В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Сублимация
Вакуумные установки - Аппараты для дистилляции и ректификации
Оглавление
Сублимация
Страница 2
Страница 3
Страница 4
Сублимация в «кипящем» слое
Все страницы

 

Простая сублимация подобна простой дистилляции, примененной к смеси твердых веществ. Точный термин «сублимация» относится к превращению твердого вещества в пар без жидкой фазы. Практически этот термин обычно относят ко всему процессу, включая как испарение твердого вещества, так и последующую десублимацию пара. В ряде случаев имеет место так называемая квазисублимация, которая представляет собой переход: твердое вещество — жидкость—пар—твердое вещество.


Таким образом,общее требование к процессу состоит в том. что на стадии конденсации не должно быть жидкой фазы. Когда несколько компонентов смеси твердых веществ сублимируются в заданных условиях, разделение этих компонентов можно произвести фракционной сублимацией, если упругости их паров сильно различаются.

Однако сходство дистилляции и сублимации не является сходством механизма процесса и аппаратурного оформления. Конструкции конденсаторов и соединительных трубопроводов между испарителями и конденсаторами имеют характерные отличия, связанные с тем, что при сублимации они могут забиваться твердым конечным продуктом.

На рис. 64 приведена фазовая диаграмма с кривой сублимации. При температурах и давлениях, соответствующих кривой сублимации, происходит переход вещества из твердого состояния непосредственно в пар, и наоборот. Если тройная точка О расположена при давлении выше атмосферного, то вещество не расплавляется при нормальных условиях и действительная сублимация легко достижима. Например, углекислый газ CO2 имеет тройную точку при температуре —57° С и давлении около 5 атм, при атмосферном давлении нельзя получить жидкую углекислоту.

Если же тройная точка расположена при давлении ниже атмосферного, то для достижения действительной сублимации требуется понизить давление. Для этого применяют два способа: в замкнутом объеме поддерживают общее давление ниже давления сублимации твердого вещества при данной температуре (сублимация под вакуумом) или с потоком газа удаляют испаряющееся вещество так, чтобы парциальное давление пара этого вещества все время поддерживают более низким, чем давление сублимации (сублимация с несущим газом).


 

 Если к твердому  веществу в испарителе подвести избыточное количество тепла, то его температура и давление пара могут превысить температуру и давление пара в тройной точке, и оно расплавится. Использование жидкой фазы в процессе сублимации (квазисублимация) часто имеет свои преимущества, так как увеличивается теплопередача к испаряемому веществу, а следовательно, возрастает скорость испарения. При этом необходимо создать такую разность давлений пара в сублиматоре и конденсаторе, чтобы давление пара вещества и конденсаторе было ниже давления в тройной точке.

Для ускорения процесса передачи тепла к твердому телу, который является малоинтенсивным, можно уменьшить размер частиц. Однако и в этом  случае теплопередача мало интенсивна, так как хотя и увеличивается контактная поверхность, но между частицами остается незаполненное пространстве, создающее термическое сопротивление.

Таким образом, легче всего передать тепло к жидкости, и если вещество стойко к изменению температуры, целесообразно проводить процесс квазисублимации. В аппарат можно вместить мешалку. Зернистый материал, загруженный в сублиматор, также обычно перемешивается тем или иным способом. Обнаружено, что при применении метода «кипящего» слоя коэффициенты передачи тепла к сублимируемому материалу резко возрастают.

В конденсаторах теплопередача малоинтенсивна, в особенности когда образуется большой слой твердого продукта. Обычно применяют специальные устройства, чтобы предотвратить образование такого слоя (качающийся груз, скребки, щетки и т. п.). Коэффициент теплопередачи принимается 2-8 ккал/(м2*ч * °С). При последовательной установке конденсаторов форма кристаллов различна в разных конденсаторах. Для улучшения теплопередачи в конденсаторе может быть применен метод десублимации в «кипящем» слое.


Если для получения чистого вещества можно использовать сублимацию, то целесообразнее применить ее, а не кристаллизацию или экстракцию растворителем. В процессе кристаллизации требуется растворение сырья в соответствующем растворителе, избирательная адсорбция загрязнений специальными адсорбентами, фильтрация, сушка, а также, возможно, дробление готового продукта и регенерация растворителя.

Очистка сублимацией в ряде случаев значительно проще и дешевле. Простая сублимация в вакууме применяется в химических производствах давно. Вакуумной сублимацией очищают такие вещества, как трехокись сурьмы, фторид кальция, сульфид цинка, магнезию. Ряд металлов получают в чистом виде также сублимацией. Многие вещества, которые плавятся при высоких температурах, могут быть очищены вакуумной сублимацией, например салициловая кислота, антрахинон, бензонтрон и т. п.


