chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2020-15-5-7-15chemicallytech-1645Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИContact crystallization of substances from solutions using evaporating refrigerantsКонтактная кристаллизация веществ из растворов с применением испаряющегося хладагентаНосовГ. А.NоsоvG. A.

Носов Геннадий Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры процессов и аппаратов химических технологий имени Н.И. Гельперина. Scopus Author ID 7003643516

119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Gennadi А. Nosov, Dr. of Sci. (Engineering), Professor, N.I. Gel’perin Department of Processes and Apparatus of Chemical Technologies. Scopus Author ID 7003643516

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571, Russia

nosovga@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3184-8496УваровМ. Е.UvаrоvM. E.

Уваров Михаил Евгеньевич, старший преподаватель кафедры процессов и аппаратов химических технологий имени Н.И. Гельперина

119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Mikhail E. Uvarov, Senior Teacher, N.I. Gel’perin Department of Processes and Apparatus of Chemical Technologies

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571, Russia

uvamikhail@yandex.ruМИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова)РоссияMIREA – Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation202014112020155715Copyright © Nоsоv G.A., Uvаrоv M.E., 20202020Носов Г.А., Уваров М.Е.Nоsоv G.A., Uvаrоv M.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1645Objectives

Objectives. The aim of this study was to analyze the possibility of using contact crystallization with evaporating refrigerants for the isolation of substances from their aqueous solutions using salts [KNO3, NaI, and (NH2)2CO] as extraction examples and sucrose. Isobutane was used as a refrigerant.

Methods

Methods. The analysis of the influence of the main technological parameters (i.e., solution’s cooling temperature, initial concentration, and compressed refrigerant vapor pressure) on the separation process and identification of its regularities was performed using mathematical dependencies previously developed by N.I. Gelperin and G.A. Nosov for each stage of the contact crystallization process. The authors studied the influence of these parameters on the yield of crystalline and liquid phases, refrigerant consumption, and compressor power.

Results

Results. The study showed that the use of evaporating refrigerants can significantly intensify the process of separating the mixture and spent refrigerant from the resulting crystalline suspension. This occurs owing to the evaporation of the liquid refrigerant that is in contact with the solution, which is accompanied by intense cooling. This process can be carried out at the temperature difference between the refrigerant and crystallizing mixture in the range of 0.5–1.0°C.

Conclusions

Conclusions. Contact crystallization with evaporating refrigerants can be successfully applied to separate various substances from aqueous solutions. An important advantage of this process is the relatively low refrigerant consumption because heat removal from the solution is carried out as a result of changes in the aggregate state of the refrigerant. The use of contact crystallization can also considerably simplify the equipment.

Цели

Цели. Статья анализирует возможность применения контактной кристаллизации с использованием испаряющихся хладагентов для выделения веществ из их водных растворов на примере извлечения некоторых солей (KNO3, NaI, (NH2)2CO) и сахарозы. В качестве хладагента использован изобутан.

Методы

Методы. Изучение влияния основных технологических параметров – температуры охлаждения раствора, его исходной концентрации и давления сжатых паров хладагента – на ход рассматриваемого процесса разделения, а также выявление закономерностей его протекания проводилось с помощью выведенных ранее Н.И. Гельпериным и Г.А. Носовым математических зависимостей для каждой стадии процесса контактной кристаллизации. Авторы исследовали влияние указанных параметров на выход кристаллической и жидкой фаз, расход хладагента и мощность компрессора.

Результаты

Результаты. Установлено, что применение испаряющихся хладагентов позволяет существенно интенсифицировать процесс кристаллизации и облегчает отделение отработанного хладагента от образующейся кристаллической суспензии. Это обусловлено тем, что при контакте жидкого хладагента с раствором происходит его испарение, которое сопровождается интенсивным охлаждением раствора. Установлено, что такой процесс может осуществляться при разности температур хладагента и кристаллизующейся смеси порядка 0.5–1.0 °C.

