Physics | Thermodynamics » Dr. Ortutay Miklós - Kristályosítás

Kristályosítás (írta: Dr Ortutay Miklós) 1. Oldhatóság 2. Kristályképz dés, kristálymag, kristálynövekedés 3. Készülékek 1. Oldhatóság: Fázisegyensúly: f(p, t, x1, x2, , ) Kristályosításnál p = állandó. Az ábrán oldhatósági diagram látható. A V pont tiszta víz az S pont a vízmentes sót jelenti A tiszta anyagok olvadáspontja és fagyáspontja megegyezik. Az O pont vízre, a B pont a sóra vonatkozó olvadáspont. A K pont összetételét eutektikus összetételnek nevezik Ilyen összetétel oldat h tése esetén állandó összetétel kristálykeverék (jég, só keverék) válik ki. Ha az egyik komponens víz akkor a kristálykeverék neve kriohidrát. H tésre alkalmazzák a 29,9% CaCl2-ból és 70,1% jégb l álló -55 C0-os keveréket. H téssel történ kristályosítási folyamat esetén az M1 összetétel oldat az N1N2 görbe szerint egyenletesen h l a T2 h mérséklet N2 pontig. További h tés során sókristályok válnak ki, a h tés

jellege a kristályosodási h miatt lelassul. Sókiválás következtében az oldat szegényedik sóban. A T4 h mérsékletig két fázisból oldatból és sóból áll a rendszer T4 pontot elérve a teljes kifagyás végéig kriohidrát válik ki. Az ábrán stabil kristályhidrátot képez só oldhatósági diagramja látható. A D pont az M összetétel kristályhidrát olvadáspontja. Az M összetételnél kisebb ill nagyobb összetétel oldat esetén (L és P között) h téskor kezdetben a stabil kristályhidrát válik ki. Az ábrán a G1 és az M0 összetétel oldatok leh lési görbéi láthatók. 2. Kristályképz dés, kristálymag, kristálynövekedés Instabil kristályhidrátra lapos maximum jellemz , ugyanis a folyadékállapotban részben elbomló hidrát növeli az oldat koncentrációját ami fagyáspont csökkenéshez vezet. Az oldhatósági görbe töréspontja (J pont) jelzi, hogy a hidrát nem állandó, elbomlik. J pont h mérsékletén a vízmentes só

átkristályosodik. Stabil kristályhidrátok: S * H2 O S * 6 H2O S * 7 H2O S * 12 H2O Az oldhatósági görbék alapján anyagmérlegek segítségével a kristályosítás hozama meghatározható. B - betáplált oldat, E - elpárologtatott g z, O - távozó anyalúg, C - keletkezett kristály Tömegmérleg: O+E+C=B Só mérleg: OxO+CxC=BxB O=(BxB - CxC)/xO Az anyalúg mennyiséget a tömegmérlegbe helyettesítve meghatározható a keletkezett kristály mennyisége: x B 1− B − E xO C= x 1− C xO Az oldatból történ kristályosításnál a hajtóer az oldat túltelítettsége. Kristályosodáshoz a telítési koncentrációnál nagyobb koncentráció szükséges. Az ábrán egyensúlyi oldhatósági görbék láthatók. A különböz görbék esetén eltér módon célszer túltelítettséget biztosítani Alapvet en h téssel vagy bepárlással lehet egy telített oldatot túltelítetté tenni. Az egyensúlyi oldhatósági görbe alatti stabil tartomány a

telítetlen oldat mezeje. A telítési görbén lév oldat dinamikus egyensúlyban van, az id egység alatt keletkez kristályok tömege azonos az oldodó kristályok tömegével. A metastabil tartományban a kristályképz dés nem valószín , de a meglév szemcsék növekednek. A túltelített oldat instabil és szilárd fázis kiválásával könnyen telített oldattá alakul. A labilis tartományban spontán kristályképz dés van, a magképz dés sebessége hirtelen növekszik. A túltelítési görbe, a metastabil tartomány határa sok tényez t l (h tési sebesség, keverési állapot, párolgási sebesség, készülékfal anyaga, stb.) függ Kristály az élettelen anyag legrendezettebb formája. A kristályok síklapokkal határolt, eltér formájú szilárd testek. Az alkotórészek (ion, atom) térrácsban helyezkednek el Az oldhatósági görbe alapján a keletkez kristály mennyiség meghatározható, de a kristályok száma, mérete nem. A kristályosító

