反應(yīng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)講義.doc

反應(yīng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)考察間歇反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)沉淀結(jié)晶過程操作條件（反應(yīng)溫度、攪拌速度、加料方式、陳化時(shí)間等）對產(chǎn)品形貌和粒度的影響。(1)掌握間歇反應(yīng)器的特性及操作方法。(2)掌握工業(yè)上反應(yīng)沉淀結(jié)晶過程的操作要點(diǎn)。(3)認(rèn)識反應(yīng)沉淀結(jié)晶過程的成核過程和生長過程規(guī)律。二、 實(shí)驗(yàn)原理粒子從液相析出過程，實(shí)質(zhì)上是反應(yīng)沉淀結(jié)晶過程，這個(gè)過程涉及到復(fù)雜的傳質(zhì)、傳熱過程，在不同的物質(zhì)及化學(xué)環(huán)境下，沉淀形成的機(jī)理可能不同，但其一般由以下三步組成：（1）由反應(yīng)過程產(chǎn)生過飽和度；（2）形成晶核；（3）晶核成長為可分辨的大小。由反應(yīng)結(jié)晶理論可知，粒子的形成可以分為晶核形成與晶體長大兩個(gè)過程，該過程也是一個(gè)相變過程。成核過程，相變驅(qū)動(dòng)力為自由能變化： (1)式中：G：吉布斯自由能變化。r：成核胚芽半徑。g：摩爾相變吉布斯自由能變化。V：摩爾體積。：比表面能。由Gibbs-Thomson關(guān)系式，臨界晶核大?。?(2)式中：R：氣體常數(shù)。S：過飽和度。成核過程可以看作是激活過程，成核所需的活化能為： (3) (4)可見，提高溶液中反應(yīng)結(jié)晶過程的物質(zhì)的過飽和度S，可以大大降低Gc使rc減小。式中：rc：臨界晶核半徑。Gc：臨界自由能變化。成核速率J可以表示為：， (5)上式可以寫成： (6)式中：形狀因子，J：核化速率，：單位時(shí)間，單位速率的有效碰撞次數(shù)。 (7)可見，成核速率J對過飽和度非常敏感，過飽和度超過某一程度（臨界過飽和度），成核速率迅速增大至極限。因此，反應(yīng)結(jié)晶過程形成相對高的過飽和度是溶液中粒子快速均勻成核的先決條件。反應(yīng)沉淀結(jié)晶反應(yīng)制備粒子時(shí)，反應(yīng)過程完全在液相中進(jìn)行，液體中反應(yīng)物實(shí)際上被周圍溶劑分子包圍，分別被關(guān)于由周圍分子形成構(gòu)成的溶劑的籠中?；\中的陰離子和陽離子不能像氣體分子自由地運(yùn)動(dòng)，只能不停地在籠中振動(dòng)，不斷與周圍分子碰撞，如果某一個(gè)離子具有足夠的能量，或者正在向某方向振動(dòng)時(shí)，恰好該方向的周圍分子讓開，這個(gè)離子就要沖破溶液劑籠擴(kuò)散出去。但是，它立刻陷于另一籠中，由于籠中運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的效應(yīng)，即籠蔽效應(yīng)。若陰離子和陽離子擴(kuò)散到同一個(gè)籠中互相接觸，則發(fā)生反應(yīng)。擴(kuò)散與反應(yīng)為兩個(gè)串聯(lián)的步驟，反應(yīng)結(jié)晶過程所需的活化能很小，反應(yīng)速率很快，整個(gè)過程為擴(kuò)散控制，擴(kuò)散活化能即離子沖破溶劑籠所需的能量對溫度不太敏感，外加機(jī)械能量是提高擴(kuò)散活化能的主要形式。攪拌混合是外加能量的傳統(tǒng)形式，在強(qiáng)制對流作用下通過主體擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散，最終達(dá)到分子級均勻的過程?；旌蠒r(shí)，先形成大尺度的渦旋微團(tuán)，在湍流拉伸、剪切作用下，大旋渦分裂成較小尺度的渦旋，能量從大渦旋傳遞到小渦旋，小渦旋則向更小的渦旋傳遞，直到更小尺度即Kolmogoroff尺度的渦旋?；旌鲜紫葘拇蟪叨葘α鬟\(yùn)動(dòng)開始，繼之以小尺度；即渦流擴(kuò)散把較大的液滴微團(tuán)進(jìn)一步變形、分割成更小的微團(tuán)，通過小微團(tuán)界面之間的渦流擴(kuò)散，把不均勻程度降低到渦流本身的大小，直至達(dá)到Kolmogoroff尺度，這就是宏觀混合的最大限度。微觀混合是分子尺度上的混合，它的最終實(shí)現(xiàn)只能靠最小尺度微團(tuán)內(nèi)的分子擴(kuò)散，分子擴(kuò)散是實(shí)現(xiàn)微觀混合的控制因素。