化工單元操作任務(wù)四結(jié)晶課件

任務(wù)四結(jié)晶教學(xué)目標掌握內(nèi)容：結(jié)晶操作的原理、影響因素；結(jié)晶操作的操作條件確定。理解內(nèi)容：結(jié)晶操作的基本過程與方法了解內(nèi)容：溶液結(jié)晶的類型及其設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)晶產(chǎn)量的計算方法；其它結(jié)晶方法。結(jié)晶方法與原理結(jié)晶相平衡結(jié)晶推動力結(jié)晶操作的影響因素及操作條件的確定重點：難點：結(jié)晶操作的影響因素及操作條件的確定概述二、分類溶液結(jié)晶熔融結(jié)晶升華結(jié)晶沉淀結(jié)晶還可分為間歇式和連續(xù)式。還分為無攪拌式和有攪拌式。1、能從雜質(zhì)含量很高的溶液或多組份熔融狀態(tài)混合物中獲得非常純凈的晶體產(chǎn)品；2、對于許多其它方法難以分離的混合物系，同分異構(gòu)體物系和熱敏性物系等，結(jié)晶分離方法更為有效；3、結(jié)晶操作能耗低，對設(shè)備材質(zhì)要求不高。三、在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用應(yīng)用在化學(xué)、食品、醫(yī)藥、輕紡等工業(yè)中，許多產(chǎn)品及中間產(chǎn)品都是以晶體形態(tài)出現(xiàn)的。四、特點例如：味精、速溶咖啡、青霉素、紅霉素、化肥、洗衣粉等。第一節(jié)結(jié)晶過程及類型2、對原料冷卻因溶解度下降而達到過飽和。二、溶液結(jié)晶的類型2、移去部分溶劑的結(jié)晶法蒸發(fā)結(jié)晶法真空結(jié)晶法

1、不移除溶劑的結(jié)晶法（冷卻結(jié)晶法）一、結(jié)晶過程的實質(zhì)將稀溶液變成過飽和溶液，然后析出結(jié)晶。

達到過飽和有兩種方法:1、用蒸發(fā)移去溶劑;第二節(jié)結(jié)晶的基本原理

一、基本概念晶體－內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點元（原子、離子、分子）作三維有序規(guī)則排列的固態(tài)物質(zhì)。晶格－假設(shè)通過原子結(jié)點的中心劃出許多空間直線所形成的空間格架。晶胞—能反映晶格特征的最小組成單元。(a)晶體結(jié)構(gòu)(b)晶格(c)晶胞底心單斜簡單單斜單斜晶系簡單三斜三斜晶系三方晶系簡單三方底心正交簡單正交面心正交體心正交正交晶系簡單立方體心立方面心立方立方晶系二、結(jié)晶過程的相平衡1.相平衡與溶解度在一定溫度下，將溶液放入溶劑中，由于分子的熱運動，必然發(fā)生兩個過程：溶解度：一定條件下，溶質(zhì)在某溶劑中可以溶解的最大數(shù)量成為溶質(zhì)的溶解度。常用的表示方法：物質(zhì)的沉積：溶質(zhì)分子從液體中擴散到固體表面進行沉積。固體的溶解：溶質(zhì)分子擴散進入液體內(nèi)部；質(zhì)量分數(shù)—kg溶質(zhì)/100kg溶劑體積質(zhì)量濃度—kg/L幾種無機物在水中的溶解度曲線溶解度曲線溶解度曲線有三種類型：①隨溫度升高而明顯增大;②受溫度的影響不顯著;③溶解度曲線有折點，主要是由于物質(zhì)的組成有所改變;溶解度曲線對操作的指導(dǎo)意義：(1)對于溶解度曲線隨溫度變化敏感的物質(zhì)，可選用變溫方法結(jié)晶分離；(2)溶解度隨溫度變化緩慢的物質(zhì)慢，可采用移除一部分溶劑的方法分離。溶液的過飽和與超溶解度曲線２.溶液的過飽和與介穩(wěn)區(qū)過飽和溶液：溶質(zhì)濃度超過該條件下的溶解度時，該溶液稱為--。

過飽和曲線可分成三個區(qū)：穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)區(qū)介穩(wěn)區(qū)溶解度曲線以上的區(qū)域溶解度曲線以下的區(qū)域過飽和區(qū)※結(jié)晶操作通常都在介穩(wěn)區(qū)中進行※溶質(zhì)只有在過飽和溶液中才能析出三、結(jié)晶過程的速率1.晶核的形成晶核－過飽和溶液中最初生成的微小晶粒，晶體成長過程中必不可少的。成核方式初級成核二次成核均相初級成核非均相初級成核晶胚－面晶結(jié)合成按一定規(guī)律排列的細小晶體。溶液達到過飽和狀態(tài)是結(jié)晶的前提；過飽和度是結(jié)晶的推動力。晶體的成核方式晶核的生成有三種形式：即初級均相成核、初級非均相成核及二次成核。在高過飽和度下，溶液自發(fā)地生成晶核的過程，稱為初級均相成核；溶液在外來物（如大氣中的微塵）的誘導(dǎo)下生成晶核的過程，稱為初級非均相成核；而在含有溶質(zhì)晶體的溶液中的成核過程，稱為二次成核。二次成核也屬于非均相成核過程，它是在晶體之間或晶體與其他固體（器壁、攪拌器等）碰撞時所產(chǎn)生的微小晶粒的誘導(dǎo)下發(fā)生的。2.晶體的成長擴散理論晶體的成長過程由三個步驟組成的：溶質(zhì)由溶液擴散到晶體表面附近的靜止液層；溶質(zhì)穿過靜止液層后達到晶體表面，生長在晶體表面上，晶體增大，放出結(jié)晶熱；釋放出的結(jié)晶熱再靠擴散傳遞到溶液的主體去。2．冷卻（蒸發(fā)）速度的影響實現(xiàn)溶液過飽和的方法

