降溫速率對過硫酸銨結晶介穩區影響的研究*

樊玉光，魏 婷，華和維

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065）

降溫速率對過硫酸銨結晶介穩區影響的研究*

樊玉光，魏 婷，華和維

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065）

用電阻法測定過硫酸銨溶液的結晶介穩區寬度；采用不同的降溫速率進行了過硫酸銨結晶熱力學數據的測定，得到了過硫酸銨各個降溫速率下的過飽和濃度曲線，從而得到了過硫酸銨結晶的介穩區寬度。結果表明：在相同的降溫速率下，過硫酸銨的過飽和濃度隨溫度的升高而增大，在溫度為40～50℃的范圍內，過硫酸銨介穩區寬度明顯增大；在不同的降溫速率下，介穩區寬度總體最大的是降溫速率為40℃/h。這為過硫酸銨工業結晶的生產提供了理論依據。

過硫酸銨；結晶；降溫速率；介穩區寬度

過硫酸銨是一種白色無氣味的晶體或粉末，并作為氧化劑和漂白劑被廣泛應用于蓄電池工業、纖維工業、石油工業等領域，是過硫酸鹽系列之一。晶體的生長是以過飽和度為推動力，溶液的結晶介穩區寬度是結晶過程的基礎研究之一，是結晶操作和結晶器設計所必需的參數［1］。溶液的介穩區是極限濃度與飽和濃度之差，在這個區域中溶液不會自發地產生晶核，但如果向其中加入晶種，則會誘發結晶，晶種就會長大［2］。在工業結晶中一般要避免自發成核，以得到較大的粒度均勻的產品，一般結晶操作要控制在介穩區內才能達到這個目的［3］。影響介穩區寬度的因素來自多方面，主要有溫度、攪拌形式及強度、降溫速率、是否引入晶種及晶種粒度大小［4］。過硫酸銨的冷卻結晶生產方法中，連續結晶與間歇結晶相比較具有能提高效率、改善晶粒品質及降低成本的優點。冷卻降溫速率是過硫酸銨連續結晶的重要影響因素之一，但這方面的研究未見報道，為此測定了過硫酸銨水溶液在不同降溫速率條件下的介穩區寬度，為連續結晶生產中的最佳操作條件提供依據，對連續結晶器的設計改進具有一定的指導意義。

1 實驗部分

1.1 主要實驗試劑與儀器

過硫酸銨，分析純；去離子水。

濾紙、HWY-501B恒溫槽、CENTER303溫度計、MP1100B電子天平（精度為0.01 g）、F-289C萬用表、RHP-63干燥箱。

1.2實驗方法

實驗采用電阻法來測定過硫酸銨的超溶解度，就是在一定的冷卻速率下測定過硫酸銨飽和溶液的電阻變化，從而來確定溶液是否發生結晶，進而確定過硫酸銨的過飽和濃度，最終得到過硫酸銨的介穩區寬度。

將過硫酸銨溶解后重結晶，去除雜質。重結晶的過硫酸銨產品為實驗中過硫酸銨溶液配制所用。將配制好的過硫酸銨飽和溶液按預設的降溫速率進行降溫，當溶液電阻值變化時說明有成核出現，將結晶后的溶液進行過濾稱重，再放入干燥箱內干燥，干燥完成后取出再次稱重，然后計算得到過硫酸銨按各個降溫速率降溫后溶液的濃度，介穩區寬度就以它與飽和濃度之差來表示。

2 結果與分析

測得的過硫酸銨熱力學實驗數據如表1、2、3、4所示。

表1 過硫酸銨熱力學實驗數據（降溫速率為48℃/h）

表2 過硫酸銨熱力學實驗數據（降溫速率為40℃/h）

表3 過硫酸銨熱力學實驗數據（降溫速率為30℃/h）

表4 過硫酸銨熱力學實驗數據（降溫速率為20℃/h）

根據表1—表4，將測得的過硫酸銨的過飽和濃度數據進行整理，繪出過硫酸銨的過飽和濃度的散點圖，擬合后得到過硫酸銨過飽和濃度曲線，溶解度數據由文獻［5］查得，介穩區寬度圖如圖1—圖4所示。