反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)瞬間必須達(dá)到分子級均勻混合，才能避免反應(yīng)器中過飽和度的非均勻性，產(chǎn)物形態(tài)盡可能一致。因此，必須采取特殊的進(jìn)料和混合方式才能達(dá)到微觀混合效應(yīng)。微觀混合對反應(yīng)過程的影響是在以層流或者湍流形式，微觀混合可以改變產(chǎn)品的性質(zhì)，進(jìn)而改變產(chǎn)品的質(zhì)量，例如在沉淀反應(yīng)過程中，沉淀顆粒尺度分布就依賴于混合的好壞。同樣微觀混合控制著聚合反應(yīng)過程中有機(jī)分子的質(zhì)量分布湍動(dòng)混合過程很復(fù)雜，可以將這一過程區(qū)分和描繪成一些更加簡單的階段，即宏觀混合、介觀混合和微觀混合。整個(gè)容器尺度上的混合過程為宏觀混合，它為介觀混合和微觀混合確定環(huán)境濃度，同時(shí)使發(fā)生介觀混合和微觀混合的流體傳遞到存在湍動(dòng)的環(huán)境中。介觀混合反映了新鮮物料與環(huán)境之間的粗糙尺度上的湍流交換，快速的化學(xué)反應(yīng)經(jīng)常發(fā)生在加料點(diǎn)附近，從而形成了新鮮物料薄層。這層物料雖然相對于微觀混合尺度來說是粗糙的，但是相對于整個(gè)系統(tǒng)的尺度來說己經(jīng)相當(dāng)精細(xì)。介觀混合受到大旋渦慣性對流過程的影響。在慣性對流子域中由于大旋渦破碎而產(chǎn)生的混合中沒有分子擴(kuò)散的直接作用，但是慣性對流會對微觀混合產(chǎn)生影響。微觀混合是湍動(dòng)混合的最后階段，由流體微元的粘性變形和分子擴(kuò)散兩部分組成，粘性變形過程強(qiáng)化的分子擴(kuò)散作用。不同形式的反應(yīng)器，具有不同流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)的特征，從而導(dǎo)致反應(yīng)器中具有不同的濃度，溫度和停留時(shí)間分布。這些差異又影響反應(yīng)、成核、生長過程的相對速率，從而影響最終產(chǎn)物的粒度和粒度分布。由上述可見，粉體制備工程問題復(fù)雜，影響因素多且這些因素之間相互交聯(lián)，表現(xiàn)出變量非線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。反應(yīng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)考察間歇反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)沉淀結(jié)晶過程操作條件（反應(yīng)溫度、攪拌速度、加料方式、陳化時(shí)間等）對產(chǎn)品形貌和粒度的影響。(1)掌握間歇反應(yīng)器的特性及操作方法。(2)掌握工業(yè)上反應(yīng)沉淀結(jié)晶過程的操作要點(diǎn)。(3)認(rèn)識反應(yīng)沉淀結(jié)晶過程的成核過程和生長過程規(guī)律。圖1反應(yīng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)裝置四、 實(shí)驗(yàn)步驟及方法(1) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，配制一定濃度（0.5mol/L）的硝酸鈣溶液和0.5mol/L碳酸鈉溶液,溶液體積各為0.5L。(2) 采用不同加料次序方式將反應(yīng)物加入到攪拌反應(yīng)釜。(3) 開動(dòng)攪拌裝置，不同時(shí)間取樣，在顯微鏡下觀察粒子形貌和尺寸。(4) 將反應(yīng)物進(jìn)行洗滌和過濾和干燥，計(jì)算收率。(5) 關(guān)閉儀器，電源，水源，排清釜中料液，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。五、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理(1) 采用excell 或origin做出不同參數(shù)對所得粒子尺寸影響圖。(2) 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。六、 預(yù)習(xí)與思考(1) 硝酸鈣溶液和碳酸鈉溶液反應(yīng)的推動(dòng)力是什么，推動(dòng)力受什么因素影響，推