第九章-结晶器的混合

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,结晶器的混合,在结晶器内的混合状态为晶体的成核，成长提供了一个,外界环境，,了解在结晶器内的混合过程和状态是非常重要的。,考虑晶体的成核、成长过程，晶体所处的,微观环境,:,晶体的成长、成核只与局部的过饱和度有关，,尽管是二次成核，也只与局部晶体的特征和其碰撞能量相关，,就单个晶体考虑，晶体的成长过程中，溶液中的溶质要转移到晶体表面，进而成长，也就是说，在晶体表面的溶液浓度与溶液中的主体浓度存在一定的差别，这种微观环境的条件才是晶体成长的具体环境。,混合过程是把结晶器内的这种,微观环境,与流体在结晶器内的流动状态的,宏观环境,结合起来的过程。,在大的范围讲，混合过程提供了一个具体的晶体的悬浮状态晶体随时间和位置变化的一种宏观环境。从而决定晶体在结晶器内的均匀度，以及溶液中溶质的均匀度。,在宏观环境中的这种不均匀度为晶体从一个区域运动到另一个区域中时，提供了不同的微观环境，而使晶体的成长呈不同的规律，这一点对分析结晶过程非常重要。,往往局部参数值的变化比结晶器内平均值的信息对过程分析更重要。例如，反应结晶的喂料位置，连续结晶过程的排料位置等等。,本章所讨论的内容：,在典型工业结晶中遇到的混合及其相关的现象,混合对晶体特征的影响,悬浮结晶器的流动的基础,了解由于混合而造成结晶过程问题的解决方法,搅拌器的基本设计（从提供所需的混合角度不涉及机械设计）,讨论有关模拟方法的问题,研究方法,结晶器内的流体流动,结晶器内一般是带有搅拌的罐体，在很多方面和用于化学反应和混合的搅拌器类同。,在这些搅拌器内，使用机械能提供各种物质的混合，喂料通过各流体的湍流运动与主体物流混合在一起，通过搅拌桨的运动使流体从上到下，从中心到边缘的循环运动。,在工业结晶器内的最大特点是有晶体存在，要把晶体悬浮在溶液中,使晶体成长。,因此，在结晶器内是一种固体悬浮，也就是说是一个,多相流,，而不是单相的流体流动。,在有固体的存在下，悬浮液的,有效粘度,要比溶液的粘度高。,在结晶器内的流体流速必须使晶体成,悬浮状态,，而不能沉积于结晶器的底部，而晶体的存在,必影响到流体的湍流特征。,一般的情况下，晶体在结晶器内不会是均匀分布的，在结晶器内的,不同位置,，其晶体的,尺寸分布也有不同,，这些特征最终都会影响到各种参数在结晶器内的分布状态，而影响晶体产品的质量。,在结晶器内流体的流动，绝大部分条件下，是处于,湍流运动,。,因此，在分析结晶器内的运动状态时，要把,流体的时间平均值与瞬时值,加以区别。这里就不多讨论湍流运动的具体特征，但要具有瞬时值的概念。,如图,8.1,是一个在结晶器内流体运动的轨迹，它只表示一种时间平均值的概念，即主体上流体在结晶器内的运动轨迹如图所示，但实际上，在流体运动中流体会形成不同大小的旋涡其瞬时流体微团的运动要比这一复杂的多，这些湍流特征对结晶过程必有很大的影响,在结晶器内关键变量的分布,在研究混合过程，哪个变量的分布的影响是过程中的关键变量，取决于结晶过程的过饱和度的产生方法，,比如反应结晶过程中，两个,反应物,的混合状态决定着过饱和度的分布，因此反应物的混合过程及其浓度分布就变的相对重要，,对冷却结晶过程，也许,热物料与主体冷料,的混合，或者从传热面的传热边界层与主体物料的混合,对过饱和度的分布更重要的，对蒸发结晶过程蒸发表面与主体物流的混合等等。,另一方面，结晶器内的混合决定着,溶液浓度,在设备内的分布，,同时也决定着,固体晶体,在结晶器内的分布，,同时也影响着,溶液温度,的分布，,这三个量的分布状态相互影响从而决定结晶器内过饱和度的分布。最高过饱和度在结晶器内的位置是,溶液的浓度最高，,含固体量最低，,温度最低的区域。,这是因为固体的含量低其可用于晶体成长的表面较低，低的温度表示其饱和浓度低，因此会产生较高的过饱和度。,影响结晶过程中关键变量分布的主要因素,在设备内的流场，,V(r),湍流动力学能量及其消耗速率，,K,喂料点,产品排出点,进一步分析，流场和能量消耗速率取决于,搅拌桨和它的位置,搅拌速率,挡板的尺寸和位置,导流筒的尺寸和位置,结晶器的外形尺寸等,由上述，我们可以得出，在结晶器内，结晶过程的关键变量都不是均匀分布的。