樊玉光，魏 婷，華和維

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

降溫速率對(duì)過硫酸銨結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)影響的研究*

樊玉光，魏 婷，華和維

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

用電阻法測(cè)定過硫酸銨溶液的結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度；采用不同的降溫速率進(jìn)行了過硫酸銨結(jié)晶熱力學(xué)數(shù)據(jù)的測(cè)定，得到了過硫酸銨各個(gè)降溫速率下的過飽和濃度曲線，從而得到了過硫酸銨結(jié)晶的介穩(wěn)區(qū)寬度。結(jié)果表明：在相同的降溫速率下，過硫酸銨的過飽和濃度隨溫度的升高而增大，在溫度為40～50℃的范圍內(nèi)，過硫酸銨介穩(wěn)區(qū)寬度明顯增大；在不同的降溫速率下，介穩(wěn)區(qū)寬度總體最大的是降溫速率為40℃/h。這為過硫酸銨工業(yè)結(jié)晶的生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

過硫酸銨；結(jié)晶；降溫速率；介穩(wěn)區(qū)寬度

過硫酸銨是一種白色無(wú)氣味的晶體或粉末，并作為氧化劑和漂白劑被廣泛應(yīng)用于蓄電池工業(yè)、纖維工業(yè)、石油工業(yè)等領(lǐng)域，是過硫酸鹽系列之一。晶體的生長(zhǎng)是以過飽和度為推動(dòng)力，溶液的結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度是結(jié)晶過程的基礎(chǔ)研究之一，是結(jié)晶操作和結(jié)晶器設(shè)計(jì)所必需的參數(shù)［1］。溶液的介穩(wěn)區(qū)是極限濃度與飽和濃度之差，在這個(gè)區(qū)域中溶液不會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生晶核，但如果向其中加入晶種，則會(huì)誘發(fā)結(jié)晶，晶種就會(huì)長(zhǎng)大［2］。在工業(yè)結(jié)晶中一般要避免自發(fā)成核，以得到較大的粒度均勻的產(chǎn)品，一般結(jié)晶操作要控制在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)才能達(dá)到這個(gè)目的［3］。影響介穩(wěn)區(qū)寬度的因素來(lái)自多方面，主要有溫度、攪拌形式及強(qiáng)度、降溫速率、是否引入晶種及晶種粒度大小［4］。過硫酸銨的冷卻結(jié)晶生產(chǎn)方法中，連續(xù)結(jié)晶與間歇結(jié)晶相比較具有能提高效率、改善晶粒品質(zhì)及降低成本的優(yōu)點(diǎn)。冷卻降溫速率是過硫酸銨連續(xù)結(jié)晶的重要影響因素之一，但這方面的研究未見報(bào)道，為此測(cè)定了過硫酸銨水溶液在不同降溫速率條件下的介穩(wěn)區(qū)寬度，為連續(xù)結(jié)晶生產(chǎn)中的最佳操作條件提供依據(jù)，對(duì)連續(xù)結(jié)晶器的設(shè)計(jì)改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

過硫酸銨，分析純；去離子水。

濾紙、HWY-501B恒溫槽、CENTER303溫度計(jì)、MP1100B電子天平（精度為0.01 g）、F-289C萬(wàn)用表、RHP-63干燥箱。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用電阻法來(lái)測(cè)定過硫酸銨的超溶解度，就是在一定的冷卻速率下測(cè)定過硫酸銨飽和溶液的電阻變化，從而來(lái)確定溶液是否發(fā)生結(jié)晶，進(jìn)而確定過硫酸銨的過飽和濃度，最終得到過硫酸銨的介穩(wěn)區(qū)寬度。

將過硫酸銨溶解后重結(jié)晶，去除雜質(zhì)。重結(jié)晶的過硫酸銨產(chǎn)品為實(shí)驗(yàn)中過硫酸銨溶液配制所用。將配制好的過硫酸銨飽和溶液按預(yù)設(shè)的降溫速率進(jìn)行降溫，當(dāng)溶液電阻值變化時(shí)說(shuō)明有成核出現(xiàn)，將結(jié)晶后的溶液進(jìn)行過濾稱重，再放入干燥箱內(nèi)干燥，干燥完成后取出再次稱重，然后計(jì)算得到過硫酸銨按各個(gè)降溫速率降溫后溶液的濃度，介穩(wěn)區(qū)寬度就以它與飽和濃度之差來(lái)表示。

2 結(jié)果與分析

測(cè)得的過硫酸銨熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、2、3、4所示。

表1 過硫酸銨熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（降溫速率為48℃/h）

表2 過硫酸銨熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（降溫速率為40℃/h）

表3 過硫酸銨熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（降溫速率為30℃/h）

表4 過硫酸銨熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（降溫速率為20℃/h）

根據(jù)表1—表4，將測(cè)得的過硫酸銨的過飽和濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪出過硫酸銨的過飽和濃度的散點(diǎn)圖，擬合后得到過硫酸銨過飽和濃度曲線，溶解度數(shù)據(jù)由文獻(xiàn)［5］查得，介穩(wěn)區(qū)寬度圖如圖1—圖4所示。

