Методы кристаллизации и аппаратура в урановой технологии

30.05.2018
Большинство известных методов кристаллизации основано на охлаждении раствора для создания в нем необходимого пересыщения. Охлаждения можно достигнуть отводом тепла через теплопередающие стенки, испарением части растворителя или с помощью воздуха. В некоторых случаях применяют выпаривание с одновременным выделением кристаллов, а иногда в раствор просто вводят высаливатели, которые уменьшают растворимость кристаллизуемого вещества и вызывает выпадение кристаллов.

Кристаллизацию можно проводить периодически или непрерывно. При непрерывном процессе удается получить более однородные кристаллы, а аппараты отличаются большей производительностью и удобством обслуживания. Кристаллизацию испарением растворителя без нагревания и перемешивания можно проводить для получения наиболее крупных кристаллов. Однако при этом необходима громоздкая аппаратура, так как испарение растворителя при атмосферном давлении идет очень медленно. В связи с этим рекомендуется применять кристаллизаторы с перемешиванием, среди которых распространены шнековые аппараты.

Такой кристаллизатор имеет вид открытого горизонтального желоба, внутри которого вращается спиральный шнек, передвигающий кристаллы и перемешивающий раствор (рис. 9.3).

Охлаждение раствора при этом обеспечивается не только естественным испарением части растворителя, но и за счет окружающей среды (воздуха).

В шнековом кристаллизаторе можно получить крупные кристаллы, но при этом создаются благоприятные условия для образования агрегированных кристаллов, что приводит к вовлечению в кристаллизующуюся массу включений маточного раствора и к загрязнению кристаллов примесями. Более однородные кристаллы выделяются при дополнительном охлаждении раствора отводом тепла через теплопередающие стенки аппарата. Это достигается использованием рубашек, в которых циркулирует вода или охлаждающий рассол. Обычно несколько таких аппаратов соединяют последовательно один над другим, в результате чего раствор с кристаллами движется навстречу охлаждающей жидкости. Инкрустация стенок при этом все же имеет место, хотя перемешивание затрудняет осаждение кристаллов. Чтобы максимально уменьшить зарастание теплопередающих поверхностей, витки шнека рекомендуется располагать на расстоянии не более 3—5 мм от стенок.

Шнековые кристаллизаторы обычно имеют корыто шириной 600 мм и длиной до 12 м. В корыте со скоростью 1—2 об/мин вращается ленточная мешалка. Водяную рубашку изготовляют многосекционной. Недостатком таких аппаратов является их небольшая производительность.

Хорошей конструкцией аппарата для непрерывного проведения процесса является барабанный вращающийся кристаллизатор (рис. 9.4), представляющий собой цилиндрический барабан, опирающийся на опорные ролики. Барабан вращается со скоростью 5—50 об/мин. Раствор проходит вдоль оси барабана и охлаждается воздухом, который с помощью вентилятора непрерывно продувается через барабан и уносит пары растворителя. Движение воздуха противоположно движению раствора.

В условиях хорошей теплоизоляции барабана теплопередача идет только по зеркалу жидкости, что препятствует инкрустации его стенок.

Барабанные вращающиеся кристаллизаторы изготовляют диаметром 600—1200 мм и длиной до 20 м. Толщина слоя жидкости в аппарате обычно составляет 100—200 мл, а расход воздуха — от 40 до 100 м3/мин. В летнее время производительность можно увеличить почти в два раза при тех же расходах воздуха.

Изготовляют также барабанные вращающиеся кристаллизаторы, конструкция которых основана на использовании охлаждения через стенки. Однако при этом увеличивается опасность инкрустации, что вызывает необходимость в применении перемешивающих устройств. Такие аппараты по сравнению с кристаллизаторами без водяных рубашек требуют меньшего расхода энергии, имеют меньшие габариты и более высокую производительность, но крупность кристаллов в них меньше.

В ряде случаев кристаллизацию при охлаждении раствора через стенки целесообразно проводить в механических кристаллизаторах реакторного типа — вертикальном аппарате с коническим днищем, внутри которого со скоростью до 500 об/мин вращается механическая мешалка.


Теплопередающие поверхности кристаллизатора выполняются в виде змеевика или рубашки (рис. 9.5), в которых циркулирует вода или охлаждающий рассол. Непрерывная кристаллизация проводится в каскаде таких аппаратов (рис. 9.6) в условиях противотока раствора и охлаждающего агента. Малые перепады температуры в каждом аппарате и интенсивное перемешивание предотвращают инкрустацию стенок.

Во избежание скопления крупных кристаллов в первых аппаратах каскада и увеличенного содержания мелочи в последних раствор из аппарата удобно передавать с помощью аэролифтов.

