盐酸甜菜碱结晶设备选择方案介绍

一、真空结晶的介绍

    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，如果要使溶液升温或者预冷都是在不饱和状态下进行。这就避免了在复杂的表面换热器上析出结晶，延长了换热器的使用周期，防止了因结垢降低换热能力等现象。溶液接近饱和后，一定要离开列管装置，这时蒸发、降温立即送到结晶器上部的蒸发室中，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。

二、Krystal真空结晶器的介绍

    Krystal型真空结晶器与其它形式的结晶器的区别在于不设置换热器，主要依靠真空降温（绝热蒸发）来完成结晶及晶体生长。溶液通过循环泵输送到蒸发室进行闪蒸，在一定真空度下与溶液达到液相平衡从而得到降温制冷的效应。下部的结晶生长器主要是使过饱和溶液经中央降液管直深入生长器的底部，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。分级的操作法使底部的晶粒与上部未生长到产品粒度的相互分开，取出管插在底部，因此产品取出来的都是均匀的球状大粒结晶。

    Krystal型真空结晶器采用晶浆循环操作法，晶浆循环液量大，由生长段经过循环管到蒸发室再回到晶床之中是同一个晶浆浓度，有晶核存在时，过饱和的介稳区更窄，晶核发生速率也会大为减小，因此设备结晶疤垢生长也就比较缓慢，又由于加大了循环泵输液量，实际产量在相同的晶床截面条件下，可比分级操作法大若干倍。

三、冷却式Krystal分级结晶器的介绍

    冷却式Krystal分级结晶器的过饱和产生设备是一个冷却换热器，一般是溶液通过换热器的管程，而且管程以单程式的最普遍。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，冷却介质一侧也同样会发生过饱和度超过设计限的问题。因为新鲜的冷却介质冲入换热器壳程时，与溶液温度差很大，而过饱和度的介稳区是很狭窄的一个区域，为了防止这一现象发生，不致使冷却介质人口处迅速结垢，我单位在传统的冷却形式上另外再加上一套辅助循环泵，专为消除这一现象。

我单位大型结晶器配置多组换热器（外冷器），这是由于在实际生产中，为了强化生产，各循环泵的扬量又已固定，只好超过设计过饱和度限操作，结晶沉积的结垢速度迅速增加，当传热恶化，甚至大部分冷却小管的截面明显减小，循环量变小，扬程加大，这时必须切换 。我单位一般采用的是双外冷器的无阀切换系统，把轴流泵安装在结晶器的顶上，既取消了操作、设计都十分困难的切换阀，又便于切换启动与停车，对轴流泵的检修吊装都很方便，配备两个以上外冷器，使运行外冷器和停洗外冷器交替使用。本系统采用换热器两开一备，有利于清洗切换以及减少设备投资。

这种结晶设备的结晶室从工艺方式上分为两种： 1、分级清液循环型，2、晶浆混流型

1、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。

2、晶浆混流型：从装置的外观上看不出有什么区别，但在本质上截然不同。实际上是加大了晶浆循环液量，由生长段经过循环管到蒸发室再回到晶床之中是同一个晶浆放度(一个空隙率)。由于采用了混流过饱和的介稳区虽然压得更窄，但晶核的发生速率也会大为减小。因此设备各部位的结晶疤垢生长也就比较缓慢。又由于加大了循环泵输液量，远远能弥补过饱和度值较小的因素，实际产量在相同的晶床截面条件下，可比分级操作法大若干倍。为了得到均匀的颗粒，在设备外部增加了分级装置，把大粒的淘选出来过滤分离，把不合格的晶粒随同溶液返回结晶系统。   

四、真空结晶器与冷却结晶器的比较

如果结晶器与冷却器联用时，冷却器就成为过饱和发生器，视过饱和度水平的高低，只有结垢相对严重与轻微之分；操作周期相对短一些与长一些之分；可是从根本上避免倒换停车清洗，或者对附设的备用换热器(冷却器)定期切换清洗。换热器设备都是比较庞大而且结构复杂，投资也很高，从这一点上可以明显看出真空结晶器的优越性。此外，当换热器(冷却器)结垢后，热阻加大，传热能力变差，仍然保持原有的换热能力势必拉大温差推动力，这又会造成能耗的额外损失。因此近代的结晶都是尽可能优先考虑选用真空结晶器。

五、盐酸甜菜碱结晶选型

Ø  盐酸甜菜碱结晶原理

1、盐酸甜菜碱的过饱和度

95摄氏度62%左右盐酸甜菜碱含量的溶液，通过不断的真空蒸发和降温来维持溶液的过饱和度，以产生晶体生长的动力。

2、盐酸甜菜碱结晶的介稳区

对于过饱和度太大的氨基酸盐酸盐溶液，新的晶核会大批的产生从而会消减晶体成长的动力，得不到合格的产品，所以控制溶液的过饱和度不至于出现大批的自发成核的这个区域会更有利于得到较大的颗粒产品。

3、影响盐酸甜菜碱产品粒度的因素

溶液中析晶，可以分过饱和的形成、晶核生成和晶核的成长三个阶段。为了得到较大的晶体，必须避免晶核大量析出，并应使一定数量的晶核不断成长。因此影响粒度的因素有以下五个方面。

