硫酸铵间歇冷却结晶过程研究及晶体粒度与形态调控

发布时间：2017-09-30 05:09

  本文关键词：硫酸铵间歇冷却结晶过程研究及晶体粒度与形态调控

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【摘要】：硫酸铵是一种重要的化工副产品,广泛应用于肥料、蛋白质提纯等行业。为解决硫酸铵工业结晶产品粒度小、粒度分布不均匀、晶体形态不理想等问题。本文对硫酸铵的冷却结晶过程进行了系统研究,并提出一种新的硫酸铵晶体粒度和形态调控方法。首先对硫酸铵在结晶过程中的热力学性质进行了研究。采用动态法测定了硫酸铵在不同溶剂中的溶解度数据,并运用Apelblat改进方程和多项式方程对硫酸铵溶解度数据进行了拟合。通过范特霍夫方程和Apelblat改进方程,计算得到硫酸铵溶解焓,溶解熵以及吉布斯自由能。结果表明,两种模型都能很好的关联硫酸铵在不同溶剂中的溶解度与温度的关系；在实验范围内硫酸铵的溶解过程是吸热且非自发的。其次,对硫酸铵的介稳区宽度以及成核动力学进行了研究。利用直接法测定了不同温度下硫酸铵在水中的介稳区宽度,并研究了冷却速率、溶液初始组成、搅拌速率、晶种、溶液体积、杂质离子以及pH对介稳区宽度的影响。采用自洽Nyvlt型方程及新3D成核理论方程,计算得到硫酸铵临界成核动力学参数。结果表明,硫酸铵介稳区宽度随溶液初始组成,搅拌速率,晶种质量,pH的增加而降低；随冷却速率,杂质离子含量的提高而变宽；溶液体积则对介稳区宽度没有影响。硫酸铵-水体系的成核级数约为4.5,成核所需活化能约为16.4kJ/mol。在热力学和动力学的研究基础上,对硫酸铵的冷却结晶工艺进行了优化。综合考察了各种操作条件,如溶液的初始组成、冷却方式、搅拌速率、晶种以及间歇时间,对结晶过程的影响,并确定了最佳结晶工艺条件,得到了粒度较大、粒度分布均匀且纯度较高的产品。在已优化的操作条件下,通过添加微米级CaCO3颗粒制备了强度较高的均匀大颗粒(NH4)2SO4晶体,研究了CaCO3对(NH4)2SO4晶体粒度和形态的影响,并且分析了颗粒粒度对最大抗压强度的影响。结果表明,CaCO3颗粒充当了(NH4)2SO4非均相成核的催化剂,减少了(NHO2SO4 (001)晶面方向的生长时间。此外,CaCO3颗粒表面优先占据了(NH4)2SO4(001)晶面的活性生长点位,抑制了(001)晶面方向的生长。
【关键词】：硫酸铵 结晶热力学 结晶动力学 粒度 形态调控
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ113.73
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 硫酸铵简介11-16
• 1.1.1 硫酸铵的物化性质11-12
• 1.1.2 硫酸铵的应用12
• 1.1.3 硫酸铵的生产技术进展12-15
• 1.1.4 硫酸铵的国内外生产现状15-16
• 1.2 结晶基本原理16-23
• 1.2.1 晶体结构16-17
• 1.2.2 晶习17
• 1.2.3 溶解度,过饱和与介稳区宽度17-18
• 1.2.4 成核18-21
• 1.2.5 晶体生长21-23
• 1.2.6 结晶中的二次现象23
• 1.3 工业结晶简介23-24
• 1.4 本文主要研究内容24
• 1.5 课题创新点24-26
• 第2章 硫酸铵结晶热力学研究26-35
• 2.1 溶解度26
• 2.2 溶解度的测定方法及原理26-27
• 2.2.1 平衡法26
• 2.2.2 热分析法26-27
• 2.2.3 动态法27
• 2.3 实验部分27-29
• 2.3.1 实验药品、试剂与仪器27-28
• 2.3.2 实验方法28
• 2.3.3 实验步骤28-29
• 2.3.4 可靠性实验29
• 2.4 实验结果与讨论29-34
• 2.4.1 硫酸铵在不同溶剂中的溶解度29-30
• 2.4.2 溶解度数据关联30-33
• 2.4.3 硫酸铵溶液热力学性质33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 硫酸铵介稳区宽度及成核动力学研究35-49
• 3.1 介稳区宽度35
• 3.2 介稳区宽度的测定35-36
• 3.2.1 直接法35
• 3.2.2 间接法35
• 3.2.3 诱导期法35-36
• 3.3 硫酸铵结晶成核动力学研究36-38
• 3.3.1 Nyvlt方程36
• 3.3.2 自洽Nyvlt型方程36-37
• 3.3.3 新3D成核理论方程37-38
• 3.4 实验部分38-40
• 3.4.1 主要药品、试剂及仪器38
• 3.4.2 实验过程38-40
• 3.5 实验结果与讨论40-48
• 3.5.1 冷却速率对硫酸铵介稳区宽度的影响40-41
• 3.5.2 溶液初始组成对硫酸铵介稳区宽度的影响41
• 3.5.3 搅拌速率对硫酸铵介稳区宽度的影响41-42
• 3.5.4 晶种对硫酸铵介稳区宽度的影响42-44
• 3.5.5 溶液体积对硫酸铵介稳区宽度的影响44
• 3.5.6 杂质离子对硫酸铵介稳区宽度的影响44-45
• 3.5.7 pH对硫酸铵介稳区宽度的影响45
• 3.5.8 硫酸铵成核动力学45-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第4章 硫酸铵冷却结晶工艺研究49-62
• 4.1 结晶产品的粒度分析49-50
• 4.1.1 筛分法49
• 4.1.2 显微镜法49
• 4.1.3 电区感应法49-50
• 4.1.4 激光衍射法50
• 4.2 实验部分50-52
• 4.2.1 试剂与仪器50-51
• 4.2.2 实验步骤51-52
• 4.3 结果与讨论52-59
• 4.3.1 XRD分析52
• 4.3.2 pH的影响52-53
• 4.3.3 冷却方式的影响53-54
• 4.3.4 搅拌速率的影响54-55
• 4.3.5 溶液初始组成的影响55-56
• 4.3.6 晶种的影响56-58
• 4.3.7 间歇时间的影响58-59
• 4.4 适宜工艺条件的确定59-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 硫酸铵晶体的粒度和形态调控62-74
• 5.1 添加剂的分类62
• 5.2 添加剂对晶体粒度和形态的影响62-63
• 5.3 实验部分63-65
• 5.3.1 材料、试剂和仪器63-64
• 5.3.2 实验过程64-65
• 5.3.3 产品晶体最大抗压强度测试65
• 5.4 结果与讨论65-73
• 5.4.1 含添加剂制备的(NH_4)_2SO_4晶体形态65-66
• 5.4.2 CaCO_3添加时间对(NH_4)_2SO_4晶体形态和粒度的影响66-67
• 5.4.3 CaCO_3颗粒粒度对(NH_4)_2SO_4晶体形态和粒度的影响67-68
• 5.4.4 CaCO_3添加量对(NH_4)_2SO_4晶体形态和粒度的影响68-69
• 5.4.5 CaCO_3对(NH_4)_2SO_4晶体粒度和形态的影响机理69-72
• 5.4.6 产品晶体的最大抗压强度72-73
• 5.5 本章小结73-74
• 第6章 结论74-75
• 参考文献75-81
• 致谢81-82
• 攻读硕士期间发表论文82

【参考文献】

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本文编号：946296