第六章-結(jié)晶器設(shè)計(jì)

結(jié)晶器的選擇與設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代結(jié)晶器的設(shè)計(jì)中考慮結(jié)晶動力學(xué)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的尺寸，尺寸產(chǎn)品的質(zhì)量。結(jié)晶器工藝設(shè)計(jì)1.確定操作模型(1).連續(xù)型(2).間歇型2.產(chǎn)生過飽和度的方法冷卻、蒸發(fā)、反應(yīng)、其它3。結(jié)晶過程質(zhì)量衡算質(zhì)量、熱量、粒數(shù)衡算（略）顆粒衡算與質(zhì)量、熱量衡算的關(guān)系2021/6/2713.設(shè)計(jì)流程操作模型的選擇連續(xù)：大型生產(chǎn)一般產(chǎn)生的晶體的尺寸分布較寬可用一些控制手段來完成大晶體窄分布的產(chǎn)品。間歇：相對小的生產(chǎn)能力（50T/天）一般可產(chǎn)生分布較窄的晶體也需要適當(dāng)?shù)目刂品椒?。操作過程的選擇冷卻：溶解度隨溫度變化較大的體系，適宜用冷卻的方法。蒸發(fā)：如果溶解度隨溫度變化不大的體系可用蒸發(fā)法。在溶解度高時(shí)，為提高回收率用蒸發(fā)的方法。反應(yīng)：能產(chǎn)生沉淀的反應(yīng)體系。其它：溶劑萃取，高壓結(jié)晶等。2021/6/272結(jié)晶器類型的選擇DTB結(jié)晶器（drafttubeandbaffle）圖5.7（導(dǎo)流筒、擋板式）特征：固體懸浮較好，可帶有結(jié)晶排除系統(tǒng)和產(chǎn)品顆粒分級系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)晶體粒度的控制。2021/6/273FC（forcedcirculation）強(qiáng)制循環(huán)圖5.115.175.18強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶器可用于很多過程，可根據(jù)不同的過程來調(diào)節(jié)，其也可設(shè)置粒度控制系統(tǒng)。2021/6/2742021/6/275結(jié)晶器的計(jì)算生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，和粒度要求計(jì)算要求的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與模型溶解度數(shù)據(jù)溶液的基本性質(zhì)和顆粒的基本性質(zhì)如密度、形狀系數(shù)等結(jié)晶成長速率模型與成核動力學(xué)模型溶液的初始濃度C02021/6/276計(jì)算：

MT—懸浮密度

C1—溶液的終止?jié)舛龋鶕?jù)最后排出體系的溫度而定，即C1=f（Tf）

VW—蒸發(fā)水量

V0—溶液的進(jìn)料體積流率，此參數(shù)對多組分系統(tǒng)，可根據(jù)母液中雜質(zhì)濃度而定，對單組分系統(tǒng)MT是一個(gè)操作參數(shù)，根據(jù)結(jié)晶器的流動狀態(tài)而定。因此，可用上式計(jì)算體積、流率。當(dāng)結(jié)晶器操作于MSMPR模型結(jié)晶器體積：進(jìn)料流率*停留時(shí)間這樣設(shè)計(jì)的結(jié)晶器比較簡單，但因?yàn)槭荕SMPR的假設(shè)下，而以其結(jié)果很難適用于大型結(jié)晶器。2021/6/277假設(shè)在穩(wěn)定連續(xù)操作的結(jié)晶過程中，其產(chǎn)品的顆粒的累積尺寸分布可用Rosion-Rammler方程表示：

設(shè)計(jì)圖及設(shè)計(jì)程序r—相對產(chǎn)品顆粒個(gè)數(shù)的累積分布，當(dāng)所有的晶體考慮在內(nèi)r=1m—改良的均一系數(shù)，不同的m值表示不同的分布函數(shù)，假設(shè)在一個(gè)過程中的產(chǎn)品其m值不變，也不隨顆粒的尺寸而變。

L—晶體的尺寸。

L*—參考尺寸，其定義為在此尺寸下，r值為0.3679與m無關(guān)。

x—無因次晶體尺寸，x=L/L*2021/6/278在用方程（1）表示積累產(chǎn)品晶體分布時(shí)，顆粒的粒數(shù)密度（即在一定的顆粒尺寸范圍內(nèi)的晶體個(gè)數(shù)）為

（2）

2021/6/279因此，在此尺寸范圍內(nèi)的晶體質(zhì)量為（3）

—產(chǎn)品晶體的質(zhì)量分布kg/m·h—晶體密度kg/m3—晶體的體積形狀系數(shù)

