Кристаллизация как технологический метод широко используется в химической и родственных отраслях промышленности, а также в лабораторной практике при различных научных исследованиях.

Методом кристаллизации осуществляются следующие процессы:

-получение твердых продуктов в виде слитков, блоков, гранул, чешуек и т. п.;

-выделение различных веществ из растворов;

-разделение смесей на фракции, обогащенные тем или иным компонентом;

-глубокая очистка веществ от примесей;

-выращивание монокристаллов.

Известны следующие варианты процесса кристаллизации: из расплавов, из растворов, из паровой фазы, в твердом состоянии. Каждый из указанных вариантов объединяет по несколько технологических разновидностей.

Кристаллизация из паровой фазы применима для веществ, обладающих высоким парциальным давлением паров над твердой фазой, т. е. для веществ, способных переходить непосредственно из паровой фазы в кристаллическую и наоборот. Этот вариант кристаллизации можно использовать для очистки от примесей таких веществ, как нафталин, фталевый ангидрид, йод, водородные соединения мышьяка и др.

Кристаллизация в твердом состоянии осуществляется при термической обработке материалов с целью получения определенной кристаллической структуры. Данный вариант кристаллизации широко применяется в металлургической промышленности, а также при переработке термопластичных полимерных материалов.

Наибольшее распространение в промышленности и лабораторной практике получили кристаллизация из расплава и кристаллизация из раствора.

Кристаллизация из раствора применяется преимущественно при переработке неорганических веществ. Часто данный процесс используется с целью получения продуктов в виде кристаллов определенных размеров и формы. При кристаллизации из растворов появляется возможность значительно снизить температуру процесса в сравнения с кристаллизацией того же вещества непосредственно из расплава. Это особенно важно при переработке высокоплавких веществ. В ряде случаев использование кристаллизации из растворов вызвано высокой вязкостью веществ в расплавленном состоянии.

В химической промышленности и в лабораторной практике часто встречаются процессы кристаллизации, осложненные химическим взаимодействием. Чаще всего эти процессы протекают в жидкой фазе, причем в результате взаимодействия двух веществ образуется новое соединение, выпадающее в кристаллическом состоянии.

Кристаллизация расплавов включает в себя довольно большое число технологических методов, которые можно разделить на три группы: отверждение расплавов, фракционная кристаллизация и выращивание монокристаллов.

Отверждение расплавов широко применяется в химической и родственных ей отраслях промышленности для получения продуктов (удобрений, пластмасс, реактивов и т. д.) в виде отливок, пластинок, чешуек, гранул и т. п.

Фракционная кристаллизация используется с целью разделения исходных бинарных или многокомпонентных расплавов на фракции, обогащенные тем или иным компонентом, а также для глубокой очистки вещества от примесей. По сравнению с другими методами

-низкие энергетические затраты, обусловленные тем, что теплота плавления веществ в 6—8 раз меньше теплоты испарения;

-низкие рабочие температуры, что особенно важно при разделении термолабильных веществ;

-возможность разделения смесей близкокипящих компонентов и азеотропных смесей;

-отсутствие необходимости в растворителях.

Заметим, что большинство смесей при переходе от расплавленного состояния к кристаллическому имеют довольно высокие термодинамические коэффициенты разделения, благодаря чему методы фракционной кристаллизации расплавов относятся к числу высокоэффективных.

В настоящее время фракционная кристаллизация расплавов широко применяется в производстве таких крупнотоннажных продуктов, как нафталин, бензол, изомеры ксилола, а также при очистке нефтепродуктов от предельных углеводородов и т. п. Широкое распространение методы фракционной кристаллизации получили также в производствах высокочистых веществ, пользующихся непрерывно возрастающим спросом. Здесь сыграло большую роль появление новых методов фракционной кристаллизации расплавов: зонная плавка, противоточная кристаллизация, осуществление процесса в тонком слое и др.

Различными методами кристаллизации расплавов в настоящее время производят большую часть монокристаллов разнообразных веществ — как низкоплавких органических соединений, так и тугоплавких веществ (металлы, окислы, соли).

Различным аспектам процесса кристаллизации посвящена довольно обширная литература, большая часть которой относится, однако, к вопросам образования и роста кристаллов. Результаты исследований в этой области частично обобщены в работах [1—5]. Технологическая сторона процесса освещена в настоящее время крайне слабо; исключение составляют лить кристаллизация металлов [6—8], зонная плавка [9—11] и выращивание монокристаллов [1, 12]. Попытка обобщения литературной информации в этой области предпринята в нескольких монографиях [5, 13, 14].

