Введение
Кристаллизатор - водоохлаждающая форма (изложница) для ускоренного затвердевания жидкого металла; применяется на МНЛЗ, в установках электрошлакового переплава, в вакуумных дуговых печах. Конструкции кристаллизатора весьма многообразны. Так, корпус МНЛЗ кристаллизатора представляет литую или сварную конструкцию с опорным устройством (приставкой в виде брусьев, решеток, опорных роликов и др.), на котором закреплены водоохлаждающие стенки кристаллизатора из высокотеплопроводного металла (как правило, меди или сплавов на ее основе), непосредственно контактирующие с поступающим в кристаллизатор жидким металлом.
Кристаллизаторы МНЛЗ снабжены механизмами качения для придания им возвратнопоступательного движения или возвратноповоротного движения (для заготовок круглого сечения) в процессе разливки
Кристаллизаторы, их описание и классификация
По принципу действия различают следующие типы промышленных кристаллизаторов:
1) кристаллизаторы с удалением части растворителя;
2) кристаллизаторы с охлаждением раствора;
3) вакуум-кристаллизаторы;
4) кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем.
Кристаллизаторы с удалением части растворителя
Как было указано, наиболее распространенным способом удаления части растворителя является выпаривание. Появление в растворе кристаллов и создание условий для их роста требуют внесения некоторых изменений в конструкцию обычных выпарных аппаратов.
На рисунке изображен выпарной аппарат-кристаллизатор с подвесной нагревательной камерой и двумя работающими поочередно нутч-фильтрами для отделения кристаллов от маточного раствора.
Выпарной аппарат-кристаллизатор с подвижной греющей камерой и нутч-фильтрами:
1 – корпус аппарата; 2 - нагревательная камера; З – нутч-фильтр.
Кристаллизаторы с охлаждением раствора
Простейшие кристаллизаторы периодического действия с охлаждением раствора представляют собой цилиндрические вертикальные аппараты с охлаждающими змеевиками (или рубашками) и механическими мешалками для перемешивания раствора. С целью увеличения времени пребывания раствора в установке эти аппараты часто соединяют последовательно, располагая каскадом.
Расчет кристаллизаторов.
Материальный баланс кристаллизатора:
(1)
где G0 – масса исходного раствора; Gм – масса оставшегося маточного раствора после отделения кристаллов; Gкр – масса выпавших кристаллов; Gw – масса испаренного растворителя.
Баланс по растворенному веществу:
(2)
где в0 и вм – массовая доля растворенного вещества в исходном и в маточном растворе.
Величина вм равна концентрации насыщенного раствора при температуре t0 (определяется из справочника).
При температуре кипения концентрация насыщенного раствора равна вк (определяется из справочника).
Масса испаренного растворителя равна:
(3)
Решая систему из уравнений 1 и 2, находим неизвестные величины Gкр и Gм.
По рассчитанным величинам масс и концентраций подбирают кристаллизатор периодического действия.
По условию образования и роста кристаллов кристаллизаторы подразделяют на следующие основные типы:
поверхностные, в которых образование и рост кристаллов происходят на охлаждаемой поверхности;
объемные, в которых образование и рост кристаллов происходят во всем объеме аппарата;
смешанного типа, которых образование и рост кристаллов происходят на охлаждаемой поверхности и в объеме аппарата.
Объемные кристаллизаторы, в свою очередь, разделяют на прямоточные (в этих аппаратах раствор и кристаллы движутся прямотоком), емкостные (в этих аппаратах с помощью мешалок происходит полное перемешивание кристаллизующейся системы) и циркуляционные (по гидродинамическому режиму они занимают промежуточное положение между прямоточными и емкостными). Циркуляционные кристаллизаторы вследствие достаточно большой их удельной производительности и высокого качества получаемы в них кристаллов находят широкое распространение в технике.
По типу создания условий пересыщения кристаллизаторы можно подразделить на три группы: 1) изогидрические; 2) вакуумные; 3) испарительные.
Поверхностные кристаллизаторы
На рис.1 представлена схема устройства изогидрического поверхностного вальцового кристаллизатора, который обычно используется для кристаллизации солей с существенно снижающейся растворимостью при понижении температуры.
Рис.1. схема устройства вальцового кристаллизатора:
1-барабан; 2-корыто; 3-нож для съема кристаллов; 4-полые валы; 5-паровая рубашка.
Рис.2. ленточный кристаллизатор:
1,5-барабаны; 2-бункер; 3-бортик; 4-отверждаемый слой; 6-приемный бункер; 7-щетки; 8-движущая лента.
Аппарат представляет собой горизонтальный вращающийся барабан 1 с водяной рубашкой, погруженный в корыто 2 с кристаллизуемым раствором. Во избежание преждевременной кристаллизации корыто снабжено паровой рубашкой 5 для нагревания раствора. За один оборот барабана (со скоростью порядка 0,1-1 м/с) на его поверхности образуется слой кристаллов, который снимается с барабана ножом 3.
