工业结晶方法及十种结构原理介绍

工业结晶的方法

溶液结晶是指晶体从溶液中析出的过程。对于工业结晶按照结晶过程中过饱和度形成的方式，可将溶液结晶分为两大类：移除部分溶剂的结晶和不移除溶剂的结晶。

1不移除溶剂的结晶

不移除溶剂的结晶称冷却结晶法，它基本上不去除溶剂，溶液的过饱和度系籍助冷却获得，故适用于溶解度随温度降低而显著下降的物系。

2移除部分溶剂的结晶法

按照具体操作的情况，此法又可分为蒸发结晶法和真空冷却结晶法。蒸发结晶是使溶液在常压(沸点温度下)或减压(低于正常沸点)下蒸发，部分溶剂汽化，从而获得过饱和溶液。此法适用于溶解度随温度变化不大的物系，例如NaCl及无水硫酸钠等；

真空冷却结晶是使溶液在较高真空度下绝热闪蒸的方法。在这种方法中，溶液经历的是绝热等焓过程，在部分溶剂被蒸发的同时，溶液亦被冷却。因此，此法实质上兼有蒸发结晶和冷却结晶共有的特点，适用于具有中等溶解度物系的结晶

此外，也可按照操作连续与否，将结晶操作分为间歇式和连续式，或按有无搅拌分为搅拌式和无搅拌式等。

常见的工业结晶器

1冷却结晶器

间接换热釜式冷却结晶器是目前应用最广泛的一类冷却结晶器。冷却结晶器根据其冷却形式又分为内循环冷却式和外内循环冷却式结晶器。

空气冷却式结晶器是一种最简单的敞开型结晶器，靠顶部较大的敞开液面以及器壁与空气间的换热，以降低自身温度从而达到冷却析出结晶的目的，并不加晶种，也不搅拌，不用任何方法控制冷却速率及晶核的形成和晶体的生长。冷却结晶过程所需冷量由夹套或外部换热器提供。

1、内循环冷却式结晶器

内循环式冷却结晶器其冷却剂与溶剂通过结晶器的夹套进行热交换。这种设备由于换热器的换热面积受结晶器的限制，其换热器量不大。

2.外循环冷却式结晶器

外循环式冷却结晶器，其冷却剂与溶液通过结晶器外部的冷却器进行热交换。这种设备的换热面积不受结晶器的限制，传热系数较大，易实现连续操作。

2蒸发结晶器

蒸发结晶器与用于溶液浓缩的普通蒸发器在设备结构及操作上完全相同。在此种类型的设备(如结晶蒸发器、有晶体析出所用的强制循环蒸发器等)中，溶液被加热至沸点，蒸发浓缩达到过饱和而结晶。

但应指出，用蒸发器浓缩溶液使其结晶时，由于是在减压下操作，故可维持较低的温度，使溶液产生较大的过饱和度。但对晶体的粒度难于控制。因此，遇到必须严格控制晶体粒度的场合，可先将溶液在蒸发器中浓缩至略低于饱和浓度，然后移送至另外的结晶器中完成结晶过程。

3导流筒结晶机（DTB型蒸发结晶器）

导流筒结晶机是一种高效结晶设备，物料温度可控，其独特的结构和工作原理决定了它具有传热效率高、配置简单、操作控制方便、操作环境好等特点。

设备主体为根据流体计算后设计的外筒体和导流筒，配套专用螺旋浆实现了高效内循环，而几乎不出现二次晶核，根据冷却结晶体的生长速率和晶体大小，设计降温速度、搅拌桨转速等指标，各指标动态可调易实现系统自控制，以适应的结晶要求。

导流筒内外壁抛光，减小物料在内壁结疤现象；
导流筒本身有高的换热面,也可另设冷却器；
晶浆过饱和度均匀，粒度分布良好，实现了高效率；
相对能耗低；
下部安装出料阀可实现连续生产；
转速低，变频调控,适用性强,运行可靠，故障少。

操作要点:结晶取出速率，晶种加入速率，PH制调整，搅拌速率

下部接有淘析柱，器内设有导流筒和筒形挡板，操作时热饱和料液连续加到循环管下部，与循环管内夹带有小晶体的母液混合后泵送至加热器。加热后的溶液在导流筒底部附近流入结晶器，并由缓慢转动的螺旋桨沿导流筒送至液面。

溶液在液面蒸发冷却，达过饱和状态，其中部分溶质在悬浮的颗粒表面沉积，使晶体长大。在环形挡板外围还有一个沉降区。在沉降区内大颗粒沉降，而小颗粒则随母液入循环管并受热溶解。晶体于结晶器底部入淘析柱。为使结晶产品的粒度尽量均匀，将沉降区来的部分母液加到淘析柱底部，利用水力分级的作用，使小颗粒随液流返回结晶器，而结晶产品从淘析柱下部卸出。

