2.4.4　化學沉淀

化學沉淀又稱為反應結(jié)晶,是指兩種化學物質(zhì)通過化學反應生成溶解度很小的沉淀或結(jié)晶的過程。一般反應物為電解質(zhì)時,離子間的真實化學反應速率很快,因此混合對化學沉淀的影響特別顯著。反應結(jié)晶包括的主要子過程有成核、晶粒生長,第二位的過程有二次成核、團聚、陳化等。成核速率和線生長速率都與體系的過飽和度S有關:

=k_nSα(2.21)

=k_gSβ(2.22)

式中,n為晶核的粒數(shù)密度;L為晶核的線性尺度;α?和β?分別為成核和生長的動力學級數(shù),一般α?遠大于β;k_n和k_g分別為成核和生長的速率常數(shù)。這樣,在混合較弱的體系中,兩股物料接觸面處的高濃度形成高過飽和度,成核速率極大,產(chǎn)生很多的晶核,最后分散到體系中生長為許多細小的晶粒。相反,混合強度大,則物料易分散,反應物不出現(xiàn)局部濃度過高的現(xiàn)象,因而總體說來過飽和度低,產(chǎn)生的晶核少,線生長速率因β?值小所以降低不多,最后得到平均粒度大的晶體。混合強度大還使液固傳質(zhì)加快有利于晶粒生長,但也使晶粒磨損產(chǎn)生二次成核導致平均粒徑減小。晶粒大小分布也同樣受混合的影響。結(jié)晶過程的機理十分復雜,需要結(jié)合結(jié)晶器的具體構(gòu)型、尺度、操作條件等,用數(shù)學模型方法和數(shù)值模擬技術進行定量的研究。

分析結(jié)晶器最常用的一個模型是MSMPR模型(mixed?suspension,mixed?product?removal),它假設結(jié)晶器為理想全混流、狀態(tài)均勻,產(chǎn)物排出流的組成與結(jié)晶器內(nèi)相同,僅考慮成核和生長兩種機理,顆粒的形狀系數(shù)不隨顆粒尺寸而變化,進料不含晶粒。得到的模型包含動態(tài)粒數(shù)衡算方程(PBE)、溶質(zhì)質(zhì)量衡算方程、晶體線生長速率和成核速率經(jīng)驗方程(Randolph,1988)。它與工業(yè)中廣泛采用的良好混合的強制內(nèi)循環(huán)結(jié)晶器相近,而且模型簡單直觀,所以至今在建立成核生長動力學模型、研究結(jié)晶動態(tài)行為中具有廣泛應用。

實際上,大型結(jié)晶器由于操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及物系不同,使混合不夠理想。所以結(jié)晶器模型的改進首先從考慮準確描述內(nèi)部混合狀態(tài)開始,包括宏觀混合和微觀混合兩個層次。

由于快速的反應結(jié)晶(沉淀)過程與微觀混合的關系更密切,所以硫酸鋇沉淀一類的過程也被用作研究微觀混合的模型反應。程蕩(2014)在氣液液攪拌槽中發(fā)現(xiàn)許多因素通過微觀混合而影響了硫酸鋇沉淀的形貌、平均粒徑和粒徑分布。更早的研究可參考Chen?JF(1996)、Pohorecki(1988)等。