Выводы

Выводы. Контактная кристаллизация с использованием испаряющихся хладагентов может быть успешно применена для выделения различных веществ из водных растворов. Важным преимуществом проведения подобного процесса является относительно не- большой расход хладагента, поскольку отвод теплоты из раствора осуществляется в результате изменения агрегатного состояния хладагента. Использование контактной кристаллизации позволяет также значительно упростить аппаратурное оформление процесса.

кристаллизацияконтактное охлаждениеиспаряющиеся хладагентыводные растворыcrystallizationcontact coolingevaporating refrigerantsaqueous solutionsThis article has been translated from Russian into English by S. Durakov and edited for English language and spelling by Enago, an editing brand of Crimson Interactive Inc.ReferencesМатусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. М.: Химия; 1968. 304 с.Matusevich L.N. Kristallizatsiya iz rastvorov v khimicheskoi promyshlennosti (Crystallization from solutions in the chemical industry). Moscow: Khimiya; 1968. 304 р. (in Russ.).Гельперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники фракционной кристаллизации. М: Химия; 1986. 304 с.Gel’perin N.I., Nosov G.A. Osnovy tekhniki fraktsionnoi kristallizatsii (Fundamentals of fractional crystallization technique). Moscow: Khimiya; 1986. 304 p. (in Russ.).Mullin J.W. Crystallization. Oxford: Butterworth-Heinemann; 2001. 594 p.Mullin J.W. Crystallization. Oxford: Butterworth- Heinemann, 2001. 594 p.Михалёв М.Ф., Щупляк И.А. Контактная кристаллизация. Л.: Изд-во ЛГУ; 1983. 190 с.Mikhalev M.F., Schuplyak I.A. Kontaktnaya kristallizatsiya (Contact crystallization). Leningrad: LGU Publishing House; 1983. 190 p. (in Russ.).Challener C.A. Considering continuous crystallization. Pharm. Technol. 2015;39(5):38-40.Challener C.A. Considering continuous crystallization. Pharm. Technol. 2015;39(5):38-40.Elfassy E., Basel Y., Mastai Y. Crystallization of amino acids at the chiral ionic liquid/water interface. CrystEngComm. 2016;18(45):8769-8775. https://doi.org/10.1039/C6CE01726FElfassy E., Basel Y., Mastai Y. Crystallization of amino acids at the chiral ionic liquid/water interface. CrystEngComm. 2016;18(45):8769-8775. https://doi.org/10.1039/C6CE01726FKim H.J., Lee J. Novel porous materials prepared by repeated directional crystallization of solvent. Polymer Korea. 2015; 9(1):151-156. https://doi.org/10.7317/pk.2015.39.1.151Kim H.J., Lee J. Novel porous materials prepared by repeated directional crystallization of solvent. Polymer Korea. 2015;9(1):151-156. https://doi.org/10.7317/pk.2015.39.1.151Liu S., Hao L., Rao Z., Zhang X. Experimental study on crystallization process and prediction for the latent heat of ice slurry generation based sodium chloride solution. Appl. Energy. 2017;185(2):1948-1953. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.10.073Liu S., Hao L., Rao Z., Zhang X. Experimental study on crystallization process and prediction for the latent heat of ice slurry generation based sodium chloride solution. Appl. Energy. 2017;185(2):1948-1953. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.10.073Stamenov L., Stefanova V., Petkov K., Iliev P. Study of the crystallization process of ferric sulfate hydrate from rich of Fe(III) waste solutions. J. Chem. Technol. Metall. 2017;52(2):333-339.Stamenov L., Stefanova V., Petkov K., Iliev P. Study of the crystallization process of ferric sulfate hydrate from rich of Fe(III) waste solutions. J. Chem. Technol. Metall. 