Tuần 9: Kết Tinh - CRYSTALLIZATION | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Tuần 9: KẾT TINH - CRYSTALLIZATION Do Xuan Truong truong.doxuan@hust.e du.vn
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer) I. KHÁI NIỆM
Kết tinh: là quá trình tách chất rắn hòa tan trong dung dịch dưới dạng tinh thể.
Tinh thể là vật rắn đồng nhất có các hình dạng khác nhau, giới hạn bởi các
mặt phẳng. Tinh thể gồm các phân tử nước gọi là tinh thể ngậm nước (tinh thể hydrat)
Ứng dụng: ứng dụng rộng rãi để tách dưới dạng sạch.
Các giai đoạn: kết tinh, tách tinh thể ra khỏi dung dịch, kết tinh lại (nếu cần
thiết), rửa và sấy khô tinh thể
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CÂN BẰNG TRONG KẾT TINH
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến
độ hòa tan của dung dịch
- T tăng, độ hòa tan tăng – hòa tan dương (Phần lớn).
- T Tăng, độ hòa tan giảm – hòa tan âm.
- T cố định, dung dịch ở trạng thái cân bằng
với pha rắn gọi là độ bão hòa: tinh thể
mới tạo thành = tinh thể hòa tan vào dung dịch.
- Để kết tinh: tạo trạng thái quá bão hòa
cho dung dịch, trạng thái quá bão hòa
không bền vững và dễ chuyển về trạng thái bão hòa.
Đoạn 4a-4, muối Na2SO4.10H2O hòa tan
dương, đoạn 4-4b muối Na2SO4 hòa tan âm
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CÂN BẰNG TRONG KẾT TINH
Dưới 1-1: vùng chưa bão hòa; trên 2-2 vùng quá bão hòa; giữa 1-1 và 2-2 vùng hỗn hợp
Khi nhiệt độ giảm từ t2 đến t1, nồng độ dung dịch đi từ trạng thái bão hòa
sang trạng thái quá bão hòa, nồng độ dung dịch từ Co đến Cx, sau đó pha rắn
tách ra, dung dịch trở thành bão hòa.
- Để kết tinh, thường cần làm lạnh dung dịch
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CÂN BẰNG TRONG KẾT TINH
Khi độ hòa tan tăng nhỏ (KCl), cần giảm khoảng nhiệt độ lớn do vậy cần kết hợp làm bay hơi dung môi.
Muối NaCl, độ hòa tan không tăng theo nhiệt độ do vậy cầy thực hiện quá trình
cô đặc (bay hơi dung môi).
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer) III. VẬN TỐC KẾT TINH
Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc quá trình kết tinh: Mức độ bão hòa dung
dịch, nhiệt độ, sự tạo mầm dung dịch, tạp chất… 1. Quá trình tạo mầm
Mầm tinh thể = tâm kết tinh: được hình thành khi dung dịch ở trạng thái quá
bão hòa do dung dịch được làm lạnh hoặc bốc hơi một phần dung môi.
Mầm tinh thể: do sự liên kết của các ion (phân tử) khi va chạm với nhau.
- Vận tốc tạo mầm: phụ thuộc vào bản chất chất tan, dung môi, mức độ quá
bão hòa, nhiệt độ, pp khuấy trộn, tạp chất. Thời gian từ vài giây đến vài tháng.
- Để tạo mầm, cho tinh thể chất hòa tan, hoặc chất khác nhưng cùng cấu
trúc tinh thể: chất trợ mầm.
- Tăng cường quá trình tạo mầm: thay đổi nhiệt độ, cường độ khuấy, tác
động cơ học bên ngoài (rung lắc, va đập), độ nhám bề mặt thiết bị, vật liệu làm cánh khuấy.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer) III. VẬN TỐC KẾT TINH
2. Quá trình lớn lên của tinh thể
- Tinh thể phát triển về kích thước
- Tinh thể có năng lượng bề mặt lớn
nên hút các chất hòa tan trong dung dịch.
- Thuyết Khuếch tán: chất hòa tan
khuếch tán từ lòng dung dịch qua
lớp biên, chuyển độ dòng sát bề mặt
tinh thể và sau đó dính vào tinh thể.
- Chiều dày lớp chuyển động dòng
phụ thuộc và cường độ khuấy dung dịch.
- Vận tốc kết tinh thay đổi, đầu tiên
bằng 0 (giai đoạn tạo mầm), đạt cực
đại trong thời gian ngắn, rồi lại giảm dần về 0.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer) IV. PHƯƠNG PHÁP KẾT TINH
1. Kết tinh tách một phần dung môi
- Tách dung môi bằng phương pháp cô đặc cho tới khi dung dịch đạt trạng thái quá bão
hòa ở mức độ cần thiết để thực hiện QT kết tinh – kết tinh đẳng nhiệt.
- Nhược điểm: các tinh thể bám trên bề mặt thiết bị truyền nhiệt, tăng nồng độ tạp chất.
Do vậy phải tăng vận tốc tuần hoàn dung dịch hoặc khuấy trộn.
