工业结晶过程提纲.docx
- 文档编号:3449046
- 上传时间:2022-11-23
- 格式:DOCX
- 页数:104
- 大小:705.65KB
工业结晶过程提纲.docx
《工业结晶过程提纲.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《工业结晶过程提纲.docx(104页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
工业结晶过程提纲
工业结晶过程提纲IndustrialCrystallization
一、工业结晶概论Chapter1OverviewofIndustrialCrystallization
二、成核Chapter2Nucleation
三、晶体生长Chapter3CrystalGrowth
四、粒数衡算概念Chapter4PopulationBalanceConcept
五、混合悬浮混合产品排出结晶器:
一种理想方式Chapter5MixedSuspensionMixedProductRemovalCrystallizer-AnIdealizedConfiguration
六、粒数影响因素Chapter6PopulationFunctions
七、结晶动力学推导Chapter7DerivationofCrystallizationKinetics
八、结晶过程中的物理传递现象Chapter8PhysicalTransportPhenomenainCrystallization
九、结晶系统取样和分析Chapter9SamplingandAnalyzingCrystallizingSystems
十、结晶器设计中基本原理的应用Chapter10TheUseofFundamentalPrinciplesinCrystallizerDesign
十一、设计用的结晶动力学:
小型实验的结晶动力学用于结晶器设计Chapter11DesignOrientedCrystallizationKineticsObtainedinSmallScaleExperimentsforCrystallizationDesign
十二、间歇结晶器设计Chapter12DesignofBatchCrystallizers
十三、连续搅拌槽式结晶器设计Chapter13DesignofContinuousStirredTankCrystallizer
十四、强制循环蒸发结晶器设计Chapter14DesignofForcedCirculationEvaporationCrystallizers
十五、晶浆处理:
结晶器-离心机-干燥器组成的系统分析Chapter15SlurryHandling:
AnAnalysisoftheSystemCrystallizer-Centrifuge-Dryer
参考书目References:
1.Mullin,J.W.,Crystallisation,2nded..Butterworths,London,1972.TQ026.5/YM1
中译本:
胡维杰、宁桂玲等编译,《结晶过程》。
大连理工大学出版社,大连,1991。
TQ026.5/H2
2.Jancic,S.J.andP.A.M.Grootscholten,IndustrialCrystallization.DelftUniversityPress,Delft,Holland,1984.TQ026.5/YJ1
3.[苏联]E.B.哈姆斯基著,古涛、叶铁林译,《化学工业中的结晶》。
化学工业出版社,北京,1984。
TQ026.5/H1
4.丁绪淮、谈遒著,《工业结晶》。
化学工业出版社,北京,1985。
5.JournalofCrystalGrowth.
第一章工业结晶概论
Chapter1OverviewofIndustrialCrystallization
§1.1结晶在工业上的应用UtilizationofCrystallizationinIndustries
§1.2结晶产品的表征CharacterizationofCrystallineProducts
市场指标Marketrequirements-纯度purity;强度strength;形状shape;外观appearance;
粒径分布particlesizedistribution;自由流动和储存性能free
flowingandstorageproperties。
工艺指标Processrequirement-成本最低aminimumcost。
1.纯度和强度purityandstrength
图1.1。
2.形状和外观shapeandappearance
又叫晶习crystalhabit。
3.晶体粒度分布Crystalsizedistribution(CSD)
测量方法:
筛分法sieving和考尔特计数法Coultercounter。
粒度分布可用累积重量百分数(积分曲线)和相对百分数频率(微分曲线)类表示。
图1.2,图1.3。
变异系数表示粒径偏离平均尺寸的程度。
定义为:
CV=(标准差standarddeviation/平均尺寸meansize)×100----------------(1.1)
§1.3溶解度和过饱和度SolubilityandSupersaturation
图1.4。
Ostwald于1900年,Freundlich于1909年推导出非常小的晶粒的溶解度高于大粒子的溶解度,关系如下:
式中where
CL为粒径为L的粒子的溶解度
solutionequilibriumconcentrationforcrystalsizeL,kg/kgsolution
C*为大粒子的溶解度solutionequilibriumconcentration,kg/kgsolution
M分子量Molecularweight,kg/kmol
Y固体粒子的表面能surfaceenergyofthesolidparticleincontactwithsolution,J/m2
R气体常数universalgasconstant,J/mol·K
T绝对温度absolutetemperature,K
L晶体尺寸characteristiccrystalsize,m
式(1.2)通常称为Gibbs-Thomson方程。
由式(1.2)可见,当L→0时,CL→∞,所以新晶核生成是很困难的。
第二章成核:
工业结晶器中晶核形成机理和可能来源
Chapter2Nucleation:
MechanismsandPossibleSourcesofNuclei
inIndustrialCrystalizers
普遍认为要从过饱和溶液中析出宏观晶体,包括二步。
第一步必须形成晶核,即非常小的晶状体;第二步,这些晶核必须长大。
Twostepsinvolvedintheformationofmacroscopiccrystalsfromasupersaturatedsolution:
first,nuclei,minutecrystallineentitiesoffinitesize,mustbeformed;andsecond,thesenucleimustgrow.
