工业结晶-第六章-结晶器设计

第五章结晶器的选择与设计•根据不同的过程要求，很多种类型结晶器。•在现代结晶器的设计中–考虑结晶动力学–设计产品的尺寸，尺寸–产品的质量。•结晶器工艺设计1.确定操作模型(1).连续型(2).间歇型2.产生过饱和度的方法冷却、蒸发、反应、其它3。结晶过程质量衡算质量、热量、粒数衡算（略）颗粒衡算与质量、热量衡算的关系3.设计流程•操作模型的选择连续：大型生产一般产生的晶体的尺寸分布较宽可用一些控制手段来完成大晶体窄分布的产品。间歇：相对小的生产能力（50T/天）一般可产生分布较窄的晶体也需要适当的控制方法。•操作过程的选择冷却：溶解度随温度变化较大的体系，适宜用冷却的方法。蒸发：如果溶解度随温度变化不大的体系可用蒸发法。在溶解度高时，为提高回收率用蒸发的方法。反应：能产生沉淀的反应体系。其它：溶剂萃取，高压结晶等。结晶器类型的选择•DTB结晶器（drafttubeandbaffle）图5.7（导流筒、挡板式）•特征：固体悬浮较好，可带有结晶排除系统和产品颗粒分级系统，实现晶体粒度的控制。•FC（forcedcirculation）强制循环•图5.115.175.18•强制循环结晶器可用于很多过程，可根据不同的过程来调节，其也可设置粒度控制系统。结晶器的计算•生产能力和产品质量，和粒度要求•计算要求的基础数据与模型–溶解度数据•溶液的基本性质和颗粒的基本性质如密度、形状系数等–结晶成长速率模型与成核动力学模型–溶液的初始浓度C0•计算：MT—悬浮密度C1—溶液的终止浓度，根据最后排出体系的温度而定，即C1=f（Tf）VW—蒸发水量V0—溶液的进料体积流率，此参数对多组分系统，可根据母液中杂质浓度而定，对单组分系统MT是一个操作参数，根据结晶器的流动状态而定。因此，可用上式计算体积、流率。•当结晶器操作于MSMPR模型•结晶器体积：进料流率*停留时间这样设计的结晶器比较简单，但因为是MSMPR的假设下，而以其结果很难适用于大型结晶器。11CTCM0VWV03GLd3GLd•假设在稳定连续操作的结晶过程中，其产品的颗粒的累积尺寸分布可用Rosion-Rammler方程表示：*mm(L/L)xree--==设计图及设计程序r—相对产品颗粒个数的累积分布，当所有的晶体考虑在内r=1m—改良的均一系数，不同的m值表示不同的分布函数，假设在一个过程中的产品其m值不变，也不随颗粒的尺寸而变。L—晶体的尺寸。L*—参考尺寸，其定义为在此尺寸下，r值为0.3679与m无关。x—无因次晶体尺寸，x=L/L*•在用方程（1）表示积累产品晶体分布时，颗粒的粒数密度（即在一定的颗粒尺寸范围内的晶体个数）为（2）mm1xdrdxmxe--=-因此，在此尺寸范围内的晶体质量为（3）—产品晶体的质量分布kg/m·h—晶体密度kg/m3—晶体的体积形状系数—以个数为基准的晶体生产速率，它等于晶体的成核速率#/h'3*3drCvdxw(x)FkxL()=rm'*m2xCvFkLmxe+-=rw(x)Crvk'F•如果以产品中最大质量的晶体作为晶体尺寸来表示，这种晶体尺寸可以从方程（3）得出即（4）注意：当m=1时，xd=3，其分布式和MSMPR的结果一致。当m=0时，产品晶体为同一尺寸，表示一个连续操作的带有理想产品分级的操作过程，对方程（3）进行积分，得到以质量为基础的生产速率。（5）m'*3mm1xdwCvdxFkL(m2mx)xe+-=r+-0=1m2dmx(1)=+d*3LdLx=3'*3drvvdxLP=FkLx()dx¥ròm'*3m2-xvv0=FkLmxedm¥+rò'F3#/mhg'FBV=mv*3m2-xPvV0L(Bkmxedx)¥+r=ò当m=1mm2x3x00mxedxxedx6是全部结晶器内成核速率，如果用V表示结晶器体积，成核速率表示为B，即(6)1md2dmLx(1)3L*==+=33dLL*27方程（6）变成v*33PvvdV26BkLBkL9r==这一结果和MSMPR的结果相同以上分析是从产品晶体部分来考虑，下面再从结晶器内部的晶体变化来考虑。