降温速率对过硫酸铵结晶介稳区影响的研究*

樊玉光，魏 婷，华和维

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

降温速率对过硫酸铵结晶介稳区影响的研究*

樊玉光，魏 婷，华和维

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

用电阻法测定过硫酸铵溶液的结晶介稳区宽度；采用不同的降温速率进行了过硫酸铵结晶热力学数据的测定，得到了过硫酸铵各个降温速率下的过饱和浓度曲线，从而得到了过硫酸铵结晶的介稳区宽度。结果表明：在相同的降温速率下，过硫酸铵的过饱和浓度随温度的升高而增大，在温度为40～50℃的范围内，过硫酸铵介稳区宽度明显增大；在不同的降温速率下，介稳区宽度总体最大的是降温速率为40℃/h。这为过硫酸铵工业结晶的生产提供了理论依据。

过硫酸铵；结晶；降温速率；介稳区宽度

过硫酸铵是一种白色无气味的晶体或粉末，并作为氧化剂和漂白剂被广泛应用于蓄电池工业、纤维工业、石油工业等领域，是过硫酸盐系列之一。晶体的生长是以过饱和度为推动力，溶液的结晶介稳区宽度是结晶过程的基础研究之一，是结晶操作和结晶器设计所必需的参数［1］。溶液的介稳区是极限浓度与饱和浓度之差，在这个区域中溶液不会自发地产生晶核，但如果向其中加入晶种，则会诱发结晶，晶种就会长大［2］。在工业结晶中一般要避免自发成核，以得到较大的粒度均匀的产品，一般结晶操作要控制在介稳区内才能达到这个目的［3］。影响介稳区宽度的因素来自多方面，主要有温度、搅拌形式及强度、降温速率、是否引入晶种及晶种粒度大小［4］。过硫酸铵的冷却结晶生产方法中，连续结晶与间歇结晶相比较具有能提高效率、改善晶粒品质及降低成本的优点。冷却降温速率是过硫酸铵连续结晶的重要影响因素之一，但这方面的研究未见报道，为此测定了过硫酸铵水溶液在不同降温速率条件下的介稳区宽度，为连续结晶生产中的最佳操作条件提供依据，对连续结晶器的设计改进具有一定的指导意义。

1 实验部分

1.1 主要实验试剂与仪器

过硫酸铵，分析纯；去离子水。

滤纸、HWY-501B恒温槽、CENTER303温度计、MP1100B电子天平（精度为0.01 g）、F-289C万用表、RHP-63干燥箱。

1.2实验方法

实验采用电阻法来测定过硫酸铵的超溶解度，就是在一定的冷却速率下测定过硫酸铵饱和溶液的电阻变化，从而来确定溶液是否发生结晶，进而确定过硫酸铵的过饱和浓度，最终得到过硫酸铵的介稳区宽度。

将过硫酸铵溶解后重结晶，去除杂质。重结晶的过硫酸铵产品为实验中过硫酸铵溶液配制所用。将配制好的过硫酸铵饱和溶液按预设的降温速率进行降温，当溶液电阻值变化时说明有成核出现，将结晶后的溶液进行过滤称重，再放入干燥箱内干燥，干燥完成后取出再次称重，然后计算得到过硫酸铵按各个降温速率降温后溶液的浓度，介稳区宽度就以它与饱和浓度之差来表示。

2 结果与分析

测得的过硫酸铵热力学实验数据如表1、2、3、4所示。

表1 过硫酸铵热力学实验数据（降温速率为48℃/h）

表2 过硫酸铵热力学实验数据（降温速率为40℃/h）

表3 过硫酸铵热力学实验数据（降温速率为30℃/h）

表4 过硫酸铵热力学实验数据（降温速率为20℃/h）

根据表1—表4，将测得的过硫酸铵的过饱和浓度数据进行整理，绘出过硫酸铵的过饱和浓度的散点图，拟合后得到过硫酸铵过饱和浓度曲线，溶解度数据由文献［5］查得，介稳区宽度图如图1—图4所示。

图1 以48℃/h的速率降温的介稳区宽度图

图2 以40℃/h的速率降温的介稳区宽度图

图3 以30℃/h的速率降温的介稳区宽度图

在图1—图4中，过硫酸铵饱和浓度曲线的右下方为稳定区，在这个区域不可能形成结晶，过硫酸铵溶解的速率大于结晶的速率；过硫酸铵饱和浓度曲线与过硫酸铵过饱和浓度曲线之间的区域为介稳区，一般工业结晶都会选在这个区域进行；过硫酸铵过饱和浓度曲线的左上方为不稳区，在这个区域容易产生结晶，但是结晶过程不容易控制，结晶物的晶型和质量都达不到工业要求，结晶过程不稳定。

图4 以20℃/h的速率降温的介稳区宽度图

从图1—图4中可以看到，在相同的降温速率下，过硫酸铵的过饱和浓度随温度的升高而增大；介稳区宽度总体由大到小分别为：降温速率40、48、30、20℃/h；其中在40～50℃的范围内，过硫酸铵介稳区宽度明显增大，其介稳区宽度总体由大到小分别为：降温速率30、40、20、48℃/h。理论上，选择介稳区宽度越大的降温速率对过硫酸铵结晶的连续操作越有利，但在连续结晶的工业生产中，同时也要综合考虑控制生产成本和结晶过程的经济性，所以要选择容易实现的降温速率。

3 结论

1）测定了不同降温速率下过硫酸铵的过饱和浓度随温度变化的关系，在相同的降温速率下，过硫酸铵在水溶液中的过饱和浓度随温度的升高而增大。2）应用过饱和浓度数据得到了过硫酸铵介稳区的宽度，在不同的降温速率下，介稳区宽度总体最大的是降温速率为40℃/h。在温度为40～50℃的范围内，过硫酸铵介稳区宽度明显增大，即在高温范围内的介稳区比低温阶段略宽一些。3）测量得到的过硫酸铵介稳区为连续结晶器的操作提供了参考。

［1］汤秀华，李军，周堃，等.磷酸二氢钾结晶介稳区宽度的研究［J］.无机盐工业，2007，39（7）：27-29.

［2］叶铁林.化工结晶过程原理及应用［M］.北京：北京工业大学出版社，2006：9.

［3］王静康.化学工程手册［M］.2版.北京：化学工业出版社，1996：7-10.

［4］陈葵.红霉素结晶过程研究［D］.上海：华东理工大学，2011.

［5］天津化工研究院.无机盐工业手册（下册）［M］.2版.北京：化学工业出版社，1995：431.

联系方式：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

西安石油大学全日制硕士学位研究生优秀学位论文培育资助项目（20130401）。

2014-04-23

樊玉光（1964—），男，硕士，教授，主要从事高效单元传质设备、传热设备及节能技术等方面的研究，已发表论文32篇。

魏婷