过饱和度.doc

1?? 前?? 言 随着经济的发展和人民生活水平的提高,对盐的质量、粒度提出了更高的要求。为了获得粒径更大的粗粒盐, 必须加强对结晶基本理论的研究，掌握蒸发制盐过程的晶体粒度的影响因素及其控制途径,从有利于氯化钠结晶成长、料液过饱和度的消除、防止罐壁结垢、强化传热、减少料液短路温度损失、节能降耗出发来调整系统控制点，加强系统工艺控制。 2?? 结晶的基本理论 2.1 工业结晶过程的基本理论 溶液结晶是溶质从溶液中析出形成晶体的过程,结晶过程的产量取决于结晶物质的溶解度。溶液的浓度恰好等于溶质的溶解度时,称为饱和溶液,溶液含有超过溶解度的溶质含量时,则称为过饱和溶液。溶质含量超过饱和溶液的部分用过饱和度表示。 过饱和度是结晶过程的主要推动力。在结晶过程中,溶液的过饱和度对结晶过程有很大影响,它决定着结晶过程所发生的不同过程及其不同过程的速率,因而直接影响到产品的粒度与粒度分布。根据大量实验研究证实[1],溶液的过饱和度与结晶的关系可用图1表示。 溶解度曲线和过溶解度曲线将浓度-温度图分割为稳定区、介稳区和不稳定区三个区域。在稳定区内,溶液未达到饱和,因而没有结晶的可能。在介稳区内,不会自发的产生晶核,但若加入晶种,这些晶种就会长大。在不稳定区域内,溶液能自发的产生晶核,越深入不稳定区,自发产生的晶核也多。因此在工业结晶过程中,控制溶液的过饱和度是控制结晶过程的关键参数。 对于工业结晶过程中溶液的过饱和度与结晶的关系,研究指出,一个特定的物系只有一根明确的溶解度曲线,但过饱和度曲线的位置却受很多因素的影响。例如有无搅拌、搅拌的强弱、有无晶种等。工业结晶过程只有尽量控制在介稳区内,才能避免自发成核,得到平均粒度大的结晶产品。 2.2? 结晶动力学 一般来讲,在结晶过程中主要发生的过程为晶体的成核和成长。而在工业结晶过程中,成核过程和成长过程是同时发生的,其发生的速率称为成核速率和成长速率。成核速率和成长速率统称为结晶动力学 2.2.1晶核动力学 晶核是晶体进而生长的核心,没有晶核的存在,在一定溶液的过饱和度下,不能发生相变过程,即溶液会保持其过饱和状态。晶核的来源主要有三种形式。其一是人为的加入晶体,称为晶种的添加。即通过人为控制的方法,提供所需的晶体成长的表面,使溶液中过饱和的溶质成长于晶种表面,实现结晶过程。第二种晶核的来源是从过饱和溶液中形成晶核,对这种成核过程我们称之为初级成核。初级成核的形成都是从较高的过饱和溶液中新生成的微小晶体粒子,是一种突发过程,过程很难控制。第三种是晶核来源于已存在的晶体。由于不同的原因使晶体破碎而形成的细小晶体作为晶体成长的核心,称之为二次成核。二次成核过程比较复杂,影响因素很多,主要包括晶体本身的性质和外界操作条件,例如搅拌强度、悬浮密度和过程的过饱和度的影响。 经大量的研究发现,影响晶体二次成核速率成核的主要的操作条件为系统中的搅拌强度、悬浮液中的晶体含量(悬浮密度)和溶液的过饱和度。因此二次成核速率与这些因素的关系常常以指数形式关联,并表示为: B=KNWiMTj(ΔC)n 式中:B———成核速率,No./m·3s KN———成核动力学常数 W———搅拌强度(rpm,搅拌搅边缘速率,能量输入速率) MT———悬浮密度,kg/m3 ΔC———过饱和度 i、j、n为经验动力学参数,可用实验数据的回归分析确定。 2.2.2结晶的成长 在过饱和溶液中已有晶核形成或加入晶种后,以饱和度为推动力,晶核或晶种将长大,这种现象称为晶体生长。按照扩散学说,晶体的生长过程是由三个步骤组成的:(1)待结晶的溶质借扩散穿过靠近晶体表面的一个静止液层,溶质从溶液中转移到晶体的表面;(2)到达晶体表面的溶质长入晶面,使晶体继续增大,同时放出结晶热;(3)放出来的结晶热借传导回到溶液中。因此溶液的过饱和度为其整个晶体成长的传质推动力,而直接影响晶体的成长速率。 通常结晶成长速率与溶液过饱和度的关系可表示为: G=KgΔCg 式中:G———成长速率,m/s Kg———成长动力学常数(一般为温度的函数) ΔC———过饱和度,g/L 从成核速率和成长速率两个模型可以看出,无论是晶核的形成还是晶体的成长都必须有过饱和度作推动力。而且过饱和度越大,晶核的形成和晶体的成长速率都越大。因此要使产品保持一定的粒度和分布,则必须控制适当的过饱和度,从而避免过多的晶核形成,维持晶体的成长速率。 据研究发现,不同的晶体粒径可能会有不同的成长速率。在大量晶体的存在下,同一成长条件,相同的晶体粒径也许会以不同的成长速率成长。这就是所谓的晶体尺寸依赖型晶体成长速率和晶体成长速率的不同一性。 2. 3 ?NaCl结晶动力学 2.3.1 氯化钠晶体生长速率与溶液的过饱和度关系 由晶体生长的扩散学说,同一物料的结晶过程可以属于扩散控制,也可以属于表面反应