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工业结晶过程 1 工业结晶过程IndustrialCrystallization 一 工业结晶概论Chapter1OverviewofIndustrialCrystallization结晶在工业上的应用UtilizationofCrystallizationinIndustries结晶产品的表征CharacterizationofCrystallineProducts溶解度和过饱和度SolubilityandSupersaturation 2 工业结晶过程IndustrialCrystallization 二 成核Chapter2Nucleation初级成核PrimaryNucleation二次成核SecondaryNucleation工业结晶器中的成核NucleationinIndustrialCrystallizers 3 工业结晶过程IndustrialCrystallization 三 晶体生长Chapter3CrystalGrowth晶体生长过程ProcessInvolvedinGrowthofCrystals总的晶体生长过程TheOverallCrystalGrowthProcess总的晶体生长动力学TheOverallGrowthKinetics生长弥散GrowthDispersion 4 工业结晶过程IndustrialCrystallization 四 粒数衡算概念Chapter4PopulationBalanceConcept结晶系统数学模型MathematicalModelofCrystallizationsystems粒数衡算PopulationBalance通用粒数方程TheGeneralPopulationEquation分布矩MomentsofTheDistribution平均粒度AverageSizes变异系数CoefficientofVariation 5 工业结晶过程IndustrialCrystallization 五 混合悬浮混合产品取出结晶器 一种理想方式Chapter5MixedSuspensionMixedProductRemovalCrystallizer AnIdealizedConfiguration混合悬浮混合产品取出概念MixedSuspensionMixedProductRemovalCrystallizerConceptMSMPR方式的粒数衡算PopulationBalanceforTheMSMPRConfigurationMSMPR结晶器的粒数密度分布 当晶体生长速度与粒径无关时PopulationDensityDistributionforMSMPRCrystallizer SizeIndependentCrystalGrowthRateMSMPR结晶器的粒数密度分布 当晶体生长速度与粒径有关时PopulationDensityDistributionforMSMPRCrystallizer SizeDependentCrystalGrowthRate 6 工业结晶过程IndustrialCrystallization 六 粒数影响因素Chapter6PopulationFunctions与MSMPR结晶方式的偏差DeviationsfromTheMSMPRCrystallizerConfiguration分级Classification 7 工业结晶过程IndustrialCrystallization 七 结晶动力学的求取Chapter7DerivationofCrystallizationKinetics纯粹结晶动力学的求取DerivationofPureCrystallizationKinetics就外推得到的粒数密度数据的解释InterpretationPopulationDensityDataObtainedResortingtoExtrapolation受粒数函数影响的结晶动力学的求取DerivationofCrystallizationKineticsfromDistributionsAffectedbyPopulationFunctions 8 工业结晶过程IndustrialCrystallization 八 结晶过程中的物理传递现象Chapter8PhysicalTransportPhenomenainCrystallization均相液体的混合MixingofHomogeneousLiquids固液悬浮物的混合MixingofSolid LiquidSuspensions固液悬浮物中的传质MassTransferinSolid LiquidSuspensions搅拌槽中的传热HeatTransferinAgitatedVessels 9 工业结晶过程IndustrialCrystallization 九 结晶系统的取样和分析Chapter9SamplingandAnalyzingCrystallizingSystems液相样品的取样和分析SamplingandAnalyzingLiquidPhaseSamples固相样品的取样和分析SamplingandAnalyzingSolidPhaseSamples 10 