CN1100164C - 改进的结晶设备和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种表面流动床冷却结晶设备(10)和方法，其中用气泡(优选空气)流冲洗浸没的换热器表面(通常是冷却剂所流过的换热器管(14)或板)。气泡增加了换热器表面的局部速度，从而改进了传热，减少了在换热器表面的结晶，使晶体平稳地保持悬浮状态，故而避免了以使用机械搅拌装置为特征的不必要的成核。通过连续地移出消耗的晶浆和结晶，结晶器(10)能以一种连续的方式操作。

Description

改进的结晶设备和方法

发明背景和描述

本发明一般地涉及一种改进系统中热交换的设备和方法，在该系统中，在浆液主体中有换热表面。更具体地说，本发明涉及一种改进的结晶设备和方法，其中，在结晶系统中使用气泡来提供改进的热交换，其中，换热表面浸没在浆液主体中。关于这一点，本发明的一个重要方面是提供一种新的改进的表面冷却的流动床结晶器(fluid bedcrystallizer)，结晶器包括位于其中的通过换热器管或板上方和周围的晶浆朝上释放气泡(通常是空气)的气体分配器，以改进冷却液体和晶浆之间的热交换，从而工业化生产具有要求粒径的结晶产品。

使用浸没在盛于容器中的浆液主体中的换热器表面(如，换热器管或板)的表面冷却结晶系统通常用在由于温度低真空结晶不实用或溶液沸点的升高较高时的应用中。通常这些系统在常压下操作，其特点是由于结晶积聚在换热器表面，并且在换热器表面上流体速度相对低，使得传热速率相对小。

为克服以上提到的表面冷却结晶器的缺点所作出的努力包括使用机械搅拌装置。例如，在搅拌式 分批结晶器中，水通过冷却盘管循环，溶液被中心轴上的桨叶搅拌。搅拌提高了传热速率，并使溶液的温度更均匀。此外，这还能使细晶处于悬浮状态，使它们有机会均匀地生长，不会形成大的结晶体或聚集体。然而，机械搅拌装置引起的震动引入了不必要的成核作用，这会导致形成粒径小的产品晶体。搅拌式 分批结晶器的其它缺点是系统是分批的或间歇方法，以及在盘管表面上的滞膜内的溶解度最小。所以，在这个位置上晶体的生长最快，盘管上很快会积聚大量的晶体，从而降低了传热速率。

在现有技术的结晶过程中使用空气搅拌通常包括在没有换热表面存在的浆液主体的位置中引入空气。例如，US 3 599 701中描述了一种系统，为了浓缩浆液和在结晶区产生足够的扰动以防止或减少分粒(classification)，从而使结晶区内的所有表面都具有基本均匀的组成，将空气注结晶区的浆液主体中。类似地，US 3 883 311描述了一种反应结晶器，其中利用了位于浆液主体内的导流筒下方的空气分布器。这些文献中没有一个利用空气泡去冲洗换热器表面。

按本发明的重要方面，通过提供一种表面冷却结晶设备和方法来克服现有技术中的结晶器系统的问题和缺点，其中用气泡流冲洗浸没的换热器表面。特别地，如冷水或盐水的冷却剂流过的换热表面(换热管或板)浸没在浆液主体中。冷却剂在便于结晶的温度下形成或维持了晶浆，且位于换热表面下方的气体分布器产生气泡，优选是空气泡，气泡向上穿过换热器表面上方和周围的浆液。这种气体提高了表面的局部速度，从而改进了传热，减少了换热器壁上的结晶，使晶体保持在一种平稳的悬浮状态，避免了使用机械循环装置为特征的不必要的成核。气泡的使用能将静态结晶器转化为搅拌结晶器，但没有与使用机械搅拌有关的缺点。此外，通过连续地移出消耗掉的晶浆和晶体，结晶能以一种连续的方式操作。