圖1 以48℃/h的速率降溫的介穩(wěn)區(qū)寬度圖

圖2 以40℃/h的速率降溫的介穩(wěn)區(qū)寬度圖

圖3 以30℃/h的速率降溫的介穩(wěn)區(qū)寬度圖

在圖1—圖4中，過硫酸銨飽和濃度曲線的右下方為穩(wěn)定區(qū)，在這個(gè)區(qū)域不可能形成結(jié)晶，過硫酸銨溶解的速率大于結(jié)晶的速率；過硫酸銨飽和濃度曲線與過硫酸銨過飽和濃度曲線之間的區(qū)域?yàn)榻榉€(wěn)區(qū)，一般工業(yè)結(jié)晶都會(huì)選在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行；過硫酸銨過飽和濃度曲線的左上方為不穩(wěn)區(qū)，在這個(gè)區(qū)域容易產(chǎn)生結(jié)晶，但是結(jié)晶過程不容易控制，結(jié)晶物的晶型和質(zhì)量都達(dá)不到工業(yè)要求，結(jié)晶過程不穩(wěn)定。

圖4 以20℃/h的速率降溫的介穩(wěn)區(qū)寬度圖

從圖1—圖4中可以看到，在相同的降溫速率下，過硫酸銨的過飽和濃度隨溫度的升高而增大；介穩(wěn)區(qū)寬度總體由大到小分別為：降溫速率40、48、30、20℃/h；其中在40～50℃的范圍內(nèi)，過硫酸銨介穩(wěn)區(qū)寬度明顯增大，其介穩(wěn)區(qū)寬度總體由大到小分別為：降溫速率30、40、20、48℃/h。理論上，選擇介穩(wěn)區(qū)寬度越大的降溫速率對(duì)過硫酸銨結(jié)晶的連續(xù)操作越有利，但在連續(xù)結(jié)晶的工業(yè)生產(chǎn)中，同時(shí)也要綜合考慮控制生產(chǎn)成本和結(jié)晶過程的經(jīng)濟(jì)性，所以要選擇容易實(shí)現(xiàn)的降溫速率。

3 結(jié)論

1）測(cè)定了不同降溫速率下過硫酸銨的過飽和濃度隨溫度變化的關(guān)系，在相同的降溫速率下，過硫酸銨在水溶液中的過飽和濃度隨溫度的升高而增大。2）應(yīng)用過飽和濃度數(shù)據(jù)得到了過硫酸銨介穩(wěn)區(qū)的寬度，在不同的降溫速率下，介穩(wěn)區(qū)寬度總體最大的是降溫速率為40℃/h。在溫度為40～50℃的范圍內(nèi)，過硫酸銨介穩(wěn)區(qū)寬度明顯增大，即在高溫范圍內(nèi)的介穩(wěn)區(qū)比低溫階段略寬一些。3）測(cè)量得到的過硫酸銨介穩(wěn)區(qū)為連續(xù)結(jié)晶器的操作提供了參考。

［1］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(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2007，39（7）：27-29.

［2］葉鐵林.化工結(jié)晶過程原理及應(yīng)用［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2006：9.

［3］王靜康.化學(xué)工程手冊(cè)［M］.2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996：7-10.

［4］陳葵.紅霉素結(jié)晶過程研究［D］.上海：華東理工大學(xué)，2011.

［5］天津化工研究院.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)手冊(cè)（下冊(cè)）［M］.2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995：431.

聯(lián)系方式：tingwei8906@163.com

Study on effectsof cooling rate on ammonium persulfate′s crystallizationmetastable zone

Fan Yuguang，WeiTing，Hua Hewei
（Mechanical Engineering College，Xi′an Shiyou University，Xi′an 710065，China）

Resistancemethod was used to test the crystallizationmetastable zonewidth of the ammonium persulfate solution. By determination of the thermodynamics data ofammonium persulfate crystallization underdifferentcooling rates，ammonium persulfate supersaturated concentration curves under different cooling rates and the ammonium persulfate crystallization metastable zonewidthwere obtained.Results showed that the supersaturated concentration ofammonium persulfate increased along with the rise of temperature under the same cooling rate.Ammonium persulfatemetastable zone width increased obviously in the range of 40～50℃.Under different cooling rates，the largestmetastable zone width was generally at the cooling rate of40℃/h.Thisprovided theoreticalbasis for industrialcrystallization ofammonium sulfate production.

ammonium persulfate；crystallization；cooling rate；metastable zonewidth

TQ125.14

A

1006-4990（2014）10-0023-03

西安石油大學(xué)全日制碩士學(xué)位研究生優(yōu)秀學(xué)位論文培育資助項(xiàng)目（20130401）。

2014-04-23

樊玉光（1964—），男，碩士，教授，主要從事高效單元傳質(zhì)設(shè)備、傳熱設(shè)備及節(jié)能技術(shù)等方面的研究，已發(fā)表論文32篇。

魏婷