Вальцовые кристаллизаторы чаще всего применяют для кристаллизации расплавов или из растворов с небольшим содержанием маточного раствора. К недостаткам кристаллизаторов этого типа следует отнести мелкокристалличность получаемого продукта; при этом в кристаллы обычно переходят все содержащиеся в исходном расплаве примеси.
Для кристаллизации расплавов применяют также ленточные кристаллизаторы (рис.2).
Образование отвержденного слоя 4 происходит на бесконечной ленте 8 при охлаждении расплава, то целесообразно использовать этот метод охлаждения). Расплав на ленту можно подавать различным способом: сплошным слоем, полосами и т.п. для очистки ленты о оставшихся на ней кристаллов (после удаления основной массы кристаллов в бункер 6) применяют металлические щетки 7.
Объемные кристаллизаторы
Этот тип кристаллизаторов получил наибольшее распространение в промышленности. Наиболее простым объемным кристаллизатором периодического действия является аппарат с рубашкой и мешалкой (рис.3).
Рис.3. объемный кристаллизатор периодического действия с мешалкой:
1-корпус; 2-охлаждающая рубашка; 3-мешалка.
К объемным кристаллизаторам с испарительным охлаждением относится непрерывнодействующий качающийся кристаллизатор (рис.4).
Кристаллизатор представляет собой достаточно длинное (10-15 м) открытое корыто 1 на бандажах 3, опирающихся на ролики 2. Корыто устанавливают с небольшим наклоном вдоль его продольной оси. С помощью специального привода корыто медленно качается на опорных роликах. Охлаждение раствора осуществляется за счет теплообмена с окружающей средой. Этот процесс малоинтенсивен. Медленное движение и охлаждение раствора влечет за собой снижение скорости образования зародышей, что приводит к укрупнению образующихся кристаллов. При этом кристаллы обычно имеют правильную форму, поскольку они хорошо омываются раствором. В этих аппаратах возможно скольжение кристаллов, что сопровождается продольным перемешиванием раствора, в результате чего образуется мелкокристаллический продукт. Для устранения этого явления в корыте устанавливают поперечные перегородки 4.
Большим достоинством качающегося кристаллизатора является отсутствие движущихся частей в кристаллизующемся растворе, благодаря чему возможен широкий выбор конструкционных материалов. К его недостаткам следует отнести громоздкость, низкую производительность, возможность создания тяжелых условий труда вследствие испарения раствора в производственном помещении и др.
Широкое распространение в промышленности получили разнообразные по конструкции объемные кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем кристаллов. Интенсивное перемешивание при псевдоожижении увеличивает массоперенос, что приводит к ускорению роста кристаллов. Степень пересыщения раствора при этом достаточно быстро снижается. Если температуры и гидродинамические условии одинаковы, то в этом случае с уменьшением степени пересыщения раствора скорость роста кристаллов увеличивается быстрее, чем скорость образования зародышей. Поэтому метод псевдоожижения применяют для кристаллизации относительно слабо пересыщенных растворов вблизи границы метастабильной области. При этом необходимо регулировать степень пересыщения, температуру, время пребывания кристаллов в аппарате. Более крупные кристаллы быстрее осаждаются на дно, а кристаллы меньших размеров продолжают расти в псевдоожиженном слое. Тем самым в кристаллизаторах с псевдоожиженным слоем кристаллов возможно регулирование их размеров.
Рис.4. непрерывнодействующий качающийся кристаллизатор с испарительным охлаждением:
1-корыто; 2-опорные ролики; 3-бандажи; 4-перегородки.
Кристаллизацию в псевдоожиженном слое можно проводить изогидрически или с удалением части растворителя испарением (изотермически).
Рис.5. изогидрический кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов:
1-корпус; 2-центральная труба; 3-отстойник; 4-холодильник; 5-насосы; 6-циркуляционная труба.
Рис.6. Вакуум-выпарной кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов:
1-корпус; 2,3,7-циркуляционные трубы; 4-насос; 5-теплообменник; 6-отстойник; 8-отбойник; 9-сепаратор; 10-емкость для сбора маточного раствора.
Поверхностно-объемные кристаллизаторы
К этому типу аппаратов можно отнести барабанные кристаллизаторы с воздушным охлаждением (рис.7).
Рис.7. барабанный кристаллизатор с воздушным испарительным охлаждением:
1-вращающийся барабан; 2-приво; 3-бандажи.
Корпус кристаллизатора представляет собой слегка наклонный, вращающийся от привода 2 барабан 1 с бандажами 3. горячий раствор поступает в верхний конец барабана, непрерывно перемешивается и охлаждается воздухом, движущимся противотоком по отношению к движению раствора. Образующиеся на внутренней поверхности кристаллы не влияют на производительность кристаллизатора, поскольку охлаждение раствора осуществляется при непосредственном его контакте с воздухом. Для устранения инкрустации внутри барабана во всю его длину монтируют подвижные цепи, которые при вращении барабана сбивают инкрустацию, а образующиеся при этом кристаллы смешиваются с основной их массой в барабане.