本发明也能有利地使用于其它类型的结晶系统，这些结晶系统包括，如使用反应气体代替空气来冲洗浸没的通过冷却或加热介质的换热管或板，这取决于特定的应用场合是需要输入还是需要从浆液主体中移出热量以维持结晶条件。这样，在具有浸没于浆液主体中的换热管或板并且具有位于换热管或板下方的气体分布器的反应型结晶器中，也能得到本发明的前述优点。使反应气体穿过浆液向上排放，不仅在浆液主体中产生了必要的反应，而且按前面所描述的方式冲洗了换热表面。

因此，本发明的一个重要目的是提供一种改进的结晶设备和方法。

本发明的另一目的是提供一种特征在于改进系统换热的结晶设备，其中换热表面位于浆液主体中，并不需要机械搅拌和强制循环装置。

本发明的另一目的是提供一种改进的结晶设备和方法，其中在位于浆液主体中的换热表面上和周围排放气泡以搅拌浆液，并且防止在换热表面的结晶形成或使之最小。

本发明的另一目的是提供一种改进的表面冷却流动床结晶器和方法，其中冷却剂流过的换热管或板浸没在晶浆体中，并叠加在气体分布器的上方，分布器向上排出气泡穿过换热管或板上方或周围的浆液，不仅改进了冷却液体与晶浆之间的传热，使得换热管或板上的晶粒的形成最小，而且对浆液进行了平稳的搅拌，但没有不必要的成核。

本发明的另一目的是提供一种改进的反应型结晶器，其中冷却或加热介质通过浸没在浆液主体中并叠加在气体分布器上方的换热管或板循环，气体分布器供给反应气体，在浆液主体中产生必要的反应，这样不仅搅拌了浆液(但不需机械搅拌)，同时防止了在换热管或板的表面形成结晶，或使之最小。

通过结合附图进行详细描述后，本发明的这些和另一些目的将更加明显，附图中相同的数字表示类似的部件，其中：

图1是按本发明的装有气体分布器的表面冷却流动床结晶器的示意图；

图2是类似于图1的表面冷却结晶器侧视图，更详细地描述了换热器和空气分布器；

图3是图2所示表面冷却结晶器的平面图；

图4是图2和图3中所示的表面冷却结晶器中换热部件的侧视图；

图5是图4中所示换热器部件的顶视平面图；

图6是图2和图3中所示的表面冷却结晶器气体分布部件的侧视图；

图7是图6所示气体分布器部件的顶视平面图；

图8是用在体现本发明的结晶器中的气体分布器的一部分的立视图；

图9是图8所示气体分布器的一部分的底视平面图；

图10是体现本发明特征的反应型结晶器的示意流程图；

图11是体现装有内部挡板的本发明的多室结晶器的内视示意图；

图12是沿图11的12-12线的剖视图，描述了图11中的挡板的取向；

图13是沿图11的12-12线的剖视图，描述了图11中的挡板的另一种取向；

图14是体现装有另一种内部挡板取向的本发明的多室结晶器的内视示意图；

图15是体现装有清洗/增稠挡板的本发明的单室结晶器的内视示意图；

图16是体现装有清洗/增稠挡板和析出段的本发明的单室结晶器的内视示意图。

参看附图，特别是图1，体现本发明的表面冷却流动床结晶器通常用参考数字10表示。结晶器10包括槽体11，通过进料口12从进料槽(未示出)供应液体。如所示，槽体11包含的浆液主体处于环境压力下。来自供料槽(未示出)的冷却水输送入进料口13，流过换热管14经出口15返回到供料槽循环以再生冷。空气通过鼓风机16经管线17供应到气体进口18，再流过具有许多小孔(orifices)(最好是图8和9中所示的)的分布器19，空气经小孔分布以气泡的形式向上移动穿过换热器管14上方和周围的浆液。在预定的高度提供一个溢流排放堰20以维持槽11内的浆液高度，通过浆液排放口21从槽11中回收晶体产品。由空气出口22从槽11中排出的饱和空气经返回管线23返回到鼓风机16，再循环回空气进口18。

