第３６卷第ｌ期化学工程
Ｖ０１．３６Ｎｏ．１
２００８年１月
ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ（ＣＨＩＮＡ）
Ｊａｌｌ．２００８
反应结晶制备过碳酸钠的团聚尺寸模型研究
郭坤，尹秋响，胡英顺，王静康
（天津大学化工学院，天津３０００７２）
摘要：团聚现象在过碳酸钠的生产中占有举足轻重的作用，因此为了从理论上研究团聚现象，并进一步通过理论更
好地指导其生产，以碳酸钠和双氧水反应生成过碳酸钠沉淀为研究对象，探讨了结晶器中流加速度、反应温度、搅
拌速度与生成物团聚尺寸之间的变化关系，并在团聚和破碎动力学的基础上建立了团聚尺寸模型。根据过碳酸钠沉淀实验中得到的实验结果求得了一定反应体系条件下的模型值。最后通过模型计算值与实验值的比较初步证明了该模型的实际适用性。
关键词：过碳酸钠；团聚；聚合；沉淀反应中图分类号：ＴＱ０２６．５
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５－９９５４（２００８）０ｌＪＤ０２５－０４
Ａ２２ｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ．ｓｉｚｅＡ２２１０ｍｅｒａｔｌｏｎ－Ｓｌｚｅｍｏｄｅｌ０ＩｏｆＺ州巩ＵＵｌ２Ｎ巩Ｃ０１・３ｌＩ，Ｏ，。．，ｎ，Ｕ，
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反应结晶¨Ｊ，即沉淀，是通过化学反应来进行
实际复杂体系的团聚问题作参考。结晶，是一个集多项传质、传热于一体的复杂过程。它与普通结晶最大的区别是反应与结晶同时存在。１实验方法及原料
在传统的化肥、农药、试剂及医药生产中，反应结晶团聚实验所用的原料为工业纯碱和双氧水，反是关键的操作步骤之一。与一般的结晶过程不同的应方程式如下¨Ｊ：
是，反应结晶在初级成核后的团聚现象是决定最终结晶形态的关键因素。随着团聚技术在一些领域的２Ｎａ２Ｃ０３＋３Ｈ２０２＝＿２Ｎａ２Ｃ０３・３Ｈ２０２＋Ｑ
研究和在工业上的应用日益广泛深入，近年来涉及试验在内径１１ｃｍ的结晶器内进行，四叶涡轮界面科学、流体力学、胶体和高分子化学的团聚动力搅拌器桨叶直径为６ｃｍ，由恒速电机驱动，料液循学受到足够重视，其研究日趋活跃呤Ｊ。为结合我国环由蠕动泵完成，循环料液管内径为４ｍｍ。结晶器过碳酸钠的生产和研究，本文就新工艺涉及的团聚内平均能量耗散由文献［３］计算；团聚体大小由激现象进行了应用基础研究，建立了过碳酸钠团聚尺光粒度仪测定；设定搅拌速度并用光电转速仪测出寸模型。不仅可指导过碳酸钠的生产，也可供其他
转数。试验装置如图１所示。
作者简介：郭坤（１９８１一），女，博士研究生，研究方向为工业结晶，Ｅ一“Ｉｉｌ：ｇｕｏｋｗｌｌ３＠１６３．ｃｏｍ；尹秋响，通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｘｙｉｌｌ＠日ｕ．
ｅｄｕ．ｃｎｏ
万
方数据
・２６・
化学工程２００８年第３６卷第ｌ期
图１过碳酸钠结晶实验流程图
Ｆｉｇ．１
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｎｏｗｃｈａｆｔｏｆ２Ｎａ２Ｃ０３・３Ｈ２０２ｐＩｅｐａＩｅｄ
悬浮密度是指单位体积的晶浆中所含晶体的质肌＝等
（１）
过饱和比的测定
溶质质量浓度超过溶解平衡的程度用过饱和度目前为止，还没有发现能直接测定质量浓度的方法，的总量可以由精确标定的蠕动泵加入的碳酸钠的总ｐ＝生！菩÷；｝竺至一ｐ，ｐ
２——弋石可＿一一ｐ１
（２）ｏｚ’
的碳酸钠总量，ｋｇ；Ｋ为碳酸钠溶液总量，ｍ３；Ｋ为盯＝哔：等＝Ｊｓ一１
（３）
万
方数据式中，盯为过饱和度；ｐ＋为溶液在同一温度下的平衡饱和浓度，ｋ∥ｍ３；５为过饱和比。
２实验结果与讨论
２．１
流加速度对团聚体平均粒度的影响
实验中每隔５ｍｉｎ取１次样，可以发现沉淀产
物粒度是不断增加的，这主要是由于化学反应生成的小颗粒随着颗粒的聚结最终转变为不易破碎的团聚体的缘故。图２为搅拌速度和反应温度分别为
５００
ｒ／ＩＩｌｉｎ和１８℃且其他反应条件保持不变时得到
