Urządzenia do

zatężania i

krystalizacji

roztworów

Jakub M. Gac

Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej

Katedra Inżynierii Procesów Zintegrowanych

p. 325 (gmach IChiP), tel. [phone]

Konsultacje: czwartek, g. 11:15-12:00

15.04.2010

Urządzenia do

zatężania i

krystalizacji

roztworów

15.04.2010

• Odparowywanie rozpuszczalnika
• Odzyskiwanie par

rozpuszczalnika lub
uproszczenie wydzielania
substancji stałej

• Ciśnienie procesu

Wyparki

15.04.2010

• Urządzenia do odparowywania

rozpuszczalnika z roztworu

• Praca na ogół ciągła
• Typy wyparek

– Z cyrkulacją naturalną
– Z cyrkulacją wymuszoną
– Warstewkowe

Wyparki

z cyrkulacją naturalną

15.04.2010

• Cyrkulacja wywołana strumieniem

konwekcyjnym

• Wymiana ciepła

– Przeponowa

• Ściana wyparki
• Płaszcz grzejny
• Zespół rurek, którymi przepływa

czynnik grzejny

– Bezprzeponowa (palniki

zanurzeniowe)

Palniki zanurzeniowe

15.04.2010

•

Bezpośrednie spalanie
gazu w cieczy

•

Spaliny ogrzewają
roztwór bezprzeponowo

•

Zalety

–

Prostota konstrukcji

–

Zwarta budowa

–

Wysoka sprawność
termiczna

–

Możliwość
stosowania do cieczy
korozyjnych i cieczy
wydzielających osady

Palniki zanurzeniowe

15.04.2010

•

Wady

–

Skomplikowana
kontrola spalania

–

Wymagana bliskość
instalacji gazowej (z
wyjątkiem palników
na paliwo płynne)

Wyparka Roberta

15.04.2010

•

Wyparka z rurkami pionowymi

•

Przestrzeń parowa

–

Rozdział mieszaniny para-
ciecz

–

Odprowadzanie oparów

•

Komora grzejna

–

Pionowe rurki

–

Rura cyrkulacyjna
(odprowadzanie produktu)

•

Roztwory czyste, rozcieńczone
o niedużej lepkości

Wyparka

z zewnętrzną rura opadową

15.04.2010

•

Roztwór odprowadzany z
miejsca o maksymalnym
tężeniu

•

Możliwość pracy w dużym
zakresie stężeń i zmian
obciążenia surówką

•

Długi kontakt z
powierzchnią grzejną

Wyparka Kestnera

15.04.2010

•

Duża liczba rurek o małej
średnicy

•

Wznosząca się warstewka
cieczy

•

Zagęszczanie przy
jednokrotnym przepływie

•

Zastosowanie dla mieszanin
wrażliwych na wysokie
temperatury (przemysł
farmaceutyczny)

•

Nieodpowiednia dla
roztworów krystalizujących

Wyparka

ze spływającą warstewką

15.04.2010

•

Warstewka cieczy spływa
grawitacyjnie

•

Zastosowanie w
przypadku utrudnionej
cyrkulacji (duża lepkość
roztworu)

•

Niższa temperatura i
ograniczony czas kontaktu
– nie zachodzi
krystalizacja

Wyparki

z cyrkulacją wymuszoną

15.04.2010

•

Zwiększenie szybkości przepływu cieczy

–

Zwiększenie współczynnika wnikania
ciepła

–

Zmniejszenie wymaganej powierzchni
wymiany ciepła

–

Ograniczenie tendencji do krystalizacji

•

Wymuszenie cyrkulacji

–

Mieszadło (śmigłowe lub turbinowe)

–

Pompa cyrkulacyjna

Wyparki

z wewnętrzną komorą grzejną

15.04.2010

•

Pompa śmigłowa w dolnej
części komory grzejnej

•

Mieszanie roztworu
zatężonego ze świeżą
surówką

Wyparki

z zewnętrzną komorą grzejną

15.04.2010

•

Zewnętrzny wymiennik ciepła

•

Podwyższone ciśnienie w
wymienniku (uniknięcie
wrzenia)

•

Niższe ciśnienie w komorze
parowej (intensywne wrzenie)

•

Recyrkulacja – częściowe
mieszanie surówki z cieczą
zatężoną

Wyparki

cienkowarstwowe

15.04.2010

•

Mieszadło utrzymuje
niewielką grubość warstewki

•

Dobre warunki wymiany
ciepła

–

Mała grubość warstewki

–

Mieszanie

•

Krótki czas przebywania
roztworu w wyparce

Wyparki

cienkowarstwowa

rotacyjna

15.04.2010

•

Wirujące talerze

•

Warstewka cieczy na
skutek działania siły
odśrodkowej

•

Zastosowanie – analityka,
produkcja leków

Wyparki wirówkowe

15.04.2010

•

Zasada działania – jak
wirówki talerzowej

•

Roztwór odrzucany na
obwód na skutek
działania siły
odśrodkowej

•

Czas przebywania
roztworu w wyparce –
poniżej 1s

Wyparki płytowe

15.04.2010

•

Zwiększenie
burzliwości

•

Możliwość zatężania
roztworów
wrażliwych na
temperaturę

•

Stosunkowo małe
strumienie
roztworów

Baterie wyparne

15.04.2010

•

Połączenie wyparek (działów) w szereg

•

Wykorzystanie energii unoszonej przez
opary

•

Coraz mniejsze ciśnienie (coraz niższa
temperatura wrzenia)