工业结晶过程IndustrialCrystallization 十 结晶器设计中基本原理的应用Chapter10TheUseofFundamentalPrinciplesinCrystallizerDesign1 物料衡算用于确定结晶器体积TheUseofMassBalancetoFormulateCrystallizationVolume2 粒数衡算概念用于表征产品晶体粒度分布TheUseofThePopulationBalanceConcepttoCharacterizeProductCrystalSizeDistributions3 工业结晶器中结晶动力学与操作条件的相互作用InteractionsBetweenCrystallizationKineticsandOperationConditionsinIndustrialCrystallizers4 工业结晶过程中的技术问题TechnicalProblemsinIndustrialCrystallization 11 工业结晶过程IndustrialCrystallization 十一 面向设计的结晶动力学 从小型实验取得的结晶动力学在结晶器设计上的应用Chapter11DesignOrientedCrystallizationKineticsObtainedinSmallScaleExperimentsforCrystallizationDesign1 取得面向设计的结晶动力学的标准过程Standardizedproceduretoderivedesignorientedcrystallizationkinetics2 标准结晶动力学在结晶器设计中的应用TheUseofStandardCrystallizationKineticsinCrystallizerDesign从小型实验取得的结晶动力学用于大型结晶器设计TheUseofCrystallizationKineticsObtainedinSmallScaleExperimentsforDesignofLargeCrystallizers 12 工业结晶过程IndustrialCrystallization 十二 间歇结晶器设计Chapter12DesignofBatchCrystallizers间歇结晶操作的概念ConceptofOperationinBatchCrystallization间歇结晶的一个循环DescriptionofACycleinBatchCrystallization间歇过程的结晶周期DescriptionofACrystallizationPeriodinABatchCycle间歇与连续操作的比较ComparisonofBatchandContinuousOperation不稳定粒数衡算TheUnsteadyStateNumberBalance加晶种间歇结晶器设计 能量传递的最佳控制DesignofSeededBatchCrystallizersFeaturingonOptimalControlofEnergyTransfer 13 工业结晶过程IndustrialCrystallization 十三 连续搅拌槽式结晶器设计Chapter13DesignofContinuousStirredTankCrystallizer混合产品取出的连续全混结晶器的设计DesignofContinuousWellMixedCrystallizerswithMixedProductRemoval强制内循环连续蒸发结晶器设计DesignofContinuousEvaporativeCrystallizerswithForcedInternalCirculation细晶消除的全混结晶器设计DesignofWell MixedCrystallizerswithFinesRemoval分级产品取出的全混结晶器设计DesignofWell MixedCrystallizerswithClassifiedProductRemoval同时消除细晶和分级产品取出的全混结晶器设计DesignofWell MixedCrystallizerswithSimultaneouslyOperativeFinesDestructionandClassifiedProductRemoval 14 工业结晶过程IndustrialCrystallization 十四 强制循环蒸发结晶器设计Chapter14DesignofForcedCirculationEvaporativeCrystallizer引言与工作原理IntroductionandPrinciplesofOperation蒸发结晶衡算BalancesinEvaporativeCrystallization固体分级SolidsClassification与粒径有关的晶体生长速率SizeDependentGrowthRates浓度推动力分布DistributionofConcentrationDrivingForce液相流动模型LiquidPhaseFlowModel推动力衡算DrivingForceBalances区域停留时间SectionalResidenceTimes拟粒径有关晶体生长速率估算EvaluationofPseudoSize