鹽酸甜菜堿結(jié)晶設(shè)備選擇方案介紹

一、真空結(jié)晶的介紹

    真空式結(jié)晶器與蒸發(fā)式結(jié)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(duì))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(jié)晶器的原料溶液多半是靠裝置外部的加熱器預(yù)熱，然后注入結(jié)晶器。當(dāng)進(jìn)入真空蒸發(fā)器后，立即發(fā)生閃蒸效應(yīng)，瞬間即可把蒸汽抽走，隨后就開始繼續(xù)降溫過程，當(dāng)達(dá)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(jié)晶器既有蒸發(fā)效應(yīng)又有制冷的效應(yīng)，也就是同時(shí)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(gè)方向前進(jìn)，迅速接近介穩(wěn)區(qū)。

真空結(jié)晶器一般沒有加熱器或者冷卻器，如果要使溶液升溫或者預(yù)冷都是在不飽和狀態(tài)下進(jìn)行。這就避免了在復(fù)雜的表面換熱器上析出結(jié)晶，延長(zhǎng)了換熱器的使用周期，防止了因結(jié)垢降低換熱能力等現(xiàn)象。溶液接近飽和后，一定要離開列管裝置，這時(shí)蒸發(fā)、降溫立即送到結(jié)晶器上部的蒸發(fā)室中，在蒸發(fā)室的沸騰液面上進(jìn)行，這樣也就不存在結(jié)垢問題。但是，在蒸發(fā)室閃急蒸發(fā)時(shí)，沸騰界面上的霧滴飛濺是很嚴(yán)重的。仍然要黏結(jié)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(chǎn)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(chǎn)能力下降，且可以在不中斷生產(chǎn)而得到清洗的效果。

二、Krystal真空結(jié)晶器的介紹

    Krystal型真空結(jié)晶器與其它形式的結(jié)晶器的區(qū)別在于不設(shè)置換熱器，主要依靠真空降溫（絕熱蒸發(fā)）來完成結(jié)晶及晶體生長(zhǎng)。溶液通過循環(huán)泵輸送到蒸發(fā)室進(jìn)行閃蒸，在一定真空度下與溶液達(dá)到液相平衡從而得到降溫制冷的效應(yīng)。下部的結(jié)晶生長(zhǎng)器主要是使過飽和溶液經(jīng)中央降液管直深入生長(zhǎng)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(zhǎng)大。按照粒度的大小自動(dòng)地從下至上分級(jí)排列。分級(jí)的操作法使底部的晶粒與上部未生長(zhǎng)到產(chǎn)品粒度的相互分開，取出管插在底部，因此產(chǎn)品取出來的都是均勻的球狀大粒結(jié)晶。

    Krystal型真空結(jié)晶器采用晶漿循環(huán)操作法，晶漿循環(huán)液量大，由生長(zhǎng)段經(jīng)過循環(huán)管到蒸發(fā)室再回到晶床之中是同一個(gè)晶漿濃度，有晶核存在時(shí)，過飽和的介穩(wěn)區(qū)更窄，晶核發(fā)生速率也會(huì)大為減小，因此設(shè)備結(jié)晶疤垢生長(zhǎng)也就比較緩慢，又由于加大了循環(huán)泵輸液量，實(shí)際產(chǎn)量在相同的晶床截面條件下，可比分級(jí)操作法大若干倍。

三、冷卻式Krystal分級(jí)結(jié)晶器的介紹

    冷卻式Krystal分級(jí)結(jié)晶器的過飽和產(chǎn)生設(shè)備是一個(gè)冷卻換熱器，一般是溶液通過換熱器的管程，而且管程以單程式的最普遍。冷卻介質(zhì)通過殼程。須指出的是殼程冷卻介質(zhì)的循環(huán)方式，在管程通過的溶液過飽和度設(shè)計(jì)限是靠主循環(huán)泵的流量所控制，冷卻介質(zhì)一側(cè)也同樣會(huì)發(fā)生過飽和度超過設(shè)計(jì)限的問題。因?yàn)樾迈r的冷卻介質(zhì)沖入換熱器殼程時(shí)，與溶液溫度差很大，而過飽和度的介穩(wěn)區(qū)是很狹窄的一個(gè)區(qū)域，為了防止這一現(xiàn)象發(fā)生，不致使冷卻介質(zhì)人口處迅速結(jié)垢，我單位在傳統(tǒng)的冷卻形式上另外再加上一套輔助循環(huán)泵，專為消除這一現(xiàn)象。

