工业结晶工程实践的一些经验.docx
工业结晶工程实践的一些经险质量源于设计，每个成功的工业化项目，都是顺势而为，否则，事情会告诉你应该怎么做。本文主要介绍工业结晶工程实践的一些共性规律，供大家思考。当涉及到具体物性时，还需要根据研究物系的具体特性来进行设计和优化，不经过思考的照抄照搬，危害巨大。切记！1）结晶工艺选择与确定：1.1） 结晶工艺选择主要依据是溶解度随温度的变化关系。详见早期发表的内容。1.2） 但在实际工业化过程中还需要根据产品的指标和公用工程的具体条件综合考虑，不能一概而论，比如MVR和多效蒸发结晶，哪种方式更适合，要具体问题具体分析。13）冷却和蒸发都可以实现产品的分离和纯化，但是往往冷却结晶比蒸发结晶相对容易控制。因为冷却结晶涉及的是固液两相，而蒸发结晶则在固液两相的基础上增加了汽相，所以控制难度随之增大。一般情况下冷却结晶更容易获得大颗粒晶体产品。同理可以思考：1.4） 间壁冷却和负压绝热闪蒸冷却也是各有优缺点，前者无汽相，颗粒平均粒径大，但是换热界面易结疤，后者则反之。1.5） 溶析结晶和反应结晶类似，局部混合非常重要，需要给予充分的注意。16）如果能用熔融结晶，就不要用溶液结晶。2）熔融结晶的控制瓶颈是传热；2.1） 溶液结晶控制瓶颈多是传质。2.2） 蒸发结晶的蒸发量（溶剂为水）：2.3） 单位换热面积蒸发量粗略估算：2.4） 换热系数KX传热温差AT÷水的汽化潜热（2300kJkg）,单位面积换热器的蒸水量在20kgh70kghm2换热面。比如对于MVR蒸发结晶，有效传热温差一般在8,若换热系数K=I200wm2C,则可以估算出单位换热面积蒸发量15kgh,若换热系数K=2400,则蒸水量变成30kgh0所以如何强化换热，提升K值是非常重要的。3）换热管:3.1） 对于蒸发结晶所用换热器，建议使用638和625管。不是管子越粗,运行时间越长。管子不堵则以，若发生堵塞，管子粗细不重要。3.2） 管内流速为1.5至3米/秒，避免物料在管内的单程温升过大，以防止管内汽化。有人问能否用板式换热器，这取决于板式换热器的结构和通过板式换热器的物料性质。物料和设备特性匹配好，当然是可用的。4）过饱和度控制在介稳区以内：4.1） 对于晶体生长，必须严格控制过饱和度的产生和消除。也就是说，将操作保持在介稳区域。对于大多数产品，可以根据溶解度和温度的关系，粗略控制在过冷度为4T=13°C或“最大允许过冷度”的一半。4.2） 溶液浓度/饱和浓度=1.02-1.05。若以氯化钠产品来估算，循环物料和进料之比约在100-200:1之间。4.3） C=PQ,P晶体产品产量kgh,Q循环泵流量，n?/h,ZC绝对过饱和度，kgm3o4.4） 强烈建议自己试验测定介稳区宽度，介稳区宽度分为初级成核和二次成核介稳区宽度，工业化中，主要考虑是二次成核介稳区宽度。文献上发表的大多是初级成核介稳区宽度，工业化过程介稳区宽度控制在初级成核介稳区宽度的10%-30%之间。4.5） 一般情况下，含有结晶水的介稳区宽度比无水的无机物要宽，有机物系比有机物系宽。过饱和度不仅仅有大小，还有分布。尤其注意混合、换热界面、搅拌桨叶附近等过饱和度的大小，机械混合可以减小亚稳区的宽度。5）控制过饱和度水平，使过饱和度主要以生长的方式消耗，避免初级成核,控制二次成核。通常成核晶体的大小为0.1到10微米。6）避免清液开车。开车时，最好加入晶种。比如加入产品量的10%的细晶种。7）晶体生长速率：7.1） 溶液结晶大约在0.1-0.8mmh,熔融结晶比溶液结晶快1到2个数量级。