•在稳定操作状态下，细小的晶体或者从外部加入（加晶种）或者来源于系统内的成核，假设在操作过程中成长的晶体没有破碎或聚并。因此，在结晶器内一定尺寸的晶体的晶数密度与产品中大于此晶体尺寸的积累尺寸分布成正比，也就是说，在这种假设下，在结晶器内的晶体密度分布正比于方程（1）的r。如果把晶种（成核）在dx范围内的个数表示为n0dx（注意：n0为核的粒数密度n0，在无因次晶体尺寸x的颗粒数为m-x00(ndx)r=(ndx)e4#/mhg•因此，在结晶器内全部晶体重量为•从另一方面讲，在结晶器内晶体的全部个数也可以表示为（8）•Θ—晶体的平均停留时间从晶体的平均停留时间的定义Θ—平均停留时间一定尺寸的晶体个数一定尺寸晶体的停留时间m3-xtvv00wkLnedx¥=ròm*33-xvv00kLnxedx¥=ròm-x00N=F'=nedx¥Qòdrdrdxdx00dxθdxdxdrθ（7）•等号两边同时等于结晶器内晶体的总个数（相对值，因为r为相对分布），从晶体生长的角度我们有或（9）由方程（8）和（9）粒数密度（10）LGavddL)(Gav)d/dL(Ldxemxdxmavx1m0)d/dL(L0dxdrdxexmmav*x0m)d/dL(LdxexmFdxenNmav*mx0m)d/dL(L'x000mxav0mxm*'dxe)d/dL(dxexmLF0n把方程（10）代入晶体总质量方程（7）由生产速率方程（方程（5））和方程（11）我们有0mxav00mx3mxm4*Vc'dxe)d/dL(dxexdxexmLkFtw0mx2m0mxav0mx30mxm4*dxexdxe)d/dL(dxexdxexmPLtw（11）（12）•从结晶器内的悬浮密度考虑，如果我们用ε表示溶液的含量分数，结晶器内晶体的质量可表示为：最后得到mm*mx3x00mmxm2xC00PLxedxxedxdLavdVedxxedx(1)()tw(1)V（13）（14）•分析方程（14）–此方程给出生产强度（P/ρCV）–悬浮密度（1-ε），–晶体尺寸L（或X）,–成长速率，–成核速率•方程（6），从产品角度分析而得到的粒数，质量衡算。•方程（14）是从结晶器内的结晶过程而得到的粒数，质量衡算方程，这两个方程必须建立一定的联系，从此而得到一个结晶器的设计图。设（15）（16）ddLdxexmImx2m100mx2mmx00mx3mxmdxexdxedxexdxex2Imv*3m2-xPvV0L(Bkmxedx)¥+r=ò（6）•用Ld代替L*–方程（6）可表示为–方程（14）可表示为3v3dVPIBkLCCdLPd4VdavLI1m3)1(IIm213m1)1(IIm224（17）(18)作图把方程（17）取对数在一定的Ld下，与为一条直线，斜率为1•这条直线取决于要求的产品粒度Ld和相应m值为特征。•同一直线下，表示在一定的m值下的同一粒径，•这条直线方程做特征线，就是说，这些平行线表示不同的粒径。•另一方面，在一定的生产能力下，由方程（17），Ld和Bkv立方根成正比，因此，Bkv的轴可以和Ld轴平行而置。cPv3dvloglog(BkI)3logLcPvlogv3log(BkI)•作一个表示Ld，P/ρCV，Bkv的关系图，m=1作出特征线并确定Ld在Ld轴上的值，当m=1时，I3可被计算为0.225当P/ρCV=0.01，Bkv=1×108，Ld=7.631×10-4P/ρCV=0.01，Bkv=1×109，Ld=3.542×10-4•图8用纵坐标表示P/ρCV（对数值）用一横坐标表示Bkv（对数值）另一横坐标表示Ld轴（对数值）在Bkv轴上找到1×108和P/ρCV=0.01•作一直线通过此点，但斜率等于1标此直线与Ld轴交点为7.631×10-4与上相同做出，P/ρCV=0.01，Bkv=1×109不同的m值做图。