berendezések tervezésénél, üzemeltetésénél fontos szempont, hogy a termék meghatározott szemcseeloszlással rendelkezzen. A kristályosítás elvileg kétlépcs s folyamat, els lépésben a kristálymagok, kristálygócok keletkeznek, a második lépcs ben a kristályszemek növekednek. A gyakorlatban e folyamatok egyidej leg mennek végbe. A kristálymagok képz dési sebessége függ túltelítés (h mérséklet és koncentráció) mértékét l, az oldatot érint hatásoktól (kevertségi állapot, rázás, súrlódás, falhatás), az oldat szennyezettségét l stb. Kristálymag, kristálygóc keletkezik kristályok ütközése (kristálykristály, kristály-fal) következtében is Ipari készülékeknél a törvényszer ségeket tapasztalati adatok alapján állapítják meg. Az ábrán különböz , jellegzetes a túlh tés függvényében megadott gócképz dési és kristálynövekedési görbék láthatók. Az a típusú anyagnál pld kis túlh tés (1) esetén sok

kis kristály, míg nagy túlh tésnél (2) kevés nagy kristály keletkezik. A b, és c ábrán feltüntetett túlh téseknél milyen lesz a kristályosodás? Az ábrán a túltelítés következtében látható a kristálynövekdési és magképz dési sebesség és a segítségükkel meghatározható szemcse nagyságindex. A kristálynövekedés során a kristálylapok az ábrán látható módon párhuzamosan eltolódnak. Az oldalak elmozdulási sebességét transzlációs sebességnek nevezik. A növekedéskor a nagysebesség lap elt nik míg a kis sebesség megmarad (átnövés elve). Ez a folyamat oldáskor fordított. A kristályok növekedési sebessége a lamináris határréteg csökkentésével növelhet , ugyanis a határréteg diffúziós ellenállást jelent. 3. Készülékek Az ábrán látható berendezés h téssel kristályosít. A betáplált oldat felfele halad a készülékben és h l. A fels harmadban képz d kristálygócok a b vül keresztmetszet

miatt addig maradnak a térben míg méretük meg nem n annyira, hogy lesüllyedhetnek. A berendezés osztályozott terméket állít el . A kristályosító a V h t vízzel h ti a 2-tekn ben lév O oldatban forgó 1-dob köpenyét. Az oldatot a G g zf tés tartja melegen (K- kondenz). A dobon kikristályosodó terméket a 4 késsel távolítják el. A h t víz be- és elvezetésére a 3-cs tengely szolgál A leng kristályosító nyitott berendezés. A kristályosítandó oldat az állandóan leng mozgást végz berendezésben lassan halad el re. Az oldat a részleges párolgás következtében h l. Kis túltelítés, nagy kristályok jellemzik a max. 15 m hosszú és 1,5 m széles berendezést A zárt vagy nyitott csigás kristályosítóban mozgó oldatot a h t vízköpenybe vezetett vízzel h tik. A kristályokat a kever szuszpendált állapotban tartja A cukoriparban cukorpép utókristályosítására használják Több testes vákuumkristályosító A 4 jel barometrikus

vákuumkondenzátorban a 3 g zsugárszivattyúval tartott vákuum az alacsonyabban elhelyezett elpárologtató testekb l (1) a magasabban lév testekbe szívja az oldatot. A testekben vákuumot a 3 jel g zsugárszivattyúk biztosítanak Az elszívott pára g ztartalma a 2 jel kondenzátorokban lekondenzál. Az ábrán a G a g z- V a vízbetáplálást jelzi. Rendszerint kisméret kristályok el állítására szolgál. Kényszerkeringtetés bepárló kristályosító alkalmazásával nagyobb méret kristályok állíthatók el . Az oldat keringtetése a h átviteli tényez értékét is kedvez en befolyásolja azon túlmen en, hogy a keringetett oldatból csak egy adott méretet elért kristályok ülepednek le. A keringtet propellernél kavitációs veszély van