dependentGrowthRates晶体粒径分布预测PredictionofCrystalSizeDistribution 15 工业结晶过程IndustrialCrystallization 十五 晶浆处理 结晶器 离心机 干燥器系统分析Chapter15SlurryHandling AnAnalysisofTheSystemCrysallizer Centrifuge Dryer管道设计DesignofPipeLines阀门选择ChoiceofValves晶浆预浓缩设备MagmaPrethickeners脱水设备DewateringEquipment干燥设备DryingEquipment 16 工业结晶过程IndustrialCrystallization 参考书目ReferencesMullin 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 大连理工大学出版社 1991 TQ026 5 H2Jancic S J andP A M Grootscholten IndustrialCrystallization DelftUniversityPress Delft Holland 1984 TQ026 5 YJ1 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丁绪淮 谈遒著 工业结晶 化学工业出版社 北京 1985 JournalofCrystalGrowth Tung H H Paul E L Midler M McCauley J A CrystallizationofOrganicCompounds AnIndustrialPerspective NewJercey JohnWiley Sons 2009 17 第一章工业结晶概论 1 1结晶在工业上的应用化工 食品 医药 冶金等多领域 1 2结晶产品的表征纯度 强度形状 外观晶体粒度分布 众数mode中值mediansize平均尺寸meansize变异系数CV 18 Figure1 1Illustrationofmaximumsupersaturationandgrowthrateatwhichsoundandpurecrystalsfreefrominclusionscanbeobtained 19 Figure1 2Typicalcumulativeundersizeweightdistributionsobtainedincontinuouscrystallization Figure1 3Therelativepercentagefrequencycurveshowingcommonlyusedaveragesizes 20 CV 标准差standarddeviation 平均尺寸meansize 100 21 1 3溶解度和过饱和度 Figure1 4Solubilitycurveforatypicalsubstance 22 Gibbs Thomson方程 CL C exp MY RT cL eq 1 1 式中参数 CL 粒径为L的粒子的溶解度 kg kgsolutionC 大粒子的溶解度 kg kgsolutionM 分子量 kg kgmol KY 固体粒子的表面能 J m2R 气体常数 J mol K c 晶体密度 kg m3T 绝对温度 KL 晶体尺寸 m 23 第二章成核 机理及来源 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 24 2 1初级成核 Figure2 1Theanalogyofthestatesofstabilitybetweenasimplemechanicalsystemandacrystallizingsystem 25 Figure2 2Freeenergydiagramforhomogeneousnucleationindicatingtheexistenceofacriticalnucleus 均相成核 G kaL2 kvL3 G v 2 3 26 ka表面形状因子 定义 表面积 kaL2 kv体积形状因子 定义 体积 kvL3 L为晶体特征尺寸 对于球形颗粒 面积 d2 如果以d为特征尺寸 则ka 体积 6 d3 如果以d为特征尺寸 则kv 6 对于立方体颗粒 面积 6 d2 如果以边长d为特征尺寸 则ka 6 体积 d3 如果以d为特征尺寸 则kv 1 27 对式 2 3 求最大值 得 Lc 2ka 3kv G v 2 5 得临界尺寸 28 多相成核 0 cos 1 GHET 0completeaffinity0 180 GHET GHOMpartialaffinity 180 cos 1 GHET GHOMcompletenon affinity 结论 29 2 2二次成核 二次成核 初始产晶 针状产晶 碰撞产晶 杂质浓度梯度 流体剪切力 30 二次晶核的来源 Figure2 3Typeofproductcrystalsobtainedinpurestagnantsolutions 31 Figure2 4Typeofproductcrystalsobtainedinimpurestagnantsolutions 32 Figure2 