,一般来说，在小型（实验室）的结晶器内，均匀分布是有可能的，,但在大型（工业）结晶器内，可以肯定的说，结晶器变量的分布决不会是均匀混合的。,这种不均匀度也是,很难估计和预测,的，但我们可以分析一下不均匀的过饱和度分布对结晶过程的影响。,成核速率：过饱和度的大小对成核速率影响很大，一般的成核速率模型，有,为无因次过饱和度，,n,为成核过程依赖于过饱和度的指数,对二次成核过程,对初级成核,由于过饱和度对成核的影响很大，如果某些区域（如进料口，蒸发区域）的混合状态不好，就会造成局部过饱和度 过高，进而造成大量的成核。因此整个过程的成核会主要决定于这样的区域，而不是平均过饱和度。,晶体的成长速率，也是过饱和度的指数函数,G,为晶体成长速率,这样也会造成晶体在不同的区域内会有不同的成长速率，从而也可能造成晶体形状的不同和晶体质量问题。,因此，控制局部高过饱和度也许对控制产品中,细晶的量,有着明显的效果，尽管在整个结晶器内的平均过饱和度比较低，但如果有些局部的过饱和度过高，也会产生大量的细晶。,过饱和度的不均匀对结晶器的,结垢,具有相似的影响，在小的区域内形成高的过饱和度会产生局部结垢，进而扩散而形成垢层。,在某些情况下，固体的均匀混合不一定对结晶过程有好处，在某些情况下，不均匀的固体悬浮也许对结晶过程的控制有益，比例把成核和成长控制在不同的区域的过程。,碰撞成核的速率与晶体的碰撞频率密切相关，,晶体的碰撞速率与晶体在溶液中的浓度（悬浮密度）成二次方的关系，因此局部高的晶体含量导致大量的二次成核。,如果晶体的悬浮状态不好，而造成局部晶体含量高，相对高的二次成核就会在局部发生。,因此，为了减小二次成核，尽量使晶体在结晶器内均匀分布是一个较好的方法，而不是减小平均固体含量，,在决定固体的悬浮条件时，尽量使晶体悬浮，而不是“恰好”悬浮条件。,固体悬浮密度的分布取决于结晶器内的流场分布，同时固体的存在又影响流场的分布和改变流场及其湍流状态。,固体在搅拌器内的分布可能是非常让人难以估计。如图所示，在带有挡板、轴向推动搅拌桨的搅拌器内的固体随搅拌器高度分布数据，其有以下特点：,1.,在罐体底部，固体的浓度较高；,2.,在搅拌器上部，固体的浓度较高,3.,分布状态与搅拌桨的转速有很大关系,连续的结晶器一般使用导流筒装置以使溶液和固体循环。下图是这样结晶器内的固体分布情况。注意：固体含量在不同高度有不同的值，同时，导流筒内外的固体含量也不同。,温度在结晶器内也会有分布,1.,冷却表面,2.,喂料口,3.,蒸发结晶,4.,放热反应的反应区域,总之，在结晶器内变量的分布：温度、浓度、固体含量都会对过饱和度分布产生很大的影响，因而可能是达到一定的要求产品的关键因素。找到适宜的混合条件是现代结晶过程的一个重要的研究课题。,以下将从液体混合以及固体悬浮的角度讨论结晶器的设计。以搅拌型结晶器为例。搅拌器，作为结晶过程的设备其要达到的目标为：,尽可能使固体达到均匀的悬浮状态,进料口要尽快的与主体悬浮液混合,加热（冷却）面的溶液，或高浓区的溶液尽快与主体溶液混合,充足的传热面，或者流体流动的状态要提供较高的传热速率,在满足上面的要求的基础上，搅拌所提供的剪切力不能对成长的晶体形成严重的破坏，从而引起大量的成核。,结晶器及其设计,首先考虑一下在结晶器的结构上 适合于间歇操作的结晶器。,在间歇操作的结晶器中，一般不使用导流筒，这就要求对其结构做一些特殊考虑，以便使固体悬浮能力到达整个结晶器的水平。,较小的结晶器高度与直径的比例可用于单搅拌浆的结晶器设计。,使用多个搅拌浆是另外的一种设计模式,:,两个搅拌浆,两个轴向的搅拌浆 如图,在底部安装一个径向搅拌浆，在上部使用轴向搅拌浆，这样底部径向搅拌浆能保持固体在结晶器底部处于运动状态，如果进料口设在底部的话，径向搅拌浆也能提供较强的剪切区域，而使混合的速度加快。,理想的状态是把每个区域形成理想的结合，也就是说在不同的环境区域中形成较好的配合而不能相互干扰，因此两个搅拌浆之间的距离是至关重要的参数，距离太大每个之间形成独立的区域而使两区域不能达到较好的混合。,图为两个特殊的例子,使用,挡板,提供充足的混合与固体悬浮是完全必要的。