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工業結晶方法及十種結構原理介紹

時間:2021/06/08

工業結晶的方法

溶液結晶是指晶體從溶液中析出的過程。對于工業結晶按照結晶過程中過飽和度形成的方式,可將溶液結晶分為兩大類:移除部分溶劑的結晶和不移除溶劑的結晶。

1不移除溶劑的結晶

不移除溶劑的結晶稱冷卻結晶法,它基本上不去除溶劑,溶液的過飽和度系籍助冷卻獲得,故適用于溶解度隨溫度降低而顯著下降的物系。

2移除部分溶劑的結晶法

按照具體操作的情況,此法又可分為蒸發結晶法和真空冷卻結晶法。蒸發結晶是使溶液在常壓(沸點溫度下)或減壓(低于正常沸點)下蒸發,部分溶劑汽化,從而獲得過飽和溶液。此法適用于溶解度隨溫度變化不大的物系,例如NaCl及無水硫酸鈉等;

真空冷卻結晶是使溶液在較高真空度下絕熱閃蒸的方法。在這種方法中,溶液經歷的是絕熱等焓過程,在部分溶劑被蒸發的同時,溶液亦被冷卻。因此,此法實質上兼有蒸發結晶和冷卻結晶共有的特點,適用于具有中等溶解度物系的結晶

此外,也可按照操作連續與否,將結晶操作分為間歇式和連續式,或按有無攪拌分為攪拌式和無攪拌式等。

常見的工業結晶器

1冷卻結晶器

間接換熱釜式冷卻結晶器是目前應用最廣泛的一類冷卻結晶器。冷卻結晶器根據其冷卻形式又分為內循環冷卻式和外內循環冷卻式結晶器。

空氣冷卻式結晶器是一種最簡單的敞開型結晶器,靠頂部較大的敞開液面以及器壁與空氣間的換熱,以降低自身溫度從而達到冷卻析出結晶的目的,并不加晶種,也不攪拌,不用任何方法控制冷卻速率及晶核的形成和晶體的生長。冷卻結晶過程所需冷量由夾套或外部換熱器提供。

1、內循環冷卻式結晶器


內循環式冷卻結晶器其冷卻劑與溶劑通過結晶器的夾套進行熱交換。這種設備由于換熱器的換熱面積受結晶器的限制,其換熱器量不大。

2.外循環冷卻式結晶器


外循環式冷卻結晶器,其冷卻劑與溶液通過結晶器外部的冷卻器進行熱交換。這種設備的換熱面積不受結晶器的限制,傳熱系數較大,易實現連續操作。

2蒸發結晶器

蒸發結晶器與用于溶液濃縮的普通蒸發器在設備結構及操作上完全相同。在此種類型的設備(如結晶蒸發器、有晶體析出所用的強制循環蒸發器等)中,溶液被加熱至沸點,蒸發濃縮達到過飽和而結晶。

但應指出,用蒸發器濃縮溶液使其結晶時,由于是在減壓下操作,故可維持較低的溫度,使溶液產生較大的過飽和度。但對晶體的粒度難于控制。因此,遇到必須嚴格控制晶體粒度的場合,可先將溶液在蒸發器中濃縮至略低于飽和濃度,然后移送至另外的結晶器中完成結晶過程。

3導流筒結晶機(DTB型蒸發結晶器)

導流筒結晶機是一種高效結晶設備,物料溫度可控,其獨特的結構和工作原理決定了它具有傳熱效率高、配置簡單、操作控制方便、操作環境好等特點。

設備主體為根據流體計算后設計的外筒體和導流筒,配套專用螺旋漿實現了高效內循環,而幾乎不出現二次晶核,根據冷卻結晶體的生長速率和晶體大小,設計降溫速度、攪拌槳轉速等指標,各指標動態可調易實現系統自控制,以適應的結晶要求。