我單位大型結(jié)晶器配置多組換熱器（外冷器），這是由于在實(shí)際生產(chǎn)中，為了強(qiáng)化生產(chǎn)，各循環(huán)泵的揚(yáng)量又已固定，只好超過設(shè)計(jì)過飽和度限操作，結(jié)晶沉積的結(jié)垢速度迅速增加，當(dāng)傳熱惡化，甚至大部分冷卻小管的截面明顯減小，循環(huán)量變小，揚(yáng)程加大，這時(shí)必須切換 。我單位一般采用的是雙外冷器的無閥切換系統(tǒng)，把軸流泵安裝在結(jié)晶器的頂上，既取消了操作、設(shè)計(jì)都十分困難的切換閥，又便于切換啟動(dòng)與停車，對(duì)軸流泵的檢修吊裝都很方便，配備兩個(gè)以上外冷器，使運(yùn)行外冷器和停洗外冷器交替使用。本系統(tǒng)采用換熱器兩開一備，有利于清洗切換以及減少設(shè)備投資。

這種結(jié)晶設(shè)備的結(jié)晶室從工藝方式上分為兩種： 1、分級(jí)清液循環(huán)型，2、晶漿混流型

1、分級(jí)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(jìn)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(jié)晶生長(zhǎng)器主要是使過飽和溶液經(jīng)中央降液管直伸入生長(zhǎng)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(zhǎng)大。按照粒度的大小自動(dòng)地從下至上分級(jí)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(jí)的操作法使底部的晶粒與上部未生長(zhǎng)到產(chǎn)品粒度的互相分開，取出管是插在底部，因此產(chǎn)品取出來的都是均勻的球狀大粒結(jié)晶，這是它最大優(yōu)點(diǎn)。但是循環(huán)泵的輸送量在整個(gè)結(jié)晶器內(nèi)是一定的，這就造成結(jié)晶器內(nèi)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(gè)缺點(diǎn):第一個(gè)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(chǎn)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(diǎn)。所以生產(chǎn)能力的彈性很小。第二個(gè)缺點(diǎn)是由于上述現(xiàn)象的存在，造成同一直徑的設(shè)備比晶漿循環(huán)操作的生產(chǎn)能力要低幾倍。

2、晶漿混流型：從裝置的外觀上看不出有什么區(qū)別，但在本質(zhì)上截然不同。實(shí)際上是加大了晶漿循環(huán)液量，由生長(zhǎng)段經(jīng)過循環(huán)管到蒸發(fā)室再回到晶床之中是同一個(gè)晶漿放度(一個(gè)空隙率)。由于采用了混流過飽和的介穩(wěn)區(qū)雖然壓得更窄，但晶核的發(fā)生速率也會(huì)大為減小。因此設(shè)備各部位的結(jié)晶疤垢生長(zhǎng)也就比較緩慢。又由于加大了循環(huán)泵輸液量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)能彌補(bǔ)過飽和度值較小的因素，實(shí)際產(chǎn)量在相同的晶床截面條件下，可比分級(jí)操作法大若干倍。為了得到均勻的顆粒，在設(shè)備外部增加了分級(jí)裝置，把大粒的淘選出來過濾分離，把不合格的晶粒隨同溶液返回結(jié)晶系統(tǒng)。   

四、真空結(jié)晶器與冷卻結(jié)晶器的比較

如果結(jié)晶器與冷卻器聯(lián)用時(shí)，冷卻器就成為過飽和發(fā)生器，視過飽和度水平的高低，只有結(jié)垢相對(duì)嚴(yán)重與輕微之分；操作周期相對(duì)短一些與長(zhǎng)一些之分；可是從根本上避免倒換停車清洗，或者對(duì)附設(shè)的備用換熱器(冷卻器)定期切換清洗。換熱器設(shè)備都是比較龐大而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資也很高，從這一點(diǎn)上可以明顯看出真空結(jié)晶器的優(yōu)越性。此外，當(dāng)換熱器(冷卻器)結(jié)垢后，熱阻加大，傳熱能力變差，仍然保持原有的換熱能力勢(shì)必拉大溫差推動(dòng)力，這又會(huì)造成能耗的額外損失。因此近代的結(jié)晶都是盡可能優(yōu)先考慮選用真空結(jié)晶器。