的团聚体平均粒度与流加速度的变化曲线图。由图可以发现随着流加速度的增加，团聚体的粒度增长速度也随着增加，这主要是因为随着反应料液的流加速度的增加，化学反应生成的２Ｎａ：Ｃ０。・３Ｈ：０：小颗粒增加，粒子之间的碰撞几率也增加，颗粒易于团聚为大颗粒。
∥ｍｉｎ
图２不同流加速度下反应时间与颗粒平均粒度关系
Ｆｉｇ．２
Ｅ虢ｃｔｏｆａｄｄｉｎｇｓｐｅｅｄ
ｏｎ
ｒｅａｃｔｉｏｎｔｉｍｅ
ｖｓ
ｐａｒｔｉｃｌｅ
ｍｅａｎｓｉｚｅ
２．２反应温度对团聚体平均粒度的影响
图３是流加速度和搅拌速度分别为１０ｍＬ／ｍｉｎ
和５００ｒ／ｍｉｎ且其他反应条件保持不变时得到的团
聚体平均粒度与反应温度的变化曲线图。
ｆ／ｍｉｎ
图３不同温度下反应时间与颗粒平均粒度关系
Ｆｉｇ．３
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如图３所示，温度对该反应有较大的影响，随着温度的升高团聚体的粒度增加速度变慢，这主要是
１．１悬浮密度的确定
量。本文采用重量法确定悬浮密度，具体做法为：用移液管准确移取一定体积的晶浆，过滤后干燥，称取滤饼质量，即可求得悬浮密度。为减少误差，在实验前先将移液管的尖嘴磨掉并标定其体积；同时为尽量避免外部环境的影响，取样要迅速。悬浮密度为
为滤饼质量，ｋｇ。
１．２
式中，肌为悬浮密度，ｋｇ／ｍ３；ｙ为取样体积，ｍ３；△ｍ
来表示。为了确定过饱和度，除了要知道该条件下的溶解度外，还要测定该条件下的溶液的质量浓度。到故本文采用物料衡算的方法来确定质量浓度。由于碳酸钠和双氧水瞬时反应完全，所以生成的一部分形成晶体，一部分溶解在溶剂中形成过饱和溶液。只要知道反应生成的总量和晶体的悬浮密度，就可以计算出过碳酸钠的质量浓度ｐ，而生成的过碳酸钠量来计算。ｐ＋可由文献［４］得到
式中，ｐ为溶液质量浓度，ｋ∥ｍ３；秽为蠕动泵的加料速率，ｍ３／ｓ；￡ｉ为取样时间，ｓ；ｍ。为配制碳酸钠溶液结晶器中溶液总量，ｍ３。溶液过饱和度是成核和生长的主要推动力，其定义式为
郭坤等反应结晶制备过碳酸钠的团聚尺寸模型研究
・２７・
因为Ｎａ２ｃ０３与Ｈ：０２化合反应成２Ｎａ２ｃ０３・３Ｈ：０２为放热反应，由化学平衡可知温度降低有利于反应向生成２Ｎａ：Ｃ０，・３Ｈ：Ｏ：方向进行，同时在较低温度下过饱和度也较大，生成的２Ｎａ：ＣＯ，・３Ｈ：０：小颗粒较多，颗粒间容易团聚为大颗粒。
另外从图３中可以看出，在开始的ｌＯｍｉｎ内温度越高平均粒度也越大，可以认为温度的升高导致了热运动的加剧，这将促进２Ｎａ：ｃ０，・３Ｈ２０：分子在溶液里的扩散和粒子间的碰撞接触，从而有利于团聚体的增长。
图４是流加速度和反应温度分别为１０
ｍＩ／ｍｉｎ
和２０℃且其他反应条件保持不变时得到的团聚体平均粒度与搅拌速度的变化曲线图。从图中可以发现随着搅拌速度（输入功率）的增加产物平均粒度不断变大，同时随着搅拌速度的升高团聚体的粒度增加速度变快。这主要是因为搅拌速度的增加有利于提高聚结体在溶液里的分散速度，使其尽快形成稳定的团聚体。此外从图４中还可以发现在开始的
ｍｉｎ内搅拌速度越大粒度越小，这是因为保持过
高的搅拌速度会使生成的团聚体受到水力学破坏，使团聚体的粒度变小。
图４不同搅拌下反应时间与颗粒平均粒度关系
Ｆｉｇ．４
Ｅ如ｃｔｏｆａｇｉｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ
ｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｔｉｍｅ
ｖｓ
ｐａｎｉｃｌｅ
ｍｅａｎｓｉｚｅ
随着搅拌速度的增加，颗粒之间的碰撞几率也随之增加，因而团聚体粒度也相应增加，然而随着输入功率的增大，结晶器中的涡流剪切力将迅速增加，此时团聚体的破碎速度将大于聚合速度，团聚效率下降，因而颗粒增加的幅度是有限的。ｓｕｎｇ等‘５３曾研究过输入功率与草酸钇的团聚尺寸之间的关系，并在此基础上得到了如下的模型。
￡＝Ｍｌｓｌ／２一＾如８
（４）
万
方数据式中，Ｍ，为总团聚系数；鸠为总破碎系数；８为平均耗散能，ｍ２／ｓ３；Ｌ为￡。时团聚体尺寸，ｍ；￡。为团聚体尺寸从反应开始至达到平衡所需的时间，ｓ。
吴君毅等撕１研究了制备草酸铈沉淀过程中的团聚尺寸模型。并用式（５）来描述团聚体平均粒度与输入功率之间的关系