5Typeofproductcrystalsobtainedinagitatedsolutions 33 影响二次成核的因素 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 晶种数量 杂质等 其中过饱和度是最重要的 34 2 3工业结晶器中的成核 35 Figure2 6Crystalsizesandmassdepositionson100gof0 1mmseeds 36 第三章晶体生长 3 1晶体生长中的过程 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 2 晶体表面上发生的某种过程 常称为表面结合过程 3 结晶热的逸散 37 Figure3 1Concentrationandtemperatureprofilesincrystallizationfromsolutionforasystemofexothermicheatofcrystallizationandnormalsolubility 38 通过膜的传递 静止流体 分子传递 Fick slaw 恒定浓度梯度 溶质向平板的单向扩散 D c ci 3 2 湍流情况下 kd c ci 3 3 式3 2与式3 3是表达晶体生长的扩散理论的基本方程 39 表面结合过程 表面结合过程是发生在晶体表面的历程 表面结合动力学 表面结合过程与过饱和度 体系的特性和晶体表面条件有关 晶体生长的主要阻力是表面结合过程而不是体积扩散过程 40 Figure3 2Growthanddissolutionratesforpotashalumcrystalsat32 41 GSI kr ci c r 3 4 表面结合过程常用经验关联式 Arrhenius方程 kr kr0exp Er RT 3 5 Bennema模型 晶核上的晶核模型 GSI A 5 6exp B 3 7 42 3 2总的晶体生长过程 总的晶体生长速率应该是浓度推动力及其相应的速度常数的函数 即 G f c Kd Kr 3 8 表面结合过程为一级 r 1 时 G kg c c 3 9 r 1时 G cg 3 10 43 3 3总的晶体生长动力学 与尺寸有关的晶体生长 Figure3 3Effectofcrystal solutionrelativevelocityonthegrowthrateof 111 faceofpotashalumcrystalsat32 McCabe s L定律 44 G 111 6 24 10 4v0 65 cg 3 11 111 晶面的生长速率关联式 16L0 63 cg 3 12 流化床中得到的生长速率关联式 45 Figure3 4Comparisonbetweenfacegrowthratesofsinglecrystals smoothcurve andoverallgrowthratesobtainedinafluidizedbedcrystallizer 46 Figure3 5TheeffectofcrystalsizeLontheoverallgrowthrateofpotashalumat30 47 传质和表面结合阻力对晶体生长的相对贡献推导 concentrationdrivingforce masstransfer surfaceintegration crystal solutionhydrodynamics temperatureandimpurities overallgrowthrate Figure3 6Schematicrepresentationofinfluencesexertedbythegrowthenvironmentuponprocessesinvolvedincrystalgrowth 48 假定溶解过程仅仅由传质控制 则 Figure3 7Crystaldissolutionkineticsforpotashalumat30 49 Figure3 8Surfaceintegrationkineticsforpotashalumcrystalsat30 Thedottedlinesindicateoverallgrowthratesfromwhichthesewerederived 50 Figure3 9Surfaceintegrationkineticsforpotashalumcrystalsat30 asafunctionofcrystalsizeandsupersaturation 51 对于总生长动力学 溶解动力学和表面结合动力学对过饱和度都是一级的情况 可以用下式计算总速度常数 Figure3 10Percentageofthetotalresistancetocrystalgrowthofferedbyvolumediffusionandsurfaceintegrationprocessasafunctionofcrystalsizeforpotashalumat30 52 晶体生长速率表达式 McCabeandStevens smodel G dL dt 1 77 10 3 Lav1 1 c c 1 8 3 15 Bransom smodel dL dt aReb cn 3 17 连续结晶器中简化为 dL dt avb cn 3 19 dL dt