Понятия кристаллизации и растворения. Статика и кинетика процессов. Растворимость. Степень пересыщения. Способы кристаллизации.

Кристаллизация – процесс разделения однородных жидких растворов на твердую и жидкую фазы: растворенное вещество и растворитель. При этом может быть выделение твердого растворенного вещества из его раствора (кристаллизация из раствора) или процесс выделения твердой фазы при затвердевании веществ, находящихся в расплавленном состоянии (кристаллизация из расплава).
Ненасыщенным называется такой раствор, который способен в данных условиях растворить в себе некоторое количество содержащегося в нем вещества.
К насыщенным относятся растворы, которые не изменяют своего состава, находясь в контакте с кристаллами растворенных в них веществ. Содержание растворенного вещества в насыщенном растворе соответствует его растворимости при данных условиях.

Пересыщенным называется раствор, в котором содержание какого-либо вещества в растворенном виде превышает его растворимость в данных условиях.
Растворением называется процесс взаимодействия растворителя с полностью растворяемой твердой фазой, не образующей остаточной пористой структуры (скелета) и шлама (нерастворимого осадка). При наличии пористого тела процесс перехода растворимого вещества в раствор называют выщелачиванием. Выщелачивание происходит в две стадии: диффузия внутри пор и массоотдача с геометрической поверхности тела. Растворение предполагает взаимодействие растворителя с твердым телом только на его внешней поверхности.

Кинетика процесса кристаллизации

Выделяют три основные стадии процесса кристаллизации: создание пересыщения исходной системы, зарождение центров кристаллизации и рост кристаллов.
Зарождение кристаллов. Интенсивность зарождения кристаллов характеризуют скоростью их зарождения, под которой понимают количество центров кристаллизации (зародышей), возникающих в единице объема за единицу времени.

Рост кристаллов происходит одновременно по всем граням, однако при различных линейных скоростях роста отдельных граней одни из них исчезают, другие развиваются, что приводит к изменению внешнего вида кристалла.

Способы кристаллизации

Политермическая или изогидрическая кристаллизация идет при неизменном содержании воды в системе. Она характерна для веществ, растворимость которых при повышенных температурах заметно превышает их растворимость при более низких температурах, и происходит путем охлаждения пересыщенных растворов. Изотермическая кристаллизация происходит путем удаления растворителя из системы (испарении воды) при постоянной температуре, она характерна для веществ, мало изменяющих свою растворимость при изменении температуры. Испарение воды может производиться интенсивным способом при кипении раствора или при медленном поверхностном испарении. Высаливание - кристаллизация соли может быть достигнута введением в раствор веществ, уменьшающих ее растворимость. Таковыми являются вещества, содержащие одинаковый с данной солью ион, ил связывающие воду. Осаждение веществ из растворов с помощью реагентов - Если при этом образуется практически нерастворимый продукт реакции, он сразу осаждается из быстро пересыщающегося раствора. Если продукт реакции растворим, его кристаллизация начинается после достижения необходимого пересыщения и продолжается по мере подачи реагента (осадителя).

Вымораживание применяется преимущественно для выделения отдельных компонентов из естественных рассолов, например соленых озер, при этом кристаллизацию проводят охлаждением растворов до температуры ниже 0°С. Способ вымораживания используется для концентрирования растворов путем частичного удаления из них растворителя в виде льда. В этом случае кристаллизуется не соль, а растворитель - вода. Концентрируя морскую воду вымораживанием льда, получают 8% раствор соли, который используется для получения хлорида натрия.

Вакуум-кристаллизация. При вакуум-кристаллизации испарение растворителя происходит не путем подвода тепла через стенку, а за счет отдачи раствором своего физического тепла, которое расходуется на испарение части растворителя (приблизительно 10 вес. %). Пары откачиваются вакуум-насосом. Температура поступающего горячего насыщенного раствора снижается до температуры кипения раствора, соответствующей давлению в аппарате. Процесс протекает адиабатически.

Кристаллизация с испарением части растворителя в токе носителя (воздуха). При этом способе часть растворителя испаряется в движущийся непосредственно над раствором воздух. Одновременно раствор охлаждается.

Дробная, или фракционированная, кристаллизация. При наличии в растворе одновременно нескольких подлежащих извлечению веществ его подвергают дробной, или фракционированной, кристаллизации, создавая условия для последовательного осаждения этих веществ путем изменения температуры и концентрации раствора.

22 Материальный и тепловой балансы кристаллизации. Аппаратурное оформление процесса.