五、鹽酸甜菜堿結(jié)晶選型

Ø  鹽酸甜菜堿結(jié)晶原理

1、鹽酸甜菜堿的過飽和度

95攝氏度62%左右鹽酸甜菜堿含量的溶液，通過不斷的真空蒸發(fā)和降溫來維持溶液的過飽和度，以產(chǎn)生晶體生長(zhǎng)的動(dòng)力。

2、鹽酸甜菜堿結(jié)晶的介穩(wěn)區(qū)

對(duì)于過飽和度太大的氨基酸鹽酸鹽溶液，新的晶核會(huì)大批的產(chǎn)生從而會(huì)消減晶體成長(zhǎng)的動(dòng)力，得不到合格的產(chǎn)品，所以控制溶液的過飽和度不至于出現(xiàn)大批的自發(fā)成核的這個(gè)區(qū)域會(huì)更有利于得到較大的顆粒產(chǎn)品。

3、影響鹽酸甜菜堿產(chǎn)品粒度的因素

溶液中析晶，可以分過飽和的形成、晶核生成和晶核的成長(zhǎng)三個(gè)階段。為了得到較大的晶體，必須避免晶核大量析出，并應(yīng)使一定數(shù)量的晶核不斷成長(zhǎng)。因此影響粒度的因素有以下五個(gè)方面。

(1)溶液成分的影響  實(shí)踐證明，不同母液具有不同的過飽和極限，母液組分的不同其介穩(wěn)區(qū)寬窄也不同。

(2)攪拌強(qiáng)度的影響  適當(dāng)增強(qiáng)攪拌，可以降低溶液的過飽和度，使其不致超過飽和極限，從而減少了大量析出晶核的可能。但過分激烈攪拌將使介穩(wěn)區(qū)縮小，又易出現(xiàn)細(xì)晶，同時(shí)顆粒間的互相摩擦撞擊會(huì)使結(jié)晶破碎，所以攪拌要適當(dāng)。

(3)冷卻速度的影響  一般來說，冷卻速度越快，過飽和度必然有很快增大的趨勢(shì)。生產(chǎn)中如冷卻速度快，就會(huì)有較大的過飽和度出現(xiàn)，容易超越介穩(wěn)區(qū)極限而析出大量晶核，因而不能得到大晶體。

(4) 晶漿固液比的影響  母液過飽和度的消失，需要一定的結(jié)晶表面。固液比高，結(jié)晶表面積大，過飽和度消失將較完全。這樣不僅可使已有結(jié)晶長(zhǎng)大，且可防止過飽和度積累，減少細(xì)晶出現(xiàn)，故應(yīng)保持適當(dāng)?shù)墓桃罕取?/span>

(5) 結(jié)晶停留時(shí)間的影響  停留時(shí)間為結(jié)晶器內(nèi)結(jié)晶盤存量與單位時(shí)間產(chǎn)量之比。在結(jié)晶器內(nèi)，結(jié)晶顆粒停留時(shí)間長(zhǎng)，有利于結(jié)晶粒子的長(zhǎng)大。當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)晶漿固液比一定時(shí)，結(jié)晶盤存量也一定;因此當(dāng)單位時(shí)間的產(chǎn)量小時(shí)，則停留時(shí)間就長(zhǎng)，從而可獲得大顆粒晶體。

總之，設(shè)計(jì)中怎樣選擇和組合系統(tǒng)裝置，不能從局部的合理性出發(fā)，必須從整體系統(tǒng)的觀點(diǎn)去考慮，才能求得整個(gè)系統(tǒng)的最佳。

Ø  鹽酸甜菜堿結(jié)晶工藝選擇

1、設(shè)計(jì)條件：

(1)進(jìn)結(jié)晶機(jī)原料規(guī)格：物料含量55%，料漿溫度95℃左右，PH約1.5。

(2)成品液工藝參數(shù)：結(jié)晶系統(tǒng)出料溫度25℃左右。

(3)結(jié)晶器正常處理料液量達(dá)到14噸/小時(shí)，產(chǎn)量4.2噸/小時(shí)，連續(xù)穩(wěn)定操作。

2、設(shè)備選型及工藝特點(diǎn)

(1)為了使晶體有更好的生長(zhǎng)環(huán)境和更高的收率本方案采用本方案采用兩級(jí)結(jié)晶，即真空結(jié)晶+冷卻結(jié)晶。與直接采用冷卻結(jié)晶形式相比設(shè)備投資小，一級(jí)結(jié)晶器不用循環(huán)冷卻水換熱，運(yùn)行費(fèi)用低，操作穩(wěn)定性好。

