無機物的結晶方法和設備的製作方法

2023-05-16 11:46:56 1

專利名稱：無機物的結晶方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及無機物的結晶方法，即採用使待結晶物質的過飽和溶液通過該結晶床。
眾所周知，「Oslo」結晶器是用於無機物結晶的(參見BritishChemicalEngineering，August1971，Vol.16，No.8，Pages681至685;ThechemicalEngineer，July/August1974，Page443-445英國專利GB-A-418，349號)。這種現有設備包括一直立的圓筒形容器和一軸向置於容器內的豎管，該豎管緊靠容器底部處是開口的;因此，還包括由豎管和容器的圓筒形壁構成的直立式圓環形室。在使用這種現有設備中，結晶床應用於環形室，使要求結晶物質的過飽和溶液(如氯化鈉過飽和水溶液)通過該室。由豎管引進這種溶液，使之靠近容器底部以徑向進入環形室，使床內晶體進行全面循環，即包括沿容器壁向上移動和沿豎管向下移動。
就這種現有設備而言，目的在於生產球狀的均勻結晶顆粒，其平均直徑可受適當選擇設備尺寸和操作條件所控制。但是，實際上這種現有設備不適於獲取大的球狀顆粒，究其原因，主要是這些顆粒在結晶床內產生磨損及進行全面循環之故。尤其是在氯化鈉的結晶情況下，所產生的球狀顆粒直徑不可能大於2或3mm。此外，磨損的作用導致由結晶母液夾帶出床層的細粒成分增加，因此，結晶母液進入設備再循環之前，必須進行分離。
本發明的目的在於克服這一缺點，提供一種新的方法，一方面能結晶出球狀大直徑顆粒，另一方面能減少細粒的形成。
所以，本發明涉及無機物結晶方法，其中，採用使待結晶物質的過飽和溶液流通過的結晶床。該結晶床被通過分布器的過飽和溶液流態化，所述分布器安置在結晶床的下面，並且保持在某一溫度，在該溫度下，過飽和溶液的濃度不超過相應的飽和溶液濃度。
根據本發明方法，床內的晶體對於過飽和溶液去過飽和的無機物的結晶起了晶種作用。它們一般是小而均勻的無機物晶體，用於結晶。
過飽和溶液的過飽和程度取決於各種參數，特別是取決於無機物的性質、溫度和可能存在的固體或溶解的雜質。在實際操作中，別的各種因素都是相同的，因此提供最大過飽和程度是有益的，雖然這必需限於避免在結晶設備的壁、晶體床的上遊、以及溶液內原有和補加晶種上產生意外的結晶。
對用來獲取過飽和溶液的裝置並不苛求。過飽和溶液的獲得，可通過改變溫度或部分蒸發預先飽和的待結晶物質溶液而實現。
對溶液中的溶劑要求並不高，一般最好用水。
對過飽和溶液的溫度要求也不嚴格，但是，實際上顯然是溶液溫度越高，床內晶體生長速度也相應越快。然而，可取的是，在結晶室的正常壓力下，溶液溫度應保持低於其沸點。例如，該方法在用於氯化鈉結晶的情況下，於溫度50至110℃之間，使用過飽和程度為0.3至0.5g/kg的氯化鈉水溶液是有利的，過飽和程度表示相對於相應的飽和溶液的量來說為該無機物的超過量。
按照通用的定義，本發明的結晶床是一種流態化床(參見Givaudon，Massot和Bensimon的「Précisdegéniechimique」(化學工程摘要)卷1，Berger-Levrault，Nancy-1960，pages353至370)。按照流態化床反應器的通用技術，使過飽和溶液流通過安置在結晶床下面的分布器，以使該床流態化。分布器是流態化床的一個重要部件，它的作用是將溶液流分成許多股(最好是平行和垂直的)細液流，當在其上另施加一給定壓力降時，可按根據該床尺寸、形成該床的顆粒性質和溶液性質進行控制(Ind.Eng.Chem.Fundam.