 

Рис. 65. Схема сублимационной установки:1— крышка; 2 — противни для сублимируемого вещества; 3 — поверхность десублимации; 4 — вращающиеся щетки; 5 — передача вращения в вакуумную систему; 6 — муфта; 7 — электродвигатель



При конструировании установок для вакуумной сублимации стремятся расположить сублиматор и конденсатор как можно ближе один к другому. Для этого применяют короткую соединительную трубу большого диаметра

Рис. 66. Вакуумная сублимационная установка для синтетической камфары: 1 — предварительный бункер; 2 — подающий шнек; 3 — испаритель; 4 — конденсатор; 5 — вакуумная линия

или располагают сублимационную и конденсационную зоны в одном аппарате. На рис. 65 дана принципиальная схема такой установки (фирма Лейбольд, ФРГ). Твердое вещество испаряется из плоского противня в вакууме;образующийся пар конденсируется на охлаждаемых наружных стенках. Продукт, отделенный благодаря конденсации в твердой кристаллической форме, удаляется с холодной поверхности скребками и собирается в ресивере

На рис. 66 приведена схема установки для сублимации камфары. Установка состоит из бункера 1 для сырого материала, в котором сырье нагреется, а в случае необходимости и расплавляется, подающего шнека 2, испарителя 3 с установленным в нем специальным перемешивающим устройством и двух конденсаторов 4. Аналогичные установки применяют для сублимации пирогаллола, салициловой кислоты и других веществ.


В установке, показанной на рис. 67, сублимация и конденсация происходят в одном и том же аппарате. Сублимация магнезии в этой установке происходит при давлении 10-1 — 10-2 мм рт. ст. и температуре 600 0С. Для нагревания сублимируемого вещества нижняя часть корпуса аппарата помещена внутрь нагревателя, а верхняя часть охлаждается воздухом.

Установка непрерывного действия (рис. 68) работает в условиях, когда вещество переходит в пар из жидкого состояния, а конденсируется в твердое квазисублимация). Над поверхностью жидкого расплава, находящегося на нагреваемом противне, размещены охлаждаемые вращающиеся вальцы, на поверхности которых образуется твердый сублимат. Сублимат непрерывно очищается с поверхности вальцев.

Вакуумная дистилляционная установка с вращающимся конденсатором, в котором происходит десублимация, показана на рис. 69 (фирма Ульвак, Япония). Ее применяют для очистки органических соединений, температура плавления которых от 250 0С до комнатной температуры: полупродуктов для производства красителей, сырья для химических производств и высокополирерных материалов. Поступающий в конденсатор пар быстро конденсируется затвердевает на вращающейся поверхности, откуда его можно соскребать механически. Такая конструкция рекомендуется, в частности, для метааминофенола, резорцина, 6-нафтола и других продуктов.

 

Сублимационный аппарат для очистки веществ (аминоантрахинона, бензантрона, метилантрахинона и др.), разработанный в ЧССР Б. Балайкой и Фр. Корнхерром обеспечивает непрерывное механизированное удаление остатка из сублиматора и непрерывную транспортировку сублимата в сборник готового продукта (рис. 70). Работа производится при относительно высоких температурах и давлении 1—2 мм рт. ст.

В установке применен нагреваемый цилиндр, внутри которого перемещается сырье, перемешиваемое механическим устройством — лопастным питателем. Это же устройство служит для удаления остатка. Конденсатор также выполнен в виде цилиндра с охлаждаемой поверхностью, с которой сублимат непрерывно соскребается скребками на стальных пружинах. Лопастной питатель и скребки установлены на одном общем валу, вращающемся в цилиндре, одна часть которого служит сублиматором, а другая конденсатором. Загрузочный бункер рассчитан на 250 кг сырья. Чтобы материал не скапливался в бункере, на кожухе его смонтирован вибратор. В нижней конусной части бункера расположено регулируемое дозирующее устройство.

Люк 5 предназначен для удаления несублимируемого остатка. Вокруг цилиндра в сублимационной части равномерно расположены электронагреватели 9. Конденсационная часть имеет три охлаждающие рубашки 10, которые могут иметь различную температуря В части корпуса конденсатора, которая проходит через приемный резервуар имеется выходное отверстие 12. Через это отверстие готовый продукт попадает в приемник и далее выгружается из аппарата. Полый вал с лопастями и скребками обогревается изнутри Обогрев оси шнека необходим, так как в противном случае на нем наблюдается конденсация продукта.


В небольших установках можно объединять испаритель, конденсатор и сублимационный сепаратор в одну колонну для того, чтобы работать с меньшей потерей давления.