,搅拌浆提供的流体流动具有轴向、径向与切向的流动，挡板能够把切向流转换为轴向流，因为轴向流动对固体悬浮以及轴向的溶液混合是非常重要的，因此要想达到对设备内较好的固体悬浮和溶液混合，需要安装挡板。,导流筒,在结晶器内经常设置一个导流筒，它能提供有效的轴向混合。一般用于连续的结晶过程中的结晶器。但是在导流筒上端，其固体悬浮的状态不很理想，为此在设计时要特别加以注意,在搅拌罐内，导流筒能得到象使用多个轴向流搅拌浆的作用，导流筒使流体只能在导流筒内向上或向下流动，而使得轴向流动加强，因为，设有多个搅拌浆，晶体的破碎量减少，同时能使固体的悬浮达到一定的程度，导流桶一般用于连续结晶器。,间接结晶器会采用这种结构，在导流筒上开一些口，使循环形成短路，对这种作法有时会在间歇操作中使用。,在某些情况下，导流筒的使用能使悬浮达到一定的程度，其原因如下：,如果结晶期内的,液面较低,，在导流筒的上部不能形成循环流动，这时向上流的部分的液位较高，其高度差为搅拌浆的物料而定，即使其物料能高于导流筒的限制高度，形成溢流也会造成晶体的分级，从而形成不好的混合状态，所以在设计中要尽量避免这种情况。,导流筒直径的设计，可以从两方面考虑：,达到固体悬浮的要求主要是在,向上流的部分的流体速度，大于晶体的沉降速度,，因此，向上流的流动面积可以小于向下流的面积，以节省能量和减少晶体破碎。,考虑到干扰沉降和由于固体含量多，形成流体黏度的变化，考虑流动区域相等是一种设计方法。,注意：导流筒直径的选择主要影响导流筒内外的流动及速度分布，这样在考虑其它现象时，如成核、成长就要分别考虑，仅仅以平均速率考虑就会产生很大的误差。,较常用的结晶器结构为“导流筒挡板”,DTB,形成结晶器，能设计为内,导流筒的直径为,0.5,结晶器直径,，而流体在导流筒内为向上流，同时有一个中间流筒区，外部为细晶分离区。,DTB,结晶器,可用于细晶排除操作,但最大的晶体容易存留于罐体底部形成积累，因此底部的形状必须认真考虑,另外的一种设计是在导流筒,内装两个搅拌浆,，可用两个轴向流搅拌浆，也可以用底部径向流，而上部用轴向流，这样的设计使用大叶片，而转速低的搅拌，从而节省能量，另外的结晶器的搅拌是由外部循环泵而提供，例如，强制循环结晶器。,流体在器内流动的能量也可用热空气，或自然循环蒸发结晶器来实现,使用什么类型的搅拌浆更适合于结晶过程历来是一个研究和讨论的课题，首先要弄清楚各类型搅拌浆的功能，才能选择适宜的搅拌浆类型。,径向流动,的搅拌浆提供较高的剪切或高的湍流区域，在搅拌浆附近能提供较好的混合效果,搅拌浆的设计,这样的搅拌浆一般放在离罐体底部，这样在产生较强的轴向流的同时 ，也不能影响轴向的流动和固体悬浮，但不如轴向流型搅拌浆提供的较强的轴向流动，而有较好的轴向混合。,这种桨叶提供的流动具有,上下两区,，例如，直板型，它把缸体的溶液分为两个循环区域，,一般情况下，上下两区的混合效果不好，但这种搅拌浆在某些情况下也许能收到较好的效果，例如在反应结经过程中，,反应物两分别进入两个区域内,，这样减小的两个高浓度反应物的混合速度，从而有效的控制反应速率。,轴向流动,的搅拌浆产生较少的,径向流动,，在相同的能量输入的情况下，能提供较强的轴向速度，从而轴向混合的效果较好，同时使罐体内各区域间的混合较好。,使用两种搅拌浆也许能充分利用各自的特点而使过程进行的更符合要求，,必须要强调一下，在搅拌设备内，所有由搅拌浆提供的能量全部由流体的流动消耗，只是其能量消耗在于不同的区域，这一点，对结晶过程的分析，也许是非常重要的。,放大,工业结晶过程的放大被认为是一个非常困难的课题,单个晶体成长或成核主要决定于其存在的微观环境,混合过程决定整个罐体内的微观环境和宏观环境的状态，以及其相互的特征，因此也决定着空间和时间上的混合均匀度。,混合过程的放大将决定着结晶过程的放大。,而混合过程的放大，特别是固体悬浮的放大是非常不清楚的。,过程放大的特点,一般的放大研究都是在结构类似的情况下来研究，其放大规律也是结构类似下才有效的，但就流体力学状态而言，就是在结构类似下，也达不到完全相同的放大。