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无机化工
间歇溶液结晶动力学模型及其相关实验研究
结晶作为一种固液分离技术,广泛应用于化工等生产领域。溶质分子从液相传递到固相的析出过程,一般采用成核和生长速率进行表征,相应的动力学参数乃结晶器设计和操作的重要依据。这些参数的获得,有赖于相关数学模型的建立。然而,结晶模型因其传质机理的异常复杂性,与其它的分离操作理论相比,研究进展还较为缓慢,制约了结晶技术在工业实践上的进一步应用。本文在综述溶液结晶动力学研究进展的基础上,利用实验室所建装置,开展了间歇结晶过程的动力学模型及相关实验的初步研究。 对于添加晶种的二次成核结晶过程,本文基于Beer-Lambert定律、ΔL定律和粒数衡算理论,采用光学关联的方法,建立了包含透光率变量的动力学模型方程。运用该方程对KNO3-H2O溶液冷却结晶过程的液相浓度、相对过饱和度以及透光率数据进行关联,直接获得了结晶体系的成核和生长动力学参数,且与文献值相近。 对于机理相对复杂的未添加晶种自发成核结晶过程,针对KNO3-H2O溶液模型体系,本文采用了分段类比的研究方法。将历经初级成核后的结晶体系近似为添加晶种的二次成核结晶体系,此时的成核速率可视为二次成核速率。在二次成核结晶模型的基础上,建立了包含晶核形成和晶体生长两项的动力学模型。通过对合适段实验数据的回归处理,同时获取了模型体系的二次成核和生长动力学参数,结果与文献值吻合较好。 为进一步提高动力学参数的求解精度,在添加晶种和自发成核结晶模型深入分析的基础上,本文定义并关联了无因次变量和,用于对结晶过程中晶核形成和晶体生长两阶段进行定量识别。对于添加和未添加晶种的KNO3-H2O溶液两种间歇结晶过程,模拟分析的结果表明:无因次变量和的数值均随着晶核形成过程而减小,随着晶体生长过程而增大。由实验测定的动态透光率和液相浓度,即可对结晶过程中的晶核形成和晶体生长两个阶段进行定量识别,与采用晶体线性生长速率模型得出的结论相一致。 在上述建模研究的基础上,本文针对混二甲苯物系,开展了多元有机体系的 结晶动力学研究。结合该体系的特点,采取添加晶种的二次成核结晶模式。用气相色谱法测定了其过程浓度,获得了相应的成核和生长动力学参数。并据此计算了体系的值变化曲线,结果表明:该曲线呈现出与KNO3-H2O模型体系一致的变化趋势。这对于混二甲苯的工业结晶分离以及多元有机体系的结晶参数估计都具有一定的借鉴意义。
硕士论文
《南京工业大学》 2003年硕士论文

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