(1)溶液成分的影响  实践证明，不同母液具有不同的过饱和极限，母液组分的不同其介稳区宽窄也不同。

(2)搅拌强度的影响  适当增强搅拌，可以降低溶液的过饱和度，使其不致超过饱和极限，从而减少了大量析出晶核的可能。但过分激烈搅拌将使介稳区缩小，又易出现细晶，同时颗粒间的互相摩擦撞击会使结晶破碎，所以搅拌要适当。

(3)冷却速度的影响  一般来说，冷却速度越快，过饱和度必然有很快增大的趋势。生产中如冷却速度快，就会有较大的过饱和度出现，容易超越介稳区极限而析出大量晶核，因而不能得到大晶体。

(4) 晶浆固液比的影响  母液过饱和度的消失，需要一定的结晶表面。固液比高，结晶表面积大，过饱和度消失将较完全。这样不仅可使已有结晶长大，且可防止过饱和度积累，减少细晶出现，故应保持适当的固液比。

(5) 结晶停留时间的影响  停留时间为结晶器内结晶盘存量与单位时间产量之比。在结晶器内，结晶颗粒停留时间长，有利于结晶粒子的长大。当结晶器内晶浆固液比一定时，结晶盘存量也一定;因此当单位时间的产量小时，则停留时间就长，从而可获得大颗粒晶体。

总之，设计中怎样选择和组合系统装置，不能从局部的合理性出发，必须从整体系统的观点去考虑，才能求得整个系统的最佳。

Ø  盐酸甜菜碱结晶工艺选择

1、设计条件：

(1)进结晶机原料规格：物料含量55%，料浆温度95℃左右，PH约1.5。

(2)成品液工艺参数：结晶系统出料温度25℃左右。

(3)结晶器正常处理料液量达到14吨/小时，产量4.2吨/小时，连续稳定操作。

2、设备选型及工艺特点

(1)为了使晶体有更好的生长环境和更高的收率本方案采用本方案采用两级结晶，即真空结晶+冷却结晶。与直接采用冷却结晶形式相比设备投资小，一级结晶器不用循环冷却水换热，运行费用低，操作稳定性好。

(2)配大流量、低扬程、低转速的轴流泵作为循环动力，可以使物料均匀闪蒸、冷却，避免产生大量细晶核。并防止了循环晶浆中的晶粒与循环泵的叶轮高速碰撞而出现大量二次成核现象。

(3)本工艺第一级结晶无冷却换热面，省掉了列管式冷却器，不会产生换热管盐酸甜菜碱结疤，设备使用效率更高。根据结晶数据曲线第二级采用了外冷式的Krystal分级结晶器，为了使产品能够连续稳定生产本级结晶采用双外冷器的无阀切换系统。在第一级结晶器中采用了细晶消除装置从而改善了产品的分布粒度和出料粒度的均匀性，使最终出料达到用户满意的可控工艺。

(4)根据用户使用经验本装置的使用材质为结晶罐为钛复合板、换热器为接触物料部分纯钛材。

(5)为降低设备投资，本装置采用了人工控制。相比较其它形式的冷却结晶设备而言节约能量，操作更简单、稳定。

3、工艺流程

热的盐酸甜菜碱溶液通过进料泵输送至循环管道，通过轴流泵与罐内溶液充分混合并送至结晶器上部的闪蒸室，由于本系统保持很高的真空度，所以溶液瞬间闪蒸，并使溶液温度冷却。此时在液面产生过饱和度在罐体内与晶体接触，过饱和度逐渐消失，晶体随之慢慢长大。一级结晶的晶浆经固液分离后，固体进入下工序，母液通过循环管道进入第二级冷却结晶装置的罐内经循环继续降温、结晶、长大，最后得到合格产品从结晶器底部取出，经过稠厚器进一步生长后进行离心、干燥。

具体工艺见附图。

4、工艺控制及介绍

(1)晶体生长的控制

根据平衡计算结合物料的结晶动力参数通过合理流畅模拟最终得出结晶器的体积、外型结构等。过饱和度、晶体生长速率、晶体停留时间等结晶条件，是影响产品的晶型、粒度分布的主要因素。

(2)溶液温度的控制

真空结晶器的温度主要是通过真空度来进行控制，从而调节设备内的蒸发温度及冷却部分溶液的温度；冷却结晶是通过调整进入冷却循环系统的冷却水量来控制。

(3)最终产品粒度的控制

设备具有分级功能，可以把合乎颗粒度要求的产品分级出来。

(4)器壁结垢的控制

真空结晶器器由于不用冷却器，所以从根本上解决了设备结垢堵塞得问题。在蒸发室闪急蒸发时，由于沸腾界面上的雾滴飞溅，会在蒸发器壁上形成一定晶垢，因此我们在蒸发室顶部附加一周向器壁喷洒的特殊洗涤喷管，在生产工程中可以在不间断生产的情况下定期用清水清洗。冷却结晶的冷却器的换热表面结垢采取的措施为：1、冷却系统采用内循环系统使换热表面温差均匀可控度增强；2、提高换热表面的流速来降低晶体的附着；3、增大换热面积来降低换热表面地温差；4、二级结晶器采用三套换热器设置，两套运行，一套备用，换热器在清洗换热管时交替切换使用。