—以個(gè)數(shù)為基準(zhǔn)的晶體生產(chǎn)速率，它等于晶體的成核速率#/h2021/6/2710如果以產(chǎn)品中最大質(zhì)量的晶體作為晶體尺寸來表示，這種晶體尺寸可以從方程（3）得出即（4）

注意：當(dāng)m=1時(shí)，xd=3，其分布式和MSMPR的結(jié)果一致。當(dāng)m=0時(shí)，產(chǎn)品晶體為同一尺寸，表示一個(gè)連續(xù)操作的帶有理想產(chǎn)品分級的操作過程，對方程（3）進(jìn)行積分，得到以質(zhì)量為基礎(chǔ)的生產(chǎn)速率。

（5）2021/6/2711當(dāng)m=1是全部結(jié)晶器內(nèi)成核速率，如果用V表示結(jié)晶器體積，成核速率表示為B，即(6)方程（6）變成這一結(jié)果和MSMPR的結(jié)果相同2021/6/2712以上分析是從產(chǎn)品晶體部分來考慮，下面再從結(jié)晶器內(nèi)部的晶體變化來考慮。在穩(wěn)定操作狀態(tài)下，細(xì)小的晶體或者從外部加入（加晶種）或者來源于系統(tǒng)內(nèi)的成核，假設(shè)在操作過程中成長的晶體沒有破碎或聚并。因此，在結(jié)晶器內(nèi)一定尺寸的晶體的晶數(shù)密度與產(chǎn)品中大于此晶體尺寸的積累尺寸分布成正比，也就是說，在這種假設(shè)下，在結(jié)晶器內(nèi)的晶體密度分布正比于方程（1）的r。如果把晶種（成核）在dx范圍內(nèi)的個(gè)數(shù)表示為n0dx（注意：n0為核的粒數(shù)密度n0，在無因次晶體尺寸x的顆粒數(shù)為2021/6/2713因此，在結(jié)晶器內(nèi)全部晶體重量為

從另一方面講，在結(jié)晶器內(nèi)晶體的全部個(gè)數(shù)也可以表示為（8）Θ—晶體的平均停留時(shí)間從晶體的平均停留時(shí)間的定義

Θ—平均停留時(shí)間一定尺寸的晶體個(gè)數(shù)一定尺寸晶體的停留時(shí)間（7）2021/6/2714等號兩邊同時(shí)等于結(jié)晶器內(nèi)晶體的總個(gè)數(shù)（相對值，因?yàn)閞為相對分布），從晶體生長的角度我們有

或（9）

由方程（8）和（9）

粒數(shù)密度（10）

2021/6/2715把方程（10）代入晶體總質(zhì)量方程（7）

由生產(chǎn)速率方程（方程（5））和方程（11）我們有

（11）（12）2021/6/2716從結(jié)晶器內(nèi)的懸浮密度考慮，如果我們用ε表示溶液的含量分?jǐn)?shù)，結(jié)晶器內(nèi)晶體的質(zhì)量可表示為：

最后得到（13）（14）2021/6/2717分析方程（14）此方程給出生產(chǎn)強(qiáng)度（P/ρCV）懸浮密度（1-ε），晶體尺寸L（或X）,成長速率，成核速率方程（6），從產(chǎn)品角度分析而得到的粒數(shù)，質(zhì)量衡算。方程（14）是從結(jié)晶器內(nèi)的結(jié)晶過程而得到的粒數(shù)，質(zhì)量衡算方程，這兩個(gè)方程必須建立一定的聯(lián)系，從此而得到一個(gè)結(jié)晶器的設(shè)計(jì)圖。設(shè)（15）

（16）（6）2021/6/2718

用Ld代替L*方程（6）可表示為方程（14）可表示為

（17）(18)2021/6/2719作圖把方程（17）取對數(shù)在一定的Ld下，與為一條直線，斜率為1這條直線取決于要求的產(chǎn)品粒度Ld和相應(yīng)m值為特征。同一直線下，表示在一定的m值下的同一粒徑，這條直線方程做特征線，就是說，這些平行線表示不同的粒徑。另一方面，在一定的生產(chǎn)能力下，由方程（17），Ld和Bkv立方根成正比，因此，Bkv的軸可以和Ld軸平行而置。2021/6/27202021/6/2721作一個(gè)表示Ld，P/ρCV，Bkv的關(guān)系圖，m=1作出特征線并確定Ld在Ld軸上的值，當(dāng)m=1時(shí)，I3可被計(jì)算為0.225

當(dāng)P/ρCV=0.01，Bkv=1×108，Ld=7.631×10-4P/ρCV=0.01，Bkv=1×109，Ld=3.542×10-4圖8用縱坐標(biāo)表示P/ρCV（對數(shù)值）用一橫坐標(biāo)表示Bkv（對數(shù)值）另一橫坐標(biāo)表示Ld軸（對數(shù)值）在Bkv軸上找到1×108和P/ρCV=0.01作一直線通過此點(diǎn)，但斜率等于1標(biāo)此直線與Ld軸交點(diǎn)為7.631×10-4與上相同做出，P/ρCV=0.01，Bkv=1×109不同的m值做圖。2021/6/27222021/6/2723