图2-7更详细地描述了类似于图1所示表面冷却结晶器的某些部分。在此，相同的参考数字用来表示类似的部件，更详细的描述则是不必要的。正如图2-5所示，换热器可以具有一个集管25，它包括一个内部接受室25a，一个内部传输室25b和一个内部排放室25c。接受室25a与进口13流动连接，引导换热介质(冷水或盐水)流入换热管段14a的进口，再流过管段14b，来自管段14b的流体被接受在传输室25b中，并被引导入管段14c的进口，再流过管段14c和14d，进入内部排放室25c，经出口15排放到换热介质再生工段(未示出)。

相应地，气体分布集管26接受来自管线17的空气或其它合适的气体，将其输送到多个气体分布器19a-p的进口，如图2、3、6和7所示。这些气体分布器的每一个都位于一组换热管的下方，以向浆液主体中提供气泡流，气泡向上移动穿过换热管上方或周围的浆液。关于这一方面，应当理解，虽然所示的实施方案中是使用了换热管，其它形式的换热装置，如具有流动通道的换热板也可以使用。

流入结晶器系统中的空气流量取决于浆液/晶浆的密度、所形成晶体的大小和物理性质，以及结晶器/蒸发器本体的横截面积。通常，所用的空气流量应能产生最小直径的气(如，空气)泡，以向浆液提供需要的平稳搅拌。本领域内的技术人员应当理解，气体分布器19上的小孔的特殊孔径和间隔随这些参数变化，所以本发明并不限于任何特定的气体分布器直径尺寸或这种小孔的任何特定的孔径和间隔。然而，在这一方面，发现可以使用内径为约1.27厘米(1/2英寸)或小至10.16厘米(4英寸)或更大的空气分布器，而直径为约5.08厘米(2英寸)至10.16厘米(4英寸)对大多数工业应用是合适的。如图8和9所示，分布器19a上的小孔19a’和19a”可以交错排列，每个小孔的直径为约0.16厘米(1/16英寸)，每一交错排的中心间距(在图9中用“a”和“c”表示)为约1.27厘米(1/2英寸)，相邻排的孔之间的中心距“b”为约0.635厘米(1/4英寸)。应当理解，这些特定的孔径和取向仅仅是为了描述，这些尺寸可以按特定应用的需要来改变。

在钠盐的结晶系统中，如十水碳酸钠和十水硫酸钠的结晶系统中，合适的空气流量为约0.0152-0.152立方米每秒每平方米(3-30CFM/ft²)床，通常约0.051-0.152立方米每秒每平方米(10-30CFM/ft²)的空气流量是优选的。对于高密度的晶体，例如，五水硫酸铜，较高的流量是合适的，通常是约0.051-0.76立方米每秒每平方米(10-150CFM/ft²)，约0.101-0.36立方米每秒每平方米(20-70CFM/ft²)的空气流量是优选的。应当理解，可以使用高于这样的空气流量，然而，较高的流量不能产生性能的明显改进，较高的流量通常伴随着较高的操作费用。但是，在蒸发型结晶器中，较高的空气速度能降低设备的尺寸。

正如前面所注意到的，本发明的优点可用在反应型结晶器上，在这些过程中的反应可以是放热或吸热反应。在这样的系统中，供给分布器的气体是与浆液中的内容物反应以生产必要的产物的气体。例如，体现本发明结晶器的使用放热反应方法的应用包括，但不限于如下反应：           I                II          III     IV     V            VI在上述反应中，供给反应I和II的气体是二氧化碳，供给反应III、IV和V的是二氧化硫，供给反应VI的是氨气。应当理解，因为这些反应是放热的，所以应向换热盘管或板供给如冷水或盐水的冷却剂。

与此相对应，本发明的优点可以用在反应型结晶器中，与使用冷的介质相反，向浸没的换热器供给热的介质。这些应用的例子反应表示如下：                   VII           VIII                    IX

如图10所示，反应型结晶器30可以包括槽体31，其中盛有浆液32。具体应用中所需的加热或冷却介质供给到浸没的换热器34的进口33，经出口35排出以循环，并再生所使用的特定介质。