Ｌ＝Ｋ１＋Ｋ占１／２一墨占
（５）
式中，Ｋ。，砭，恐为常数。
式（５）中，右边第１项是与输入功率无关的团聚影响项，第２项即是由剪切增加引起的团聚速率增加项，第３项则是高剪切速率下造成的剪切效率降低项。当输入功率较低时，起主要作用的就是第ｌ项。而当输入功率较高时，第３项的影响将越来越大。
Ｒｕｄｏｌｆ等［７１发现在一定反应条件下，不仅输入功率影响团聚体尺寸，溶液过饱和度也会影响团聚体的尺寸。
单个颗粒的大小对团聚速度和破碎速度也会产生较大的影响。单个颗粒的大小则牵涉到颗粒的成核和生长，而这主要与溶液过饱和度、温度及其他离子的存在等因素有关。在一定的反应体系条件下，影响颗粒大小的主要因素就是溶液的过饱和度。因此，为了使该模型更接近于实际过程，本文结合了以上几点得到了一个与实际过程更为接近的团聚尺寸模型。通过该模型可以在以后的实验研究中估算出一定反应条件下的产物平均粒径。
￡＝ｆ“（Ｋ１ｓ∽一恐８）ｓ２・１５ｄｆ
（６）
式（６）就是通过经验式得到的输入功率、过饱和度与团聚体尺寸之间的关系式。
在实验过程中，假设输入功率在￡。时间内保持不变，悬浮液的性质与输入功率无关，则式（６）可写为
￡埽＝（Ｋ１占∽一心占）ｆ“．ｓ２
１５ｄ￡
（７）
利用数值积分公式算出积分项ｆ。．ｓ２・１５ｄｆ的值Ａ，
式（７）变为
Ｌ。。＝Ａ（Ｋ１ｓⅣ２一砭占）
（８）
根据计算可知，当占２（去）时，有
一
￡删ｎ
２意
４碚
（９）
将实验测得的数据代入式（９）中可以得到Ｋ。，＆的值。不同条件下的计算结果列在表ｌ中。
２．３搅拌速度对团聚体平均粒度的影响
２０
３团聚尺寸模型计算
・２８・
化学工程２００８年第３６卷第１期
表１不同条件下的参数值
Ｔａｂｌｅｌ
Ｐａｍｍｅｔｅｒｓ
ａｔ
（３）采用激光粒度测量仪可考察不同流加速度、温度和搅拌速度对颗粒平均粒度的影响，建立不同操作条件下的团聚尺寸模型。
（４）最后通过￡。。的模型计算值与实验值的比较初步证明了该模型的实际应用性。
参考文献：
ｄｉｆｋｒ℃ｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
通过图５可以看出Ｌ证的计算结果与实验结果比较相符。
［１］王静康．化学工程手册——结晶［Ｍ］．北京：化学工业
出版社，１９９６．
［２］Ｔｈｏｍａｓ
ａ
Ｄ
Ｎ，ＪｕｄｄｓＪ，ＦａｗｃｅｔｔＮ．ＦｌｏｃｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅⅡｉｎｇ：
ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ｗａｔｅｒＲｅｓｅａｒｃｈ，１９９９，３３（１１）：１５７９一
ｌ５９２．
［３］
ｃｈｉｎｇｔｉｏｎ０ｆＣｏＵｏｉｄ５４５．
Ｊｃ，ＳｏｔｉｍＹ，ｃｏｓｔａｓＴ．Ｓｈｅａｒ－ｉｎｄｕｃｅｄｎｏｃｃｕｌａ．ｃｏｌｌｏｉｄａｌｐａｎｉｃｌｅｓｉｎｓｔｉｒｒｅｄｔ觚ｋｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌｏｆ
ａＩｌｄ
Ｉｎｔｅ血ｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，１９９８，２０６（２）：５３２—
［４］郑虹，赵吉寿，颜莉．现代无机助剂过氧化钠性质及应
用［Ｊ］．云南民族学院学报（自然科学版），２００２，１ｌ
（２）：１０３—１０６．
图５工。的实验值与模型计算值比较
Ｆｉｇ．５
ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔＩｌｅｍｏｄｅｌ
［５］
ｓｕｎｇ
Ｍｉｎ－Ｈｙｕｎ，ＣｈｏｉＩｎ・Ｓｉｋ，ＫｉｍＪ００ｎ－ｓ００，ｅｔａ１．Ａｇｄｏｍ—
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ｒｅａｃｔｏｒ［Ｊ］．ｃｈｅｍｉｃａｌＥｎ舀－
１８４．
１结论
ｎｅｅＩｉＩｌｇ
Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０００，５５（１２）：２１７３—２