-1980-19-G.P.Agarwalandothers-″Fluidmechanicaldescriptionoffluidizedbeds.Experimentalinvestigationofconvectiveinstabilitiesinboundedbeds″-pages59至66;JohnH.Perry-ChemicalEngineers′Handbook-4thedition-1963-McGraw-HillBookCompany-pages20.43至20.46)。例如，分布器可以是一種衝有均勻間隔小孔、網格或水平網眼的水平板，或者是一些垂直噴嘴的組合件。
按照本發明，分布器保持恆溫，在該溫度時，過飽和溶液的濃度低於或等於相應飽和溶液的濃度。換言之，在本發明方法中，分布器的溫度不同於分布器上遊過飽和溶液的溫度。分布器溫度的選擇，應使所述過飽和溶液的濃度低於或至多等於在該分布器溫度下是穩定的飽和溶液的濃度(就相同的單一無機物和相同的單一溶劑作為過飽和溶液而言)。這樣，避免了無機物在分布器上的結晶。分布器溫度的選擇是嚴格的，它取決於用來結晶的無機物的性質、溶液中的溶劑和過飽和程度。因此，就物質在溶劑中的溶解度隨溫度增加的情況(如氯化鈉或氯化鉀的水溶液)而言，分布器的溫度必需高於過飽和溶液的溫度。當物質在溶劑中的溶解度與溫度成反比時(如碳酸鈉一水合物的水溶液)，分布器溫度必需低於過飽和溶液的溫度。此外，分布器溫度的選擇應根據需要決定，以使開始與分布器接觸的過飽和溶液不致發生溫度的過度變化，因為這會使其過飽和度大大下降。因此，必須控制分布器的溫度，使分布器中的溶液流發生的溫度變化不能使它完全去過飽和。實際上，在每一具體情況下都必需確定分布器的溫度，尤其應根據溶液過飽和度和所需生產效率來確定溫度。該分布器溫度的選擇還取決於如下多種因素，例如分布器的傳熱係數、溶液的流速和溫度、及其比熱。就每一具體情況而言，通過計算和實驗不難確定分布器最佳溫度。
在結晶床下遊收集基本飽和的母液。這種母液經處理後，可進入過程再循環，實現過飽和狀態。為此，在本發明方法的最佳實施例中，先加熱結晶床下遊收集的母液，將補充的無機物加入其中，其加入量等於該床中已結晶無機物的量，然後，冷卻得到的混合物，重新製成過飽和溶液。本方法這一實施例尤其適用於在溶劑中溶解度與溫度成正比變化的無機物質。該母液的加熱必需足以使上述所有補充的無機物均溶於其中。使該混合物在熱交換器中循環，或使其減壓，部分蒸發，由此可冷卻該混合物。當通過減壓實施冷卻時，應將補充溶劑加到母液中，以補償被減壓蒸發掉的量。
本方法的另一最佳實施例特別適用於在溶劑中溶解度與溫度成反比變化的無機物質。在本實施例中，將在床下遊收集的母液冷卻，將等於已結晶量的無機物的補充量加入其中，然後加熱，重新製成過飽和溶液。
本發明還涉及按照本發明方法結晶無機物用的設備，該設備包括一直立筒式殼體;一軸向置於殼體內的豎管，該豎管緊靠殼體底部處是開口的，以便在殼體內限定環形室;一個待結晶物質的過飽和溶液供料裝置，所述豎管在其頂端與該裝置連接;一個分布器，該分布器將環形室分布過飽和溶液入口的下進料室和形成流態化床反應器的上結晶室，該分布器裝有恆溫器。
在本發明設備中，恆溫器的作用是使分布器的溫度保持在恆溫，根據所用過飽和溶液的性質進行控制，以避免無機物質與分布器接觸產生的自然結晶。因此，恆溫器可包括分布器的加熱或冷卻裝置，這取決於該設備是否用來處理具有如下性質的過飽和溶液，即該溶液的溶解度是隨溫度增加而增加，還是隨溫度增加而減少。
在本發明設備的最佳實施例中，該分布器由一些垂直的或非垂直的噴管連接兩塊水平板所組成，噴管穿過這兩塊平板，該平板與豎管和筒式殼體壁連接，以限定與形成恆溫器的傳熱流體(例如水或蒸氣)源相連的室。
