新型分离技术第二章结晶PPT课件

Ac＝6L2，即kv＝1，ka＝6。
二、结晶过程
1、溶液结晶：
•溶质从溶液中结晶的推动力是一种浓度差，称为溶液的过 饱和度。 •结晶过程经历两个步骤：成核→晶体生长。
晶浆（悬浮体）：结晶器中由溶液结晶出来的晶体与 余留下来的溶液构成的混合物。
母液：晶浆去除了悬浮于其中的晶体后所余留的溶液。
2、熔融结晶：
•晶体的粒度分布是指不同粒度的晶体质量（或粒子数目）
与粒度的分布关系。
晶体的粒度可用一长度来度量。对于一定形状的晶
体粒子，可选择某长度为特征尺寸L，该尺寸对应于体积
形状因子kv和面积形状因子ka，则晶体的体积Vc和总表
面积Ac可分别写成：
Vc kv L 3 Ac ka L 2
例：对立方晶体，选择边长为特征尺寸L，则Vc＝L3，
相成核和非均相成核； （2）二次成核：有晶体存在下的成核，其中又分为流
体剪应力、磨损和接触成核。 1、初级成核 （1）初级均相成核
发生于无晶体或任何外来微粒存在的条件下。 溶 质 单 元 晶 胚 线 体 晶 胚 晶 核 晶 体
Kelvin方程描述了临界晶核与溶液过饱和度之间的关系：
Ln 4Vm
2、二次成核 在已有晶体存在条件下形成晶核称为二次成核。 这是绝大多数结晶器工作的主要成核机理。 控制二次成核速率是实际工业结晶过程最重要的操作要点。 二次成核可在比自发成核更低的过饱和度下进行。
1、溶解度曲线 溶解度曲线即溶解度对温度所标绘的曲线。 正溶解度特性（如NaCl-水） 逆溶解度特性（如熟石灰）
2、溶解度关系 （1）热力学概念和理想物系的溶解度 溶质在固相和溶液中成固液平衡的条件是化学位相等。 经热力学推导，得到 fi固相＝fi溶液
溶液中溶质的逸度用活度系数表示：
f2,固相＝2x2f2 或 x2＝ f2,固 相/ 2f2 （※)
式中：f 2 , 固 相 －－固相中溶质的逸度，Pa
x2 －－溶质在溶液中的摩尔分数
f 2 －－标准态逸度，Pa
2 －－溶质的活度系数
（※）式是任何溶质在任何溶剂中溶解度的计算通式。
由普遍化溶解度方程可得溶解度的表达式：
x2
1
2
expHtp R
1 Ttp
T1
分别用熔融焓△Hm和熔点温度Tm代替三相点相变焓和三 相点温度，则上式变为：
x2 12expH RmT1mT1
对于理想溶液，γ2＝1，则上式简化为：
x2
expH Rm
1 Tm
T1
由上式可见：
x2
expH Rm
1 Tm
T1
☆ 理想溶液的溶解度随温度升高而增大，其增长速率近 似与熔融热成正比；
☆ 对于熔点相近的物质，熔融热越小，则溶解度越小； ☆ 对于熔融热相近的物质，熔点阅越低，则溶解度越大。
熔融结晶是根据待分离物质之间的凝固点不同而实现物质 结晶分离的过程，推动力是过冷度。 熔融结晶有两种操作模式：
一种是在冷却表面上沉析出结晶层固体； 另一种是在熔融体中析出处于悬浮状态的晶体粒子。
熔融结晶主要应用于有机物的分离提纯。
第二节 固液平衡
一、溶解度
固体物质的溶解度是指在一定的温度下，某物质在100 克溶剂里达到饱和状态时所溶解的克数, 用字母s表示，其单 位是“g/100g水”。在未注明的情况下，通常溶解度指的是 物质在水里的溶解度。
第二章 结晶
• 结晶是固体物质以晶体状态从蒸气、溶液或熔 融物中析出的过程。
溶液结晶 熔融结晶
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总体概述
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结晶过程的特点：
（1）能分离出高纯或超纯的晶体，产品在包装、运输、储 存或使用上都较方便。
式中： c －－过饱和浓度； c*－－饱和浓度
由于超溶解度曲线受搅拌强度、晶种和杂质等因素的影 响，其测定是比较困难的。一种近似的方法是将介稳区宽度 表示为温度差△θ的关系，其斜率取计算点溶解度曲线处的斜
率，即： cdc*/d
过饱和度的测定一般可应用平衡溶解度测定方法。
二、晶核形成和成核速率 晶核的形成模式大体分为两类： （1）初级成核：无晶体存在下的成核，其中又分为均
上式可用于比较各种溶质的相对溶解度，不可虑所选溶 剂或溶质与溶剂的相互作用。若探讨溶剂的作用，必须计算 活度系数。
（2）经验关系式
ln x a b T
lgxABClgT T
式中： x －－溶质在溶液中的摩尔分数 T －－溶液温度，K a,b或A,B,C－－用实验溶解度数据回归的经验常数
第三节 结晶机理
一、溶液的过饱和，超溶解度曲线及介稳区
AB线 －－溶解度曲线 CD线－－超溶解度曲线
（有多条） AB线以下－－稳定区 AB线以上－－过饱和区 AB与 CD线之间－－介稳区 CD线以上－－不稳区
过饱和度的常用表示方法： （1）浓度推动力△c： ccc* （2）过饱和度比S： S c / c*
（3）相对过饱和度σ： c/c*S1
（2）初级非均相成核 由大气灰尘或其他外来粒子诱导的初级成核。
初级成核速率BP与过饱和度的关系可用下式表示： BP KPcn
式中： KP －－初级成核速率常数； n－－成核指数，一般大于2。
KP和n的数值由具体系统的物理性质和液体力学条件而定。 需指出：相对于二次成核速率，初级成核速率大得多，
而且对过饱和度变化非常敏感而难以控制，因此除超细粒子 制造外，一般工业结晶过程要力图避免发生初级成核。
vRT lnS
式中： Ln －－临界晶核粒度；
Vm－－晶体的摩尔体积； σ－－固体和溶液之间的界面张力；
v －－每分子溶质中离子的数目；
S－－过饱和度比。
成Aexp3k31T63ln3VSm22
式中： A －－指前因子，其理论值为1030核数/（cm3 s）； k－－Bolzmann常数；
（2）许多难分离的混合物系适宜用结晶分离。 （3）结晶能耗低得多，因结晶热一般为蒸发潜热
的1/3～1/10。操作相对安全。一般无有毒废气逸出， 有利于环境保护。 （4）结晶是一个很复杂的分离操作，结晶过程及其设备种 类繁多。
第一节 基本概念
一、晶体的有关概念： •晶体是内部结构的质点元(原子、离子或分子)作 三维有序规则排列的固态物质。 •结晶多面体是指晶体所形成的有规则的多面体 外形。 •晶面是指结晶多面体的表面。棱称为晶棱。 •晶系是指在一定的环境中，结晶的外部形态。