（１）采用激光粒度测量仪研究了过碳酸钠反应结晶过程中的团聚行为，团聚尺寸模型可用经验方程得出。
（２）过碳酸钠团聚体形成的原因可通过对不同操作条件下颗粒平均粒度随时间变化情况的研究进行探讨。
［６］吴君毅，古宏晨．搅拌釜中制备草酸铈的团聚尺寸模
型研究［Ｊ］．中国稀土学报，２００２，２０（３）：２７０—’２７３．［７］
Ｒｏｄｏｌｆ
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ｔｅｍ［Ｊ］．ｃｈｅｌｌｌｉｃａｌＥｎ舀ｎｅ丽ｎｇｓｃｉｅｎｃｅ，２０００，５５（１９）：
４２１９—４２３２．
版权声明
为适应我国信息化建设，扩大本刊及作者学术交流渠道，本刊已加入《中国学术期刊》（光盘版）、“万方数字化期刊群”、“中文科技期刊数据库”及“中国期刊网”等数据库。凡本刊发表的论文，将同时通过上列数据库进行网络出版或提供信息服务，稿件一经刊登，将在本刊稿酬中一次性支付著作权使用报酬（即包括印刷版、光盘版和网络版等各种使用方式的报酬）。如作者不同意论文被上列数据库收录，敬请改投他刊。谢谢支持与合作！
《化学工程》编辑部
万方数据
反应结晶制备过碳酸钠的团聚尺寸模型研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
郭坤， 尹秋响， 胡英顺， 王静康， GUO Kun， YIN Qiu-xiang， HU Ying-shun， WANG Jing-kang
天津大学,化工学院,天津,300072化学工程
CHEMICAL ENGINEERING(CHINA)2008,36(1)
参考文献(7条)
1. Rodolf Z;Jones A G Determination of nucleation,growth,agglomeration and disruption kinetics fromexperimental precipitation data:the calcium oxalate system[外文期刊] 2000(19)2. 吴君毅;古宏晨 搅拌釜中制备草酸铈的团聚尺寸模型研究[期刊论文]-中国稀土学报 2002(03)
3. Sung Min-Hyun;Choi In-Sik;Kim Joon-Soo Agglomeration of yttrium oxalate particles produced byreaction precipitation in semi-batch reactor[外文期刊] 2000(12)
4. 郑虹;赵吉寿;颜莉 现代无机助剂过氧化钠性质及应用[期刊论文]-云南民族学院学报(自然科学版) 2002(02)5. 王静康 化学工程手册--结晶 1996
6. Ching J C;Sotira Y;Costas T Shear-induced llocculation of colloidal particles in stirred tanks[外文期刊] 1998(02)
7. Thomas D N;Judd S J;Fawcett N Flocculation modelling:a review[外文期刊] 1999(11)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hxgc200801007.aspx
第３６卷第ｌ期化学工程
Ｖ０１．３６Ｎｏ．１
２００８年１月
ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ（ＣＨＩＮＡ）
Ｊａｌｌ．２００８
反应结晶制备过碳酸钠的团聚尺寸模型研究
郭坤，尹秋响，胡英顺，王静康
（天津大学化工学院，天津３０００７２）
摘要：团聚现象在过碳酸钠的生产中占有举足轻重的作用，因此为了从理论上研究团聚现象，并进一步通过理论更
好地指导其生产，以碳酸钠和双氧水反应生成过碳酸钠沉淀为研究对象，探讨了结晶器中流加速度、反应温度、搅
拌速度与生成物团聚尺寸之间的变化关系，并在团聚和破碎动力学的基础上建立了团聚尺寸模型。根据过碳酸钠沉淀实验中得到的实验结果求得了一定反应体系条件下的模型值。最后通过模型计算值与实验值的比较初步证明了该模型的实际适用性。