对于大多数系统来说，1O-m/s的增长速率发生在30C左右，但对于NaeI来说，这个速率直到70°C才会出现。7.2） 例如，在1O-m/s的生长速度下，晶体在3小时内生长到2mm；如果生长速度为10-9ms,则晶体生长到2mm需要10天。8）过度混合通常会抑制生长。由于晶体撞击泵和混合器叶轮的二次“接触成核”，混合也会影响晶粒尺寸分布CSD,特别是在反应结晶中。9）晶体的典型目标平均粒径为0.0753mm的方形或圆形，多数在1-1.5mm。10）清洗晶体很关键：10.1） 洗得太少产品纯度低；102）洗得太多会导致晶体重新溶解并损失产量。11）热量计算：10.2） 冷却时用2.9kJkgK（估算比热）加75-230kJkg的结晶热结晶产品。10.3） 水的蒸发需要4.6MJkg的结晶产品（对于溶解度为33%的产品，比如氯化钾）。晶浆固液混合物粘度为液相粘度的1.52倍。12）换热系数：冷却结晶K值常见在150-350wm2/K,蒸发K值常见在800-3200wm2/K之间。13）操作方式：产量在0.5吨/h以内的，常采用间歇操作。间歇操作比连续操作更容易获得粒度更均匀的产品，但是保持批次间的稳定性较难。典型产品尺寸为015至0.8rnro14）结晶器类型：14.1） FC使用最广泛，在需要高蒸发速率和或溶液粘度相对较高的情况下使用。运行非常稳定，停留时间有长有短。典型产品尺寸为0.10.4mm0例如，氯化钠、硫酸钠、一水碳酸钠、柠檬酸、尿素、糖。14.2） DTB结晶器：14.2.1） 设备内有过饱和产生区、晶体生长区以及清液澄清区，流体流动介于全混和活塞流之间，母液被泵送到一个垂直的中心导流管上，母液溢出并沿环空流下，将每次通过受热面产生的温升限制在1以内，成核率限制在非常低的值，工作时固体悬浮液的表观沉降体积为25-50%o1422）获得典型产品直径为0.33mm。适用于多级冷却操作、间歇操作和反应结晶器。14.3） 0S1O结晶器：14.3.1） 对晶体进行粒度分级、形成流态化。14.3.2） 通常用于粗晶体（硫酸筱）和沉降速度快的晶体（硫酸银）。14.3.3） 典型产品直径2-3mm以及以上。提供更大的晶体尺寸和更窄的CSDo4）刮板结晶器：14.4） 温度范围宽，从75C到IOO通过冷却器的液体的温降为1-2C；14.5） 通常在5-1OC范围内，但可以在比管壳式换热器高得多的AT下运行。14.6） 适用于溶质溶解度与温度关系适中或剧烈的场合。14.7） 适用于沸点升高极高（如NaOH）或温度过低而需要真空或粘度高达10000mPas或固体浓度高达65%ww固体的场合。14.8） 典型产品直径0.1-0.8mm0需要洗涤周期。典型的转速为15-30rpm;较高的转速改善了传热，但剪切产生了较小的晶体。5）直接接触制冷：15）直接注入制冷剂接触母液M1。避免了表面冷却问题，没有结疤现象。典型产品直径0.33mm°例如，对二甲苯与丙烷接触。16）MVR是机械蒸汽再压缩，仅仅是二次蒸汽再利用的一种方式，它仅仅是一个泵，压缩机尤其使用的条件和适用的范围。选用时要给与充分注意，可调整空间不是很大，对于物料组成和处理量变化较大的废水处理蒸发结晶过程，选择MVR蒸发结晶要特别小心。单独适用，往往不能适应工况要求。17）蒸发结晶是一个系统工程，需要从工艺参数、设备结构、仪表与控制等等方面进行全面考虑和优化。要遵循客观规律，比如现在常用的撬装式MVR蒸发结晶器，我们需要思考，如果你的循环泵选择的是轴流泵的话，需要的安装高度是多少？撬装能满足泵的安装要求吗？欢迎同仁提供实践数据，共同努力，促进行业进步。