- Tách nước cái (dung dịch) khỏi tinh thể dùng lọc, ly tâm. Nước cái + nước rửa quay lại cô đặc
2. Kết tinh thay đổi nhiệt độ
- Để tạo dung dịch quá bão hòa cần làm lạnh bằng nước lạnh hoặc nước muối.
- Làm việc liên tục, gián đoạn
- Có thể thực hiện trong nhiều thiết bị nối tiếp nhau, dung dịch đi từ thiết bị này đến thiết
bị khác, sản phẩm lấy ra liên tục 3. Kết tinh chân không
- Dung môi bay hơi nhờ hút chân không, nhiệt độ dung dịch giảm tương ứng với áp suất
chân không, dung dịch đạt trạng thái quá bão hòa và kết tinh.
- Kết tinh có thể tiến hành đồng thới hút chân không và làm lạnh
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
V. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH KẾT TINH 1. Cân bằng vật liệu
1.1. Kết tinh khi tách một phần dung môi
a=M/M2 – tỷ lệ giữa khối lượng phân tử chất hòa tan dạng khô tuyệt đối và
tinh thể ngậm nước. Nếu tinh thể không ngậm nước a=1. Cân bằng chung: Cân bằng cho chất tan:
G1, b, bµ, a biết trước, do vậy G2 được tính: a = 1, thì:
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
V. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH KẾT TINH 1. Cân bằng vật liệu
1.1. Kết tinh khi không tách dung môi
Lượng tinh thể nhận được:
2. Cân bằng nhiệt kết tinh
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
V. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH KẾT TINH
2. Cân bằng nhiệt kết tinh
Lượng nhiệt mang vào thiết bị:
Lượng nhiệt mang ra thiết bị: PTCBNL:
Khi kết tinh cần làm lạnh Q4=0, kết tinh làm bay hơi 1 phần dung môi Q8=0;
Chất tải nhiệt là hơi nước bão hòa:
Q4=D.r=(𝑖𝐷 − 𝐶𝑛𝑟. 𝜃)
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
VI. CẤU TẠO THIẾT BỊ KẾT TINH Phân loại:
1) Kết tinh tách một phần dung môi
2) Kết tinh làm lạnh dung dịch 3) Kết tinh chân không 4) Kết tinh tầng sôi
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
VI. CẤU TẠO THIẾT BỊ KẾT TINH
1. Kết tinh tách một phần dung môi - Dùng nồi cô đặc, có
thay đổi 1 vài kết cấu. - TB kết tinh phòng đốt treo + thùng lọc 3. - w dung dịch <3 m/s - Có thể dung nhiều nồi cô đặc
- Tinh thể kích thước lớn, đồng đều.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
VI. CẤU TẠO THIẾT BỊ KẾT TINH
2. Kết tinh làm lạnh bằng dung dịch
- Hình trụ đứng, làm lạnh bằng ống xoắn ruột gà, có cánh khuấy.
- Làm việc gián đoạn, tăng năng suất dùng dãy thiết bị.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
VI. CẤU TẠO THIẾT BỊ KẾT TINH
2. Kết tinh làm lạnh bằng dung dịch
- Loại máng: máng hở 1, vành đai 2, con lăn 3
- Dung dịch làm lạnh do mất mát nhiệt, và bay hơi một phần dung môi
- Tinh thể có kích thước 3-5mm cho đến 10-15 mm - Dài 15m, rộng 1,5m
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
VI. CẤU TẠO THIẾT BỊ KẾT TINH
3. Kết tinh làm lạnh bằng không khí và nước
- Thùng 1 quay nhờ con lăn, đặt trong vỏ 2, dung dịch đưa và đầu thùng
cao hơn, huyền phù và nước cái lấy ra ở đầu thấp hơn.
- Không khí ngược chiều dung dịch, 20 m3/1 kg tinh thể
- Chiều dày lớp lỏng 100-200 mm
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
VI. CẤU TẠO THIẾT BỊ KẾT TINH
3. Kết tinh làm lạnh bằng không khí và nước
- Dung dịch bão hòa vào từ 6, ống tuần hoàn 2, 3, thiết bị làm lạnh 4 làm dung dịch quá bão hòa
- Hạt tinh thể đủ lớn lắng xuống, hạt nhỏ cuốn ra ngoài được phân ly ở 7
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
VI. CẤU TẠO THIẾT BỊ KẾT TINH 4. Kết tinh chân không
Làm việc gián đoạn, không cần chế tạo từ vật liệu có hệ số dẫn nhiệt tốt (ko
làm lạnh) – gốm sứ, gang...
Thùng 1 có cánh khuấy, hút chân không bằng bơm tuye 2, hơi ngưng tụ trực
tiếp trong thiết bị chân cao baromet.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
VI. CẤU TẠO THIẾT BỊ KẾT TINH 4. Kết tinh chân không
- Làm việc liên tục, do hút chân không,
dung môi bốc hơi, dung dịch quá bão
hòa nên tinh thể hình thành
- Loại này có thể điều chỉnh kích thước
hạt bằng cách điều chỉnh vận tốc tuần hoàn.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)