способ выращивания кристаллов из раствора и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ выращивания кристаллов из раствора, включающий кристаллизацию на затравку из пересыщенного раствора, вывод части раствора, его перегрев выше температуры насыщения, фильтрацию и стабилизацию температуры раствора в кристаллизаторе до температуры кристаллизации посредством системы фильтрации, отличающийся тем, что стабилизацию температуры раствора осуществляют путем периодической подачи в кристаллизатор из системы фильтрации очищенного раствора, перегретого выше температуры насыщения, с одновременным выводом из кристаллизатора такого же количества раствора, температура которого ниже температуры кристаллизации, причем подачу перегретого раствора осуществляют до момента достижения температуры раствора в кристаллизаторе, равной температуре кристаллизации, и определяемого датчиком температуры.

2. Устройство для выращивания кристаллов из раствора, содержащее кристаллизатор с герметичной крышкой и систему фильтрации раствора, состоящую из соединенных последовательно выходного патрубка, нагревателя раствора, фильтра, насоса и входного патрубка, отличающееся тем, что система фильтрации выполнена так, что между входным и выходным патрубками параллельно кристаллизатору установлен перепускной канал, выходной конец которого аксиально расположен внутри выходного патрубка с возможностью его перемещения по глубине патрубка, причем перепускной канал и входной патрубок снабжены клапаном с регулируемым дросселем.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые способ выращивания кристаллов из раствора и устройство для его осуществления относятся к области техники, связанной с получением искусственных кристаллов, в частности для скоростного выращивания кристаллов группы KDP (KH₂PO₄ ). с постоянной фильтрацией в течение всего процесса.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому способу является способ выращивания кристаллов из раствора, включающий кристаллизацию на затравку из пересыщенного раствора, вывод части раствора, его перегрев, фильтрацию и стабилизацию температуры раствора в кристаллизаторе до температуры кристаллизации.

Этот способ рассмотрен в [1]. В нем кристаллизатор и фильтрующая система соединены последовательно.

Недостаток этого способа состоит в том, что профильтрованный раствор перед подачей в кристаллизатор охлаждается в холодильнике до температуры роста кристалла.

Переохлаждение составляет несколько градусов ниже температуры насыщения (T_нас), поэтому в этой части системы фильтрации раствор сильно пересыщен, находится в нестабильном состоянии и имеет большую вероятность образования паразитических кристаллов.

Кроме этого, стабилизация температуры в кристаллизаторе осуществляется с помощью жидкостного термостата, для которого требуется мешалка, электродвигатели и прочая оснастка.

Указанные недостатки устраняются предлагаемым способом выращивания кристаллов из раствора, включающего кристаллизацию на затравку из пересыщенного раствора, вывод части раствора, его перегрев выше температуры насыщения, фильтрацию и стабилизацию температуры раствора в кристаллизаторе до температуры кристаллизации посредством системы фильтрации, в котором стабилизацию температуры раствора осуществляют путем периодической подачи в кристаллизатор из системы фильтрации очищенного раствора, перегретого выше температуры насыщения, с одновременным выводом из кристаллизатора такого же количества раствора, температура которого ниже температуры кристаллизации, причем подачу перегретого раствора осуществляют до момента достижения температуры раствора в кристаллизаторе, равной температуре кристаллизации, и определяемого датчиком температуры.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому устройству является устройство для выращивания кристаллов из раствора, содержащее кристаллизатор с герметичной крышкой и систему фильтрации раствора, состоящую из соединенных последовательно выходного патрубка, нагревателя раствора, фильтра, насоса и входного патрубка [1].

Недостатком этого устройства является высокая вероятность образования паразитических кристаллов, особенно в той части системы фильтрации, где раствор перед подачей в кристаллизатор охлаждается до температуры кристаллизации, которая, в случае скоростного выращивания, на 8-10°С ниже температуры насыщения.