aLb cn 3 20 或 53 CanningandRandolph smodel G G0 1 a1L a2L2 anLn 3 21 Abegg StevensandLarson smodel ASLmodel G G0 1 L b b 1 L 0 3 22 3 4生长弥散 在固定过饱和度下 生长速率可以有很大变化 这种现象称为生长速率弥散 54 第四章粒数衡算概念 4 1结晶系统的数学模型 结晶器模型由基于基本原理的方程组和一个经验生长速率方程组成 为空间和时间的函数 这些一般方程组可以根据具体情况简化 55 Figure4 1Schematicrepresentationofcountercurrentflowbetweencrystalsandmotherliquorwithparametersdistributedinaxialdirection aperfectlyclassifiedfluidizedbedcrystallizer 56 Figure4 2Schematicrepresentationofawellmixedcrystal solutionsystemwithlumpedparameters aperfectlymixedcrystallizer 57 表4 1几种理想情况 第一种情况又可以按照产品取出方式分为二种类型 即 a 混合悬浮混合产品取出结晶器b 混合悬浮 分级产品取出结晶器 58 4 2粒数衡算 整个结晶器系统的粒数守恒定律可以写成 Nin Nout Naccumulation 4 1 对于晶体尺寸为l的晶体 总粒数衡算就是 Nin l Nout l Naccumulation l 4 2 由于晶体数在结晶系统内随点和点而不同 所以要考虑粒数密度 严格讲是频率粒数密度 59 在稳态操作的结晶系统内 晶体总数是 总粒数密度 平均粒数密度 n l N l V 4 5 单位悬浮体积的晶体数是 60 4 3一般粒数方程 作出下列假设 悬浮物占据可变体积V 被限制在固定边界和自由重力表面中 悬浮物进出物流可以认为在径向混合 但悬浮物本身不必是均匀的 悬浮物中的颗粒在给定的粒径范围内和给定的悬浮体积单元内连续分布 61 Figure4 3Schematicrepresentationofaflowsystemcontaininganarbitrarysuspensionofparticlesundergoingvariouspopulationevents 62 当晶体粒数守恒定律用点粒数密度表示时 对于图4 3的方式可得 4 7 式中参数 n 粒数密度 litre 1 m 1 点 x y z 处粒径范围L到L dL的晶粒数 Q 悬浮液体积流率 i o 下标 表示进口和出口 B L 体积微元dV内的二次成核 因此B L dL是单位体积单位时间产生的L到L dL范围的晶粒数 A L 体积微元dV内的磨损 因此A L dL是单位体积单位时间产生的L到L dL范围的晶粒数 D L 体积微元dV内的破碎 因此D L dL是单位体积单位时间由于破碎产生的L到L dL范围的晶粒数 对于因破碎而消失的晶体群可以认为是负值 63 L 体积微元dV内的细晶消除 因此 L dL是单位体积单位时间由于细晶消除而消失的L到L dL范围的晶粒数 M L 体积微元dV内的聚集 因此M L dL是由于聚集而产生的L到L dL范围的晶粒数 对于因聚集而消失的晶体群可以认为是负值 P L 体积微元dV内的选择性产品取出 因此P L dL是从体系选择性取出的L到L dL范围的晶粒数p 式4 7左边全微分并重排 得到 合并式4 7和4 8并重排得到 64 对于任意范围L1到L2的颗粒 式4 9都应恒等于零 因此 式4 10为任意悬浮颗粒的一般粒数衡算方程 在稳态条件下 所有时间导数都为零 又如进料中可能不含晶体 则ni 0 如果结晶器是全混的 则点粒数密度可用平均密度n代替 即 65 4 4分布矩 zerothmoment thetotalnumberofcrystalsperunitvolumeofcrystalsuspension 4 13 firstmoment thetotallengthofcrystalsperunitvolumeofcrystalsuspension 4 14 secondmoment multipliedbyasurfacefactorgivesthetotalcrystalsurfaceareaperunitvolumeofcrystalsuspension 4 15 thirdmoment multipliedbyavolumefactorgivesthetotalvolumeofcrystalsperunitvolumeofcrystalsuspension i e volumefractionofsolids 4 16 66 有几种方法用分布矩来表示晶体粒度分布 即 67 累积重量百分数 式4 23 是最常用的表达粒径分布的方法 68 Figure4 4Typicalcumulativeundersizeweightdistributionsobtainedincontinuouscrystallization 69 4 5平均尺寸 Figure4 