化工单元操作任务四结晶课件

任务四结晶教学目标掌握内容：结晶操作的原理、影响因素；结晶操作的操作条件确定。理解内容：结晶操作的基本过程与方法了解内容：溶液结晶的类型及其设备的结构特点，结晶产量的计算方法；其它结晶方法。结晶方法与原理结晶相平衡结晶推动力结晶操作的影响因素及操作条件的确定重点：难点：结晶操作的影响因素及操作条件的确定概述二、分类溶液结晶熔融结晶升华结晶沉淀结晶还可分为间歇式和连续式。还分为无搅拌式和有搅拌式。1、能从杂质含量很高的溶液或多组份熔融状态混合物中获得非常纯净的晶体产品；2、对于许多其它方法难以分离的混合物系，同分异构体物系和热敏性物系等，结晶分离方法更为有效；3、结晶操作能耗低，对设备材质要求不高。三、在化工生产中的应用应用在化学、食品、医药、轻纺等工业中，许多产品及中间产品都是以晶体形态出现的。四、特点例如：味精、速溶咖啡、青霉素、红霉素、化肥、洗衣粉等。第一节结晶过程及类型2、对原料冷却因溶解度下降而达到过饱和。二、溶液结晶的类型2、移去部分溶剂的结晶法蒸发结晶法真空结晶法

1、不移除溶剂的结晶法（冷却结晶法）一、结晶过程的实质将稀溶液变成过饱和溶液，然后析出结晶。

达到过饱和有两种方法:1、用蒸发移去溶剂;第二节结晶的基本原理

一、基本概念晶体－内部结构中的质点元（原子、离子、分子）作三维有序规则排列的固态物质。晶格－假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。晶胞—能反映晶格特征的最小组成单元。(a)晶体结构(b)晶格(c)晶胞底心单斜简单单斜单斜晶系简单三斜三斜晶系三方晶系简单三方底心正交简单正交面心正交体心正交正交晶系简单立方体心立方面心立方立方晶系二、结晶过程的相平衡1.相平衡与溶解度在一定温度下，将溶液放入溶剂中，由于分子的热运动，必然发生两个过程：溶解度：一定条件下，溶质在某溶剂中可以溶解的最大数量成为溶质的溶解度。常用的表示方法：物质的沉积：溶质分子从液体中扩散到固体表面进行沉积。固体的溶解：溶质分子扩散进入液体内部；质量分数—kg溶质/100kg溶剂体积质量浓度—kg/L几种无机物在水中的溶解度曲线溶解度曲线溶解度曲线有三种类型：①随温度升高而明显增大;②受温度的影响不显著;③溶解度曲线有折点，主要是由于物质的组成有所改变;溶解度曲线对操作的指导意义：(1)对于溶解度曲线随温度变化敏感的物质，可选用变温方法结晶分离；(2)溶解度随温度变化缓慢的物质慢，可采用移除一部分溶剂的方法分离。溶液的过饱和与超溶解度曲线２.溶液的过饱和与介稳区过饱和溶液：溶质浓度超过该条件下的溶解度时，该溶液称为--。

过饱和曲线可分成三个区：稳定区不稳区介稳区溶解度曲线以上的区域溶解度曲线以下的区域过饱和区※结晶操作通常都在介稳区中进行※溶质只有在过饱和溶液中才能析出三、结晶过程的速率1.晶核的形成晶核－过饱和溶液中最初生成的微小晶粒，晶体成长过程中必不可少的。成核方式初级成核二次成核均相初级成核非均相初级成核晶胚－面晶结合成按一定规律排列的细小晶体。溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。晶体的成核方式晶核的生成有三种形式：即初级均相成核、初级非均相成核及二次成核。在高过饱和度下，溶液自发地生成晶核的过程，称为初级均相成核；溶液在外来物（如大气中的微尘）的诱导下生成晶核的过程，称为初级非均相成核；而在含有溶质晶体的溶液中的成核过程，称为二次成核。二次成核也属于非均相成核过程，它是在晶体之间或晶体与其他固体（器壁、搅拌器等）碰撞时所产生的微小晶粒的诱导下发生的。2.晶体的成长扩散理论晶体的成长过程由三个步骤组成的：溶质由溶液扩散到晶体表面附近的静止液层；溶质穿过静止液层后达到晶体表面，生长在晶体表面上，晶体增大，放出结晶热；释放出的结晶热再靠扩散传递到溶液的主体去。2．冷却（蒸发）速度的影响实现溶液过饱和的方法