在本發明方法和設備中，流態化床起雙重作用，首先，它形成結晶環境，其次，它對晶體粒度分類，在床內按同等粒度自行分層。
按照本發明的方法和設備，可以使無機物結晶成近似球狀的均勻顆粒，一般是單粒小球，這意味著它們是單獨的非聚結塊的無機物質。本發明方法和設備特別有利於生產單粒小球狀氯化鈉晶體，其直徑大於3mm，例如3至30mm。採用歐洲專利EP-A-162，490號(Solvag和Cie)中介紹的技術，直徑為5至10mm的氯化鈉晶體，有利於用來生產不規則顆粒型、看上去是半透明和透明的鹽。
參照附圖，通過以下敘述揭示本發明的各個特徵和細節。


圖1表示本發明設備的最佳實施例的縱截面;
圖2表示圖1所示設備的節點放大圖;
圖3和4是按照本發明方法製取的氯化鈉顆粒，是1/1比例的攝相複製件。
圖1所示設備是按本發明改進的「Oslo」型結晶器，它包括一直立筒式殼體1，其中，軸向設置一下部擴大的豎管4，這樣，在殼體1內由豎管4限定了環形室，該室包括圓筒形上部區2和截頭圓錐體下部區3，該下部區的底16的輪廓是繞軸中心錐的復曲面。殼體1用蓋6封閉，管4穿過蓋6通到減壓室7。再熱器8通過管9、10和循環泵11連接在上部區2的頂部和減壓器7之間。
按照本發明，上部區2用來容納結晶床14，並用作流態化床反應器。為此，用流態化床反應器的分布器12將上部區2與下部區3分開。在圖1所示設備中，環形上部區2形成結晶室，環形下部區3用作要求結晶的無機物質過飽和溶液的進料室。
圖1所示設備尤其適用於將氯化鈉結晶成小球狀。為此，對本設備充注氯化鈉水溶液至減壓室7內水平面13，以便結晶室2滿溢。結晶室還包括位於分布器上方的氯化鈉晶體床14。
當本設備操作時，氯化鈉水溶液通過泵11按箭頭X方向循環，通過管9離開室2，該氯化鈉飽和溶液經過再熱器8，從而提高了溫度，然後，進入減壓室7，在室內減壓，部分蒸發，導致冷卻和過飽和。通過減壓室7的頂部管口15排除所釋放的水蒸汽。過飽和水溶液在管4內垂直流下，沿復曲面16徑向進入室3，然後通過分布器12，進入結晶床14，按本發明使之流態化。該溶液在穿過流態化床14的同時，逐漸去過飽和。床14的晶體從而生長，並自行按它們的粒度分布水平層。大粒度組分朝床的底部移動，通過排放管5以固定間隔時間被排除。在室2頂部得到的結晶母液是氯化鈉飽和(或微量過飽和)的水溶液，它通過管9進入再熱器8進行再循環，藉助管18把補充的氯化鈉飽和水溶液加到管9中，該補充的氯化鈉水溶液用來補償床14中已結晶的氯化鈉的量和減壓室7內由蒸發除去的水量。
當本設備按以上所述方法使用時，對分布器12進行加熱，以使其與溶液接觸的壁處在高於分布器12的上遊、下部區3內過飽和溶液的溫度下。
分布器12可用任何適宜的方法進行加熱。
圖2表示分布器12的最適宜實施例。分布器12由許多短噴管17和連接兩塊被噴管穿過的水平板18所組成。該板18安裝在豎管4和上室2圓筒形壁之間，以使它們限定被噴管17穿過的矮環形室19。兩根管子20可使傳熱流體(如蒸汽)通過室19循環。
在圖1和2所示的設備中，以加熱分布器12時所採用的相同條件對底部16進行加熱，為此，底16可用承載熱流體(一般為蒸汽)的外套復蓋。
在圖1所示的設備中，結晶室2的周壁是筒形的，以便室2在其整個高度範圍內具有均勻橫截面。
在本發明的一個特定實施例(未圖示)中，結晶室2的成形，應使它的橫截面從底向上、朝流態化床14的自由表面21上方擴大。在本發明這一實施例中，該結晶室上部區擴大的目的，在於使流態化床14上方的溶液速度低於在室3中流動的速度。這樣就制止了在分布器12下方的室3中產生的幹擾流態化床的現象。就流態化床部分14而言，它限定在分布器12和床的自由表面21之間，結晶室2的橫截面從底向上可以是均勻的，或逐漸減小。
