具体的有关结晶器与csd之间的相互作用的例子不胜枚举。一下我们以20-1实验室规模的氯化钾结晶器的操作为例。
在模型1的操作中,刚开始在干净的容器中注满热的接近饱和的溶液(约150℃)。开启容器中的冷却水,20分钟后,整个结晶器的温度降至稳定操作时的温度―100℃,并且zui初的csd形成。在恒温与恒定的进出口速率的情况下,操作继续进行。由于容器内部结垢严重特别是浸于被搅动的晶浆中的冷却旋管,在运行数小时候,必须停止操作,此时并没有达到稳定的csd。做出关机的重要原因在于此时容器的控温已经不能实现了。另外,如果对热盐水实施快速冷却的话,则可以达到较长的运行时间,并且只有容器壁存在少许的结垢。这些结构zui终不会导致过早的关机。
在模型2的操作中,在结晶器中加满母液与晶浆的混合物,这些晶浆大致接近于我们所希望的zui终达到稳态时的晶浆的情况。(这些晶浆往往是从以上的操作中得到的)在加入晶浆、热浓进料、调整好zui初的温度、对产品的排除实施控制后,整个操作开始进行。在模型2运行过程中,发现整个结晶器在运行48小时后,并没有出现冷却旋管的过度结垢现象,并且此时可以获得稳定的csd。
氯化钾体系具有*的结垢趋势,因此难以小规模操作,以上情况正代表了csd(往往又具有活性的晶体的表面给出)记过饱和推动力之间的相互作用而导致的在运行过程当中能够遇到的各种操作困难。
对图1.2-1所示的相互作用关系更精致也许实施更工业化的解释是再生产较大晶体的过程当中再采用细晶消除技术与采用能够引起较大过饱和度的频繁的清洗循环之间做出权衡。大晶体单位重量具有较小的表面积,因此上,要想在极小的晶体总表面积上具有同样的生产速率,则晶体的生长速度(过饱和度)必须增加。在思考如何生长较大晶体时必须同时考虑结垢速度增大的可能性与由于结晶器的清洗而占用的时间。
图1。2-1所示的csd的作用能够被衡量为或是被叙述为在高产结晶体系中队晶体生长速度的一个限制。在这种体系中,大多数都是无机物体系,针对与已经从溶液中沉降出的晶浆密度来讲,母液中的过饱和度的操作水平是较小的。(均是以统一标准进行衡量,比如,单位体积液体的重量)针对这样的体系,对平均生长速度的约束变为(这在第4章中将有所体现来自溶质的质量平衡):(1.3-1)
总的来说,方程1.3-1表明,平均生长速度正比与进出口溶液的浓度差,反比于生长时间和发生生长沉降的面积。方程1.3-1(对于某些高产体系)简明扼要的叙述了图1.2-1所暗示与表明的信息。
结晶过程的放大,从实验室规模到中试再到工厂规模,这也是个棘手的问题,同样与csd息息相关。总的来说,如果混合晶浆中某元的强度性质并不随规模而变的话,则csd也将保持不变亦或zui起码能够从与粒度相关的的粒子的停留时间分布推测出。然而,过饱和度的产生、流型、混合度和影响二次成核的因素等均随生产规模的变化而变化。例如,过饱和度是以二维的方式产生的,往往通过沸腾表面的蒸发作用于冷却器表面的冷却作用而实现,二结晶器的体积确实以三维的方式而变化的。因此随结晶器尺寸的增加,假定具有恒定的晶浆循环速度的话,在过饱和区内所产生的流体元必须循环很长时间才能到达结晶器的边缘。所以,次晶浆元的恒定性质将发生改变,csd随规模的扩大也将发生变化。csd随规模的扩大所发生的变化,涉及到对在每一操作水平下形成的某一固定的csd的各种影响因素的理解,接着就是如何去预测这些影响因素的数值的大小以及在理想的操作规模下csd的结果会是怎样。
操作的稳定性与csd直接相关。瞬时的csd具有较长的滞后时间。典型的扰动包括不排料、在清洗过程中温度的漂移、临时停止进料、对晶浆实施再循环或是将晶浆移走等。从水力学角度上将,一个具有较大保留时间的结晶器,对这些过程干扰来讲应该是稳定的;然而,csd将会受这些因素的严重影响。在csd漫长的恢复时间中(水利上或是温度上将会耗费更多时间)将会有更多更大的可能导致操作更深的改变以再次影响csd。因为成核速度的改变,结晶器浓度或是温度的改变将会对csd产生明显的影响。
晶体的粒度分布正如同粒子的粒度分布一样,在材料的应用上是一个重要的因素,同时对操作过程的相互作用也影响颇深。总的来说,具有规整粒径的粒子更易于操作、过滤、脱水,因此上也就非常的理想。原糖工业对产品较窄csd的重视就是一个典型的例子。如果具有较大的粒径(约800微米)且具有较窄的csd,则提纯步骤就变得容易的多了。理想的csd反映在产品的价值上。
另一方面,较窄的csd能够使瞬时干扰恶化并zui终导致结晶器的不稳操作。结晶器的稳定性将会在第8章中详尽阐述。
粒状材料的外观也受到其粒度分布的影响。通常食盐与蔗糖作为两种深受家庭主妇青睐的商品主要是因为他们规整的外观及粒径与粒度分布。窄的psd及具有较小变异系数c.v.(粒径的变化除以平均粒径)比具有较大变异系数c.v.psd更能令人感到和谐。如图1.3-1所示,(a)、(b)均接近于平均粒径,但具有不同变异系数c.v.(a)0.25、(b)0.60。视觉上外观的规整是尺寸的函数,并且也是分布宽度的函数,含有一些少数的较大的粒子就会给人一种非常不和谐的感觉。如果从美学角度上来讲,令人赏心悦目的外观是一个重要的商品因素的话,则从产品中剔出掉较大的粒子的做法就可以理解了。