工業(yè)結晶方法及十種結構原理介紹

工業(yè)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(yè)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(fā)結晶法和真空冷卻結晶法。蒸發(fā)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(fā)，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(jīng)歷的是絕熱等焓過程，在部分溶劑被蒸發(fā)的同時，溶液亦被冷卻。因此，此法實質上兼有蒸發(fā)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(xù)與否，將結晶操作分為間歇式和連續(xù)式，或按有無攪拌分為攪拌式和無攪拌式等。

常見的工業(yè)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(jù)其冷卻形式又分為內循環(huán)冷卻式和外內循環(huán)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(huán)冷卻式結晶器

內循環(huán)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(huán)冷卻式結晶器

外循環(huán)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(shù)較大，易實現(xiàn)連續(xù)操作。

2蒸發(fā)結晶器

蒸發(fā)結晶器與用于溶液濃縮的普通蒸發(fā)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(fā)器、有晶體析出所用的強制循環(huán)蒸發(fā)器等)中，溶液被加熱至沸點，蒸發(fā)濃縮達到過飽和而結晶。

但應指出，用蒸發(fā)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(fā)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(fā)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(huán)境好等特點。

設備主體為根據(jù)流體計算后設計的外筒體和導流筒，配套專用螺旋漿實現(xiàn)了高效內循環(huán)，而幾乎不出現(xiàn)二次晶核，根據(jù)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(tài)可調易實現(xiàn)系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)了高效率；
相對能耗低；
下部安裝出料閥可實現(xiàn)連續(xù)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(xù)加到循環(huán)管下部，與循環(huán)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(fā)冷卻，達過飽和狀態(tài)，其中部分溶質在懸浮的顆粒表面沉積，使晶體長大。在環(huán)形擋板外圍還有一個沉降區(qū)。在沉降區(qū)內大顆粒沉降，而小顆粒則隨母液入循環(huán)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(qū)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(qū)域與晶體生長區(qū)分別結晶器的兩處，晶體在循環(huán)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(huán)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(huán)泵前加入，與循環(huán)母液混合后一起經(jīng)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(tǒng)采用 PLC控制器，有系統(tǒng)信息上傳接口。要求能夠自動監(jiān)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(yè)能夠自動控制；
OSLO結晶機分為蒸發(fā)式OSLO結晶機和冷卻式OSLO結晶機兩大類。蒸發(fā)式OSLO結晶機是由外部加熱器對循環(huán)料液加熱進入真空閃蒸室蒸發(fā)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(yōu)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(yōu)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(xù)操作、勞動強度低等優(yōu)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(yōu)點；
溶液循環(huán)量較大，溶液的過飽和度較小，不易產生二次晶核c；
可連續(xù)生產，產量可大可?。?br /> 清液循環(huán)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(huán)方式。在管程通過的溶液過飽和度設計限是靠主循環(huán)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(huán)型
主要是控制循環(huán)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(huán)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(jīng)中央降液管直伸入生長器的底部，再徐徐穿過流態(tài)化的晶床層，從而消失過飽和現(xiàn)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(huán)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(yōu)點。
但是循環(huán)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(tài)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(wěn)區(qū)域一般都是很狹窄的，而且生產上往往不允許越過介穩(wěn)區(qū)的上限，一般都在介穩(wěn)區(qū)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(xiàn)象的存在，造成同一直徑的設備比晶漿循環(huán)操作的生產能力要低幾倍。
5外循環(huán)型結晶器
簡稱FC結晶器，由結晶室、循環(huán)管、循環(huán)泵、換熱器等組成。結晶室有錐型底，晶漿從錐底排出后，經(jīng)循環(huán)管用軸流式循環(huán)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(huán)不已，屬于晶漿循環(huán)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?？梢赃B續(xù)操作，也可以間歇操作。

結晶器可通用于蒸發(fā)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(tǒng)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(fā)式結晶器的區(qū)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(fā)器后，立即發(fā)生閃蒸效應，瞬間即可把蒸汽抽走，隨后就開始繼續(xù)降溫過程，當達到穩(wěn)定狀態(tài)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(fā)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(wěn)區(qū)。
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(xiàn)象，延長了換熱器的使用周期。溶液的蒸發(fā)、降溫在蒸發(fā)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(fā)室閃急蒸發(fā)時，沸騰界面上的霧滴飛濺是很嚴重的。仍然要黏結在蒸發(fā)室器壁上形成晶垢。需要在蒸發(fā)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(huán)，在生產過程中定期地用清水清洗，以避免蒸發(fā)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(jīng)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(xù)操作。圖片7-9所示為一種連續(xù)式真空冷卻結晶器。熱的原料液自進料口連續(xù)加入，晶漿(晶體與母液的懸混物)用泵連續(xù)排出，結晶器底部管路上的循環(huán)泵使溶液作強制循環(huán)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(xù)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(jié)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(xù)結晶器(套管結晶機)

刮壁表面連續(xù)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?？筛鶕?jù)具體產量情況確定冷卻面積，選擇設備機組。
1.設備優(yōu)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(xù)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(tǒng)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(jù)用戶需求進行設計制造。

10臥式結晶機

結晶是醫(yī)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(tài)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(shù)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(tǒng)， 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(wěn)進行，其自動控制系統(tǒng)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(guī)律：連續(xù)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(shù)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(shù)：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(shù)據(jù)分析。