成核可以定义为在结晶系统中形成最小的稳定结晶聚集体的过程。
Nucleationmaybedefinedastheprocessinwhichthesmalleststableaggregatesofacrystallinephaseareformedinacrystallizingsystem.
成核机理可以区分为以下几种情况:
成核Nucleation
初级成核Primary二次成核Secondary
均相成核Homogeneous多相成核Heterogeneous
§2.1初级成核Primarynucleation
1.均相成核Homogeneousnucleation
图2.1。
晶核形成的能垒Energybarrierforthenucleusformation
形成稳定晶核所需的总功W等于形成新表面所需的功Ws和形成颗粒内部所需的功Wv之和,即:
W=Ws+Wv----------------------------------------------------------------------------(2.1)
positivenegative
根据类推,均相成核过程的总过剩自由能变化ΔG,是表面过剩自由能变化ΔGs与体积过剩自由能变化ΔGv之和:
ΔG=ΔGs+ΔGv------------------------------------------------------------(2.2)
式中where
ΔGs是粒子表面与晶粒主体之间的过剩自由能变化excessfreeenergychangebetweenthesurfaceoftheparticleandthebulkoftheparticle
ΔGv是很大粒子与溶液中溶质之间的过剩自由能变化excessfreeenergychangebetweenaverylargeparticleandthesoluteinsolution
ΔGs是正值,与粒子表面积成比例,ΔGv是负值,与粒子体积成比例。
ΔG=kaL2σ+kvL3(ΔG)v------------------------------------------------------------(2.3)
式中where
ka表面形状因子surfaceshapefactor
kv体积形状因子volumeshapefactor
L晶体特征尺寸characteristiccrystalsize
σ过饱和度supersaturation,(=(cˊ-c*ˊ)/c*ˊ)
cˊ溶液浓度solutionconcentration,kg/m3solution
c*ˊ溶液平衡浓度solutionequilibriumconcentration,kg/m3solution
(ΔG)v单位体积的相变自由能变化freeenergychangeofthetransformationperunitvolume
式2.3可以定性地画成图2.2。
图2.2清楚地表示出ΔGs是正值,ΔGv是负值,而它们的和ΔG则先正后负,经过一个最高点。
最高点的自由能变化值,称为临界自由能变化ΔGcrit,对应于临界晶核尺寸Lc,可通过求方程(2.3)的最大值得到。
Lc=-2kaσ/3kv(ΔG)v---------------------------------------------------------------------(2.5)
2.多相成核heterogeneousnucleation
Volmer1929年从理论上研究了外来粒子引发成核的问题。
可用下式表示:
式中where
υ接触角angleofcontact
ΔGHET多相条件下临界晶核形成的自由能变化freeenergychangeassociatedwiththe
formationofacriticalnucleusunderheterogeneousconditions,J/mol
ΔGHOM均相条件下临界晶核形成的自由能变化freeenergychangeassociatedwiththe
formationofacriticalnucleusunderhomogeneousconditions,J/mol
式2.6可以解释溶液中有外来粒子存在时成核所需的过饱和度可以较低。
υ=0°,cosυ=1,ΔGHET=0completeaffinity
0<υ<180°,ΔGHET<ΔGHOMpartialaffinity
υ=180°,ΔGHET=ΔGHOMcompletenon-affinity
§2.2二次成核Secondarynucleation
在过饱和溶液中存在产品晶体时,通常会在不能发生自发成核的低过饱和度下诱导出更多的晶体。
这种母晶体的催化作用称为二次成核。
工业结晶器中的成核主要是二次成核。
1.二次成核的机理Mechanismsofsecondarynucleation
初始产晶Initialbreeding
针状产晶Needlebreeding
碰撞产晶Collisionbreeding:
磨损产晶attritionbreeding和接触成核contactnucleation
杂质浓度梯度成核Impurityconcentrationgradientnucleation
流体剪应力Fluidshear
2.二次晶核的来源Originofsecondarynuclei
氯酸钠结晶实验。
3.影响二次成核的因素Factorsaffectingsecondarynucleation
影响二次成核的因素有:
过饱和度、冷却速率、搅拌速度、晶种尺寸、杂质等。
其中过饱和度是最重要的。
§2.3工业结晶器中的成核Nucleationinindustrialcrystallizers
工业结晶过程晶核的可能来源列于表2.1中。
从表2.1可见在工业结晶器中既可能有初级成核,也可能有二次成核。
晶核来源很广。
所以工业结晶器中往往是晶核太多,这样就难以长成大晶体。
举个例子说明。
假定晶体是球形的,直径为d,密度为ρc,则一颗晶体的质量为π/6ρcd3。
这样,100克0.1mm大的,密度为2g/cm3的物质的晶种,将含有
Numbersofcrystals=weight,g/(π/6ρcd3)=100/(π/6×2×0.013)=9.55×107
每一颗晶种都是一颗潜在的晶体。
假定它们同时长大,则从图2.6可以看出需要多少溶质才能使它们长大到规定尺寸。
从图2.6可见,要使晶体长大到1mm,需要析出100kg溶质,而800kg溶质析出才能长到2mm,对于2.5mm的晶体来说,需要析出的溶质量大于1500kg。
Table2.1Sourcesofnucleiinindustrialcrystallization
sourceofnuclei
typeofnucleationprocess
preventionorremedy
nucleationinducedbyexcessivesupersaturation
boilingzone
primary
reducesspecificproductionrates,increasecrystalsurfacearea
hotfeedinlet
primary
enhanceheatdissipation,reducedegreeofsuperheating,carefullychoseinletposition
inletofdirectcoolant
primary
enhanceheatdissipation,reducetemperatureofcoolant,choseinletposition
heatexchangers,chillers,etc.
