振荡流结晶反应器制备球形氢氧化镍的研究

摘要

振荡流反应器（Oscillatory Flow Reactor，OFR）是一种新型化工过程设备，在强化传递性能方面有独特的优势。其混合、传热和传质性能优异，工艺过程简单易控，因此成为了目前新型反应设备的研究热点。目前，振荡流反应器在聚合反应、悬浮粒子分离、絮凝过滤、溶液结晶等领域都有工业应用。
　　 结晶是化工过程的一个重要操作单元，是化工产品生产中的一个重要环节，它不仅用于某些化工产品的生产，还在产品的分离、提纯、净化等方面有着广泛的应用。而目前振荡流反应器在结晶方面的应用仅局限于溶液结晶体系，在反应结晶方面的应用尚未见报道。因此本文以球形氢氧化镍的反应结晶生产过程为实例，探索振荡流反应器在反应结晶工艺中的应用。
　　 本文使用控制结晶法并以氨作为配合剂制备球形氢氧化镍。从反应结晶过程分析出发，在改造的四口烧瓶中具体研究了以下操作工艺参数对最终产品的振实密度、松装密度和颗粒平均粒径的影响及变化趋势:反应时间、反应体系pH、氨浓度、搅拌强度、反应温度。实验结果表明，反应时间的延长(0～20h)、反应体系pH的降低(10.6～11.4)、氨浓度的提高(0.2～0.8mol/L)、搅拌强度的加大(200～800rpm)、反应温度的提高(45～60℃)，能够提升球镍产品的质量。实际反应时操作工艺参数的设定需综合考虑能耗、操作环境、设备损耗和料液损失等其它因素。
　　 实验最初尝试使用原有锥环挡板振荡流反应器直接应用于球镍生产。研究发现，物料在加入腔室内难以快速分散，且由于单个腔室的体积较小造成局部过饱和度过高，因此不易获得球形的氢氧化镍。为此，需要设置独立分散区以解决上述问题。
　　 基于控制结晶法的工艺参数研究及原有振荡流反应器的实验，本研究设计并搭建了振荡流结晶反应器小试装置。该反应器顶部集成了一段搅拌管作为独立分散区。实验结果表明，振荡流结晶反应器生产所得的球镍产品质量相比原振荡流反应器有大幅的提升。同时，在振荡流结晶反应器中研究了以下操作工艺参数对最终产品的振实密度、松装密度和颗粒平均粒径的影响及变化趋势:振荡频率、平均停留时间、反应液初始浓度、反应体系pH及氨浓度。实验结果表明，振荡频率的提高(0～3Hz)及平均停留时间的延长（0～10小时）能够提升球镍的产品质量;对于此反应器，存在最佳反应液初始浓度;反应体系pH及氨浓度对产品质量的变化趋势与工艺参数研究结果相似，但由于搅拌的分散效果不足，球镍的产品质量不及四口烧瓶中获得的产品质量，这也是未来振荡流结晶反应器需要改进的方向。

目录

声明

致谢

摘要

1 研究背景

1．1 引言

1．2 氢氧化镍生产工艺

1．2．1 化学沉淀法／控制结晶法

1．2．2 粉末金属法

1．2．3 金属镍电解法

1．2．4 小结

1．3 氨配法工艺条件研究

1．3．1 酸值／pH的影响

1．3．2 氨浓度的影响

1．3．3 反应温度的影响

1．3．4 反应时间的影响

1．4 振荡流反应器

1．4．1 振荡流反应器的结构

1．4．2 振荡流反应器的优点

1．4．3 振荡流反应器的应用研究

1．4．4 振荡流反应器在结晶方面的应用

2 研究课题的原因及意义

2．1 研究课题的提出

2．1．1 反应结晶过程

2．1．2 振荡流结晶反应器制备球镍

2．2 研究内容与目标

2．2．1 球镍生产工艺参数研究

2．2．2 振荡流结晶反应装置生产过程研究

3 球镍生产工艺参数研究

3．1 反应结晶过程分析

3．1．1 过饱和度分析

3．1．2 形成晶核分析

3．1．3 晶核生长分析

3．1．4 老化过程分析

3．1．5 反应结晶过程分析小结

3．2 研究方案

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 实验装置

3．2．3 控制结晶制备步骤

3．2．4 研究结果表征方法

3．3 实验结果分析

3．3．1 无配合剂的初步实验

3．3．2 反应时间

3．3．3 反应体系pH值

3．3．4 氨浓度

3．3．5 搅拌强度

3．3．6 反应温度

3．4 小结

4 振荡流结晶反应装置间歇生产过程

4．1 锥环挡板振荡流反应器

4．2 研究方案

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 实验装置设计

4．2．3 实验步骤

4．3 实验结果分析

4．3．1 搅拌管的影响

4．3．2 振荡频率

4．3．3 平均停留时间

4．3．4 反应液初始浓度

4．3．5 反应体系pH值

4．3．6 氨浓度

4．4 小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简历及科研成果