冷却蒸发化学反应

快速冷却或蒸发大量细小的晶体

缓慢冷却或蒸发大而均匀的晶体3．晶种的影响工业生产中的结晶操作一般都是在人为加入晶种的情况下进行的。晶种的主要作用是控制晶核的数量以得到粒度大而均匀的结晶产品。1．过饱和度的影响：适宜的过饱和度一般由实验测定

过饱和度值应大至使结晶操作控制在介稳区内，又保持较高的晶体生长速率，使结晶高产而优质。最常用5．搅拌的影响

搅拌的作用:

①加速溶液的热传导，加快生产过程。②加速溶质扩散过程的速率，有利于晶体成长。③使溶液的温度均匀，防止溶液局部浓度不均，结垢等。④使晶核散布均匀，防止晶体粘连在一起形成晶簇，降低产品质量。使用搅拌器时应注意：4．杂质的影响一般对晶核的形成有抑制作用

对晶体的成长速率的影响较为复杂，有的杂质能抑制晶体的成长，有的能促进成长。一、选择适宜型式的搅拌器；二、控制好搅拌速度第四节结晶器（一）冷却结晶器（不移除溶剂的结晶器）、结晶装置的类型1.釡式结晶器：(a)、(b)―内循环式；(c)外循环式用冷却剂使溶液冷却下来而达到过饱和，从而使溶液结晶出来。特点：结构简单，制造容易，但冷却表面易结垢而导致换热效率下降。（二）移去部分溶剂的结晶器１.蒸发结晶器与普通蒸发器在设备结构和操作上完全相同，溶液被加热到沸点，蒸发浓缩达到过饱和而结晶。特点：由于设备一般在减压下操作，在较低温度下，溶液可较快达到过饱和状态，而使结晶的粒度难于控制。2.真空冷却结晶器将热的饱和溶液加入一与外界绝热的结晶器中，由于器内维持高度真空，其内部溶液的沸点低于加入溶液的温度，结晶排出。构造简单，无运动部件，易于解决防腐蚀问题。操作可以达到很低的温度，生产能力大。溶液是绝热蒸发而冷却，不需要传热面，避免传热面上有晶体结垢，操作中易调节和控制。连续式真空冷却结晶器R—溶质水合物摩尔质量与绝干溶质摩尔质量之比；无结晶水合作用时，R=1；W’—母液中溶剂量Kg，Kg/h；当R=1时，G=Gｃ。2.形成水合物的结晶过程结晶产品为水合物，其携带的溶剂不存在于母液中对溶质作物料衡算：对溶剂作物料衡算：二、物料衡算式的应用1.不移除溶剂的结晶（冷却结晶）2.移除部分溶剂的结晶＝０（1）蒸发结晶若移出的溶剂量W已知Ｇ或者，可根据已知的结晶产品量G求W。rcr—结晶热，溶质在结晶过程中放出的潜热,J/Kg；rs—溶剂汽化热,J/Kg;Cp—原料液的质量热容,J/Kg.k；t1、t2—溶液的初始及最终温度K。（2）真空冷却结晶此时，溶剂蒸发量B为未知量，需通过热量衡算求出。第六节其它结晶方法简介一、熔融结晶待分离组份间的凝固点的不同而实现组份分离的过程，多用于有机物的分离提纯，而冶金材料精制或高分子材料加工时的熔炼过程也属于熔融结晶。二、沉淀结晶化学结晶：通过加入反应试剂或调节PH值，生产溶解度很小的产物而析出结晶产品。如：用氨水吸收二氧化碳制取碳酸氢铵(NH4HCO3