Отсутствие изданий, посвященных проблеме кристаллизации расплавов в целом и особенно аппаратурно-технологическому оформлению и расчету типовых технологических процессов, естественно, сдерживает развитие и внедрение данного перспективного процесса. Учитывая сложившееся положение, авторы стремились в первую очередь рассмотреть технологические аспекты и закономерности процессов кристаллизации расплавов, а также аппаратурное оформление данных процессов. В силу этого вопросы термодинамики фазового перехода расплав — кристаллическая фаза, зарождения и роста отдельных кристаллов, формы и структуры кристаллических образований рассмотрены в ограниченном объеме.

Авторы выражают надежду, что данное издание окажется полезным пособием для научных работников, проектировщиков и инженеров-практиков, занимающихся исследованием, проектированием и эксплуатацией процессов кристаллизации расплавов, а также для аспирантов и студентов химико-технологических специальностей.

Все критические замечания по содержанию и форме изложения материала авторами будут приняты с благодарностью.

• Агрегатное состояние.
• Температура кристаллизации.
• Правило фаз.
• Однокомпонентные системы.
• Бинарные системы. Системы, не образующие твердых растворов. Системы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Системы с ограниченной растворимостью в твердом состоянии. Системы, образующие при кристаллизации химические соединения. Системы с ограниченной растворимостью и полной нерастворимостью компонентов в жидком состоянии.
• Тройные системы. Общие сведения. Системы, не образующие твердых растворов. Системы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Системы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.
• Четверные системы. Общие сведения. Системы, не образующие твердых растворов. Системы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

• Зарождение кристаллов. Гомогенное зарождение кристаллов. Гетерогенное зарождение кристаллов. Влияние нерастворимых примесей. Влияние растворимых примесей. Влияние механических воздействий. Влияние электрических и магнитных полей. Влияние прочих факторов.
• Рост и форма кристаллов. Теория роста кристаллов. Скорость роста кристаллов. Кинетика кристаллизации. Форма кристаллов. Влияние примесей. Влияние конвекционных и концентрационных потоков. Влияние механических воздействий. Влияние некоторых других физических факторов.

• Некоторые особенности перехода веществ из жидкого состояния в твердое.
• Охлаждение расплавов индивидуальных веществ с высокими скоростями зарождения и роста кристаллов. Теоретическое описание процесса. Экспериментальные исследования. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных. Доохлаждение кристаллической фазы.
• Анализ процесса охлаждения расплава с учетом переохлаждения на границе раздела фаз.
• Охлаждение расплавов с низкими скоростями зарождения и роста кристаллов. Изотермическая кристаллизация. Кристаллизации при высоких скоростях охлаждения.
• Охлаждение кристаллизующихся полимеров в формах.
• Охлаждение аморфных веществ.
• Охлаждение бинарных расплавов.
• Аппаратурное оформление. Отверждение расплавов в формах. Трубчатые кристаллизаторы. Отливочные столы. Машины для литья под давлением. Экструзионные машины. Ротационные кристаллизаторы. Кристаллизаторы смесительного типа. Ленточные кристаллизаторы. Барабанные кристаллизаторы. Дисковые кристаллизаторы. Отверждение диспергированных расплавов.

• Основные особенности массовой фракционной кристаллизации.
• Расчет процесса однократной кристаллизации.
• Многоступенчатая перекристаллизация расплава.
• Разделение суспензий.
• Экспериментальные исследования влияния некоторых факторов на процесс массовой фракционной кристаллизации.
• Аппаратурное оформление. Емкостные кристаллизаторы без перемешивания. Емкостные кристаллизаторы с перемешиванием. Кристаллизаторы с охлаждающими трубами. Механические кристаллизаторы. Дисковые кристаллизаторы.

• Основные особенности противоточной кристаллизации. Ступенчатые противоточные кристаллизаторы. Кристаллизаторы с непрерывным массообменном.
• Теоретическое рассмотрение процесса. Модели идеальной ступени. Модели дифференциального противоточного контактирования.
• Аппаратурное оформление. Шнековые кристаллизаторы. Поршневые противоточные кристаллизационные колонны. Пульсационные колонны. Скребковые противоточные колонны. Барабанные кристаллизаторы. Противоточные центробежные кристаллизаторы. Противоточные колонны для опреснения воды. Противоточные кристаллизаторы с вакуумной фильтрацией. Секционированные колонные кристаллизаторы.

• Основные особенности процесса.
• Методы выращивания монокристаллов. Метод Обремова – Шубникова. Метод Бриджмена. Метод Стокбаргера. Метод Штебера. Метод Наккена. Метод Киропулоса. Метод Чохральского. Выращивание монокристаллов методом зонной плавки. Метод Вернеля.