《化工传热与控制技术》课件-项目5：结晶技术

CaloriesChemicalIndustry任务一

结晶的分类及其特点化工传热与控制技术结晶：结晶是指物质以晶体的状态从溶液、熔融混合物或蒸气中析出的过程称为结晶。任务一结晶的分类及其特点任务一结晶的分类及其特点构成晶体的微观质点在晶体所占的空间中按一定的几何规律排列起来，这种质点排列的几何规律称为三维空间点阵，也称为空间晶体格子。晶格是描述晶体微观结构的基本单位。整块晶体可视作成千上万个晶胞“无隙并置”地堆积而成。每个晶胞具有相同的边长和夹角。晶胞按晶格结构分类，同一物质，条件不同，可属不同晶系。晶系晶胞常数三维空间点阵晶胞NaCl把晶体按其晶格空间结构分为以下七种晶系:任务一结晶的分类及其特点立方aaaa=b=cα=β=γ=90°四方aaca=b≠cα=β=γ=90°单斜abcβa≠b≠cα=γ=90°≠β三斜bacαβγa≠b≠cα≠β≠γ≠90°正交bcaa≠b≠cα=β=γ=90°立方aaaαααa=b=cα=β=γ≠90°立方caa120oa=b≠cα=β=90°γ=120°还可分为间歇式和连续式。还分为无搅拌式和有搅拌式。任务一结晶的分类及其特点结晶操作类型1溶液结晶——溶液中析出固态结晶，如海水制盐。2升华结晶——气相中析出结晶，如雪。3熔融结晶——熔融物中析出固态结晶，如混合二甲苯制对二甲苯。4反应沉淀——液相反应，如Fe2O3磁粉；

气相反应，如TiO2钛白粉。任务一结晶的分类及其特点结晶过程的特点能从杂质含量相当多的溶液或多组分的熔融混合物中形成纯净的晶体。而用其他方法难以分离的混合物系，采用结晶分离更为有效。如同分异构体混合物、共沸物系、热敏性物系等。1固体产品有特定的晶体结构和形态(如晶形、粒度分布等)。2能量消耗少，操作温度低，对设备材质要求不高，三废排放少，有利于环境保护。3结晶产品包装、运输、储存或使用都很方便。4CaloriesChemicalIndustry任务二

结晶设备化工传热与控制技术任务二结晶设备结晶器用于进行结晶操作的设备。1塔式结晶器2蒸发式结晶器3真空式结晶器结晶设备的分类另外，结晶设备按操作连续化程度不同，也可以分为间歇式结晶设备和连续式结晶设备。结构比较简单，结晶质量好，结晶收率高，操作控制比较方便，但设备利用率低，操作劳动强度大。间歇式结晶设备结构比较复杂，所得的晶体颗粒较细小，操作控制比较困难，消耗动力大，但设备利用率高，生产能力大。连续式结晶设备任务二结晶设备将高浓度或熔融的物料从塔顶喷淋成液滴，与塔内自下而上的冷空气逆流接触，通过冷却和部分溶剂汽化使液滴凝固成固体颗粒。塔式结晶器主要应用：用于分离沸点接近、热敏性或难以蒸馏的有机混合物，如对二氯苯、萘等。任务二结晶设备塔式结晶器的优点1空间利用率高：高径比大，占地小，适合户外安装，无需复杂支撑钢架。2传热传质好：冷却面/体积比高，晶浆与换热面接触充分，效率更高。3产品纯度高：连续多级逆流，晶体与母液充分接触，提纯效果优于釜式。4操作维护简单：无泄漏轴封，能耗低，安装成本低于同容量卧式设备。5适配性强：更适合高粘度物料，可长时间储存料液，适合连续化生产。任务二结晶设备塔式结晶器的缺点1易结垢堵塞：晶体易附着器壁与搅拌件，影响传热和流通，需定期清理。2放大效应明显：塔径增大易导致截面传热传质不均，影响产品质量。3操作控制严格：晶体床层易坍塌，需精准控制流速、温度与进料，否则影响纯度与效率。4维修难度大：塔身高，内部件检修与维护不便，成本较高。5卸料复杂：需用泵辅助排空，不适用于某些特殊物料工况。任务二结晶设备是一种通过加热蒸发溶剂，使溶液达到过饱和状态，从而析出晶体的化工设备单元。蒸发式结晶器主要应用：用于分离溶质与溶剂沸点相差大的特性，如化肥工业生产尿素、硝酸铵、氯化钾等。无机盐工业生产氯化钠、碳酸钠等基础化工原料。任务二结晶设备由于操作在减压条件下进行，故可维持较低的温度，使溶液产生较大的过饱和度。循环液中基本不含晶体颗粒，可避免循环泵的叶轮与晶粒之间发生碰撞而造成二次成核。结晶室具有粒度分级作用，使结晶产品颗粒大而均匀。蒸发式结晶器的优点蒸发式结晶器的缺点因母液的循环量受到了产品颗粒在饱和溶液中沉降速度的限制，操作弹性较小。加热器内容易出现结晶层而导致传热系数降低。加热面附近溶剂汽化较快，溶液的过饱和度不易控制，因而也难以控制晶体颗粒的大小。该设备适用于对产品晶粒要求不严格的结晶操作。任务二结晶设备又称为蒸发冷却式结晶器。是一种利用真空降低溶液沸点，使溶剂在较低温度下闪蒸，实现冷却与浓缩双重目的来结晶的设备。真空式结晶器主要应用：适用于分离热敏物料，具有节能高效、设备紧凑、操作灵活的优点。任务二结晶设备真空式结晶器的优点1结构简单。3当处理腐蚀性溶液时，器内可加衬里或用耐腐蚀材料制造。5操作易于控制和调节。2无运动部件。4溶液是绝热蒸发而冷却，不需要传热面，因此在操作时不会出现晶体结垢现象。6生产能力大。真空式结晶器的缺点1蒸汽、冷却水消耗量较大。任务二结晶设备是一种用于“熔融结晶”工艺的设备，通过外部物理转动和内部结构设计，实现多级、高效的结晶与分离提纯。转筒式结晶器主要应用：用于处理高熔点、需要高纯度分离的有机混合物，如对二氯苯和萘等。任务二结晶设备转筒式结晶器的优点1连续稳定：连续操作、质量稳定，生产能力大，适合规模化生产。2传热高效：料膜薄（0.3-1.5mm），冷却周期短（10-60s），传热传质快。3操作灵活：转速、温度、料膜厚度等参数可独立调节，适配多物料与产量。4适配性强：更适合粘稠浆状物料，换品种易、机内易清理。5结构简单：构造可靠，无复杂密封，安装维护成本较低。任务二结晶设备转筒式结晶器的缺点1能耗偏高：转筒转动与料膜维持需额外能耗，比部分塔式/釜式更高。2易结垢堵料：晶体易附着筒壁，影响传热，需定期清理与维护。3放大效应明显：筒径增大易致传热不均，影响产品均匀性。4维修不便：大型转筒检修与更换部件复杂，成本较高。5晶形受限：更适合薄片状/鳞片状晶体，难生产大颗粒与均匀晶形产品。CaloriesChemicalIndustry任务三