关键词：过碳酸钠；团聚；聚合；沉淀反应中图分类号：ＴＱ０２６．５
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５－９９５４（２００８）０ｌＪＤ０２５－０４
Ａ２２ｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ．ｓｉｚｅＡ２２１０ｍｅｒａｔｌｏｎ－Ｓｌｚｅｍｏｄｅｌ０ＩｏｆＺ州巩ＵＵｌ２Ｎ巩Ｃ０１・３ｌＩ，Ｏ，。．，ｎ，Ｕ，
ｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｒｅａｃｔｉｏｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ
ＧＵｏ
Ｋｌｍ，Ⅵ眯Ｑ．ｕ－嫩粕ｇ，删Ｙｉ鸭－ｓｈ阻，ＷＡＮＧ
Ｊｉ呜－ｌ‘ａ呜
（Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ
Ｅｎ百ｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｉａｎｊｉｎＵｌｌｉｖｅ璐ｉｔｙ，Ｔｉｍｌｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂ！巾限ｃｔ：Ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎｉｓｉｒｎｐｏｒｔａｎｔｉｎｔｈｅｐｒｅｐａｒ砒ｉｏｎｏｆ２Ｎａ２Ｃ０３・３Ｈ２０２．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ
ｏｎ
ｔｈｉｓｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎａｎｄｆｕｎｈｅｒｇｕｉｄｅｉｔｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｌｌｅｒｅａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＮａＬ２Ｃ０３ａｎｄＨ２０２ｗａｓｉｎＶｅｓｔｉｇａｔｅｄ．’Ｉｈｅｉｎｎｕｅｎｃｅｏｆａｄｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｒｅａｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ
ａｇｉｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ
ｏｎ
ｍｅ
ａｇｄｏｍｅｒａｔｉｏｎ—ｓｉｚｅｏｆ２Ｎａ２Ｃ０３・３Ｈ２０２
ｗａｓ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎｄ
ａＩｌ
ａｇｄｏｍｅｒａｔｉｏｎ－ｓｉｚｅ
ｍｏｄｅｌ
ｗａｓ
ｄｅｒｉｖｅｄｆ如ｍｔｈｅ
ａｇｄｏｍｅｍｔｉｏｎａＩｌｄｄｉｓｍｐｔｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓ．Ｔｈｅ
ｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ
ｃａｎ
ｂｅａｓｓｕｍｅｄｆ如ｍｔ｝ｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａｏｆ２ＮａＬ２Ｃ０３・３Ｈ２０２ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ．７ｎｌｅｍｏｄｅｌｐｒｏｖｅｓ
ｔｏ
ｂｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆａｇｄｏｍｅｒａｔｉｏｎ－ｓｉｚｅｂｙｔｈｅｃｏｍｐ耐ｓｏｎ
ｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌＶａｌｕｅ诵ｔｈ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｖａｌｕｅ．