来自适当气源(未示出)的反应气体由工艺管线36供给结晶器，按本发明的一个重要方面，优选对气体进行处理以使当其进入浆液时是饱和的。如图10所示，这一饱和可以通过在37处添加溶剂、水或蒸汽和/或在如图所示38处冷却反应气体来实现。饱和的反应气体在进口39供给分布器40，在前面描述的实例的情况下，分布器40包括许多小孔，通过小孔以气泡的形式排放气体，使之向上穿过管上方或周围的浆液，使其不仅与浆液反应，同时，对浆液主体产生了必要的平稳的搅拌，并且防止在换热器管或板的表面形成结晶，或使之最小。饱和气体经气体出口42从槽31排出，经返回管线43返回鼓风机44以再生，再进入供给管线36。由于保证了供给到分布器40的反应气体是饱和的，有效地消除或很大程度上减少了对分布器上的小孔的堵塞。

必要时，可以在结晶器本体内使用内部挡板，以改进结晶器的性能。一种这样的结构示于图11，其中结晶器本体50包括三个室50a、50b和50c，每一个都延伸结晶器的整个长度。如图所示，每一室都有一个空气/气体分布器51a、51b和51c，它们相应地叠放在换热管52a、52b和52c的下方，都是以横截面的形式示出的。

在槽中提供用参考数字53a/b和54a/b表示的多板挡板，它们是这样放置的：它们的下表面通常位于空气分布器的上方，它们的上表面位于浆液液面55的下方。挡板可以如图12所示偏离进料口或如图13所示朝向进料口取向。作为一种选择，如图14所示，挡板60a和60a’、60b和60b’、60c和60c’可以在槽50内垂直取向，并平行于换热器管52a、52b和52c，延伸结晶器的整个长度。在每一种结构中，挡板用来在结晶器本体内影响流动，以在槽50的水平轴方向在距浆液排放点的任何给定浆液高度上得到更均匀的浆液浓度。

必要时，本发明的特征可以引入结晶器系统中，引入所谓的清洗挡板，在相邻于换热器的浆液主体部分70提供增稠的浆液和一个静态的区域71，从该区域移出液体和细晶。例如，如图15所示，结晶器本体65具有一个进口66，用来将进料排入浆液主体中以维持必要的液面高度。在空气/气体分布器65b的上方提供多个换热管65a。从浆液主体中逸的液体从出口67排出，增稠的浆液由浆液排放出口68回收。从出口72移出母液和细晶导致了在结晶器的区域70形成粒径较大的晶体。

如图16所示，对结晶器65进行了改动，用析出段73代替浆液排放出口68，析出段延伸到静止区71的最下部。析出段73提供了一种选择的结构，因些，可以从系统中回收较大的晶体颗粒。

用各种这样的结晶器评估表面冷却流动床结晶器的性能。下表是设备的概述和在这些试验中获得的代表性数据。这些数据用于说明本发明的目的，而不是用来限定本

发明的范围。容器/换热器：

                             装置1            装置2                       装置3槽中浆液体积的总升数             0.787             94.635                       189.271

                            (0.208加仑)       (25加仑)                     (50加仑)液面高度(厘米)                   10.16             38.1                         40.64

                            (4英寸)           (15英寸)                     (16英寸)管径(厘米)                       0.7938            1.588                        2.54

                            (0.3125英寸)      (0.625英寸)                  (1英寸)管长(厘米)                       10.16             152.4                        147.32

                            (4英寸)           (60英寸)                     (58英寸)管数                             7                 5、10或15                    4通道数                           1                 5                            4换热面积(平方米)                 0.02898           0.39019、0.78967或.1.17986   1.95096

                            (0.312平方英尺)   (4.2、8.5或12.7平方英尺)      (21平方英尺)空气分布器

                               装置1                  装置2                 装置3空气流量，m³/s(×10^-3)           0.145                 12.27-19.82            53.04-66.08

                               (0.307ft³/min)       (26-42ft³/min)       (70-140ft³/min)每平方米床的空气，m³/s(×10^-3)   1.74                  4.53-7.32              6.61-13.22