5Therelativepercentagefrequencycurveshowingcommonlyusedaveragesizes 70 众数 最频繁发生的值通过相对频率曲线的最高点 即该值处的频率密度最大 对于重量分布的情况 有 中值 图4 5中的中线将曲线下的面积分为相等的二部分 即累积频率曲线的50 尺寸处 对于重量分布的情况 平均值 平均值的垂直线通过与分布曲线相同形状的均匀厚度和密度的纸的重心 重量分布下 71 4 6变异系数 标准偏差可以表示成分布均值的百分数 这个百分数就叫做变异系数 从粒数密度分布求变异系数的推导 变异系数定义为 重量分布的标准偏差为 72 因此 变异系数可以用分布矩表示如下 从实验数据估算变异系数 Figure4 6Sizedistributionsforvariousproductsfrom Oslo crystallizers 73 Forcumulativeweightpercentundersize Forcumulativeweightpercentoversize 这种方法严格讲只适用于累积尺寸百分数曲线在算术 概率坐标纸上为直线的情况 74 第五章混合悬浮 混合产品取出结晶器 5 1混合悬浮混合产品取出结晶器概念 Figure5 1ThecontinuousMSMPRcrystallizermodel 75 5 2MSMPR方式的粒数衡算 一般粒数衡算方程 76 进一步简化可得 对于MSMPR 一般粒数衡算方程 式4 10 简化为 77 5 3MSMPR结晶器的粒数密度分布 当晶体生长速度与粒径无关时 对于MSMPR方式 稳态操作 生长速率与晶体尺寸无关的情况 式5 2进一步简化成 积分得 式5 4表明lnn与晶体尺寸L成直线关系 78 Figure5 2ExperimentalsodiumchlorideMSMPRcrystallizer a withatypicalpopulationdensityplot b obtainedatsteadystate 79 MSMPR结晶器中的众数 合并式4 25和式5 4得到 LM 3G 5 6 MSMPR结晶器的中值 结合式4 26和式5 4得到 Lm 3 67G 5 8 80 MSMPR结晶器的平均值 合并式4 27和式5 4得到 MSMPR结晶器的变异系数 合并式4 31和式5 4得到 CV 50 5 11 81 MSMPR结晶器的悬浮密度 合并式4 16和式5 4得到 5 3MSMPR结晶器的粒数密度分布 当晶体生长速度与粒径有关时 几个假设 a 所有晶体的形状相似 可以用一个特征尺寸L表示 b 线性生长速率与尺寸有关 可用ASL生长速率模型表示 82 G L G0 1 L bforb 1 L 0 c 晶体的聚集 磨损 破碎不发生 将式5 2与ASL模型合并 并积分 得到 当b 0时 式5 14就表示与尺寸无关的生长速率的粒度分布 如果定义 为1 G0 将G0 代入式5 14得到 83 式5 15取对数 得到 当b 0 式5 16就简化成式5 4 式5 16可以简化成无因次形式 令 y n n0 5 17 x L L G0 5 18 则式5 16可以写成 84 Figure5 3DimensionlesspopulationdensitydistributionsfortheMSMPRconfigurationsatconditionsofsizedependentcrystalgrowth 85 Figure5 4Typicalpopulationdensityplotobtainedinthe1 3litrecontinuousMSMPRcrystallizerforpotashalum watersystemat30 86 面积分布函数 面积分布函数a L 可以定义为单位悬浮体积的尺寸为L的晶体的总面积 即 a L kanL2 将式5 15代入并无因次化 得 其中y a 为无因次面积分布 定义为 2a L kan0 87 Figure5 5DimensionlessareadistributionfunctionforasteadystateMSMPRcrystallizer equation5 20 showingthewideningeffectofsizedependentcrystalgrowthrateontheproductcrystalsizedistribution 88 重量分布函数 重量分布函数w L 可以定义为单位晶体悬浮体积内尺寸L的晶体的总重量 即 w L nL3kv c 将式5 15代入并无因次化 得 其中 89 Figure5 6DimensionlessweightdistributionfunctionforasteadystateMSMPRcrystallizer equation5 21 showingthewideningeffectofsizedependentgrowthrateontheproductcrystalsizedistribution 90 重量分布函数也可以用分布矩表示 累积重量百分数是最常用的方法 将式4 23与式5 15合并 并整理成无因次形式 得到 91 第六章粒数影响因素 6 1偏离MSMPR结晶器方式 大规模工业结晶器中通常不能满足前面采用的简化条件 Figure6 