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：２Ｎａ２Ｃ０３・３Ｈ２０２；ａ耐ｏｍｅ洲ｏｎ；ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ；ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ
反应结晶¨Ｊ，即沉淀，是通过化学反应来进行
实际复杂体系的团聚问题作参考。结晶，是一个集多项传质、传热于一体的复杂过程。它与普通结晶最大的区别是反应与结晶同时存在。１实验方法及原料
在传统的化肥、农药、试剂及医药生产中，反应结晶团聚实验所用的原料为工业纯碱和双氧水，反是关键的操作步骤之一。与一般的结晶过程不同的应方程式如下¨Ｊ：
是，反应结晶在初级成核后的团聚现象是决定最终结晶形态的关键因素。随着团聚技术在一些领域的２Ｎａ２Ｃ０３＋３Ｈ２０２＝＿２Ｎａ２Ｃ０３・３Ｈ２０２＋Ｑ
研究和在工业上的应用日益广泛深入，近年来涉及试验在内径１１ｃｍ的结晶器内进行，四叶涡轮界面科学、流体力学、胶体和高分子化学的团聚动力搅拌器桨叶直径为６ｃｍ，由恒速电机驱动，料液循学受到足够重视，其研究日趋活跃呤Ｊ。为结合我国环由蠕动泵完成，循环料液管内径为４ｍｍ。结晶器过碳酸钠的生产和研究，本文就新工艺涉及的团聚内平均能量耗散由文献［３］计算；团聚体大小由激现象进行了应用基础研究，建立了过碳酸钠团聚尺光粒度仪测定；设定搅拌速度并用光电转速仪测出寸模型。不仅可指导过碳酸钠的生产，也可供其他
转数。试验装置如图１所示。
作者简介：郭坤（１９８１一），女，博士研究生，研究方向为工业结晶，Ｅ一“Ｉｉｌ：ｇｕｏｋｗｌｌ３＠１６３．ｃｏｍ；尹秋响，通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｘｙｉｌｌ＠日ｕ．
ｅｄｕ．ｃｎｏ
万
方数据
・２６・
化学工程２００８年第３６卷第ｌ期
图１过碳酸钠结晶实验流程图
Ｆｉｇ．１
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｎｏｗｃｈａｆｔｏｆ２Ｎａ２Ｃ０３・３Ｈ２０２ｐＩｅｐａＩｅｄ
悬浮密度是指单位体积的晶浆中所含晶体的质肌＝等
（１）
过饱和比的测定
溶质质量浓度超过溶解平衡的程度用过饱和度目前为止，还没有发现能直接测定质量浓度的方法，的总量可以由精确标定的蠕动泵加入的碳酸钠的总ｐ＝生！菩÷；｝竺至一ｐ，ｐ
２——弋石可＿一一ｐ１
（２）ｏｚ’
的碳酸钠总量，ｋｇ；Ｋ为碳酸钠溶液总量，ｍ３；Ｋ为盯＝哔：等＝Ｊｓ一１
（３）
万
方数据式中，盯为过饱和度；ｐ＋为溶液在同一温度下的平衡饱和浓度，ｋ∥ｍ３；５为过饱和比。
２实验结果与讨论
２．１
流加速度对团聚体平均粒度的影响
实验中每隔５ｍｉｎ取１次样，可以发现沉淀产
物粒度是不断增加的，这主要是由于化学反应生成的小颗粒随着颗粒的聚结最终转变为不易破碎的团聚体的缘故。图２为搅拌速度和反应温度分别为
５００
ｒ／ＩＩｌｉｎ和１８℃且其他反应条件保持不变时得到
的团聚体平均粒度与流加速度的变化曲线图。由图可以发现随着流加速度的增加，团聚体的粒度增长速度也随着增加，这主要是因为随着反应料液的流加速度的增加，化学反应生成的２Ｎａ：Ｃ０。・３Ｈ：０：小颗粒增加，粒子之间的碰撞几率也增加，颗粒易于团聚为大颗粒。
∥ｍｉｎ
图２不同流加速度下反应时间与颗粒平均粒度关系
Ｆｉｇ．２
Ｅ虢ｃｔｏｆａｄｄｉｎｇｓｐｅｅｄ
ｏｎ
ｒｅａｃｔｉｏｎｔｉｍｅ
ｖｓ
ｐａｒｔｉｃｌｅ
ｍｅａｎｓｉｚｅ
２．２反应温度对团聚体平均粒度的影响
图３是流加速度和搅拌速度分别为１０ｍＬ／ｍｉｎ
和５００ｒ／ｍｉｎ且其他反应条件保持不变时得到的团
聚体平均粒度与反应温度的变化曲线图。
ｆ／ｍｉｎ
图３不同温度下反应时间与颗粒平均粒度关系
Ｆｉｇ．３
Ｅｆｆ＆ｔ０ｆ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｏｎ
ｒｅａｃｔｉｏｎｔｉｍｅｖｓ
ｐ枷ｃｌｅ
ｍｅａｎ
ｓｉｚｅ
如图３所示，温度对该反应有较大的影响，随着温度的升高团聚体的粒度增加速度变慢，这主要是
１．１悬浮密度的确定
