этом следует учесть, что положительный эффект получен при упрощении аппаратурного оформления — способ реализован в устройстве, в котором отсутствует шнек. 20 формула изобретения

1. Способ разделения смесей противоточной кристаллизацией из расп- 25 лава, состоящего из высоко- и низкоплавкого компонентов в колонне, включаюшдй кристаллизацию расплава в .ристаллиэаторе, перемещение кристаллов в плавитель через зону массообмена в контакте с жидкой фазой, движущейся противотоком из плавителя в кристаллиэатор и планление крис— таллов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности разделения и упрощения аппаратурного оформления, разделение проводят при монотонном понижении температуры смеси на участке зоны массообмена, прилегающем к кристаллизатору, и повышении температуры на участке зоны массообмена, прилегающем к плавителю, до установления на стыке участ— ков разницы температур планления высоко- и низкоплавкого компонентов.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что температуры стенок колонны в зоне массообмена по всей длине участков, прилегающих к плавителю и кристаллизатору, поддерживают соответственно равными температурам разделяемой смеси у плавителя и кристаллиэатора.

3. Устройство для разделения смесей противоточной кристаллизацией иэ расплава, содержащее колонны с кристаллизатором, планителем, размещенную между ними зону массообмена, и датчики температуры, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что зона массообмена состоит из двух участков, каждый из которых снабжен независимо регулируемым термостатом, а датчики температуры размещены в расплане у кристаллизатора, планителя, на стыке участков и в стенках колонны по всей длине зоны массообмена.