Условия, обеспечивающие преимущественный рост готовых кристаллов без значительного образования зародышей, можно обеспечить в механических кристаллизаторах с выносными трубчатыми холодильниками (рис. 9.7), в которых непрерывно циркулирует холодильный агент и откачиваемый из аппарата раствор. В холодильнике создается пересыщение, достаточное для роста кристаллов, но препятствующее образованию новых зародышей. Пересыщение раствора идет в выносном холодильнике, а рост кристаллов — непосредственно в самом аппарате. Образующиеся кристаллы циркулируют с раствором до тех пор, пока скорость их осаждения не превысит скорость, созданную циркулирующим насосом. В аппарате действует восходящий поток, классифицирующий кристаллы по величине: крупные кристаллы непрерывно удаляются из нижней части аппарата, а мелкие остаются и продолжают расти до необходимой величины.

Небольшая разность температур потоков в выносном холодильнике практически устраняет инкрустацию.

Недостатком таких аппаратов является необходимость установки циркуляционных насосов и наличие развитой теплопередающей поверхности в холодильниках.

В практике кристаллизации широко используется процесс выпаривания растворов с их одновременной кристаллизацией.

При этом аппарат заполняют раствором (рис. 9.8), а затем часть его выпаривают, чтобы создать пересыщение. В дальнейшем поддерживают такое пересыщение, чтобы готовые кристаллы росли достаточно быстро, а новые зародыши не образовывались.

Методы кристаллизации и аппаратура в урановой технологии

Выпаривание растворов рекомендуется проводить в закрытых вакуум-кристаллизаторах, что позволяет поддерживать низкую температуру и интенсивно удалять часть растворителя. При этом раствор охлаждается до температуры, соответствующей упругости пара над раствором. Выделяющийся пар конденсируется в конденсаторах.

Достоинством вакуум-кристаллизаторов является отсутствие у них теплопередающих поверхностей, так как при этом снижается инкрустация. Кроме того, в таких аппаратах можно увеличить выход кристаллов уменьшением объема растворителя.

Непрерывная установка состоит из нескольких аппаратов, по которым раствор протекает под воздействием вакуума. В каждом аппарате при этом поддерживается различный вакуум и температура, так как испарение и конденсация в них протекают ступенчато. Чем больше аппаратов в каскаде, тем меньше пересыщение в каждом из них и тем больше крупность кристаллов. Раствор из аппарата в аппарат передается с помощью насосов, которые часть раствора при этом непрерывно возвращают в тот же аппарат. При этом происходит смешение свежего раствора с охлажденным, содержащим кристаллы, что препятствует образованию значительного количества мелких кристаллов.

Для создания вакуума используются пароструйные многоступенчатые эжекторы или вакуум-насосы.

Вакуумные кристаллизаторы удобны для кристаллизации больших объемов растворов, но не дают достаточно крупных кристаллов.

Наиболее удобными аппаратами для кристаллизации некоторые исследователи считают кристаллизаторы с воздушным перемешиванием и охлаждением, обеспечивающие возможность плавного охлаждения растворов и позволяющие получать достаточно крупные кристаллы при высокой

производительности. Кроме того, в этих аппаратах отсутствуют механические устройства, а опасность инкрустации сводится к минимуму.

Основной недостаток этих аппаратов — большой унос жидкости в брызгах с воздухом — можно ликвидировать, применив специальные брызгоуловители. Влажность воздуха, выходящего из аппарата, должна быть равновесна влажности воздуха над раствором, а их температура — практически одинакова.

При быстром охлаждении раствора воздухом может появиться сразу много мелких кристаллов. Поэтому процесс целесообразно вести в две стадии: сначала, в период зарождения кристаллов, расход воздуха должен быть минимальным, чтобы обеспечить условия незначительного охлаждения и перемешивания, а затем, когда в растворе образуется достаточное количество кристаллов, расход воздуха необходимо резко увеличить. Первую стадию, например, проводят при расходе воздуха 0,5 м3/м2*мин, обеспечивая температуру на несколько градусов ниже насыщения, а затем увеличивают расход воздуха до 1,2 м3/м2*мин, доводя снижение температуры до необходимой степени охлаждения раствора.

Можно вести процесс в каскаде из нескольких кристаллизаторов при противотоке по раствору и воздуху.

Очень удобно использовать для кристаллизации с воздушным охлаждением и перемешиванием непрерывные противоточные аппараты колонного типа с решетками, которые допускают прохождение через них кристаллов. Нагрев воздуха и его насыщение до равновесия с раствором обеспечиваются при высоте барботажа около 600 мм. Поэтому расчет высоты колонны следует вести исходя не из требований теплообмена, а из времени пребывания раствора в колонне, достаточном для роста кристаллов.

Колонны могут иметь диаметр до 2 м и высоту до 20 м. Расход воздуха в них значительно меньше, чем при проведении процесса в каскаде аппаратов с воздушным охлаждением. Во избежание зарастания отверстий тарелок колонны на каждой из них необходимо поддерживать небольшую разность температур раствора и воздуха.

В зависимости от необходимого качества кристаллов и заданной производительности процесса в каждом отдельном случае необходимо выбирать определенный метод кристаллизации и кристаллизатор.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: