芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度研究*

張峰榛，王　海，劉興勇，湯秀華，楊　虎

（四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川自貢643000）

芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度研究*

張峰榛，王海，劉興勇，湯秀華，楊虎

（四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川自貢643000）

提出了利用溴化鋰溶液的強吸濕性，以硫酸鈉溶液表面水蒸氣壓力與溴化鋰溶液表面水蒸氣壓力之差為推動力，實現(xiàn)芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶的方法。基于此方法研究了芒硝介穩(wěn)區(qū)寬度，并用多元線性回歸擬合得到了硫酸鈉溶液的超溶解度曲線回歸方程。實驗結(jié)果表明：硫酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%～24%，芒硝介穩(wěn)區(qū)寬度隨著硫酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)先變窄后變寬的趨勢；提高結(jié)晶器的攪拌轉(zhuǎn)速、增加吸收器內(nèi)溴化鋰溶液的濃度，皆使芒硝介穩(wěn)區(qū)寬度變窄。該研究可為芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶的工程設(shè)計提供參考。

芒硝；真空蒸發(fā)；結(jié)晶；介穩(wěn)區(qū)

芒硝作為一種重要的無機化工原料，廣泛用于制造玻璃、致冷混合劑、洗滌劑、染料稀釋劑等。工業(yè)上通常采用機械冷凍法生產(chǎn)芒硝［1］。為避免冷壁面附近溫度梯度過大造成結(jié)晶體附壁，真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶系統(tǒng)也愈發(fā)廣泛地應(yīng)用于結(jié)晶過程中［2］。溶液的結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度是指溶液過飽和而欲自發(fā)地產(chǎn)生晶核的超溶解度與溶解度之間的區(qū)域，是結(jié)晶操作和結(jié)晶器設(shè)計的必需參數(shù)。工業(yè)結(jié)晶過程中需控制結(jié)晶過程在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)操作，避免自發(fā)成核，使產(chǎn)品粒度較大且均勻。影響介穩(wěn)區(qū)寬度的因素頗多，如超聲場、降溫速率、攪拌強度、有無雜質(zhì)等［3-6］。測定溶液結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度多采用間壁式冷卻結(jié)晶方法，對于真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶過程測量介穩(wěn)區(qū)寬度的報道甚少。為此提出了利用溴化鋰溶液強的吸濕性，以硫酸鈉溶液表面水蒸氣壓力與溴化鋰溶液表面水蒸氣壓力之差為推動力，實現(xiàn)芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶的方法，并應(yīng)用此方法測定了芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度，研究結(jié)果對芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶的工程設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1　實驗部分

1.1實驗原理

圖1為芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶實驗原理示意圖。結(jié)晶器與吸收器用汽相連通器連通，利用溴化鋰強的吸濕性，在結(jié)晶器內(nèi)硫酸鈉溶液與吸收器中溴化鋰溶液水蒸氣壓力差的推動下，實現(xiàn)芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶。

圖1　芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶實驗原理示意圖

1.2實驗方法

溴化鋰和無水硫酸鈉都為分析純試劑。芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶實驗裝置見圖2。將一定量一定濃度的溴化鋰溶液裝入吸收器。結(jié)晶器內(nèi)加入100 mL （35℃）一定濃度的硫酸鈉溶液。用汽相連通器將結(jié)晶器與吸收器迅速連接起來，開啟結(jié)晶器的磁力攪拌器并設(shè)置一定的轉(zhuǎn)速，開啟真空泵使吸收器內(nèi)達(dá)到溴化鋰溶液對應(yīng)的飽和蒸汽壓后，迅速關(guān)閉吸收器與緩沖瓶之間的閥門，并關(guān)閉真空泵。實驗利用冷卻水移走吸收熱，并通過調(diào)節(jié)吸收器的攪拌強度使溴化鋰溶液的溫度維持在25℃左右。采用聚焦光束反射測量儀（FBRM）檢測首批晶核出現(xiàn)，當(dāng)FBRM檢測到粒子總數(shù)驟增時表明有大量晶核產(chǎn)生，此時溶液的實測溫度為硫酸鈉溶液的超飽和溫度。

圖2　芒硝真空蒸發(fā)冷卻結(jié)晶實驗裝置

2　實驗結(jié)果與討論

實驗測得硫酸鈉溶液超溶解度數(shù)據(jù)見表1。

表1　硫酸鈉溶液超溶解度實驗數(shù)據(jù)