Указанный недостаток устраняется в предлагаемом устройстве для выращивания кристаллов из раствора, содержащем кристаллизатор с герметичной крышкой и систему фильтрации раствора, состоящую из соединенных последовательно выходного патрубка, нагревателя раствора, фильтра, насоса и входного патрубка, в котором система фильтрации выполнена так, что между входным и выходным патрубками, параллельно кристаллизатору, установлен перепускной канал, выходной конец которого аксиально расположен внутри выходного патрубка с возможностью его перемещения по глубине патрубка, причем перепускной канал так же, как и входной патрубок, снабжен клапаном с регулируемым дросселем.

Реализация предлагаемого способа выращивания кристаллов осуществляется с помощью устройства, показанного на фиг.1.

Устройство состоит из кристаллизатора 1, термостата 2 из пенопласта или поролона, перепускного канала 3, выходного конца 4 перепускного канала 3, клапанов 5 и 6, дросселей 7 и 8, входного патрубка 9, выходного патрубка 10, нагревателя раствора 11, фильтра 12, насоса 13, датчика температуры 14, герметичной прокладки 15.

На фиг.2 показан вариант устройства, в котором входной патрубок 9 и выходной патрубок 10 размещены в дне кристаллизатора.

На фиг.3 показан общий вид перепускного канала 3 с входным патрубком 9 и выходным патрубком 10. L - глубина погружения выходного конца 4 перепускного канала 3, которая может изменяться. ₁ и ₂ - пропускные сечения дросселей 7 и 8.

В зависимости от условий выращивания кристалла глубину погружения L выходного конца 4 перепускного канала 3 можно регулировать, перемещая его вдоль выходного патрубка 10, разжимая уплотнительную герметичную прокладку 15. При необходимости выходной конец 4 перепускного канала 3 может быть опущен ниже уровня раствора в кристаллизаторе.

Пропускные сечения ₁ и ₂ дросселей 7 и 8 на входном патрубке 9 и на перепускном канале 3 открыты постоянно, независимо от того, закрыт или открыт связанный с дросселем клапан.

Клапаны 5 и 6 работают в противофазе. С помощью дросселей 7 и 8 регулируется постоянный вспомогательный поток профильтрованного раствора. Вспомогательный поток, как и основной, имеет температуру Т ₂, которая выше температуры насыщения раствора. Вследствие этого в нем не могут образовываться паразитические кристаллы.

Кроме того, изменяя действующие сечения ₁ и ₂ дросселей 7 и 8, можно добиваться стабилизации температуры с требуемой точностью.

Работает устройство следующим образом (фиг.1). Кристаллизатор 1 и система фильтрации заполняются профильтрованным раствором. С помощью датчика температуры 14 в кристаллизаторе 1 устанавливают стабилизируемую температуру T₁ роста кристалла, которая ниже температуры насыщения Т_нас раствора. Разница температур (Т_нас -T₁) определяет выбранное пересыщение, необходимое для роста кристалла.

В контуре системы фильтрации устанавливают температуру Т₂, которая выше температуры насыщения Т_нас. Таким образом, Т₁=Т_{стабилизации} <Т_нас<Т₂. Дроссели 7 и 8 настроены так, чтобы через перепускной канал 3 и входной патрубок 9 протекал вспомогательный поток с температурой Т₂, который достаточен для того, чтобы входной патрубок 9 и выходной патрубок 10 были прогреты, но недостаточен для того, чтобы температура раствора в кристаллизаторе 1 стала больше температуры роста Т₁ .