量。本文采用重量法确定悬浮密度，具体做法为：用移液管准确移取一定体积的晶浆，过滤后干燥，称取滤饼质量，即可求得悬浮密度。为减少误差，在实验前先将移液管的尖嘴磨掉并标定其体积；同时为尽量避免外部环境的影响，取样要迅速。悬浮密度为
为滤饼质量，ｋｇ。
１．２
式中，肌为悬浮密度，ｋｇ／ｍ３；ｙ为取样体积，ｍ３；△ｍ
来表示。为了确定过饱和度，除了要知道该条件下的溶解度外，还要测定该条件下的溶液的质量浓度。到故本文采用物料衡算的方法来确定质量浓度。由于碳酸钠和双氧水瞬时反应完全，所以生成的一部分形成晶体，一部分溶解在溶剂中形成过饱和溶液。只要知道反应生成的总量和晶体的悬浮密度，就可以计算出过碳酸钠的质量浓度ｐ，而生成的过碳酸钠量来计算。ｐ＋可由文献［４］得到
式中，ｐ为溶液质量浓度，ｋ∥ｍ３；秽为蠕动泵的加料速率，ｍ３／ｓ；￡ｉ为取样时间，ｓ；ｍ。为配制碳酸钠溶液结晶器中溶液总量，ｍ３。溶液过饱和度是成核和生长的主要推动力，其定义式为
郭坤等反应结晶制备过碳酸钠的团聚尺寸模型研究
・２７・
因为Ｎａ２ｃ０３与Ｈ：０２化合反应成２Ｎａ２ｃ０３・３Ｈ：０２为放热反应，由化学平衡可知温度降低有利于反应向生成２Ｎａ：Ｃ０，・３Ｈ：Ｏ：方向进行，同时在较低温度下过饱和度也较大，生成的２Ｎａ：ＣＯ，・３Ｈ：０：小颗粒较多，颗粒间容易团聚为大颗粒。
另外从图３中可以看出，在开始的ｌＯｍｉｎ内温度越高平均粒度也越大，可以认为温度的升高导致了热运动的加剧，这将促进２Ｎａ：ｃ０，・３Ｈ２０：分子在溶液里的扩散和粒子间的碰撞接触，从而有利于团聚体的增长。
图４是流加速度和反应温度分别为１０
ｍＩ／ｍｉｎ
和２０℃且其他反应条件保持不变时得到的团聚体平均粒度与搅拌速度的变化曲线图。从图中可以发现随着搅拌速度（输入功率）的增加产物平均粒度不断变大，同时随着搅拌速度的升高团聚体的粒度增加速度变快。这主要是因为搅拌速度的增加有利于提高聚结体在溶液里的分散速度，使其尽快形成稳定的团聚体。此外从图４中还可以发现在开始的
ｍｉｎ内搅拌速度越大粒度越小，这是因为保持过
高的搅拌速度会使生成的团聚体受到水力学破坏，使团聚体的粒度变小。
图４不同搅拌下反应时间与颗粒平均粒度关系
Ｆｉｇ．４
Ｅ如ｃｔｏｆａｇｉｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ
ｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｔｉｍｅ
ｖｓ
ｐａｎｉｃｌｅ
ｍｅａｎｓｉｚｅ
随着搅拌速度的增加，颗粒之间的碰撞几率也随之增加，因而团聚体粒度也相应增加，然而随着输入功率的增大，结晶器中的涡流剪切力将迅速增加，此时团聚体的破碎速度将大于聚合速度，团聚效率下降，因而颗粒增加的幅度是有限的。ｓｕｎｇ等‘５３曾研究过输入功率与草酸钇的团聚尺寸之间的关系，并在此基础上得到了如下的模型。
￡＝Ｍｌｓｌ／２一＾如８
（４）
万
方数据式中，Ｍ，为总团聚系数；鸠为总破碎系数；８为平均耗散能，ｍ２／ｓ３；Ｌ为￡。时团聚体尺寸，ｍ；￡。为团聚体尺寸从反应开始至达到平衡所需的时间，ｓ。
吴君毅等撕１研究了制备草酸铈沉淀过程中的团聚尺寸模型。并用式（５）来描述团聚体平均粒度与输入功率之间的关系
Ｌ＝Ｋ１＋Ｋ占１／２一墨占
（５）
式中，Ｋ。，砭，恐为常数。
式（５）中，右边第１项是与输入功率无关的团聚影响项，第２项即是由剪切增加引起的团聚速率增加项，第３项则是高剪切速率下造成的剪切效率降低项。当输入功率较低时，起主要作用的就是第ｌ项。而当输入功率较高时，第３项的影响将越来越大。
Ｒｕｄｏｌｆ等［７１发现在一定反应条件下，不仅输入功率影响团聚体尺寸，溶液过饱和度也会影响团聚体的尺寸。
单个颗粒的大小对团聚速度和破碎速度也会产生较大的影响。单个颗粒的大小则牵涉到颗粒的成核和生长，而这主要与溶液过饱和度、温度及其他离子的存在等因素有关。在一定的反应体系条件下，影响颗粒大小的主要因素就是溶液的过饱和度。因此，为了使该模型更接近于实际过程，本文结合了以上几点得到了一个与实际过程更为接近的团聚尺寸模型。通过该模型可以在以后的实验研究中估算出一定反应条件下的产物平均粒径。
￡＝ｆ“（Ｋ１ｓ∽一恐８）ｓ２・１５ｄｆ
（６）