1Typicalpopulationdensityplotsobtainedinthe1500litreNaClcrystallizerfortwodifferentsuspensionlevelswithreferencetothecentrelineoftangentialinlet 92 大规模氯化钠结晶器中的粒数密度分布的特征是 尺寸小于约100 m时 粒数密度随晶体尺寸减小而迅速增加 尺寸在约100 m和300 m之间有一个平台 显示一个最高点和一个最低点 尺寸大于约300 m时 粒数密度随晶体粒度增加迅速降低 根据操作条件的不同 分布的头尾部分斜率以及平台部分宽度可以不同 但上图所示的特征形状却保持不变 几点考虑 大规模氯化钠结晶器偏离MSMPR方式 而55升的小规模结晶器接近MSMPR方式 粒数函数在起作用 而在55升的小规模结晶器中粒数函数可能被抑制了 93 外循环方式可能会使不同尺寸的晶体选择性地暴露在过饱和度的空间变化中 这会导致拟尺寸相关的生长 6 2分级 固体内部分级 结晶器产生内部分级是流动状况的结果 内部分级导致拟尺寸相关生长速率 如果固相和液相的密度差较大 以及产品晶体较大 则很难达到全混悬浮 晶体容易偏离液体流线 这就会导致分级 包括内部分级 细晶消除和分级产品取出 修正总粒数衡算 94 也即 平均晶体停留时间可以写成 引入分离系数的概念 l Vi Qo V Qo 6 5 其中 平均生长速率定义为 95 代入式6 3得到 合并式6 2和式6 7并重排得到 从上式可以得出产品晶体粒度分布图的斜率 类似地结晶器内的混合粒数密度图的斜率可以写成 96 平均生长速率可以用各体积单元的晶体停留时间 i表示 其中 i Vi Qonp 6 12 Figure6 2Schematicrepresentationofvariousgeometriesconcerninginletandoutletinforcedcirculationcrystallizers 97 Figure6 3Theinfluenceoftheinletandoutletconfigurationonclassificationandobtainedcrystalsizedistributionsatidenticalconditionsfortangentialandreversedoperation 98 Figure6 4Theinfluenceoftheinletandoutletconfigurationonclassificationandobtainedcrystalsizedistributionsatidenticalconditionsfortangentialanddoubleradialinletconfiguration 99 内部液体非理想分布 针对图2所示结晶器的液体分布模型 Figure6 5Reactorinseriesconceptsproposedtoaccountforliquidflowencounteredininlet outletcrystallizerconfigurationspresentedinFigure6 2 100 Figure6 6Evaluatedpseudosizedependentgrowthratesarisingfromspatialvariationsinsupersaturationforeachdesignconfiguration 101 外部分级 细晶消除 为了使结晶器能在高过饱和度下运行 以高生产率产生大晶体 就不能允许过多的晶体与之竞争过饱和度 因此 细晶应该从结晶系统选择性消除 Figure6 7Schematicrepresentationofacrystallizerfeaturingannularsettlingzonetoeffectfinesremovalanddestructionthereofthroughdissolution aDTB DraftTubeBaffledcrystallizerconcept 102 Figure6 81m3DTBcrystallizerusedforthestudyoffinesremoval 103 定义分级系数 L nA L n L 6 13 Figure6 9TheeffectoffineswithdrawalrateonclassificationcoefficientinDTBcrystallization 104 Figure6 10TheeffectoftheheightofsettlingzoneinclassificationcoefficientinDTBcrystallization 105 产品分级 产品分级的目标是取出较大和较均匀的产品晶体 通常在集盐器或淘析腿中实现 Figure6 11Schematicrepresentationofelutriationdevice usedtoclassifyproductincontinuouscrystallizationofsodiumchloride 106 分级系数定义为 p L nc L np L 6 14 Figure6 12ProductclassificationparametersobtainedforelutriationlegdeviceshowninFigure6 