(2)配大流量、低揚(yáng)程、低轉(zhuǎn)速的軸流泵作為循環(huán)動(dòng)力，可以使物料均勻閃蒸、冷卻，避免產(chǎn)生大量細(xì)晶核。并防止了循環(huán)晶漿中的晶粒與循環(huán)泵的葉輪高速碰撞而出現(xiàn)大量二次成核現(xiàn)象。

(3)本工藝第一級(jí)結(jié)晶無冷卻換熱面，省掉了列管式冷卻器，不會(huì)產(chǎn)生換熱管鹽酸甜菜堿結(jié)疤，設(shè)備使用效率更高。根據(jù)結(jié)晶數(shù)據(jù)曲線第二級(jí)采用了外冷式的Krystal分級(jí)結(jié)晶器，為了使產(chǎn)品能夠連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)本級(jí)結(jié)晶采用雙外冷器的無閥切換系統(tǒng)。在第一級(jí)結(jié)晶器中采用了細(xì)晶消除裝置從而改善了產(chǎn)品的分布粒度和出料粒度的均勻性，使最終出料達(dá)到用戶滿意的可控工藝。

(4)根據(jù)用戶使用經(jīng)驗(yàn)本裝置的使用材質(zhì)為結(jié)晶罐為鈦復(fù)合板、換熱器為接觸物料部分純鈦材。

(5)為降低設(shè)備投資，本裝置采用了人工控制。相比較其它形式的冷卻結(jié)晶設(shè)備而言節(jié)約能量，操作更簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。

3、工藝流程

熱的鹽酸甜菜堿溶液通過進(jìn)料泵輸送至循環(huán)管道，通過軸流泵與罐內(nèi)溶液充分混合并送至結(jié)晶器上部的閃蒸室，由于本系統(tǒng)保持很高的真空度，所以溶液瞬間閃蒸，并使溶液溫度冷卻。此時(shí)在液面產(chǎn)生過飽和度在罐體內(nèi)與晶體接觸，過飽和度逐漸消失，晶體隨之慢慢長(zhǎng)大。一級(jí)結(jié)晶的晶漿經(jīng)固液分離后，固體進(jìn)入下工序，母液通過循環(huán)管道進(jìn)入第二級(jí)冷卻結(jié)晶裝置的罐內(nèi)經(jīng)循環(huán)繼續(xù)降溫、結(jié)晶、長(zhǎng)大，最后得到合格產(chǎn)品從結(jié)晶器底部取出，經(jīng)過稠厚器進(jìn)一步生長(zhǎng)后進(jìn)行離心、干燥。

具體工藝見附圖。

4、工藝控制及介紹

(1)晶體生長(zhǎng)的控制

根據(jù)平衡計(jì)算結(jié)合物料的結(jié)晶動(dòng)力參數(shù)通過合理流暢模擬最終得出結(jié)晶器的體積、外型結(jié)構(gòu)等。過飽和度、晶體生長(zhǎng)速率、晶體停留時(shí)間等結(jié)晶條件，是影響產(chǎn)品的晶型、粒度分布的主要因素。

(2)溶液溫度的控制

真空結(jié)晶器的溫度主要是通過真空度來進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)設(shè)備內(nèi)的蒸發(fā)溫度及冷卻部分溶液的溫度；冷卻結(jié)晶是通過調(diào)整進(jìn)入冷卻循環(huán)系統(tǒng)的冷卻水量來控制。

(3)最終產(chǎn)品粒度的控制

設(shè)備具有分級(jí)功能，可以把合乎顆粒度要求的產(chǎn)品分級(jí)出來。

(4)器壁結(jié)垢的控制

真空結(jié)晶器器由于不用冷卻器，所以從根本上解決了設(shè)備結(jié)垢堵塞得問題。在蒸發(fā)室閃急蒸發(fā)時(shí)，由于沸騰界面上的霧滴飛濺，會(huì)在蒸發(fā)器壁上形成一定晶垢，因此我們?cè)谡舭l(fā)室頂部附加一周向器壁噴灑的特殊洗滌噴管，在生產(chǎn)工程中可以在不間斷生產(chǎn)的情況下定期用清水清洗。冷卻結(jié)晶的冷卻器的換熱表面結(jié)垢采取的措施為：1、冷卻系統(tǒng)采用內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)使換熱表面溫差均勻可控度增強(qiáng)；2、提高換熱表面的流速來降低晶體的附著；3、增大換熱面積來降低換熱表面地溫差；4、二級(jí)結(jié)晶器采用三套換熱器設(shè)置，兩套運(yùn)行，一套備用，換熱器在清洗換熱管時(shí)交替切換使用。