冷卻蒸發(fā)化學(xué)反應(yīng)

快速冷卻或蒸發(fā)大量細小的晶體

緩慢冷卻或蒸發(fā)大而均勻的晶體3．晶種的影響工業(yè)生產(chǎn)中的結(jié)晶操作一般都是在人為加入晶種的情況下進行的。晶種的主要作用是控制晶核的數(shù)量以得到粒度大而均勻的結(jié)晶產(chǎn)品。1．過飽和度的影響：適宜的過飽和度一般由實驗測定

過飽和度值應(yīng)大至使結(jié)晶操作控制在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)，又保持較高的晶體生長速率，使結(jié)晶高產(chǎn)而優(yōu)質(zhì)。最常用5．?dāng)嚢璧挠绊?/p>

攪拌的作用:

①加速溶液的熱傳導(dǎo)，加快生產(chǎn)過程。②加速溶質(zhì)擴散過程的速率，有利于晶體成長。③使溶液的溫度均勻，防止溶液局部濃度不均，結(jié)垢等。④使晶核散布均勻，防止晶體粘連在一起形成晶簇，降低產(chǎn)品質(zhì)量。使用攪拌器時應(yīng)注意：4．雜質(zhì)的影響一般對晶核的形成有抑制作用

對晶體的成長速率的影響較為復(fù)雜，有的雜質(zhì)能抑制晶體的成長，有的能促進成長。一、選擇適宜型式的攪拌器；二、控制好攪拌速度第四節(jié)結(jié)晶器（一）冷卻結(jié)晶器（不移除溶劑的結(jié)晶器）、結(jié)晶裝置的類型1.釡式結(jié)晶器：(a)、(b)―內(nèi)循環(huán)式；(c)外循環(huán)式用冷卻劑使溶液冷卻下來而達到過飽和，從而使溶液結(jié)晶出來。特點：結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但冷卻表面易結(jié)垢而導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降。（二）移去部分溶劑的結(jié)晶器１.蒸發(fā)結(jié)晶器與普通蒸發(fā)器在設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作上完全相同，溶液被加熱到沸點，蒸發(fā)濃縮達到過飽和而結(jié)晶。特點：由于設(shè)備一般在減壓下操作，在較低溫度下，溶液可較快達到過飽和狀態(tài)，而使結(jié)晶的粒度難于控制。2.真空冷卻結(jié)晶器將熱的飽和溶液加入一與外界絕熱的結(jié)晶器中，由于器內(nèi)維持高度真空，其內(nèi)部溶液的沸點低于加入溶液的溫度，結(jié)晶排出。構(gòu)造簡單，無運動部件，易于解決防腐蝕問題。操作可以達到很低的溫度，生產(chǎn)能力大。溶液是絕熱蒸發(fā)而冷卻，不需要傳熱面，避免傳熱面上有晶體結(jié)垢，操作中易調(diào)節(jié)和控制。連續(xù)式真空冷卻結(jié)晶器R—溶質(zhì)水合物摩爾質(zhì)量與絕干溶質(zhì)摩爾質(zhì)量之比；無結(jié)晶水合作用時，R=1；W’—母液中溶劑量Kg，Kg/h；當(dāng)R=1時，G=Gｃ。2.形成水合物的結(jié)晶過程結(jié)晶產(chǎn)品為水合物，其攜帶的溶劑不存在于母液中對溶質(zhì)作物料衡算：對溶劑作物料衡算：二、物料衡算式的應(yīng)用1.不移除溶劑的結(jié)晶（冷卻結(jié)晶）2.移除部分溶劑的結(jié)晶＝０（1）蒸發(fā)結(jié)晶若移出的溶劑量W已知Ｇ或者，可根據(jù)已知的結(jié)晶產(chǎn)品量G求W。rcr—結(jié)晶熱，溶質(zhì)在結(jié)晶過程中放出的潛熱,J/Kg；rs—溶劑汽化熱,J/Kg;Cp—原料液的質(zhì)量熱容,J/Kg.k；t1、t2—溶液的初始及最終溫度K。（2）真空冷卻結(jié)晶此時，溶劑蒸發(fā)量B為未知量，需通過熱量衡算求出。第六節(jié)其它結(jié)晶方法簡介一、熔融結(jié)晶待分離組份間的凝固點的不同而實現(xiàn)組份分離的過程，多用于有機物的分離提純，而冶金材料精制或高分子材料加工時的熔煉過程也屬于熔融結(jié)晶。二、沉淀結(jié)晶化學(xué)結(jié)晶：通過加入反應(yīng)試劑或調(diào)節(jié)PH值，生產(chǎn)溶解度很小的產(chǎn)物而析出結(jié)晶產(chǎn)品。如：用氨水吸收二氧化碳制取碳酸氫銨(NH4HCO3