第九章-结晶器的混合
42页1、 结晶器的混合 在结晶器内的混合状态为晶体的成核 成长提供了一个外界环境 了解在结晶器内的混合过程和状态是非常重要的 考虑晶体的成核 成长过程 晶体所处的微观环境 晶体的成长 成核只与局部的过饱和度有关 尽管是二次成核 也只与局部晶体的特征和其碰撞能量相关 就单个晶体考虑 晶体的成长过程中 溶液中的溶质要转移到晶体表面 进而成长 也就是说 在晶体表面的溶液浓度与溶液中的主体浓度存在一定的差别 这种微观环境的条件才是晶体成长的具体环境 混合过程是把结晶器内的这种微观环境与流体在结晶器内的流动状态的宏观环境结合起来的过程 在大的范围讲 混合过程提供了一个具体的晶体的悬浮状态晶体随时间和位置变化的一种宏观环境 从而决定晶体在结晶器内的均匀度 以及溶液中溶质的均匀度 在宏观环境中的这种不均匀度为晶体从一个区域运动到另一个区域中时 提供了不同的微观环境 而使晶体的成长呈不同的规律 这一点对分析结晶过程非常重要 往往局部参数值的变化比结晶器内平均值的信息对过程分析更重要 例如 反应结晶的喂料位置 连续结晶过程的排料位置等等 本章所讨论的内容 在典型工业结晶中遇到的混合及其相关的现象混合对晶体特征的
2、影响悬浮结晶器的流动的基础了解由于混合而造成结晶过程问题的解决方法搅拌器的基本设计 从提供所需的混合角度不涉及机械设计 讨论有关模拟方法的问题研究方法 结晶器内的流体流动 结晶器内一般是带有搅拌的罐体 在很多方面和用于化学反应和混合的搅拌器类同 在这些搅拌器内 使用机械能提供各种物质的混合 喂料通过各流体的湍流运动与主体物流混合在一起 通过搅拌桨的运动使流体从上到下 从中心到边缘的循环运动 在工业结晶器内的最大特点是有晶体存在 要把晶体悬浮在溶液中 使晶体成长 因此 在结晶器内是一种固体悬浮 也就是说是一个多相流 而不是单相的流体流动 在有固体的存在下 悬浮液的有效粘度要比溶液的粘度高 在结晶器内的流体流速必须使晶体成悬浮状态 而不能沉积于结晶器的底部 而晶体的存在 必影响到流体的湍流特征 一般的情况下 晶体在结晶器内不会是均匀分布的 在结晶器内的不同位置 其晶体的尺寸分布也有不同 这些特征最终都会影响到各种参数在结晶器内的分布状态 而影响晶体产品的质量 在结晶器内流体的流动 绝大部分条件下 是处于湍流运动 因此 在分析结晶器内的运动状态时 要把流体的时间平均值与瞬时值加以区别 这里就
3、不多讨论湍流运动的具体特征 但要具有瞬时值的概念 如图8 1是一个在结晶器内流体运动的轨迹 它只表示一种时间平均值的概念 即主体上流体在结晶器内的运动轨迹如图所示 但实际上 在流体运动中流体会形成不同大小的旋涡其瞬时流体微团的运动要比这一复杂的多 这些湍流特征对结晶过程必有很大的影响 在结晶器内关键变量的分布 在研究混合过程 哪个变量的分布的影响是过程中的关键变量 取决于结晶过程的过饱和度的产生方法 比如反应结晶过程中 两个反应物的混合状态决定着过饱和度的分布 因此反应物的混合过程及其浓度分布就变的相对重要 对冷却结晶过程 也许热物料与主体冷料的混合 或者从传热面的传热边界层与主体物料的混合 对过饱和度的分布更重要的 对蒸发结晶过程蒸发表面与主体物流的混合等等 另一方面 结晶器内的混合决定着溶液浓度在设备内的分布 同时也决定着固体晶体在结晶器内的分布 同时也影响着溶液温度的分布 这三个量的分布状态相互影响从而决定结晶器内过饱和度的分布 最高过饱和度在结晶器内的位置是溶液的浓度最高 含固体量最低 温度最低的区域 这是因为固体的含量低其可用于晶体成长的表面较低 低的温度表示其饱和浓度低 因
4、此会产生较高的过饱和度 影响结晶过程中关键变量分布的主要因素 在设备内的流场 V r 湍流动力学能量及其消耗速率 K 喂料点产品排出点进一步分析 流场和能量消耗速率取决于搅拌桨和它的位置搅拌速率挡板的尺寸和位置导流筒的尺寸和位置结晶器的外形尺寸等 由上述 我们可以得出 在结晶器内 结晶过程的关键变量都不是均匀分布的 一般来说 在小型 实验室 的结晶器内 均匀分布是有可能的 但在大型 工业 结晶器内 可以肯定的说 结晶器变量的分布决不会是均匀混合的 这种不均匀度也是很难估计和预测的 但我们可以分析一下不均匀的过饱和度分布对结晶过程的影响 成核速率 过饱和度的大小对成核速率影响很大 一般的成核速率模型 有 为无因次过饱和度 n为成核过程依赖于过饱和度的指数对二次成核过程对初级成核由于过饱和度对成核的影响很大 如果某些区域 如进料口 蒸发区域 的混合状态不好 就会造成局部过饱和度过高 进而造成大量的成核 因此整个过程的成核会主要决定于这样的区域 而不是平均过饱和度 晶体的成长速率 也是过饱和度的指数函数G为晶体成长速率这样也会造成晶体在不同的区域内会有不同的成长速率 从而也可能造成晶体形状的
5、不同和晶体质量问题 因此 控制局部高过饱和度也许对控制产品中细晶的量有着明显的效果 尽管在整个结晶器内的平均过饱和度比较低 但如果有些局部的过饱和度过高 也会产生大量的细晶 过饱和度的不均匀对结晶器的结垢具有相似的影响 在小的区域内形成高的过饱和度会产生局部结垢 进而扩散而形成垢层 在某些情况下 固体的均匀混合不一定对结晶过程有好处 在某些情况下 不均匀的固体悬浮也许对结晶过程的控制有益 比例把成核和成长控制在不同的区域的过程 碰撞成核的速率与晶体的碰撞频率密切相关 晶体的碰撞速率与晶体在溶液中的浓度 悬浮密度 成二次方的关系 因此局部高的晶体含量导致大量的二次成核 如果晶体的悬浮状态不好 而造成局部晶体含量高 相对高的二次成核就会在局部发生 因此 为了减小二次成核 尽量使晶体在结晶器内均匀分布是一个较好的方法 而不是减小平均固体含量 在决定固体的悬浮条件时 尽量使晶体悬浮 而不是 恰好 悬浮条件 固体悬浮密度的分布取决于结晶器内的流场分布 同时固体的存在又影响流场的分布和改变流场及其湍流状态 固体在搅拌器内的分布可能是非常让人难以估计 如图所示 在带有挡板 轴向推动搅拌桨的搅拌器内的
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