ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Кристаллизация и растворение из "Физические методы интенсификации процессов химической технологии" Известно, что кристаллизация из растворов включает в себя две основные стадии образование кристаллических зародышей и их дальнейший рост, взаимодействие между собой и с маточным раство-,ром. Соответственно, кинетика кристаллизации характеризуется двумя величинами скоростью образования зародышей и скоростью роста кристаллов. В зависимости от свойств веществ, условий проведения процесса и требований к конечному продукту обе или одна из этих стадий могут оказаться лимитирующими. [c.145] Общим термодинамическим условием, при котором из раствора образуются кристаллы, яёляется пересыщение или переохлаждение раствора. Однако соблюдение только этого условия недостаточно, так как переохлажденные растворы могут длительное время находиться в метастабильном состоянии [1]. [c.145] Динамические воздействия на пересыщенный раствор, такие как перемешивание, встряхивание, трение о стенки, звуковые и ультразвуковые колебания,влияют на образование зародышей. Исторические обзоры исследований по кристаллизации содержатся в работах В. Оствальда и М. Фольмера [1]. [c.146] Помимо механических воздействий, изучалось также влияние на кристаллизацию электрических и магнитных полей, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, потоков электронов и нейтронов. [c.146] Шубников показал влияние электрического поля на зарождение центров кристаллизации в растворе хлорида аммония. В опытах Ясуичи наблюдалось увеличение зародышей в растворах солей при прохождении через них электромагнитных волн длинами 30-90 см. Таким образом, физические воздействия могут способствовать зарождению новых центров кристаллизации, а некоторые-ускорить и линейный рост. [c.146] В отношении причин, вызывающих влияние на зарождение кристаллов, мнения ученых расходятся. Обсуждение некоторых гипотез дано Л. Н. Матусевичем [2] и Б. Чалмерсом [3]. [c.146] Механические воздействия (встряхивание, перемешивание, удары, трение о стенки, звук и ультразвук) в отсутствие кавитации обладают одной общей особенностью - упорядоченными колебаниями частиц среды. Возможно, именно от этого фвктора и зависит образование зародышей. [c.146] Пиз и Блинке исследовали реальную прочность жидкостей. Раствор легко кристаллизующегося вещества обрабатывался ими для удаления центров пониженной прочности. Затем определялась кавитационная прочность при температурах несколько выше и ниже температуры кристаллизации. Было замечено, что кавитация возбуждается одновременно с кристаллизацией. В. И. Образцов и Б. Ф. Сотник [7], проведя подобные опыты, делают вывод, что кристаллизующаяся среда характеризуется пересыщением газами, создающими благоприятные условия для возникновения парогазовых полостей. Вместе с тем, в свете изложенного выше, эти пыты можно интерпретировать так. [c.147] Механическое возмущение может вызвать в пересыщенном растворе появление пары пузырек- кристалл. Это явление легко наблюдать экспериментально в условиях воздействия мощного ультразвука на раствор в зоне кавитации к поверхности раствора поднимаются пузырьки, а на дно падают кристаллы. При слабых докавитационных полях пузырек не вырастает, вновь растворяясь, а кристаллический зародыщ при наличии пересыщения продолжает расти. [c.148] В режиме кавитации скорость зародыщеобразования в растворах сильно возрастает. Чалмерс [3] предположил два механизма зарождения центров кристаллизации в ультразвуковом поле в режиме кавитации понижение температуры стенки пузырька при его расширении и сдвиг температуры плавления, вызываемый ударной волной. Подробное обсуждение этих механизмов приводится в работе Р. Хиклинга [8]. [c.148] При длительных воздействиях ультразвука в режиме кавитации начинается дробление выросших кристаллов, что создает большой дополнительный поток зародышей. Поскольку в кавитационном пузырьке сосредоточиваются сильные электрические микрополя, а, как отмечалось, электрическое поле влияет на зародышеобразование, не исключен и электрический механизм стимулирования зародышеобразования. [c.148] Исследования влияния на кристаллизацию докавитационного ультразвукового поля стоячих волн А. П. Капустиным и X. С. Багда-саровым [9] показали, что наибольшее число центров образуется в пучностях давления (узлах смещения и скорости) волны. Линейная скорость в узлах давления становится меньше естественной, и кристалл растет в тангенциальном направлении по отношению к направлению смещения частиц. В пучностях давления кристалл растет быстрее и нормально по отношению к направлению смещения частиц. [c.148] Все эти опыты проводились в одномерных стоячих волнах. В МИХМе были проведены эксперименты с трехмерными и двухмерными стоячими волнами [10]. [c.148] Используя трассер, обнаружили, что внутри колеблющихся ячеек на пересечении линий узлов располагаются микровихри, вращение в которых чередуется в шахматном порядке (на рис. 7.2 микровихри показаны стрелками). Исследовались волны длиной от 0,25-10-2 до 1,4-10 2 м, при этом соответственно угловые скорости вихрей изменяли от 20 до 1 рад/с, а амплитуду колебаний от 0,5-10-3 до 0,02-10-3 м. [c.148] Исследования кристаллизации в микровихрях позволили установить, что в микровихрях протекает весь цикл от зарождения до выращивания кристалла сферической формы. На основании этих исследований были разработаны способ кристаллизации и устройство, реализующее его. Ниже приведен пример интенсификации процесса кристаллизации. [c.149] Предположим, что рост зародышей представляет собой диффузионный процесс, который можно ускорить, используя конвекцию. Тогда первоначально нужно создать максимальную относительную скорость движения кристалла и раствора. Для взвешенных в растворе кристаллов их относительное движение можно организовать, создавая колебания раствора на определенной частоте, изменяемой в ходе роста кристаллов. [c.149] Таким образом, в качестве интенсифицирующего можно выбрать акустическое воздействие, характеристики которого (амплитуда и частота), должны быть рассчитаны из анализа модели процесса. [c.149] Возможны два случая акустического воздействия на рост кристалла. [c.149] Вернуться к основной статье