4OSLO流化床型冷却法结晶器

1.主要特点

是过饱和度产生的区域与晶体生长区分别结晶器的两处，晶体在循环母液中流化悬浮，为晶体生长提供了较好的条件，能够生产出粒度较大而均匀的晶体。

2.工艺过程

它在循环管路上增设列管式冷却器，母液单程通过列管向上方循，浓的料液在循环泵前加入，与循环母液混合后一起经过冷却器冷却而产生过饱和度，之后进入结晶器中流化悬浮，生产出粒度较大而均匀的晶体。产品（晶体）悬浮液由结晶器锥底引出。

1控制系统采用 PLC控制器，有系统信息上传接口。要求能够自动监测控制结晶温度、晶体粒度，轴流泵采用变频控制，进、出料作业能够自动控制；
OSLO结晶机分为蒸发式OSLO结晶机和冷却式OSLO结晶机两大类。蒸发式OSLO结晶机是由外部加热器对循环料液加热进入真空闪蒸室蒸发达到过饱和，再通过垂直管道进入悬浮床使晶体得以成长，由于OSLO结晶器的特殊结构，体积较大的颗粒首先接触过饱和的溶液优先生长，依次是体积较小的溶液；冷却式OSLO结晶机冷却器是由外部冷却器对饱和料液冷却达到过饱和，再通过垂直管道进入悬浮床使晶体得以成长，由于OSLO结晶器的特殊结构，体积较大的颗粒首先接触过饱和的溶液优先生长。因此OSLO结晶机生产出的晶体具有体积大、颗粒均匀、生产能力大。并具有连续操作、劳动强度低等优点
3.工作原理及特点
（1）特点：
由于OSLO的本身特殊结构使生产出的产品具有颗粒较大，粒度分布较窄的优点；
溶液循环量较大，溶液的过饱和度较小，不易产生二次晶核c；
可连续生产，产量可大可小；
清液循环不存在晶体破碎问题；
悬浮床内过饱和度均匀给晶体成长提供了良好的条件，d>20μ。
OSLO冷却式结晶器的过饱和产生设备是一个冷却换热器，溶液通过换热器的管程，而且管程为双程式的。冷却介质通过壳程。须指出的是壳程冷却介质的循环方式。在管程通过的溶液过饱和度设计限是靠主循环泵的流量所控制，冷却介质新鲜的冷却介质需要有合适的配合流量.
（2）分级清液循环型
主要是控制循环泵抽吸的是基本不含晶体的清溶液，然后输送到冷却器去进行降温，通过降温使循环母液中的过饱和度增加。下部的结晶生长器主要是使过饱和溶液经中央降液管直伸入生长器的底部，再徐徐穿过流态化的晶床层，从而消失过饱和现象，晶体也就逐渐长大。
按照粒度的大小自动地从下至上分级排列，而晶浆浓度也是从下到上逐步下降，上升到循环泵入口附近已变成清液。分级的操作法使底部的晶粒与上部未生长到产品粒度的互相分开，取出管是插在底部，因此产品取出来的都是均匀的球状大粒结晶，这是它最大优点。
但是循环泵的输送量在整个结晶器内是一定的，这就造成结晶器内晶粒的流态化的终端速度和晶浆浓度(也就是空隙率的大小)的限制，这样必然带来两个缺点:第一个是过饱和度较大，但是安全的过饱和介稳区域一般都是很狭窄的，而且生产上往往不允许越过介稳区的上限，一般都在介稳区中部或偏上一点。
所以生产能力的弹性很小。第二个缺点是由于上述现象的存在，造成同一直径的设备比晶浆循环操作的生产能力要低几倍。
5外循环型结晶器
简称FC结晶器，由结晶室、循环管、循环泵、换热器等组成。结晶室有锥型底，晶浆从锥底排出后，经循环管用轴流式循环泵送过换热器，被加热或冷却后重新又进入结晶室，如此循环不已，属于晶浆循环型。晶浆排出口位于接近结晶室锥底处，而进料口则在排料口之下的较低的位置上。可以连续操作，也可以间歇操作。

结晶器可通用于蒸发法、间壁冷却法或真空冷却法结晶。若用于后者则换热器无存在的必要，而结晶室与真空系统相连，以便在室内维持较高的真空。这种形式的结晶器适用于生产氯化钠、氯化钡、氯化钾、尿素、次磷酸钠、硫酸钠、硫酸铵、柠檬酸及其它一些无机及有机晶体。产品粒度约在0.05～1mm范围。
6真空式结晶器
真空式结晶器与蒸发式结晶器的区别是前者真空度更高，要求操作温度下的饱和蒸汽压(绝对)与该温度下溶液的总蒸汽分压相等。操作温度一般都要低于大气温度或者最高是接近气温。