由表1實驗數(shù)據(jù)繪制芒硝介穩(wěn)區(qū)寬度散點圖見圖3。圖3中硫酸鈉溶解度曲線由文獻(xiàn)［7］數(shù)據(jù)擬合而得，溶解度曲線方程：w=0.025T2+0.0391T+5.2692，R2=0.999 8。其中：w為硫酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；T為溫度，℃。

對上述實驗數(shù)據(jù)應(yīng)用多元線性擬合得到不同溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下硫酸鈉溶液超溶解度曲線回歸方程：1）溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 51%，w= 1.827T0.858n-0.032，R2=0.962 7；2）溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%，w=1.563T0.905n-0.033，R2=0.956 5；3）溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%，w=1.328T0.960n-0.039，R2=0.9544。其中：n為結(jié)晶器攪拌速率，r/min。

圖3　芒硝介穩(wěn)區(qū)寬度

由硫酸鈉溶液超溶解度曲線回歸方程并結(jié)合圖3可知，硫酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%～24%，介穩(wěn)區(qū)寬度隨著硫酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)先變窄后變寬的趨勢；介穩(wěn)區(qū)寬度隨著結(jié)晶器內(nèi)攪拌轉(zhuǎn)速的提高略有減小；在同一硫酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，隨著吸收器內(nèi)溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大介穩(wěn)區(qū)變窄趨勢明顯，這是由于溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，使得溴化鋰溶液表面水蒸氣壓力降低，進(jìn)而增大推動力，提高了降溫速率。

3　結(jié)論

1）硫酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%～24%，芒硝介穩(wěn)區(qū)寬度隨著硫酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)先變窄后變寬的趨勢。2）提高結(jié)晶器的攪拌轉(zhuǎn)速、增加吸收器內(nèi)溴化鋰溶液的濃度，皆使芒硝介穩(wěn)區(qū)寬度變窄。3）研究獲得不同溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下硫酸鈉溶液超溶解度曲線回歸方程：①溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51%，w=1.827T0.858n-0.032，R2=0.962 7；②溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 55%，w=1.563T0.905n-0.033，R2= 0.956 5；③溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 58%，w= 1.328T0.960n-0.039，R2=0.954 4。

［1］葉鐵林.化工結(jié)晶過程原理及應(yīng)用［M］.2版.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2012：121.

［2］沈晃宏，張罡.硝酸鉀真空冷卻結(jié)晶工藝［J］.化學(xué)工程，2006，34（5）：16-18.

［3］陳霞，李鴻.超聲波對硫酸鈉溶液結(jié)晶成核的影響［J］.天津大學(xué)學(xué)報，2011，44（9）：835-839.

［4］樊玉光，魏婷，華和維.降溫速率對過硫酸銨結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)影響的研究［J］.無機鹽工業(yè)，2014，46（10）：23-25.

［5］湯秀華，李軍，周堃，等.磷酸二氫鉀結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度的研究［J］.無機鹽工業(yè)，2007，39（7）：27-29.

［6］張曉光.典型陰離子雜質(zhì)對磷酸二氫鈉結(jié)晶過程影響［J］.無機鹽工業(yè)，2013，45（7）：21-23.

［7］北京石油化工工程公司.氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988：151.

聯(lián)系方式：zhangfengzhen421@163.com

Study on metastable zone width of glauber salt′s vacuum evaporation cooling crystallization

Zhang Fengzhen，Wang Hai，Liu Xingyong，Tang Xiuhua，Yang Hu
（School of Material and Chemical Engineering，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China）

It presented the use of water vapor pressure difference between the surface of lithium bromide solution and that of sodium sulfate solution as the driving force to achieve vacuum evaporation cooling crystallization of glauber salt.This method is based on the strong moisture absorption of lithium bromide solution.Based on this method，the glauber salt metastable zone width was studied，and the sodium sulfate solution super-solvus regression equation by multiple linear regression was obtaained. The results showed that：when the mass fraction of sodium sulfate was between 9%and 24%，glauber salt metastable zone first decreased and then increased with increasing mass fraction of sodium sulfate；and the metastable zone decreased with the increasing stirring speed of crystallizer and the concentration of lithium bromide in the absorber.This study could provide a reference for engineering design of glauber salt vacuum evaporation cooling crystallization.

glauber salt；vacuum evaporation；crystallization；metastable zone

TQ131.12

A

1006-4990（2016）06-0027-02

四川省科技支撐計劃項目（2014GZ0132）。

2016-01-15

張峰榛（1980—），男，講師，主要從事化工傳質(zhì)與分離技術(shù)研究，已發(fā)表論文10篇。