primary
reducetemperaturegradientsbyincreasingsurfacearea,increaseliquidvelocities
reactionzone
primary
enhancemixinganddissipationofsupersaturation,increasecrystalsurfacearea
cavitatingmovingparts
primary
adjusttipspeed,suppressboilingbysufficientstatichead
nucleationinducedbycrystalinteractions
crystal/crystallizercontacts
-collisionswithmovingparts(impellers,pumps,etc.)
-collisionswithcrystallizerwalls
secondary
adjusttipspeedanddesignconfiguration,coatimpellerswithsoftmaterials,reduceifpossiblemagmadensityandmeancrystalsize
crystal/crystalcontacts
-crystalgrindinginsmallclearancespaces(impeller/drafttube,pumpstator/rotor)
secondary
attrition
breakage
carefullyspecifyallclearancesandhydrodynamicsoftwophaseflowtherein
crystal/solutioninteraction
-fluidshear,effectofimpurities,etc.
primary
secondary
reducejetting,gettoknowtheeffectofimpuritiesforeachparticularsystem,preventincrustation
第三章晶体生长
Chapter3CrystalGrowth
§3.1晶体生长中的过程Processesinvolvedingrowthofcrystals
晶体从溶液中生长过程至少包含以下三步:
1)溶质从溶液主体向晶体表面附近传递Thetransportofsolutefromthebulkofthesolutiontothevicinityofthecrystalsurface.
2)晶体表面上发生的某种过程(常称为表面结合过程)Someprocessatthecrystalsurface,probablyinvolvingadsorptionintothesurfacelayerfollowedbytheorientationofthemoleculesintothecrystallattice(oftenreferredtoasthesurfaceintegrationprocess).
3)结晶热的逸散Dissipationoftheheatofcrystallizationliberatedatthecrystalsurface.
图3.1。
1.通过膜的传递Transportthroughthefilm
通过静止流体的质量传递,当分子传递是唯一机理时,传质速率可用费克定律Fick’slaw表示:
式中where
质量通量massflux,kg/m2·s
D扩散系数coefficientofdiffusion,m2/s
cˊ溶液浓度solutionconcentration,kg/m3solution
对于在恒定的浓度梯度下,溶质向平板的单向扩散,费克定律可以写成:
=D/δ(cˊ-ciˊ)------------------------------------------------------------------------------(3.2)
式中where
δ扩散边界层厚度thicknessofthediffusionboundarylayer,m
ciˊ晶体与溶液界面处浓度concentrationatthecrystal/solutioninterface,kg/m3solution
对于湍流情况,式3.2不适用。
因为式3.2没有考虑对流传递。
此时,可用下式表示:
=kd(cˊ-ciˊ)----------------------------------------------------------------------------------(3.3)
式中where
kd膜传质系数filmmasstransfercoefficient,m/s
kd同时考虑了扩散和对流传质,可以从一般的传质关联式得到。
2.表面结合过程Surfaceintegrationprocess
发生在晶体表面的历程Themechanismoccuringatthecrystalsurface
3.表面结合动力学Kineticsofthesurfaceintegrationprocess
表面结合过程通常用以下经验式关联:
GSI=kr(ci-c*)r------------------------------------------------------------------------------------(3.4)
式中where
GSI表面结合速率surfaceintegrationrate,μm/s
kr表面结合速度常数surfaceintegrationrateconstant,μm/s
r表面结合过程级数orderofthesurfaceintegrationprocess
假定溶解速率仅仅由体积扩散控制,而体积扩散动力学在相当的流体力学条件下可以认为对生长和溶解二个过程是相同的,则晶体与溶液界面浓度cI可以由式3.3算出,表面结合动力学则由式3.4算出。
比例系数kr决定于温度、杂质、晶体表面特性,与温度的关系可由Arrhenius方程表示:
kr=kr0exp(-ΔEr/RT)-----------------------------------------------------------------------(3.5)
where
kr0constant
ΔEractivationenergyofsurfaceintegration,J/mol
许多研究人员发现Arrhenius方程能够满意地描述温度对kr的影响。
Bennema1969年应用Burton-Frank-Cabrera(BCF)理论来研究从溶液中生长的情况。
他们提出的理论模型是:
式中where
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 工业 结晶 过程 提纲