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(biāo)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(guò)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(diǎn)，結(jié)晶產(chǎn)量的計(jì)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(dòng)力結(jié)晶操作的影響因素及操作條件的確定重點(diǎn)：難點(diǎn)：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(wú)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(duì)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(duì)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(diǎn)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(guò)程及類型2、對(duì)原料冷卻因溶解度下降而達(dá)到過(guò)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(guò)程的實(shí)質(zhì)將稀溶液變成過(guò)飽和溶液，然后析出結(jié)晶。

達(dá)到過(guò)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(diǎn)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(guò)原子結(jié)點(diǎn)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(jiǎn)單單斜單斜晶系簡(jiǎn)單三斜三斜晶系三方晶系簡(jiǎn)單三方底心正交簡(jiǎn)單正交面心正交體心正交正交晶系簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方立方晶系二、結(jié)晶過(guò)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(yùn)動(dòng)，必然發(fā)生兩個(gè)過(guò)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(kuò)散到固體表面進(jìn)行沉積。固體的溶解：溶質(zhì)分子擴(kuò)散進(jìn)入液體內(nèi)部；質(zhì)量分?jǐn)?shù)—kg溶質(zhì)/100kg溶劑體積質(zhì)量濃度—kg/L幾種無(wú)機(jī)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(diǎn)，主要是由于物質(zhì)的組成有所改變;溶解度曲線對(duì)操作的指導(dǎo)意義：(1)對(duì)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(guò)飽和與超溶解度曲線２.溶液的過(guò)飽和與介穩(wěn)區(qū)過(guò)飽和溶液：溶質(zhì)濃度超過(guò)該條件下的溶解度時(shí)，該溶液稱為--。

過(guò)飽和曲線可分成三個(gè)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(guò)飽和區(qū)※結(jié)晶操作通常都在介穩(wěn)區(qū)中進(jìn)行※溶質(zhì)只有在過(guò)飽和溶液中才能析出三、結(jié)晶過(guò)程的速率1.晶核的形成晶核－過(guò)飽和溶液中最初生成的微小晶粒，晶體成長(zhǎng)過(guò)程中必不可少的。成核方式初級(jí)成核二次成核均相初級(jí)成核非均相初級(jí)成核晶胚－面晶結(jié)合成按一定規(guī)律排列的細(xì)小晶體。溶液達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)是結(jié)晶的前提；過(guò)飽和度是結(jié)晶的推動(dòng)力。晶體的成核方式晶核的生成有三種形式：即初級(jí)均相成核、初級(jí)非均相成核及二次成核。在高過(guò)飽和度下，溶液自發(fā)地生成晶核的過(guò)程，稱為初級(jí)均相成核；溶液在外來(lái)物（如大氣中的微塵）的誘導(dǎo)下生成晶核的過(guò)程，稱為初級(jí)非均相成核；而在含有溶質(zhì)晶體的溶液中的成核過(guò)程，稱為二次成核。二次成核也屬于非均相成核過(guò)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(shí)所產(chǎn)生的微小晶粒的誘導(dǎo)下發(fā)生的。2.晶體的成長(zhǎng)擴(kuò)散理論晶體的成長(zhǎng)過(guò)程由三個(gè)步驟組成的：溶質(zhì)由溶液擴(kuò)散到晶體表面附近的靜止液層；溶質(zhì)穿過(guò)靜止液層后達(dá)到晶體表面，生長(zhǎng)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(kuò)散傳遞到溶液的主體去。2．冷卻（蒸發(fā)）速度的影響實(shí)現(xiàn)溶液過(guò)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(xì)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(jìn)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(guò)飽和度的影響：適宜的過(guò)飽和度一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定

過(guò)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(zhǎng)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(guò)程。②加速溶質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程的速率，有利于晶體成長(zhǎng)。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(shí)應(yīng)注意：4．雜質(zhì)的影響一般對(duì)晶核的形成有抑制作用

對(duì)晶體的成長(zhǎng)速率的影響較為復(fù)雜，有的雜質(zhì)能抑制晶體的成長(zhǎng)，有的能促進(jìn)成長(zhǎng)。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?zhǔn)浇Y(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(lái)而達(dá)到過(guò)飽和，從而使溶液結(jié)晶出來(lái)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，蒸發(fā)濃縮達(dá)到過(guò)飽和而結(jié)晶。特點(diǎn)：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(dá)到過(guò)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(diǎn)低于加入溶液的溫度，結(jié)晶排出。構(gòu)造簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，易于解決防腐蝕問(wèn)題。操作可以達(dá)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(wú)結(jié)晶水合作用時(shí)，R=1；W’—母液中溶劑量Kg，Kg/h；當(dāng)R=1時(shí)，G=Gｃ。2.形成水合物的結(jié)晶過(guò)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(duì)溶質(zhì)作物料衡算：對(duì)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(guò)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(shí)，溶劑蒸發(fā)量B為未知量，需通過(guò)熱量衡算求出。第六節(jié)其它結(jié)晶方法簡(jiǎn)介一、熔融結(jié)晶待分離組份間的凝固點(diǎn)的不同而實(shí)現(xiàn)組份分離的過(guò)程，多用于有機(jī)物的分離提純，而冶金材料精制或高分子材料加工時(shí)的熔煉過(guò)程也屬于熔融結(jié)晶。二、沉淀結(jié)晶化學(xué)結(jié)晶：通過(guò)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