真空式结晶器的原料溶液多半是靠装置外部的加热器预热，然后注入结晶器。当进入真空蒸发器后，立即发生闪蒸效应，瞬间即可把蒸汽抽走，随后就开始继续降温过程，当达到稳定状态后，溶液的温度与饱和蒸汽压力相平衡。
因此真空结晶器既有蒸发效应又有制冷的效应，也就是同时起到移去溶剂与冷却溶液的作用。溶液变化沿着溶液浓缩与冷却的两个方向前进，迅速接近介稳区。
真空结晶器一般没有加热器或者冷却器，避免了在复杂的表面换热器上析出结晶，防止了因结垢降低换热能力等现象，延长了换热器的使用周期。溶液的蒸发、降温在蒸发室的沸腾液面上进行，这样也就不存在结垢问题。
但是，在蒸发室闪急蒸发时，沸腾界面上的雾滴飞溅是很严重的。仍然要黏结在蒸发室器壁上形成晶垢。需要在蒸发室的顶部附加一周向器壁喷洒的特殊洗涤喷管或洗水溢流环，在生产过程中定期地用清水清洗，以避免蒸发器截面逐渐缩小而带来的生产能力下降，且可以在不中断生产而得到清洗的效果。
7真空冷却结晶器
真空冷却结晶器是将热的饱和溶液加入一与外界绝热的结晶器中，由于器内维持高真空，故其内部滞留的溶液的沸点低于加入溶液的温度。这样，当溶液进入结晶器后，经绝热闪蒸过程冷却到与器内压力相对应的平衡温度。
真空冷却结晶器可以间歇或连续操作。图片7-9所示为一种连续式真空冷却结晶器。热的原料液自进料口连续加入，晶浆(晶体与母液的悬混物)用泵连续排出，结晶器底部管路上的循环泵使溶液作强制循环流动，以促进溶液均匀混合，维持有利的结晶条件。
蒸出的溶剂(汽体)由器顶部逸出，至高位混合冷凝器中冷凝。双级式蒸汽喷射泵用于产生和维持结晶器内的真空。一般地，真空结晶器内的操作温度都很低，所产生的溶剂蒸汽不能在冷凝器中被水冷凝，此时可在冷凝器的前部装一蒸汽喷射泵，将溶剂蒸汽压缩，以提高其冷凝温度。
8转鼓结晶机
转鼓结片是一个冷却结晶过程，料盘中熔融料液与冷却的转鼓接触，在转鼓表面形成料膜，通过料膜与转鼓间的换热，使料膜冷却、结晶，结晶的物料被刮刀刮下，成为片状产品。转鼓干燥是通过转动的转鼓，以热传导的方式，将附在转鼓外壁的液相物料或带状物料进行加热干燥的一种连续操作设备。
典型物料：
聚乙烯低聚物、石油树脂、氧化聚乙烯等高分子类产品；苯酐、顺酐、萘、平平加、高级脂肪醇、氯乙酸、三羟基丙烷、硝酸胍、双酚a、间苯二硬脂酸等有机化工产品；硫磺、硫化碱、烧碱、硫氢化钠、氯化钙等无机化工产品。
设备结构紧凑，占地面积小； 转鼓精度高，产品均匀度好；采用多组刮刀，调节灵活；半管夹套式料盘，安全可靠；设有侧刮刀，避免转鼓侧鼓积料。

9表面连续结晶器(套管结晶机)

刮壁表面连续结晶器是一个冷却结晶过程，高粘度料液与冷却内管壁接触，在表面形成冷却结晶的料膜，旋转的刮刀叶片不断刮除管壁上妨碍传热的结晶料膜层，并且不断向前推料将结晶带出。可根据具体产量情况确定冷却面积，选择设备机组。
1.设备优点：
（1）结晶温度范围广(-60 C 到 +100 C).
（2）适合高固含量或高粘度的油脂类物料的结晶
（3）设备连续操作，可简单控制各项指标
（4）设备占地面积小，处理量大，可替代大型真空结晶器，且没有复杂的附属设备如冷凝器，真空系统等
2.应用领域
润滑油脱蜡，高粘有机物结晶，粘性液体冷却等，氨冷式和换热式;换热面积可根据用户需求进行设计制造。

10卧式结晶机

结晶是医药、化工生产中常见的化工单元操作过程，是一种与温度、时间、搅拌状态紧密相关的工艺过程。结晶过程一般为降温过程，在一定的时间内， 以不同的速率降温是结晶过程的基本特征。不同的产品有不同的结晶过程曲线，而同一种产品，不同的结晶过程对产品的内在质量和外观质量有很大影响。

由于结晶过程具有时间长、温度差小、控制指数高、结晶曲线易变等特点，采用人工控制结晶过程往往达不到理想的要求，为此，本结晶机采用了专用的结晶曲线过程控制系统， 以适应各种物料结晶过程提高产品的质量。
卧式结晶机是一种高效率的结晶设备， 由计算机控制物料温度，按预先设定结晶曲线平稳进行，其自动控制系统具有如下功能：
（1）测量范围：0 ~ 200 0C 测量精度0．5级；
（2）控制规律：连续PID 串级；
（3）控制精度：±1℃ 超调量<5％； 、
（4）手／自无扰动切换；
（5）结晶曲线在线设定和修改，控制参数在线设定和修改：
（6）程序段大于10段，时间长度大于1个月；
（7）可带通讯接口，便于集散控制；
（8）控制参数：报警、控制；
（9）可具有防爆功能：
（10）具备实时和历史记录功能，便于数据分析。