                               (3.68ft³/min)        (9.6-15.5ft³/min)    (14-28ft³/min)生产晶体的类型                      Na₂CO₃·10H₂O     Na₂CO₃·10H₂O     Na₂CO₃·10H₂O

                                Na₂SO₄·10H₂O空气分布器条件：

                                   装置1              装置2               装置3传热系数，焦/小时.米².℃(×10⁴) 126.1400-176.5961   113.5261-252.2801   100.9120-170.2891(BTU/HR./SQ.FT/°F)                  (200-280)            (180-400)           (160-270)LMDT(对数平均温度差)，℃              12.6-27              12.6-18            12.6-19.8

                                 (7-15°F)            (7-10°F)           (7-11°F)晶体产率LBS/HR                        0.5-4.6               50-90              70-140

前述试验数据和在本发明中收集的其它试验数据表明：按本发明的装有空气分布器的表面冷却流动床结晶器在对数平均温度差(log mean temperature differences)为12.6-27℃(7°-15°F)时的传热系数为1009121-2522801焦/小时.米².℃(160-400BTU/hr./sq.ft./°F)。与此相反，没有空气分布作用的强制循环表面冷却结晶器在对数平均温度差为约9-13.5℃(5°-7.5°F)时的典型传热系数为473025-756840焦/小时.米².℃(75-120BTU/hr./sq.ft./°F)。

在前面的说明书中，本发明是按表面冷却流动床结晶器和反应型流动床结晶器来描述的，应当理解，对本领域内的技术人员来说，对所描述的实例进行改进和变动是明显的。还应当理解，用本发明可获得的改进的传热效果，而且其它优点也可用在其它结晶系统中，其中浸没的换热表面位于浆液主体中，例如用于具有机械搅拌和能量传递的结晶器中(如强制循环表面冷却结晶器、聚四氟乙烯管结晶器、搅拌槽冷却结晶器和强制循环熔化器)。因此，本发明仅受所附的权利要求的限制。

Claims (30)

1.一种流动床结晶器，所述结晶器包括：

适合于容纳含有要结晶的过饱和液体的浆液主体的容器；

适合于将所述浆液维持在有利于结晶的温度下的换热器；

向所述换热器供给换热介质的装置；

位于所述容器中的气体分布器；

向所述气体分布器供给气体的装置；和

从所述浆液主体中排出晶体产品的装置；

其特征在于，所述换热器的尺寸和在所述容器中的位置使得它浸没于所述的浆液主体中，且所述气体分布器是在所述换热器的下方，所述气体分布器具有用来向上排放气泡流的许多小孔，气泡向上穿过在所述换热器表面上方和周围的所述浆液主体。