按道理講，不同的m值，其P/ρCV、Bkv和Ld應(yīng)遵循不同的規(guī)律，可以完全做成另一個(gè)圖，然而，要是用一張圖表示即存在的的信息總量較為簡單。在特征方程中，如果我們把P/ρCV考慮成一個(gè)常數(shù)，Bkv=k（m）1/Ld3這個(gè)方程表明，當(dāng)P/ρCV不變時(shí)，Bkv與Ld3成反比，如不同的m值，它們的關(guān)系只改變其系數(shù)但比例關(guān)系不變，也就是說這條直線的位置有些變化，但變化趨勢是一樣的。這樣我們就可以用一個(gè)Ld與Bkv之間的關(guān)系。2021/6/2724例如：m=1，P/ρCV=0.01，Bkv=1×108，Ld=7.631×10-4m=2，P/ρCV=0.01，Bkv=1×108，Ld=6.013×10-4在例1圖上作出m=2的Bkv軸和Ld軸做圖：選畫一條輔助線畫一條橫線為當(dāng)m=2時(shí)的Bkv線從m=1的Bkv軸上找到Bkv=1×108通過此點(diǎn)作垂直線交m=2于H點(diǎn)作平行于輔助線的直線通過H點(diǎn)交P/ρCV=0.01的橫線于G

2021/6/2725通過G作斜率等于1的特征線，這條特征線的Ld必須等于6.013×10-4從m=1的軸上找到6.013×10-4，做垂直線交于此條直線位F通過F點(diǎn)作出直線即為m=2得Ld軸這里強(qiáng)調(diào)一下，在這樣的圖中，如果m值不同BkV和Ld得值是不同的。到此，我們在一張圖上把Ld，BkV，m，P/ρV的關(guān)系表示出來。2021/6/27262021/6/2727結(jié)晶器內(nèi)的變化規(guī)律圖由方程從產(chǎn)品方程可得代入如果假設(shè)為常數(shù)則

即從結(jié)晶器內(nèi)的粒數(shù)與質(zhì)量衡算2021/6/2728

與為直線斜率斜率為，這條線與表示與G乘積相同，所以做坐標(biāo)（）軸和G軸時(shí)，這個(gè)方程也一定要滿足，要等于方程左面的乘積。即（）或可以任選一個(gè)值而另一個(gè)值必須滿足上面的方程，把這些關(guān)系標(biāo)在同一張圖上，成為圖72021/6/27292021/6/2730成核速率對晶體尺寸的影響分析在生產(chǎn)強(qiáng)度一定的條件下，即，P/ρCV為常數(shù)控制結(jié)晶器中的成核速率成核速率增加，操作點(diǎn)向右移動，晶體尺寸減小。反之增加。另一方面，從晶體的成長與質(zhì)量橫算考慮，在圖中有要滿足操作線，即懸浮密度與成長速率的關(guān)系。2021/6/27312021/6/2732生產(chǎn)速率增加生產(chǎn)速率的增加，在設(shè)計(jì)圖上操作點(diǎn)上移產(chǎn)品的晶體尺寸可能增加，已可能降低。要看其造作是怎樣提高生產(chǎn)能力的在原操作點(diǎn)左方，晶體尺寸增加。在原操作點(diǎn)右方，晶體尺寸減小。2021/6/27332021/6/2734保持產(chǎn)品粒度，而增加（或降低）生產(chǎn)能力保持產(chǎn)品粒度，在設(shè)計(jì)圖上是早同一條特征線，但其操作線在變化。同一條特征線，在不同的生產(chǎn)能力下，要求有不同的操作線。其懸浮密度必須保持恒定，以確保產(chǎn)品的粒度不變，因此，成長速率必須成比例增加。2021/6/27352021/6/2736設(shè)計(jì)圖的應(yīng)用

-用試驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)結(jié)晶動力學(xué)數(shù)據(jù)試驗(yàn)可測得粒度分布，生產(chǎn)速率，結(jié)晶器有效體積，懸浮密度根據(jù)粒度分布，可計(jì)算粒數(shù)分布獲得平均尺寸Lw(即積累尺寸分布為36.8%的晶體尺寸)和在參數(shù)n，n為（Rosin-Rammlardiagram的斜率）由n可以得到m，Lw可轉(zhuǎn)化為Ld由測得的晶體尺寸分布可得到Ld，和m從圖中根據(jù)懸浮密