Интенсификация процесса кристаллизации хлорида кальция под действием ультразвуковой обработки в изотермических условиях

УДК 622.363

Н. Р. Костина, Р. Т. Ахметова ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ХЛОРИДА КАЛЬЦИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ В ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Ключевые слова: Хлорид кальция, инкрустация, ультразвуковая обработка.

Изучено влияние ультразвуковой обработки, концентрации насыщенного раствора кальция хлорида на инкрустации теплообменной поверхности при перекристаллизации хлорида кальция в изотермических условиях. Установлено влияние параметров ультразвуковой обработки в среде насыщенного растворов хлорида кальция на грануметрический состав и толщину инкрустированного слоя.

Keywords: Calcium chloride, recrystallization, ultrasonic treatment.

The effect of ultrasonic treatment, the concentration of saturated solution of calcium chloride to calcium chloride recrystallization under isothermal conditions. The influence of the parameters of ultrasonic treatment in an environment saturated solution of calcium chloride in the granulometric composition and thickness inlaid layer on the surface of the heat exchanger.

Известно, что кристаллизация включает две стадии: образования кристаллических зародышей и их роста до видимых размеров. Скорость кристаллизации в целом лимитируется скоростью зародышеобразования. На инородных (гетерогенных) по отношению к кристаллизующемуся веществу включениях: пылинках, поверхности технологического

оборудования или трубопроводов, - скорость зародышеобразования выше, чем в объеме жидкости в 1000-100000 раз. Поэтому при изотермической кристаллизации, основной проблемой химической промышленности, является отложения солей на поверхностях теплообменной аппаратуры, технологических аппаратов и трубопроводов. Эти отложения ухудшают теплообмен, что повышает энергозатраты на производство [1-2].

Качество кристаллического продукта и затраты на его производство в значительной мере определяются скоростью зародышеобразования, которая связана с устойчивостью пересыщенных растворов [3].

Ультразвук в зависимости от режима ультразвуковой обработки, степени перенасыщения раствора, температурного фактора и т.д. может значительно ускорить процесс кристаллизации неорганических соединений. Ускорение кристаллизации осуществляется за счет растворения мелких кристаллов. Для этих же целей возможно использование диспергирующего действия ультразвука, который дробит кристаллы. Последние в свою очередь становятся новыми центрами кристаллизации, вновь дробятся и т. д. Процесс зарождения кристаллизационных центров становится лавинообразным. Так, при кристаллизации переохлажденных расплавов некоторых веществ, (хлорида аммония, серы, и др.), образование центров кристаллизации без ультразвука отмечалось через 5-8 ч, при применении ультразвука — через несколько секунд [4] .

В работе [5], на примере карбоната кальция, показано влияние ультразвука на процессы образования и разрушения отложений на стенках теплообменных аппаратов.

Из имеющейся информации по использованию ультразвукового воздействия при кристаллизации можно теоретически предсказать эффект воздействия ультразвука на процессы кристаллизации, инкрустации и гранулометрический состав хлорида кальция. В связи с этим представляют интерес исследования, направленные на более детальное изучение влияния эффекта ультразвуковой обработки на кристаллизацию, существенно влияющей на характер инкрустации поверхностей кристаллом. В качестве модельного вещества при проведении исследований использовали раствор хлорида кальция. Для создания акустических

колебаний использовали ультразвуковой генератор Акустик Т4 (Рабочая частота, кГц -22+10%).

Процесс кристаллизации вели в эмалированных кристаллизаторах объемом 6,3 м3, оборудованных водяной рубашкой и якорной мешалкой. Раствор кальция хлорида подавали в кристаллизатор при температуре 35-31 °С. Концентрацию раствора (СаС12) варьировали: 614 г/дм ,624 г/дм ,635 г/дм , В водяную рубашку подавали воду с постоянной температурой 8 °С. Кристаллизацию кальция хлорида проводили при непрерывном перемешивании суспензии со скоростью 42 оборота в минуту без обработки ультразвуком (контрольный режим) и при действии ультразвука частотой 22 кГц определенных параметров. Процесс считали завершенным по прошествии 20 часов.