導流筒內外壁拋光,減小物料在內壁結疤現象;
導流筒本身有高的換熱面,也可另設冷卻器;
晶漿過飽和度均勻,粒度分布良好,實現了高效率;
相對能耗低;
下部安裝出料閥可實現連續生產;
轉速低,變頻調控,適用性強,運行可靠,故障少。

操作要點:結晶取出速率,晶種加入速率,PH制調整,攪拌速率

下部接有淘析柱,器內設有導流筒和筒形擋板,操作時熱飽和料液連續加到循環管下部,與循環管內夾帶有小晶體的母液混合后泵送至加熱器。加熱后的溶液在導流筒底部附近流入結晶器,并由緩慢轉動的螺旋槳沿導流筒送至液面。

溶液在液面蒸發冷卻,達過飽和狀態,其中部分溶質在懸浮的顆粒表面沉積,使晶體長大。在環形擋板外圍還有一個沉降區。在沉降區內大顆粒沉降,而小顆粒則隨母液入循環管并受熱溶解。晶體于結晶器底部入淘析柱。為使結晶產品的粒度盡量均勻,將沉降區來的部分母液加到淘析柱底部,利用水力分級的作用,使小顆粒隨液流返回結晶器,而結晶產品從淘析柱下部卸出。

4OSLO流化床型冷卻法結晶器

1.主要特點

是過飽和度產生的區域與晶體生長區分別結晶器的兩處,晶體在循環母液中流化懸浮,為晶體生長提供了較好的條件,能夠生產出粒度較大而均勻的晶體。

2.工藝過程

它在循環管路上增設列管式冷卻器,母液單程通過列管向上方循,濃的料液在循環泵前加入,與循環母液混合后一起經過冷卻器冷卻而產生過飽和度,之后進入結晶器中流化懸浮,生產出粒度較大而均勻的晶體。產品(晶體)懸浮液由結晶器錐底引出。


1控制系統采用 PLC控制器,有系統信息上傳接口。要求能夠自動監測控制結晶溫度、晶體粒度,軸流泵采用變頻控制,進、出料作業能夠自動控制;
OSLO結晶機分為蒸發式OSLO結晶機和冷卻式OSLO結晶機兩大類。蒸發式OSLO結晶機是由外部加熱器對循環料液加熱進入真空閃蒸室蒸發達到過飽和,再通過垂直管道進入懸浮床使晶體得以成長,由于OSLO結晶器的特殊結構,體積較大的顆粒首先接觸過飽和的溶液優先生長,依次是體積較小的溶液;冷卻式OSLO結晶機冷卻器是由外部冷卻器對飽和料液冷卻達到過飽和,再通過垂直管道進入懸浮床使晶體得以成長,由于OSLO結晶器的特殊結構,體積較大的顆粒首先接觸過飽和的溶液優先生長。因此OSLO結晶機生產出的晶體具有體積大、顆粒均勻、生產能力大。并具有連續操作、勞動強度低等優點
3.工作原理及特點
(1)特點:
由于OSLO的本身特殊結構使生產出的產品具有顆粒較大,粒度分布較窄的優點;
溶液循環量較大,溶液的過飽和度較小,不易產生二次晶核c;
可連續生產,產量可大可小;
清液循環不存在晶體破碎問題;
懸浮床內過飽和度均勻給晶體成長提供了良好的條件,d>20μ。
OSLO冷卻式結晶器的過飽和產生設備是一個冷卻換熱器,溶液通過換熱器的管程,而且管程為雙程式的。冷卻介質通過殼程。須指出的是殼程冷卻介質的循環方式。在管程通過的溶液過飽和度設計限是靠主循環泵的流量所控制,冷卻介質新鮮的冷卻介質需要有合適的配合流量.
(2)分級清液循環型
主要是控制循環泵抽吸的是基本不含晶體的清溶液,然后輸送到冷卻器去進行降溫,通過降溫使循環母液中的過飽和度增加。下部的結晶生長器主要是使過飽和溶液經中央降液管直伸入生長器的底部,再徐徐穿過流態化的晶床層,從而消失過飽和現象,晶體也就逐漸長大。
按照粒度的大小自動地從下至上分級排列,而晶漿濃度也是從下到上逐步下降,上升到循環泵入口附近已變成清液。分級的操作法使底部的晶粒與上部未生長到產品粒度的互相分開,取出管是插在底部,因此產品取出來的都是均勻的球狀大粒結晶,這是它最大優點。
但是循環泵的輸送量在整個結晶器內是一定的,這就造成結晶器內晶粒的流態化的終端速度和晶漿濃度(也就是空隙率的大小)的限制,這樣必然帶來兩個缺點:第一個是過飽和度較大,但是安全的過飽和介穩區域一般都是很狹窄的,而且生產上往往不允許越過介穩區的上限,一般都在介穩區中部或偏上一點。
所以生產能力的彈性很小。第二個缺點是由于上述現象的存在,造成同一直徑的設備比晶漿循環操作的生產能力要低幾倍。
5外循環型結晶器
簡稱FC結晶器,由結晶室、循環管、循環泵、換熱器等組成。結晶室有錐型底,晶漿從錐底排出后,經循環管用軸流式循環泵送過換熱器,被加熱或冷卻后重新又進入結晶室,如此循環不已,屬于晶漿循環型。晶漿排出口位于接近結晶室錐底處,而進料口則在排料口之下的較低的位置上。可以連續操作,也可以間歇操作。