圖1 以48℃/h的速率降溫的介穩區寬度圖

圖2 以40℃/h的速率降溫的介穩區寬度圖

圖3 以30℃/h的速率降溫的介穩區寬度圖

在圖1—圖4中，過硫酸銨飽和濃度曲線的右下方為穩定區，在這個區域不可能形成結晶，過硫酸銨溶解的速率大于結晶的速率；過硫酸銨飽和濃度曲線與過硫酸銨過飽和濃度曲線之間的區域為介穩區，一般工業結晶都會選在這個區域進行；過硫酸銨過飽和濃度曲線的左上方為不穩區，在這個區域容易產生結晶，但是結晶過程不容易控制，結晶物的晶型和質量都達不到工業要求，結晶過程不穩定。

圖4 以20℃/h的速率降溫的介穩區寬度圖

從圖1—圖4中可以看到，在相同的降溫速率下，過硫酸銨的過飽和濃度隨溫度的升高而增大；介穩區寬度總體由大到小分別為：降溫速率40、48、30、20℃/h；其中在40～50℃的范圍內，過硫酸銨介穩區寬度明顯增大，其介穩區寬度總體由大到小分別為：降溫速率30、40、20、48℃/h。理論上，選擇介穩區寬度越大的降溫速率對過硫酸銨結晶的連續操作越有利，但在連續結晶的工業生產中，同時也要綜合考慮控制生產成本和結晶過程的經濟性，所以要選擇容易實現的降溫速率。

3 結論

1）測定了不同降溫速率下過硫酸銨的過飽和濃度隨溫度變化的關系，在相同的降溫速率下，過硫酸銨在水溶液中的過飽和濃度隨溫度的升高而增大。2）應用過飽和濃度數據得到了過硫酸銨介穩區的寬度，在不同的降溫速率下，介穩區寬度總體最大的是降溫速率為40℃/h。在溫度為40～50℃的范圍內，過硫酸銨介穩區寬度明顯增大，即在高溫范圍內的介穩區比低溫階段略寬一些。3）測量得到的過硫酸銨介穩區為連續結晶器的操作提供了參考。

［1］湯秀華，李軍，周堃，等.磷酸二氫鉀結晶介穩區寬度的研究［J］.無機鹽工業，2007，39（7）：27-29.

［2］葉鐵林.化工結晶過程原理及應用［M］.北京：北京工業大學出版社，2006：9.

［3］王靜康.化學工程手冊［M］.2版.北京：化學工業出版社，1996：7-10.

［4］陳葵.紅霉素結晶過程研究［D］.上海：華東理工大學，2011.

［5］天津化工研究院.無機鹽工業手冊（下冊）［M］.2版.北京：化學工業出版社，1995：431.

聯系方式：tingwei8906@163.com

Study on effectsof cooling rate on ammonium persulfate′s crystallizationmetastable zone

Fan Yuguang，WeiTing，Hua Hewei
（Mechanical Engineering College，Xi′an Shiyou University，Xi′an 710065，China）

Resistancemethod was used to test the crystallizationmetastable zonewidth of the ammonium persulfate solution. By determination of the thermodynamics data ofammonium persulfate crystallization underdifferentcooling rates，ammonium persulfate supersaturated concentration curves under different cooling rates and the ammonium persulfate crystallization metastable zonewidthwere obtained.Results showed that the supersaturated concentration ofammonium persulfate increased along with the rise of temperature under the same cooling rate.Ammonium persulfatemetastable zone width increased obviously in the range of 40～50℃.Under different cooling rates，the largestmetastable zone width was generally at the cooling rate of40℃/h.Thisprovided theoreticalbasis for industrialcrystallization ofammonium sulfate production.

ammonium persulfate；crystallization；cooling rate；metastable zonewidth

TQ125.14

A

1006-4990（2014）10-0023-03

西安石油大學全日制碩士學位研究生優秀學位論文培育資助項目（20130401）。

2014-04-23

樊玉光（1964—），男，碩士，教授，主要從事高效單元傳質設備、傳熱設備及節能技術等方面的研究，已發表論文32篇。

魏婷