•

Schematy

–

Współprądowy

–

Przeciwprądowy

–

Równoległy

Bateria współprądowa

15.04.2010

•

Roztwór samoistnie przepływa z działu do
działu

•

Roztwory, których odporność na
temperaturę maleje ze stężeniem

•

Coraz gorsze warunki wymiany ciepła

Bateria

przeciwprądowa

15.04.2010

•

Zbliżone warunki wymiany ciepła w każdym
dziale

•

Konieczność użycia pomp

Bateria równoległa

15.04.2010

•

Para przepływa szeregowo

•

W każdym dziale zatężanie jednostopniowe

•

Różne stężenia koncentratu

•

Roztwory skłonne do krystalizacji

Baterie wyparne

uwagi eksploatacyjno-

projektowe

15.04.2010

•

Największe zastosowanie – bateria
współprądowa (prostota eksploatacji)

•

Ilość działów – nie większa, niż trzy

•

Różnica temperatur w poszczególnych
działach – kilka stopni

•

Powierzchnia wymiany ciepła – taka sama w
każdym dziale

Wyparki mechaniczne

15.04.2010

•

Opary, po sprężeniu wykorzystywane do
ogrzewania

•

Sprężanie oparów – sprężarka lub ejektor

•

Roztwory wrażliwe na wysokie temperatury,
rozcieńczone

Wyparki z pompą ciepła

15.04.2010

•

Cyrkulacja czynnika grzejnego:

–

Odparowywanie w
komorze grzejnej

–

Kondensacja w skraplaczu

•

Możliwość odparowywania w
niskiej temperaturze

•

Przemysł spożywczy i
farmaceutyczny

Krystalizatory

15.04.2010

•

Wydzielanie substancji z roztworu przesyconego

•

Jądra nukleacji

•

Etapy

–

Nukleacja

–

Wzrost kryształów

•

Krystalizatory:

–

Okresowe (bardziej jednorodne kryształy,
krótszy czas procesu)

–

Ciągłe (większe strumienie surowca, lepsza
separacja kryształów)

Mechanizmy

krystalizacji

15.04.2010

•

Schładzanie

–

Substancje, których rozpuszczalność
rośnie z temperaturą

•

Odparowanie rozpuszczalnika

–

Rozpuszczalność malejąca z temperaturą

•

Krystalizacja w wyniku reakcji chemicznych

–

Wydzielające się ciepło powoduje
odparowanie rozpuszczalnika

•

Desublimacja

–

Krystalizacja z fazy gazowej

Krystalizator

z bezpośrednim chłodzeniem

15.04.2010

•

Ciągłe dostarczanie
roztworu

•

Przepływ
chłodnego
powietrza w
przeciwprądzie
(bezpośrednie
chłodzenie)

•

Przepływ dzięki
niewielkiemu
nachyleniu

Krystalizator
kołyskowy

15.04.2010

•

Krystalizator bębnowy

•

Przepływ powietrza – przeciwprądowy

•

Prosta konstrukcja, niski koszt eksploatacji

Krystalizator

z bezpośrednim chłodzeniem

15.04.2010

•

Wady krystalizatorów chłodzonych powietrzem:

–

Duża powierzchnia

–

Trudności z kontrolowaniem procesu

–

Usuwanie dużej objętości oparów do atmosfery

•

Rozwiązanie – krystalizator z obrotową chłodnicą
(zastosowanie płynów nie mieszających się z
roztworem jako czynnika chłodniczego)

Krystalizator

z bezpośrednim chłodzeniem

15.04.2010

•

Rozpylone węglowodory jako czynnik chłodniczy

•

Roztwór przepływający do góry paruje

•

Zalety:

–

Korzystne warunki wymiany ciepła

–

Eliminacja narostów

•

Wady

–

Zanieczyszczenie czynnikiem chłodniczym

–

Niebezpieczeństwo wystąpienia pożarów i
wybuchów

Krystalizator

kolumnowy

Krystalizator próżniowy

15.04.2010

•

Chłodzenie
roztworu w wyniku
samoodparowania
rozpuszczalnika

•

Zmniejszone
ciśnienie zwiększa
szybkość parowania

•

Dwa mechanizmy
krystalizacji

•

Najbardziej
rozpowszechnione
w przemyśle

Krystalizator z

klasyfikacją

15.04.2010

•

Chłodzenie przeponowe
bez odparowania
rozpuszczalnika

•

Cyrkulacja zawiesiny
kryształów

•

Odbiór kryształów z dołu
zbiornika (automatyczna
klasyfikacja
powstających kryształów
– jednakowy rozmiar)

Krystalizator bębnowy

15.04.2010

•

Bęben chłodzony od wewnątrz cieczą

•

Na powierzchni bębna krystalizuje substancja
z cienkiej warstewki roztworu

•

Warstewka produktu zdejmowana nożem lub
wałkiem

Krystalizator wyparny

15.04.2010

•

Wyparka przystosowana do
warunków krystalizacji

•

Odparowanie rozpuszczalnika
na skutek doprowadzenia ciepła

•

Obieg wymuszony

Krystalizator wyparny

15.04.2010

•

Cyrkulacja zewnętrzna
roztworu

•

Lepsze warunki do
intensyfikacji procesu

•

Krystaliczne produkty
masowe

Krystalizator

wytrąceniowy

15.04.2010

•

Wysalanie

•

Czynnik wytrącający:
alkohole, sól

•

Mała skala (przemysł
farmaceutyczny, barwniki)

Dziękuję za uwagę

Źródła rysunków:
• A. Warych, Aparatura procesowa
• Mały poradnik mechanika
• Internet

15.04.2010