Полученные кристаллы отделяли от жидкой фазы на центрифуге ТВ-1200-3Н, со скоростью 1000 об/мин до содержания СаС^ХбНгО не менее 98%. Далее визуально определяли размер кристалла, толщину инкрустируемого осадка и массу полученного кристалла.

Рис. 1 - Кривые зависимости скорости охлаждения от концентрации в растворе СаС12, без ультразвуковой обработки

Результаты измерения скорости охлаждения раствора кальция хлорида от температуры представлены на рис. 1. Из анализа результатов следует, что с увеличением концентрации падет скорость охлаждения раствора. Это связано с более высокой вязкостью, а так же более быстрым нарастанием кристалла на стенках аппарата. Толщина слоя кристалла на стенках 5-7 см. Корка шероховатая, бугристая.

При использовании ультразвуковой обработки влияние концентрации на скорость не значительны. Как видно из рис.2 скорости во всез трех растворах почтиодинаковые. Возможно, это связано стем что ультразвук в силу своих акустических своиств вызывает вихревые потоки жидкости [5], сглаживая разницу в вязкости и способствуя более интенсивному теплообмену.

Заметное влияние ультразвук оказал и на инкрустацию, уменьшив ее. Толщина корки составила 2-3 см. На вид корка гладкая, без бугров и выемок. Кристаллический продукт более мелкий.

Т емперагг'ра, 35

2? Н--------1-------1--------1-------1-------1

О 5 10 15 20

Рис. 2 - Кривые зависимости скорости охлаждения от концентрации в растворе СаС12, с

ультразвуковой обработкой

Рис. 3 - Кривые зависимости скорости охлаждения р-ра СаС12, с ультразвуковой обработкой и без неё

При сравнительном анализе (рис.3) видно, что ультразвук оказывает наибольший положительный эффект при более высоких концентрациях. Данный факт подтверждают данные из таблицы 1.

Таблица 1 - Выход СаС12Х6Н2О в зависимости от условий проведения кристаллизации

Концентрация, г/см3 Условия проведения Выход продукта, кг

614 Без ультразвука 795

614 С ультразвуком 870

624 Без ультразвука 687

624 С ультразвуком 875

635 Без ультразвука 635

635 С ультразвуком 1000

Поскольку при высоких концентрациях вязкость раствора кальция хлорида более высокая, а так же в силу более высокого пресыщения рост кристалла на стенках происходит более интенсивно. А применение ультразвука позволяет повысить скорость теплообмена и толщину экранируемой кристаллом теплообменной поверхности

Выводы

1. Изучено влияние концентрации кальция хлорида на процесс кристаллизации хлорида кальция фармакопейной чистоты. Установлено, что в более концентрированных растворах процесс перекристаллизации происходит медленнее, в то время как в менее насыщенных растворах процесс происходит более интенсивно.

2. При использовании ультразвуковой обработки наблюдается, повышение скорости кристаллообразования, сопровождаемая сглаживанием влияние концентраций раствора.

3. Использование ультразвуковой обработки приводит к снижению инкрустации на стенках теплообменных аппаратов, понижению размера кристалла и повышению выхода продукта.

Литература

1. Мелихов И.В., Присяжнюк В. А. Журнал физической химии. 1979, 53 (5), 1108.

2. В.А. Присяжнюк, К.Х.Н. Физико-химические основы предотвращения кристаллизации солей на теплообменных поверхностях С.О.К. №10/2003г.

3. Донченко Г.М. Зарождение кристаллов в водных растворах солей в условиях трения твердых поверхностей: Автореф. дис. . канд. хим. наук. Казань, 1988. - 16 с

4. Агранат, Б.А. Основы физики и техники ультразвука / Б.А. Агранат. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.

5. Пирогов Г. В. Исследование комбинированных химических и акустических методов ограничения накипеобразования в теплообменном оборудовании ТЭС и котельных: Дис. канд. хим. наук. Москва, 2008. -111с

© Н. Р. Костина - асп. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ;

Р. Т. Ахметова - д-р техн. наук, проф. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, rachel13@list.ru.