结晶过程控制与工业放大

排料位置对结晶过程的影响
轴向分布
径向分布
晶体产品与晶体悬浮的相关性
理论分析
均匀悬浮：结晶器内 平均悬浮密度等于排 出口悬浮密度，产品 粒度分布与结晶期内 相同
不均匀悬浮：结晶器 内悬浮密度不等于排 出口，产品粒度分布 与结晶期内不同
结晶器内的过饱和度与结晶器内的晶体含量密切相关， 固体含量与混合状态与排除点的悬浮状态相关， 晶体产品粒度分布与晶体悬浮状态密切相关
0 0
一般 细晶排除 分级排料 分级排料+细晶排除
0.4 0.8 1.2 1.6 2 晶体尺寸 mm
2.4 2.8 3.2
晶体在结晶器内的一般悬浮状态
a
b
c
(a)部分悬浮：某些固体体在罐体底部一段时间。
(b)完全悬浮：所有的固体离开罐体的底部。
(c) 均匀悬浮：固体在罐体内完全均匀的分布
晶体在结晶器内的分布
度
物加入速率等
与 分
布
成长速率不足以消耗 产生过饱和，过饱和
度升高-成核增大
结晶过程粒度控制的关键：控制一定的成核速率使得产生的过 饱和度以晶体成长的方式达到平衡
成核的类型
均相成核 （Homogeneous） 初级成核 （Primary） 非均相成核 （Heterogeneous）
• 初级成核是在没有晶体表面的 情况下发生
– 晶体的成核过程 – 晶体的成长过程
过饱和度的消除过程
• 工业结晶过程包括的基本物理过程
– 晶体的成核 – 晶体的破碎
总称晶体成核
– 晶体的成长 – 晶体的聚并
总称晶体成长
Concentration C
结晶过程基本原理
成核 最大过饱和度
蒸发
溶解度曲线
冷却
结晶成长与二次成核
Temperature T
• 温度的分布 • 浓度的分布 • 晶体的悬浮状态 • 过饱和度的分布 – 因此结晶过程的控制和放大是一个非常复杂的问题，尽管有一定 的方法，但是尚需很多研究。
工业结晶的基本过程
• 任何结晶过程发生的基本（必须）条件：
– 过饱和
• 决定过程的进行速率
• 决定着什么过程发生
• 结晶过程的基本阶段：
– 过饱和度的产生过程
结晶过程的基本特征
• 结晶过程按期操作模 式可分为连续、间歇 操作
• 结晶过程（成核、成 长）在同一装置中同 时发生
• 因此，过饱和度的产 生于消耗速率处于一 个平衡状态。
• 平衡的特征参数是过 饱和度，维持在一定 的水平
• 因此决定的产品的粒 度与粒度分布
物性Biblioteka Baidu
冷却、蒸发、反应
过程速率
过饱和的产生
• 结晶器内的不均一性，以及对结晶过程、晶体产品的影响
• 作为最传统的单元，结晶过程被广泛的应用于工业领域 • 结晶过程，依据其产生过饱和度的方法，可以是冷却，蒸发，反应。 • 工业放大：
– 数据处理模型的不完全性，使得理想模型的预测结果与实际生产 有很大的差别。
– 晶体过程复杂性：晶体成长的依赖于晶体的大小，晶体的来源， – 杂质对晶体的成长与成核的影响的不可预测性 – 流场的差异：晶体在结晶器内所处的外部环境的不同
二次成核最大过饱和度
溶解度
温度
结晶过程成核速率控制-1
• 溶解度的影响主要是在过饱和度产 生速率上重点考虑
• 其次在结晶器内晶体成长表面上加 以控制
• 溶解度随温度变化较大 – 以冷却结晶为主要操作 – 控制适宜的冷却速率 – 连续结晶过程适宜的晶体表面， 保证足够的晶体成长量
• 溶解度变化平缓 – 以蒸发结晶为主要操作 – 控制适宜的蒸发速率 – 操作点对结晶的影响不大
结晶过程控制与工业放大
天津科技大学， 沙作良
简介
• 工业结晶过程的研究对象 – 以晶体特征为基础的研究：单个晶体（晶体学） – 以工业生产为主体的研究：研究大批量晶体的统计特征 – 工业结晶过程状态下基础理论 • 热力学基础 • 结晶动力学 • 晶体粒度分布的影响因素 • 工业晶体产品的描述方法 – 基本理论- 晶体产品的预测 • 粒数衡算 ：MSMPR 模型 - 工业结晶研究的理论基础 • 工业过程与理论模型的偏差 –晶体成长速率的不均一性 –晶体成核速率的分布 –晶体在结晶器内分布的不均一性 –过饱和度的不均一性 – 结晶过程的工业实现 • 结晶过程控制 • 结晶器内的结晶过程与结晶器的设计 • 结晶过程的放大-结晶器的放大
连续结晶过程控制
• 控制手段
– 在一定的条件下，成核速 率高于过程要求，必需采 用一些控制手段，是的系 统内的晶体个数满足要求。
– 细晶排除 – 分级排料 – 分级排料+细晶排除 • 过程控制 – 过程速率控制 – 晶体表面控制 – 晶体悬浮状态控制
体积分数%
0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
过 饱 和 度 消 除 混合状态
成核 产品粒度
成长
控制参数
控制方法
结晶过程基本平衡
质量衡算：个数多 – 晶体粒度小
单位质量的 晶体
个数 大小
成核速率 B=KεiMTj∆Ck
成长速率 G = Kg∆Cg
速率平衡：产品的粒度与分布
过饱和度的 产生速率
过饱和度水平
过饱和度消耗速率
产
溶解度变化速率
品 粒
蒸发、冷却、反应
• 溶解度为曲线 – 操作点在低温区成核速率比较容 易控制
成核速率的控制
晶核来源 蒸发区域 热的喂料
成核类型 一次 一次
直接冷源进料 一次
换热器
一次
反应区域
一次
晶体-晶体碰撞 二次
晶体-晶体研磨 二次 晶体-溶液间作用 二次
预防或减少的措施 降低生产速度, 增加晶体表面积 加强能量消耗速率,降低过热度确定适 喂料位置 加强能量消耗速率,降低冷却剂温度,选择 适宜的进料 位置 增加传热面积减少温度梯度,增加液体的速 度 增加搅拌强度和过饱和度的消除速率,增 加晶体的表面积 调节搅拌强度和设计结构,改善搅拌桨材 料,减少悬浮密度(搅拌桨,器壁等)或降低 晶体尺寸 结晶器设计中要注意间隙的设计,两相流 体动力学流场设计 减少喷射流,研究杂质的影响,防止结垢 (流体剪切力,杂质)一(二)次
• 二次成核包括在具有晶体表面 的情况下发生
• 非均相成核是由于外界表面引 起
二次成核 （Secondary）
最初尘粒的繁殖 多晶体破碎 晶体的微观侵蚀 针状或树状晶体
的晶核繁殖
流体剪切力
晶体—晶体
接触成核 晶体—搅拌器
晶体—器壁
各种成核的最大过饱和度
均相成核最大过饱和度
浓
度
非均相成核最大过饱和度