结晶的应用化工传热与控制技术任务三结晶的应用溶液恰好饱和，溶质既无溶解也无结晶，即溶质与溶液处于平衡状态，此溶液称为饱和溶液。如右图中的A点和B点。饱和溶液在某固体形成的溶液中，若继续添加该固体，固体还能溶解则此溶液为未饱和溶液。如右图中的P点。未饱和溶液溶质浓度超过饱和溶解度时，不能再继续溶解溶质，则该溶液称之为过饱和溶液。如右图中的A＇和B＇点。过饱和溶液同一温度下，过饱和溶液与饱和溶液的浓度差。溶液的过饱和度是结晶过程的推动力。过饱和度从不饱和溶液里析出晶体，要经过下列步骤：不饱和溶液

→

饱和溶液

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过饱和溶液

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晶核的产生

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晶体生长等过程。溶液结晶类型任务三结晶的应用冷却结晶法蒸发结晶法真空冷却结晶法反应结晶法盐析(溶析)结晶法任务三结晶的应用若溶剂的量保持不变，使溶液的温度降低，假如P点所表示的不饱和溶液的温度由t1℃降低到t2℃时，则原P点所表示的溶液变成了用S曲线上的B点所表示的饱和溶液。在此时，如果停止降温，则B点的溶液处于溶解平衡状态，溶质不会由溶液里析出。若使继续降温，由t2℃降到了t3℃时，此时的溶液是过饱和溶液，溶质可自然地由溶液里析出晶体。冷却结晶冷却结晶适用于溶解度随温度的降低而显著下降的物系。常用的冷却方法有自然冷却间壁换热冷却直接接触冷却任务三结晶的应用恒温蒸发，使溶剂的量减少，P点所表示的溶液由未饱和溶液变为饱和溶液，即变成S曲线上的A点所表示的溶液。在此时，如果停止蒸发，温度也不变，则A点的溶液处于溶解平衡状态，溶质不会由溶液里析出。若继续蒸发，则随着溶剂量的继续减少，这时的溶液是过饱和溶液，溶质可以自然地由溶液里析出晶体。蒸发结晶蒸发结晶适用于溶解度随温度降低而变化不大或具有逆溶解度特性的物系。蒸发结晶器常在真空度不高的减压下操作。降低操作温度，以利于热敏性产品的稳定，并减少热能损耗。任务三结晶的应用向溶液中加入某些物质，以降低溶质在原溶剂中的溶解度，产生过饱和度的方法。盐析结晶盐析剂的要求：能溶解于原溶液中的溶剂，但不（很少）溶解被结晶的溶质，而且溶剂与盐析剂的混合物易于分离(用蒸馏法)。NaCl是一种常用的盐析剂，如在联合制碱法中，向低温的饱和氯化铵母液中加入NaCl，利用同离子效应，使母液中的氯化铵尽可能多地结晶出来，以提高结晶收率。向溶液中加入其他的溶剂使溶质析出的过程。溶析结晶如使不溶于水的有机物质从可溶于水的有机溶剂中结晶出来，此时加入酌量的水于溶液中。制药行业中，常向含有医药物质的水溶液中加入某些有机溶剂(如低碳醇、酮、酰胺类等)的方法使产物结晶出来。任务三结晶的应用反应结晶气体与液体或液体与液体之间发生化学反应以产生固体沉淀，固体的析出是由于反应产物在液相中的浓度超