,就结晶过程而言，在研究放大过程中，我们不能改变结晶系统，,也就是说结晶过程必须使用同一体系而使用不同的设备尺寸，,而晶体的尺寸并不可以将设备的放大而增大，,同时颗粒悬浮与之相关的传递系数也不随设备尺寸的增大而增大，因此要求的悬浮速率也不改变。,在放大过程中，要考虑的因素,质量传递过程（溶液间、溶液与晶体间）,成核过程,成长进程,使用的方法，能量输入，搅拌浆边缘速度,模型,由上而述，结晶过程需要知道混合过程的状态，其对结晶的影响是非常重要的，尤其是在大型结晶器内，然而混合对结晶的影响是,非常复杂,的，因此，对其过程的研究，同时建立相应的模型来预测混合过程的及其对结晶的影响是非常具有,挑战性,，也是非常必要的。,在大型结晶器内与小型结晶器的流体动力状态大不相同，也很难真正的建立联系，使用数学模型的方法建立,经验模型,也具有,局限性,，另外在结晶器内有晶体，有时气体、液体存在，同时晶体具有一定的尺寸分布，其流动为多相流，,考虑已有的过程与现象，使用简单的经验模型显得无能为力，因此必须使用,计算流体力学,的方法，才有可能实现结晶过程的模拟与预测，到现在为止，就是使用计算流体力学的方法，也不能完全描述现有在结晶过程中涉及的全部过程，尚有许多方面的工作要做。,尽管现有的模型对结晶过程的结果都不能给予准确的预测，但建立其中的相关模型还是很有必要的，,一些结果可被认为一种,定性,的结果，而不是定量的，其能给予解决问题的指导性建设，同时也是对知识的,积累,，,当对某些结果特定进程研究多了，其就可以揭示一般的规律，而实现模型的 完善，这要借用实验和计算流体力学的方法来实现。,实验模型,从实验室的实验结果去,预测在大型结晶器,的流体动力状态是完全,不可能,的，,然而使用实验内的设备的实验结果来建立模型能给出工业结晶器的流动状态的,定性的指导,，因此也很有意义，,同时在实验室所使用的,实验方法,，也可以应用于在大型设备的研究，因此在实验室内研究过程的混合及其混合状态的影响因素，对于科学研究是很有必要的。,单相流动的实验,研究在搅拌器内的流动，混合的最简单的方法是使用单相流过程，,通过使用,录像及其它技术,，我们可以观察到过程的进程及其混合状态，尽管其结果具有一定的局限性，但很多方面的信息是非常有价值的，例如,流体的整体流动性情况，即流场，循环区域，混合过程的死区等。,单相混合实验所使用的技术有：,观察在搅拌器内一个固定点，加入不同颜色的流体，观察溶液的染色变化,使用几个颗粒作为流场的观察对象,Laser Doppler anemometry (LDA),测得单相流场,Particle image velocimetry(PIV),测得流场（三维、二维）,同时也可测得颗粒的流场,计算流体力学模型,在工业结晶过程中的研究中，颗粒衡算方程的应用是使用理想混合悬浮，理想混合产品排除（,MSMPR,）模型，其假设在结晶器内溶液与固体都是均匀混合，而产品排除的状态和结晶器内的状态完全一致，即在结晶器内的各个空间点其溶液的浓度，固体含量及晶体的尺寸分布完全相同，,这一假设很显然在工业结晶器内是不存在的，因为溶液的浓度，悬浮密度以及晶体尺寸分布在结晶器内随空间（甚至时间）而变化。例如，结晶过程的成核速率在实验测得的结果不能很好的应用于大型结晶器，其主要原因就是因为用,MSMPR,模型确定的成核速率参数不能用于不均匀混合的工业型结晶器。,在非均匀混合状态下，一个描述结晶过程的关键参数的模型是必要的，从而可预测这些参数的空间分布，,其总目标是建立模拟模型，从而预测产品的特征。,在此模型中要考虑到流场，质量传递，颗粒衡算，成长速率，然而，建立和求解这样的模型是非常困难的，其难点：,要真正的描述结晶器的实际流动状态，就要描述两相或多相的湍流运动，真正描述湍流是用一般的,CFD,方法是不可能的。,计算负荷,但可用简单模型,进料口区域的模型，其混合为微观混合过程，要真正能描述微观混合，,CFD,模型的网格分布就要非常的小，因此就要采用其它的方法。,对反应结晶使用节矩模型,分区域模型,搅拌浆的处理,在搅拌浆区域设置动量方程的源，但很难给出较准确的数据,边界条件设置法,移动网格法,湍流的考虑,K-,模型,RS,模型,LES,模型,多相流进程的模型,晶体成长与成核,粒数衡算,在建立,CFD,模型中要考虑的问题,