 

 


 

 


Для улучшения условий теплопередачи при сублимации с несущим газом применяют метод сублимации восприимчивых к изменениям температуры веществ в кипящем слое, причем для образования кипящего слоя применяют нестирающийся твердый материал, на пример очищенный морской песок с размером зерен 100—300 мкм. Исследования показали, что при сублимации с газом-носителем в кипящем слое коэффициенты теплопередачи увеличиваются в 4 раза по сравнению с коэффициентами для насыпного слоя.

В некоторых случаях целесообразно проводить испарение из расплав и парциальную конденсацию выше точки плавления. При этом предусмотрен также дополнительный сублимационный сепаратор с очисткой остаточного продукта путем десублимации. Для такой очистки фирмой Лейболь; (ФРГ) разработаны конические сепараторы, снабженные системой вращающихся скребков для удаления сублимата с холодной поверхности. Сублимационные сепараторы изготовляют с охлаждающими поверхностями 1,2 I 5,8 м2. Общий вид такого сепаратора высотой 6,5 м показан на рис. 71.

 Сублимацию в кипящем слое можно проводить в условиях вакуума. Сублиматор конструируют как простую или тарельчатую колонну. Для простой сублимации в кипящем слое достаточна обычная колонна. Если нужно провести фракционную сублимацию, то применяют тарельчатые колонны, причем верхняя тарелка служит дефлегматором, ее температуру поддерживают более низкой. В этом случае сублимация в кипящем слое подобна ректификации, | поскольку твердая фаза превращается в псевдоожиженную. Газ-носитель (воздух или азот) проходит в вакуумную систему через прибор для измерения расхода газа, сублиматор, фильтр и конденсатор в вакуумный насос.

Давление в системе регулируется количеством подаваемого газа. Если постепенно понижать давление в системе, то при каком-то предельном давлении уже] нельзя сохранить состояние кипящего слоя. Это предельное давление зависит от высоты кипящего слоя, характера материала кипящего слоя, диаметра аппарата, скорости откачки насоса и потерь давления на отдельных участках. Предельные давления обычно составляют 1—30 мм рт. ст. Для сублимации в кипящем слое предпочтительна величина зерен материала 30—40 мкм.

Так как материал непрерывно испаряется, то никакого кипящего слоя не получится, если не ввести в испаритель посторонний материал, обеспечивающий поддержание однородного кипящего слоя. Смесь с соотношением количества постороннего материала и сырья ~20 : 1 непрерывно подается через среднюю по высоте часть аппарата непосредственно в кипящий слой, несублимируемый остаток вместе с посторонним материалом выгружается через дно сублиматора.) После этого посторонний материал регенерируется выжиганием или просеиванием и снова возвращается в сублиматор. Вымывание остатка растворителем следует применять, если этот остаток должен быть сохранен.

Пар сублимируемого вещества должен обязательно пройти через обогреваемый фильтр. Хорошим результаты получены при использовании фильтров из стекловолокна. При проведении процесса в кипящем слое под вакуумом скорость сублимации высокая, но при этом нужно следить за тем, чтобы достигалась тщательная очистка сырого материала, так как при таких больших скоростях процесса иногда происходит загрязнение. Если конденсация производится в процессе сублимации в кипящем слое под вакуумом, конденсат в объемно конденсаторе имеет вид почти такой же, как при сублимации в вакууме без применения кипящего слоя. При этом в первом конденсаторе с наиболее высокой температурой выпадает конденсат с большей насыпной массой, и при сублимации под вакуумом. В последующих конденсаторах образуется «пней» такого типа, какой обычно образуется при сублимации с несущим газом.

Непрерывность процесса является преимуществом как сублимат в кипящем слое, так и сублимации с несущим газом, но в первом случае беспечен непрерывный вынос несублимируемого остатка, так что можно рационально обработать сырье с большим содержанием остатка. Конденсат при сублимации в кипящем слое при атмосферном давлении образуется в виде «снега» с большой поверхностью и незначительной насыпной массой.

При сублимации в кипящем слое под вакуумом большая по массе часть десублимата выпадает в компактном виде, как и при сублимации под вакуумом, но по сравнению с последней осуществляется вынос остатка, для него нужен ячейковый шлюз. Установка для сублимации в кипящем слое год вакуумом при наличии башен большого диаметра требует насосов большой производительности. Обычно при сублимации под вакуумом стараются избежать малейшей негерметичности, а при сублимации с газом-носителем те работают при давлениях порядка нескольких миллиметров ртутного столба. Сублимация в кипящем слое под вакуумом представляет собой синтез обоих методов.

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   

 

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 150 гостей на сайте

Нов боков адс адаптивный

=
Рейтинг@Mail.ru