2017;52(2):333-339.Rachah A., Noll D. Mathematical Analysis of a Continuous Crystallization Process. In: Anastassiou G., Duman O. (eds.). Intelligent Mathematics II: Applied Mathematics and Approximation Theory. Advances in Intelligent Systems and Computing. Springer, Cham. 2016;441:283-301. https://doi.org/10.1007/978-3-319-30322-2_20Rachah A., Noll D. Mathematical Analysis of a Continuous Crystallization Process. In: Anastassiou G., Duman O. (eds.). Intelligent Mathematics II: Applied Mathematics and Approximation Theory. Advances in Intelligent Systems and Computing. Springer, Cham. 2016;441:283-301. https://doi.org/10.1007/978-3-319-30322-2_20Horst J.H., Schmidt C., Ulrich J. Fundamentals of Industrial Crystallization. In book: Handbook of Crystal Growth. Bulk Crystal Growth: Second Edition. 2015;2:1317-1349. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63303-3.00032-8Horst J.H., Schmidt C., Ulrich J. Fundamentals of Industrial Crystallization. In book: Handbook of Crystal Growth. Bulk Crystal Growth: Second Edition. 2015;2:1317-1349. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63303-3.00032-8Price C.J. Continuous Pharmaceutical Crystallization from Solution. In: Roberts K., Docherty R., Tamura R. (eds.). Engineering Crystallography: From Molecule to Crystal to Functional Form. NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology. Springer, Dordrecht. 2017;1:315-329. https://doi.org/10.1007/978-94-024-1117-1_19Price C.J. Continuous Pharmaceutical Crystallization from Solution. In: Roberts K., Docherty R., Tamura R. (eds.). Engineering Crystallography: From Molecule to Crystal to Functional Form. NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology. Springer, Dordrecht. 2017;1:315-329. https://doi.org/10.1007/978-94-024-1117-1_19Mancigotti S., Hamilton A. Salt crystallisation in pores: The effect of crystal growth rate on damage. WIT Trans. Built Environ. 2017;171:207-214. https://doi.org/10.2495/STR170181Mancigotti S., Hamilton A. Salt crystallisation in pores: The effect of crystal growth rate on damage. WIT Trans. Built Environ. 2017;171:207-214. https://doi.org/10.2495/STR170181Harada R. Development of small continuous crystallizer. J. Soc. Powder Technol. Japan. 2017;54(7):478-482. https://doi.org/10.4164/sptj.54.478Harada R. Development of small continuous crystallizer. J. Soc. Powder Technol. Japan. 2017;54(7):478-482. https://doi.org/10.4164/sptj.54.478Пап Л. Концентрирование вымораживанием. М.: Лёгкая и пищевая промышленность; 1982. 96 с.Pap L. Kontsentrirovanie vymorazhivaniem (Freezing Concentration). Moscow: Light and Food Industry; 1982. 96 p. (in Russ.).Филаткин В.Н., Плотников В.Т. Разделительные вымораживающие установки. М.: Агропромиздат; 1987. 352 с.Filatkin V.N., Plotnikov V.T. Razdelitel’nye vymorazhivayushchie ustanovki (Separating freezing installations). Moscow: Agropromizdat; 1987. 352 p. (in Russ.).Носов Г.А., Кесоян Г.А., Попов Д.А. Контактная кристаллизация с использованием охлажденных растворителей. Тонкие химические технологии. 2008;3(2):40-44.Nosov G.A., Kesoyan G.A., Popov D.A. Contact crystallization with using of cooled solvents. Tonkie khimicheskie tekhnologii = Fine Chemical Technologies. 2008;3(2):40-44 (in Russ.).Семенов Е.В., Славянский А.А. Особенности процесса разделения суспензий в роторах фильтрующих центрифуг. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2017;5:7-12.Semenov E.V., Slavyanskiy A.A. Peculiarities of the process of suspensions separation in rotors of filtering centrifuges. Khimicheskoe i Neftegazovoe Mashinostroenie. 2017;5:7-12 (in Russ.).Носов Г.А., Уваров М.Е. Двухстадийная перекристаллизация с регенерацией растворителя. Тонкие химические технологии. 2017;12(1):50-56. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-1-50-56Nosov G.A., Uvarov M.E. Two-stage recrystallization with the regeneration of the solvent. Tonkie khimicheskie tekhnologii = Fine Chemical Technologies. 2017;12(1):50-56 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.