2.4.4　化学沉淀

化学沉淀又称为反应结晶,是指两种化学物质通过化学反应生成溶解度很小的沉淀或结晶的过程。一般反应物为电解质时,离子间的真实化学反应速率很快,因此混合对化学沉淀的影响特别显著。反应结晶包括的主要子过程有成核、晶粒生长,第二位的过程有二次成核、团聚、陈化等。成核速率和线生长速率都与体系的过饱和度S有关:

=k_nSα(2.21)

=k_gSβ(2.22)

式中,n为晶核的粒数密度;L为晶核的线性尺度;α 和β 分别为成核和生长的动力学级数,一般α 远大于β;k_n和k_g分别为成核和生长的速率常数。这样,在混合较弱的体系中,两股物料接触面处的高浓度形成高过饱和度,成核速率极大,产生很多的晶核,最后分散到体系中生长为许多细小的晶粒。相反,混合强度大,则物料易分散,反应物不出现局部浓度过高的现象,因而总体说来过饱和度低,产生的晶核少,线生长速率因β 值小所以降低不多,最后得到平均粒度大的晶体。混合强度大还使液固传质加快有利于晶粒生长,但也使晶粒磨损产生二次成核导致平均粒径减小。晶粒大小分布也同样受混合的影响。结晶过程的机理十分复杂,需要结合结晶器的具体构型、尺度、操作条件等,用数学模型方法和数值模拟技术进行定量的研究。

分析结晶器最常用的一个模型是MSMPR模型(mixed suspension,mixed product removal),它假设结晶器为理想全混流、状态均匀,产物排出流的组成与结晶器内相同,仅考虑成核和生长两种机理,颗粒的形状系数不随颗粒尺寸而变化,进料不含晶粒。得到的模型包含动态粒数衡算方程(PBE)、溶质质量衡算方程、晶体线生长速率和成核速率经验方程(Randolph,1988)。它与工业中广泛采用的良好混合的强制内循环结晶器相近,而且模型简单直观,所以至今在建立成核生长动力学模型、研究结晶动态行为中具有广泛应用。

实际上,大型结晶器由于操作参数、结构参数及物系不同,使混合不够理想。所以结晶器模型的改进首先从考虑准确描述内部混合状态开始,包括宏观混合和微观混合两个层次。

由于快速的反应结晶(沉淀)过程与微观混合的关系更密切,所以硫酸钡沉淀一类的过程也被用作研究微观混合的模型反应。程荡(2014)在气液液搅拌槽中发现许多因素通过微观混合而影响了硫酸钡沉淀的形貌、平均粒径和粒径分布。更早的研究可参考Chen JF(1996)、Pohorecki(1988)等。