在本發明設備的另一實施例(圖中未示)中，為保留夾帶在離開殼體1溶液中細晶體而設計的裝置安裝在管子9中，該裝置可由沉降室或旋風分離器構成。
下述實例用來說明本發明。
將約3000kg平均直徑為0.5至2mm的氯化鈉晶體的結晶床裝入上述圖1和2所示類型設備的結晶室(2)內。分布器12用120℃蒸汽流加熱，將約110℃氯化鈉過飽和溶液引入進料室(3)，用足以向上的速度推進，以流化結晶床(14)。處於床底的水溶液過飽和度約為0.4g/kg。在再熱器(8)中處理所收集的脫離該床的母液，在再熱器中，母液的溫度約上升1℃，然後輸送到減壓室(7)內，經減壓控制其溫度至約110℃，產生原有的過飽和度(0.4g/kg)，然後，該過飽和溶液通過如上所述的豎管(4)，進入進料室(3)。
以正比於預期生產效率的速度，在該床的底部連續抽取晶體。與此同時，將補充的氯化鈉飽和水溶液引入再熱器(8)，補充的量用以補償從床抽取的氯化鈉和由減壓除去的水蒸汽。
圖3和4的攝相表示在該實驗的兩個連貫步驟中獲得的晶體。這些晶體近似球狀單粒氯化鈉，其直徑大體上為10至15mm(圖3)和18至23mm(圖4)。
權利要求
1.一種無機物的結晶方法，其中，採用使溶於溶劑的待結晶物質的過飽和溶液流通過結晶床，其特徵在於採用被通過分布器的過飽和溶液流流態化的結晶床，該分布器安置在結晶床的下面，並且保持在某一溫度，在該溫度下，該過飽和溶液的濃度不超過相應的飽和溶液濃度。
2.根據權利要求1所述方法，其特徵在於在過飽和溶液的溶劑中，無機物質的溶解度隨溫度而增加的情況下，分布器保持的溫度高於過飽和溶液的溫度。
3.根據權利要求1或2所述方法，其特徵在於先加熱所收集的脫離所述床的結晶母液，將無機物的補充量加入其中，其加入量等於該床中已結晶無機物的量，然後冷卻所得到的混合物，重新製成過飽和溶液。
4.根據權利要求3所述方法，其特徵在於為冷卻該混合物，使它減壓，部分蒸發，將等於蒸發掉的溶劑量加到所述母液中。
5.根據權利要求4所述方法，其特徵在於採用氯化鈉結晶床和氯化鈉飽和水溶液。
6.根據權利要求1至5的任一項所述方法實施無機物結晶的設備，該設備包括一直立筒式殼體(1);一軸向置於殼體內的豎管(4)，在其緊靠底部(16)處是開口的，以便在殼體內限定環形室(2，3);一個待結晶物質過飽和溶液的供料裝置(7)，所述豎管在其頂端與該裝置連接，其特徵在於流態化床反應器的分布器12將環形室(2，3)分成過飽和溶液入口的下進料室(3)和形成流態化床反應器的上結晶室，該分布器裝有恆溫器。
7.根據權利要求6所述設備，其特徵在於結晶室(2)的橫截面從底向上、朝流態化床的自由表面(21)上方擴大。
8.根據權利要求6或7所述設備，其特徵在於上結晶室(2)包括管子(9)，用以朝再熱器(8)排除結晶母液，所述再熱器與形成供過飽和溶液裝置(7)的減壓室連通。
9.根據權利要求6至8的任一項所述設備，其特徵在於所述分布器(12)由一些垂直噴管連接兩塊水平板所組成，所述噴管穿過這兩塊平板，該平板安裝在所述豎管(4)和筒式殼體(1)的壁之間，以限定與形成恆溫器的傳熱流體源相連的室。
10.根據權利要求5所述方法獲得的氯化鈉晶體，其形狀為小球狀，直徑大於3mm。
全文摘要
本文介紹無機物的結晶方法和設備，其中，迫使該物質的過飽和溶液穿過分布器(12)後，通過流態化床(14)反應器(2)循環。該分布器保持在某一溫度，在該溫度下，過飽和溶液的濃度低於或等於相應的飽和溶液濃度。
文檔編號B01D9/02GK1039972SQ8910636
公開日1990年2月28日 申請日期1989年7月29日 優先權日1988年7月29日
發明者萊昂·尼南, 萊奧波德·迪特裡 申請人:索爾維公司