式（６）就是通过经验式得到的输入功率、过饱和度与团聚体尺寸之间的关系式。
在实验过程中，假设输入功率在￡。时间内保持不变，悬浮液的性质与输入功率无关，则式（６）可写为
￡埽＝（Ｋ１占∽一心占）ｆ“．ｓ２
１５ｄ￡
（７）
利用数值积分公式算出积分项ｆ。．ｓ２・１５ｄｆ的值Ａ，
式（７）变为
Ｌ。。＝Ａ（Ｋ１ｓⅣ２一砭占）
（８）
根据计算可知，当占２（去）时，有
一
￡删ｎ
２意
４碚
（９）
将实验测得的数据代入式（９）中可以得到Ｋ。，＆的值。不同条件下的计算结果列在表ｌ中。
２．３搅拌速度对团聚体平均粒度的影响
２０
３团聚尺寸模型计算
・２８・
化学工程２００８年第３６卷第１期
表１不同条件下的参数值
Ｔａｂｌｅｌ
Ｐａｍｍｅｔｅｒｓ
ａｔ
（３）采用激光粒度测量仪可考察不同流加速度、温度和搅拌速度对颗粒平均粒度的影响，建立不同操作条件下的团聚尺寸模型。
（４）最后通过￡。。的模型计算值与实验值的比较初步证明了该模型的实际应用性。
参考文献：
ｄｉｆｋｒ℃ｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
通过图５可以看出Ｌ证的计算结果与实验结果比较相符。
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ａ
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图５工。的实验值与模型计算值比较
Ｆｉｇ．５
ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔＩｌｅｍｏｄｅｌ
［５］
ｓｕｎｇ
Ｍｉｎ－Ｈｙｕｎ，ＣｈｏｉＩｎ・Ｓｉｋ，ＫｉｍＪ００ｎ－ｓ００，ｅｔａ１．Ａｇｄｏｍ—
ｖａｌ∽ｗｉｔｌｌｅｘｐｅＩｉｍｅｎｔｖａｌｕｅ
ｅｒａｔｉｏｎｏｆ
ｙ恼ｕｍ
ｏｘａｌａｔｅ
ｐ枷ｃｌｅｓ
ｐｍｄｕｃｅｄｂｙｒｅａｃｔｉｏｎ
ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉ帆ｉｎ
４
ｓｅＩＩｌｉ—ｂａｔｃｈ
ｒｅａｃｔｏｒ［Ｊ］．ｃｈｅｍｉｃａｌＥｎ舀－
１８４．
１结论
ｎｅｅＩｉＩｌｇ
Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０００，５５（１２）：２１７３—２
（１）采用激光粒度测量仪研究了过碳酸钠反应结晶过程中的团聚行为，团聚尺寸模型可用经验方程得出。
（２）过碳酸钠团聚体形成的原因可通过对不同操作条件下颗粒平均粒度随时间变化情况的研究进行探讨。
［６］吴君毅，古宏晨．搅拌釜中制备草酸铈的团聚尺寸模
型研究［Ｊ］．中国稀土学报，２００２，２０（３）：２７０—’２７３．［７］
Ｒｏｄｏｌｆ
ｚ，
Ｊｏｎｅｓ
ＡＧ．
Ｄｅｔｅ珊ｉｎａｔｉｏｎ
卸ｄ
ｄｉｓｍｐｔｉｏｎ
ｏｆ
ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ，
ｆ而ｍ
伊∞汕，ａｇｄｏｍｅｍｔｉｏｎ
ｋｉｎｅｔｉｃｓ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｄａｔａ：ｔｈｅｃａｌｃｉｕｍｏｘａｌ砒ｅｓｙｓ—
ｔｅｍ［Ｊ］．ｃｈｅｌｌｌｉｃａｌＥｎ舀ｎｅ丽ｎｇｓｃｉｅｎｃｅ，２０００，５５（１９）：
４２１９—４２３２．
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《化学工程》编辑部
万方数据
反应结晶制备过碳酸钠的团聚尺寸模型研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
郭坤， 尹秋响， 胡英顺， 王静康， GUO Kun， YIN Qiu-xiang， HU Ying-shun， WANG Jing-kang
天津大学,化工学院,天津,300072化学工程
CHEMICAL ENGINEERING(CHINA)2008,36(1)
参考文献(7条)
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hxgc200801007.aspx