結晶器可通用于蒸發法、間壁冷卻法或真空冷卻法結晶。若用于后者則換熱器無存在的必要,而結晶室與真空系統相連,以便在室內維持較高的真空。這種形式的結晶器適用于生產氯化鈉、氯化鋇、氯化鉀、尿素、次磷酸鈉、硫酸鈉、硫酸銨、檸檬酸及其它一些無機及有機晶體。產品粒度約在0.05~1mm范圍。
6真空式結晶器
真空式結晶器與蒸發式結晶器的區別是前者真空度更高,要求操作溫度下的飽和蒸汽壓(絕對)與該溫度下溶液的總蒸汽分壓相等。操作溫度一般都要低于大氣溫度或者最高是接近氣溫。


真空式結晶器的原料溶液多半是靠裝置外部的加熱器預熱,然后注入結晶器。當進入真空蒸發器后,立即發生閃蒸效應,瞬間即可把蒸汽抽走,隨后就開始繼續降溫過程,當達到穩定狀態后,溶液的溫度與飽和蒸汽壓力相平衡。
因此真空結晶器既有蒸發效應又有制冷的效應,也就是同時起到移去溶劑與冷卻溶液的作用。溶液變化沿著溶液濃縮與冷卻的兩個方向前進,迅速接近介穩區。
真空結晶器一般沒有加熱器或者冷卻器,避免了在復雜的表面換熱器上析出結晶,防止了因結垢降低換熱能力等現象,延長了換熱器的使用周期。溶液的蒸發、降溫在蒸發室的沸騰液面上進行,這樣也就不存在結垢問題。
但是,在蒸發室閃急蒸發時,沸騰界面上的霧滴飛濺是很嚴重的。仍然要黏結在蒸發室器壁上形成晶垢。需要在蒸發室的頂部附加一周向器壁噴灑的特殊洗滌噴管或洗水溢流環,在生產過程中定期地用清水清洗,以避免蒸發器截面逐漸縮小而帶來的生產能力下降,且可以在不中斷生產而得到清洗的效果。
7真空冷卻結晶器
真空冷卻結晶器是將熱的飽和溶液加入一與外界絕熱的結晶器中,由于器內維持高真空,故其內部滯留的溶液的沸點低于加入溶液的溫度。這樣,當溶液進入結晶器后,經絕熱閃蒸過程冷卻到與器內壓力相對應的平衡溫度。
真空冷卻結晶器可以間歇或連續操作。圖片7-9所示為一種連續式真空冷卻結晶器。熱的原料液自進料口連續加入,晶漿(晶體與母液的懸混物)用泵連續排出,結晶器底部管路上的循環泵使溶液作強制循環流動,以促進溶液均勻混合,維持有利的結晶條件。
蒸出的溶劑(汽體)由器頂部逸出,至高位混合冷凝器中冷凝。雙級式蒸汽噴射泵用于產生和維持結晶器內的真空。一般地,真空結晶器內的操作溫度都很低,所產生的溶劑蒸汽不能在冷凝器中被水冷凝,此時可在冷凝器的前部裝一蒸汽噴射泵,將溶劑蒸汽壓縮,以提高其冷凝溫度。
8轉鼓結晶機
轉鼓結片是一個冷卻結晶過程,料盤中熔融料液與冷卻的轉鼓接觸,在轉鼓表面形成料膜,通過料膜與轉鼓間的換熱,使料膜冷卻、結晶,結晶的物料被刮刀刮下,成為片狀產品。轉鼓干燥是通過轉動的轉鼓,以熱傳導的方式,將附在轉鼓外壁的液相物料或帶狀物料進行加熱干燥的一種連續操作設備。
典型物料:
聚乙烯低聚物、石油樹脂、氧化聚乙烯等高分子類產品;苯酐、順酐、萘、平平加、高級脂肪醇、氯乙酸、三羥基丙烷、硝酸胍、雙酚a、間苯二硬脂酸等有機化工產品;硫磺、硫化堿、燒堿、硫氫化鈉、氯化鈣等無機化工產品。
設備結構緊湊,占地面積小; 轉鼓精度高,產品均勻度好;采用多組刮刀,調節靈活;半管夾套式料盤,安全可靠;設有側刮刀,避免轉鼓側鼓積料。