11fordifferentlevelsofclearliquoradvance 107 Figure6 13Effectofthelevelofclearliquoradvancetoclassificationdeviceonthecoefficientofvariationofproductwithdrawn 108 Figure6 14Effectofthelevelofclearliquoradvanceonthemediansizeofproductwithdrawn 109 磨损 磨损的大部分原因是与晶体的高能机械接触 如叶轮 泵 运动部件与静止部件之间小余隙等 Figure6 15Crystalsizedistributiondevelopedfromanarrowfractionofseedshavingundergoneattritionduring120secondsatconditionsof540rpmandwithsuspensiondensityof20kg m3 110 Figure6 16Crystalsizedistributionsdevelopedfromtwodifferentsievefractionshavingundergonethesameattritionhistoryduring120secondsat540rpmandwithsuspensiondensityof20kg m3 111 聚集 颗粒聚集可由两种方法定量 即聚集度和聚集速度 聚集度是指给定时间下样品中聚集粒子占总粒子的百分数 聚集速度是指颗粒聚集反应与时间的关系 操作参数对聚集速度的影响 温度湍流晶浆密度过饱和度颗粒粒径分布停留时间试剂纯度结晶器和搅拌器材质 112 聚集的实验定量 结论 低平均过饱和度和没有高的局部过饱和度导致低聚集的产品晶体 Table6 1Agglomeratecontentinthefraction1 4 L 1 7mmfordifferentprocessconditionsincontinuoussucrosecrystallization 113 第七章结晶动力学的求取 Figure7 1Pictorialrepresentationofinterrelationshipsbetweenpurecrystallizationkinetics populationfunctiononcrystalsizedistributionindicatingthelogicsofderivingrateprocessesinvolvedinindustrialcrystallization 114 7 1纯粹结晶动力学的求取 当磨损 破碎 分级 聚集这些粒数函数降低到可以忽略的程度 或者完全被抑制时 纯粹的结晶动力学可以从稳态MSMPR结晶器数据求出 在这种情况下 所有晶核 不管其来源和产生时的大小 都被看成是在零尺寸下都有分布的 尺寸无关晶体生长速率时纯粹结晶生长动力学的求取 对MSMPR结晶器 当生长速率与尺寸无关 以及所有粒数函数都能被抑制或忽略不计时 总粒数衡算方程简化为式5 4 将lnn对晶体尺寸L作图 可得到图2所示的直线 115 Figure7 2TheoreticalpopulationdensityplotforasteadystateMSMPRcrystallizeroperatingatthefollowingconditions nosecondarynucleationotherthanatzerosize noattritionotherthanatzerosize nocrystalbreakage noagglomeration nogrowthdispersion crystalgrowthrateisindependentofsize 上图的斜率可以求出晶体生长速率G 而用其截距可得到晶核的粒数密度n0 并进而求出成核速率B0 即 116 由于生长速率与尺寸无关 所以大晶体的生长速率G等于晶核的生长速率G0 晶体生长速率与过饱和度的关系可用式3 10表示 成核速率与过饱和度的关系可用下式表示 B0 kn cnMsj 7 2 B0 knGiMsj 7 3 或 式7 3往往更为方便 晶体生长速率与尺寸有关时纯粹结晶动力学的求取 117 这种情况下一般粒数衡算方程简化为 上式重排给出粒数密度图斜率的新解释 式7 5提供了不存在其它粒数函数时 与尺寸有关的晶体生长速率下 粒数密度图斜率的通用解释 由于存在dlnG L dL项 就与传统的尺寸无关生长解释不同 这一项的影响可以通过比较它的大小与粒数密度的斜率而得到 钾明矾的dlnG L dL值通过独立方法测出 见下图 118 Figure7 3Therelativemagnitudeofthetwotermsdefiningthevalueof1 G L accordingtoequation 7 5 TheplotispreparedforatypicalMSMPRcrystallizerexperimentwithpotashalum watersystem Alsoshownistheerrorinvolvedinthecalculationofgrowthra