•按道理讲，不同的m值，其P/ρCV、Bkv和Ld应遵循不同的规律，可以完全做成另一个图，然而，要是用一张图表示即存在的的信息总量较为简单。•在特征方程中，如果我们把P/ρCV考虑成一个常数，Bkv=k（m）1/Ld3•这个方程表明，当P/ρCV不变时，Bkv与Ld3成反比，如不同的m值，它们的关系只改变其系数但比例关系不变，也就是说这条直线的位置有些变化，但变化趋势是一样的。这样我们就可以用一个Ld与Bkv之间的关系。3dL1V)m(kBk13d23d13d1323d232V1V)(LL1LILIBk(Bk(m)k）•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图上作出m=2的Bkv轴和Ld轴做图：•选画一条辅助线•画一条横线为当m=2时的Bkv线从m=1的Bkv轴上找到Bkv=1×108•通过此点作垂直线交m=2于H点作平行于辅助线的直线通过H点交P/ρCV=0.01的横线于G•通过G作斜率等于1的特征线，这条特征线的Ld必须等于6.013×10-4从m=1的轴上找到6.013×10-4，做垂直线交于此条直线位F•通过F点作出直线即为m=2得Ld轴这里强调一下，在这样的图中，如果m值不同BkV和Ld得值是不同的。•到此，我们在一张图上把Ld，BkV，m，P/ρV的关系表示出来。•结晶器内的变化规律图•由方程•从产品方程可得•代入•如果假设为常数则即从结晶器内的粒数与质量衡算avddL4dVP))(1(ILC313vC)(LIBk1VPdavddLIIBk1VP))(1()()(331431v34CavddLI1dVP))(1(L4C)m(C)()(31v34CBk1VPCP1VV4log()logC(m)logBk•与为直线斜率斜率为，•这条线与表示与G乘积相同，•所以做坐标（）轴和G轴时，这个方程也一定要满足，要等于方程左面的乘积。•即（）或可以任选一个值而另一个值必须满足上面的方程，•把这些关系标在同一张图上，成为图7)(lgVPCVlgBk4111avddL4VPL))(1(ICd1avddL)(成核速率对晶体尺寸的影响分析•在生产强度一定的条件下，即，P/ρCV为常数•控制结晶器中的成核速率•成核速率增加，操作点向右移动，晶体尺寸减小。反之增加。•另一方面，从晶体的成长与质量横算考虑，在图中有要满足操作线，即悬浮密度与成长速率的关系。生产速率增加•生产速率的增加，在设计图上操作点上移•产品的晶体尺寸可能增加，已可能降低。要看其造作是怎样提高生产能力的–在原操作点左方，晶体尺寸增加。–在原操作点右方，晶体尺寸减小。保持产品粒度，而增加（或降低）生产能力•保持产品粒度，在设计图上是早同一条特征线，但其操作线在变化。•同一条特征线，在不同的生产能力下，要求有不同的操作线。•其悬浮密度必须保持恒定，以确保产品的粒度不变，因此，成长速率必须成比例增加。设计图的应用-用试验数据估计结晶动力学数据•试验可测得–粒度分布，生产速率，结晶器有效体积，悬浮密度•根据粒度分布，可计算粒数分布•获得平均尺寸Lw(即积累尺寸分布为36.8%的晶体尺寸)和在参数n，n为（Rosin-Rammlardiagram的斜率）•由n可以得到m，Lw可转化为Ld•由测得的晶体尺寸分布可得到Ld，和m•从图中根据悬浮密度Ld，m和生产能力确定成长速率和成核速率（如果实验中通过改变不同的参数和测量起过饱