反應結晶實驗講義.doc

反應結晶實驗一、 實驗目的(1)考察間歇反應器內反應沉淀結晶過程操作條件（反應溫度、攪拌速度、加料方式、陳化時間等）對產品形貌和粒度的影響。(1)掌握間歇反應器的特性及操作方法。(2)掌握工業(yè)上反應沉淀結晶過程的操作要點。(3)認識反應沉淀結晶過程的成核過程和生長過程規(guī)律。二、 實驗原理粒子從液相析出過程，實質上是反應沉淀結晶過程，這個過程涉及到復雜的傳質、傳熱過程，在不同的物質及化學環(huán)境下，沉淀形成的機理可能不同，但其一般由以下三步組成：（1）由反應過程產生過飽和度；（2）形成晶核；（3）晶核成長為可分辨的大小。由反應結晶理論可知，粒子的形成可以分為晶核形成與晶體長大兩個過程，該過程也是一個相變過程。成核過程，相變驅動力為自由能變化： (1)式中：G：吉布斯自由能變化。r：成核胚芽半徑。g：摩爾相變吉布斯自由能變化。V：摩爾體積。：比表面能。由Gibbs-Thomson關系式，臨界晶核大?。?(2)式中：R：氣體常數(shù)。S：過飽和度。成核過程可以看作是激活過程，成核所需的活化能為： (3) (4)可見，提高溶液中反應結晶過程的物質的過飽和度S，可以大大降低Gc使rc減小。式中：rc：臨界晶核半徑。Gc：臨界自由能變化。成核速率J可以表示為：， (5)上式可以寫成： (6)式中：形狀因子，J：核化速率，：單位時間，單位速率的有效碰撞次數(shù)。 (7)可見，成核速率J對過飽和度非常敏感，過飽和度超過某一程度（臨界過飽和度），成核速率迅速增大至極限。因此，反應結晶過程形成相對高的過飽和度是溶液中粒子快速均勻成核的先決條件。反應沉淀結晶反應制備粒子時，反應過程完全在液相中進行，液體中反應物實際上被周圍溶劑分子包圍，分別被關于由周圍分子形成構成的溶劑的籠中?；\中的陰離子和陽離子不能像氣體分子自由地運動，只能不停地在籠中振動，不斷與周圍分子碰撞，如果某一個離子具有足夠的能量，或者正在向某方向振動時，恰好該方向的周圍分子讓開，這個離子就要沖破溶液劑籠擴散出去。但是，它立刻陷于另一籠中，由于籠中運動所產生的效應，即籠蔽效應。若陰離子和陽離子擴散到同一個籠中互相接觸，則發(fā)生反應。擴散與反應為兩個串聯(lián)的步驟，反應結晶過程所需的活化能很小，反應速率很快，整個過程為擴散控制，擴散活化能即離子沖破溶劑籠所需的能量對溫度不太敏感，外加機械能量是提高擴散活化能的主要形式。攪拌混合是外加能量的傳統(tǒng)形式，在強制對流作用下通過主體擴散、渦流擴散和分子擴散，最終達到分子級均勻的過程。混合時，先形成大尺度的渦旋微團，在湍流拉伸、剪切作用下，大旋渦分裂成較小尺度的渦旋，能量從大渦旋傳遞到小渦旋，小渦旋則向更小的渦旋傳遞，直到更小尺度即Kolmogoroff尺度的渦旋?；旌鲜紫葘拇蟪叨葘α鬟\動開始，繼之以小尺度；即渦流擴散把較大的液滴微團進一步變形、分割成更小的微團，通過小微團界面之間的渦流擴散，把不均勻程度降低到渦流本身的大小，直至達到Kolmogoroff尺度，這就是宏觀混合的最大限度。微觀混合是分子尺度上的混合，它的最終實現(xiàn)只能靠最小尺度微團內的分子擴散，分子擴散是實現(xiàn)微觀混合的控制因素。反應物在反應器內瞬間必須達到分子級均勻混合，才能避免反應器中過飽和度的非均勻性，產物形態(tài)盡可能一致。因此，必須采取特殊的進料和混合方式才能達到微觀混合效應。微觀混合對反應過程的影響是在以層流或者湍流形式，微觀混合可以改變產品的性質，進而改變產品的質量，例如在沉淀反應過程中，沉淀顆粒尺度分布就依賴于混合的好壞。同樣微觀混合控制著聚合反應過程中有機分子的質量分布湍動混合過程很復雜，可以將這一過程區(qū)分和描繪成一些更加簡單的階段，即宏觀混合、介觀混合和微觀混合。整個容器尺度上的混合過程為宏觀混合，它為介觀混合和微觀混合確定環(huán)境濃度，同時使發(fā)生介觀混合和微觀混合的流體傳遞到存在湍動的環(huán)境中。介觀混合反映了新鮮物料與環(huán)境之間的粗糙尺度上的湍流交換，快速的化學反應經常發(fā)生在加料點附近，從而形成了新鮮物料薄層。這層物料雖然相對于微觀混合尺度來說是粗糙的，但是相對于整個系統(tǒng)的尺度來說己經相當精細。介觀混合受到大旋渦慣性對流過程的影響。在慣性對流子域中由于大旋渦破碎而產生的混合中沒有分子擴散的直接作用，但是慣性對流會對微觀混合產生影響。微觀混合是湍動混合的最后階段，由流體微元的粘性變形和分子擴散兩部分組成，粘性變形過程強化的分子擴散作用。不同形式的反應器，具有不同流動、傳熱和傳質的特征，從而導致反應器中具有不同的濃度，溫度和停留時間分布。這些差異又影響反應、成核、生長過程的相對速率，從而影響最終產物的粒度和粒度分布。由上述可見，粉體制備工程問題復雜，影響因素多且這些因素之間相互交聯(lián)，表現(xiàn)出變量非線性關系。實驗裝置如圖1所示。反應結晶實驗一、 實驗目的(1)考察間歇反應器內反應沉淀結晶過程操作條件（反應溫度、攪拌速度、加料方式、陳化時間等）對產品形貌和粒度的影響。(1)掌握間歇反應器的特性及操作方法。(2)掌握工業(yè)上反應沉淀結晶過程的操作要點。(3)認識反應沉淀結晶過程的成核過程和生長過程規(guī)律。圖1反應結晶實驗裝置四、 實驗步驟及方法(1) 設計實驗方案，配制一定濃度（0.5mol/L）的硝酸鈣溶液和0.5mol/L碳酸鈉溶液,溶液體積各為0.5L。(2) 采用不同加料次序方式將反應物加入到攪拌反應釜。(3) 開動攪拌裝置，不同時間取樣，在顯微鏡下觀察粒子形貌和尺寸。(4) 將反應物進行洗滌和過濾和干燥，計算收率。(5) 關閉儀器，電源，水源，排清釜中料液，實驗結束。五、 實驗數(shù)據(jù)處理(1) 采用excell 或origin做出不同參數(shù)對所得粒子尺寸影響圖。(2) 分析實驗結果。六、 預習與思考(1) 硝酸鈣溶液和碳酸鈉溶液反應的推動力是什么，推動力受什么因素影響，推