9表面連續結晶器(套管結晶機)

刮壁表面連續結晶器是一個冷卻結晶過程,高粘度料液與冷卻內管壁接觸,在表面形成冷卻結晶的料膜,旋轉的刮刀葉片不斷刮除管壁上妨礙傳熱的結晶料膜層,并且不斷向前推料將結晶帶出。可根據具體產量情況確定冷卻面積,選擇設備機組。
1.設備優點:
(1)結晶溫度范圍廣(-60 C 到 +100 C).
(2)適合高固含量或高粘度的油脂類物料的結晶
(3)設備連續操作,可簡單控制各項指標
(4)設備占地面積小,處理量大,可替代大型真空結晶器,且沒有復雜的附屬設備如冷凝器,真空系統等
2.應用領域
潤滑油脫蠟,高粘有機物結晶,粘性液體冷卻等,氨冷式和換熱式;換熱面積可根據用戶需求進行設計制造。

10臥式結晶機

結晶是醫藥、化工生產中常見的化工單元操作過程,是一種與溫度、時間、攪拌狀態緊密相關的工藝過程。結晶過程一般為降溫過程,在一定的時間內, 以不同的速率降溫是結晶過程的基本特征。不同的產品有不同的結晶過程曲線,而同一種產品,不同的結晶過程對產品的內在質量和外觀質量有很大影響。


由于結晶過程具有時間長、溫度差小、控制指數高、結晶曲線易變等特點,采用人工控制結晶過程往往達不到理想的要求,為此,本結晶機采用了專用的結晶曲線過程控制系統, 以適應各種物料結晶過程提高產品的質量。
臥式結晶機是一種高效率的結晶設備, 由計算機控制物料溫度,按預先設定結晶曲線平穩進行,其自動控制系統具有如下功能:
(1)測量范圍:0 ~ 200 0C 測量精度0.5級;
(2)控制規律:連續PID 串級;
(3)控制精度:±1℃ 超調量<5%; 、
(4)手/自無擾動切換;
(5)結晶曲線在線設定和修改,控制參數在線設定和修改:
(6)程序段大于10段,時間長度大于1個月;
(7)可帶通訊接口,便于集散控制;
(8)控制參數:報警、控制;
(9)可具有防爆功能:
(10)具備實時和歷史記錄功能,便于數據分析。



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