2.根据权利要求1的流动床结晶器，包括收集从所述浆液主体中逸出的气体并使所述气体循环回所述气体分布器装置。

3.根据权利要求1的流动结晶器，其中所述结晶器中没有机械搅拌和强制循环装置。

4.根据权利要求1的流动床结晶器，其中所述气体是空气。

5.根据权利要求1的流动床结晶器，进一步包括在将所述气体供给到所述气体分布器之前使所述气体饱和的装置。

6.根据权利要求1的流动床结晶器，其中所述气体与所述浆液主体中的一种或多种组分反应。

7.根据权利要求6的流动床结晶器，包括在将所述反应气体供给到所述分布器之前使所述反应气体饱和的装置。

8.根据权利要求1的流动床结晶器，其中所述容器进一步包括挡板，挡板的尺寸和在所述浆液主体中的位置便于形成较大粒径的晶体产品。

9.根据权利要求1的流动床结晶器，其中所述换热介质是从所述浆液主体中移出热量的冷却剂。

10.根据权利要求1的流动床结晶器，其中所述换热介质是向所述浆液主体供给热量的物质。

11.根据权利要求1的流动床结晶器，其中所述换热器包括浸没在所述浆液主体中的换热器管。

12.根据权利要求1的流动床结晶器，其中所述换热器包括许多具有流动通道的板，换热介质通过这些通道。

13.一种表面冷却流动床结晶器，所述结晶器包括：

适合于容纳含有要结晶的过饱和液体和晶体颗粒的浆液主体的容器；

适合于将所述浆液维持在有利于结晶的温度下的换热器；

向所述换热器供给冷却剂的装置；

位于所述容器中的空气分布器；

向所述空气分布器供给所述空气的装置；和

从所述浆液主体中排出晶体产品的装置，

其特征在于，所述换热器的尺寸和在所述容器中的位置使得它浸没于所述的浆液主体中，且所述空气分布器是在所述换热器的下方，所述空气分布器具有用来向上排放气泡流的许多小孔，气泡向上穿过在所述换热器表面上方和周围的所述浆液，还包括：在所述空气供给到所述空气分布器之前使所述空气饱和的装置和收集从所述浆液主体中逸出的空气并使所述空气循环回所述气体分布器的装置。

14.根据权利要求13的表面冷却流动床结晶器，其中所述换热器包括许多换热管，其尺寸的在所述容器中的位置是能使之浸没在所述浆液主体中。

15.根据权利要求13的表面冷却流动床结晶器，其中所述换热器包括许多具有流体通道的换热板，所述冷却剂通过所述通道循环，所述换热板的尺寸和在所述容器中的位置能使之浸没在浆液主体中。

16.一种用浆液主体形成晶体的方法，该方法包括：

将浆液主体容纳在具有给定横截面积的容器中，所述浆液主体含有溶剂组分、溶质组分和许多晶体颗粒；

使所述浆液的主体与浸没其中的换热器接触；

向所述浸没的换热器的换热表面的上方和周围的所述浆液主体供给气泡流；和

从所述浆液主体中排出晶体产品，在换热器表面浆液的局部速度增加，在所述浸没的换热器的换热表面上的固体聚结形成最小。

17.根据权利要求16的方法，其中所述浆液主体处在环境压力下。

18.根据权利要求16的方法，其中所述气体是空气。

19.根据权利要求16的方法，其中为产生所述气泡向所述浆液主体供给的气体的流量是0.0152-0.762立方米每秒每平方米所述容器横截面积。

20.根据权利要求19的方法，其中所述气体的流量是0.051-0.36立方米每秒每平方米所述容器横截面积。

21.根据权利要求19的方法，其中所述气体的流量是0.051-0.152立方米每秒每平方米所述容器横截面积。

22.根据权利要求19的方法，其中所述气体的流量是约0.101-0.36立方米每秒每平方米所述容器横截面积。

23.根据权利要求16的方法，所述气体与所述浆液中一种或多种组分反应。

24.根据权利要求16的方法，为产生所述气泡，将所述气体供给到浆液，所述气体在排入所述浆液中之前用所述浆液的溶剂组分饱和。

25.一种用浆液主体形成晶体的方法，该方法包括：

将浆液的主体容纳在具有给定横截面积的容器中，所述浆液主体含有溶剂组分、溶质组分和许多晶体颗粒；

使所述浆液体与浸没其中的换热器接触；

向位于所述容器中在所述换热器下方的空气分布器供给空气以在所述浆液主体中产生空气泡流，气泡在所述浸没的换热器的换热表面上方和周围流动；

向所述换热器供给冷却剂；和

从所述浆液主体中排出晶体产品，使得在换热器的换热表面处所述浆液的局部速度增加，在所述浸没的换热器的换热表面上的固体聚结形成最小。

26.根据权利要求25的方法，其中所述浆液主体处在环境压力下。

27.根据权利要求25的方法，其中为产生所述气泡，向所述浆液供给的气体的流量是0.0152-0.762立方米每秒每平方米所述容器横截面积。

28.根据权利要求27的方法，其中所述气体的流量是0.051-0.36立方米每秒每平方米所述容器横截面积。

29.根据权利要求27的方法，其中所述气体的流量是0.051-0.152立方米每秒每平方米所述容器横截面积。

30.根据权利要求27的方法，其中所述气体的流量是0.101-0.36立方米每秒每平方米所述容器横截面积。

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