Когда в кристаллизаторе 1, вследствие отдачи его стенками тепла в окружающую среду, стабилизируемая температура T₁ , при которой растет кристалл, понизится, клапан 5 на перепускном канале 3 закрывается, клапан 6 на входном патрубке 9 открывается, и основной поток раствора с температурой Т₂ из системы фильтрации, минуя перепускной канал 3, через входной патрубок 9 поступает в кристаллизатор 1. Такое же количество неочищенного раствора при температуре, которая стала ниже температуры стабилизации T₁, выводится из кристаллизатора 1 в систему фильтрации через выходной патрубок 10. В выходном патрубке 10 выводимый раствор сразу же нагревается вследствие того что смешивается с перегретым до температуры Т₂ вспомогательным потоком, который поступает в выходной патрубок 10 через выходной конец 4 перепускного канала 3. Смешанный с вспомогательным потоком раствор из выходного патрубка 10 поступает в нагреватель 11, где нагревается до температуры Т₂. Далее нагретый раствор проходит через фильтр 12 и насосом 13 через открытый клапан 6 и входной патрубок 9 снова подается в кристаллизатор 1. Температура раствора в кристаллизаторе 1 начинает повышаться и достигает заданной температуры стабилизации Т₁. Этот момент определяется датчиком температуры 14. который подает команду для закрытия клапана 6 на входном патрубке 9 и открытия клапана 5 на перепускном канале 3. Основной поток раствора с температурой Т₂, минуя кристаллизатор 1, через перепускной канал 3, выходной конец 4 перепускного канала 3 и выходной патрубок 10, начинает циркулировать по системе фильтрации до следующего понижения стабилизируемой температуры Т₁, после чего цикл нагрева раствора в кристаллизаторе и стабилизации его температуры повторяется.

Предлагаемые способ и устройство для выращивания кристаллов позволяют достигать требуемой точности стабилизации температуры роста кристаллов при непрерывной фильтрации раствора, без образования паразитических кристаллов.

Оценка точности стабилизации температуры роста была проведена на 10-литровом кристаллизаторе.

Датчиком температуры служило термосопротивление из медной проволоки, регулирующим и измеряющим прибором «Ремиконт» с точностью ±0,01°С.

Кристаллоносец имел реверсивное вращение, скорость вращения 70 об/мин, периодичность реверсирования 1 мин. Был использован шланговый насос марки БНШ 60-12 со сдвоенной головкой. Фильтрующим элементом служил мембранный фильтр с размером пор 0,2 мкм. Были заданы следующие параметры: поток раствора ˜200 мл/мин. стабилизируемая температура роста T₁ =51,35°С, температура насыщения раствора Т_нас =59°С, температура потока Т₂=68°С.

У предлагаемого кристаллизатора отсутствовал жидкостный термостат с электромешалкой и электронагревателем. Кристаллизатор имел жесткий термостат из поролона.

Измерения показали, что при предлагаемом способе стабилизируемая температура в кристаллизаторе изменяется в пределах ±0,05°С (51,35÷51,24°С). При этом время между подачей в кристаллизатор горячего перегретого раствора с температурой 68°С составляло в среднем 50 секунд, а время поступления горячего раствора с температурой 68°С составляло 30-35 секунд.

Преимуществами предлагаемого способа и устройства являются:

1. Вследствие того что в кристаллизатор подается раствор, перегретый выше температуры насыщения, полностью исключатся образование паразитических кристаллов.

2. Наличие регулируемых дросселей позволяет прогревать элементы и производить стабилизацию температуры с высокой точностью, ±0,05°С.

3. Предложенный способ позволяет, при эффективной фильтрации, термостатировать раствор в кристаллизаторе не с помощью жидкостного термостата с электронагревателями, электродвигателями и мешалками, а периодической подачей в кристаллизатор раствора, перегретого выше температуры насыщения. Выращивание в кристаллизаторе без жидкостного термостата является существенным, так как стоимость жидкостного термостата велика (нержавеющая сталь, нагреватели, электродвигатели и т.п.) Кроме того, при случайной поломке стеклянного кристаллизатора, например, при срыве кристалла с платформы, раствор вытекает, смешивается с водой в термостате и практически пропадает. Например, объем взятого нами за аналог кристаллизатора составляет 1000 литров, и стоимость сырья очень высока. В случае выращивания дейтрированных кристаллов (DKDP) стоимость возрастает в сотни раз. В предлагаемом нами устройстве жидкостной термостат может отсутствовать. Кристаллизатор может быть обернут слоем химически стойкой пленки, на которую наложен пенопласт или поролон, поэтому при поломке раствор не вытекает и не будет потерян.

Литература

1. N.P. Zaitsera et al. "Rapid grouth of large-scale (40-50 cm) KH₂PO₄ crystals". J. of Crystal Grouth, 180 (1997) 255-262.