悬浮熔融结晶技术—— 一种高效连续化提纯手段

1、引言

    在化学工业中, 为了获得纯净的固体物质, 常使溶解于液体中的固体物质呈结晶状而析出,此种操作过程称为结晶。在悬浮结晶过程中, 是利用物质的不同溶解度与不同的晶形, 创造相应的结晶条件, 可使固体物质以极其纯洁的姿态从原液中结晶析出, 悬浮在液体中, 只要在过程之末, 设法将母液与晶体以过滤、离心分离等方法, 将母液尽量除去, 就能保证晶体的纯度。

    悬浮结晶是熔融结晶的一种，是一种高选择性、低能耗、无溶剂的分离过程。该技术提供了一种高效、高可靠性和全自动分离过程。因此，它能有效地满足高纯度产品和生态生产方法的工业需求。

2、悬浮结晶工艺过程

    悬浮结晶是将原料液置于带有搅拌装置的结晶釜或带有固体输送器的结晶塔中，通过降温使晶体析出，析出的晶体颗粒悬浮于熔融液中。对于需多次固-液平衡才能分离的物系，须采用自下而上具有一定温度、浓度梯度的结晶塔，塔中液体为连续相。低温区为结晶段，高温区为提纯段。在结晶析出的晶体被缓慢输送至提纯段，被高浓度的熔融液逆流洗涤而得到进一步提纯。悬浮结晶塔一般采用连续操作方式。

    典型的悬浮结晶过程如图1所示，由两个循环组成。结晶循环由结晶器和生长容器组成。晶体是由带刮刀的壁结晶器产生，结晶器有一定的时间在搅拌生长容器内增加尺寸。晶体在结晶循环中成熟后，进入分离循环，由活塞式洗涤塔回收。

    该过程开始时，进料被引入到生长容器。在结晶器和生长容器之间连续循环的结晶悬浮液中加入晶体悬浮液。成熟的晶体悬浮液被输送到洗涤塔中，在洗涤塔中被压缩并分离成纯的和不纯的成分。从洗涤塔顶部除去液体残渣，同时用旋转刮刀盘从底部取出洗涤过的晶体，然后利用加热器将纯晶体熔化在熔化回路中，从而产生液体纯产品。

    悬浮结晶过程中，一步就能获得高纯度的产品，但是悬浮结晶过程中易产生影响传质、传热效率的结壁现象，塔中晶体颗粒的悬浮与输入对设备的流体力学设计也提出了较高要求。而且悬浮结晶耗能比层式结晶要少，从长远看，悬浮结晶更有前途，在单步操作即有很大的分离效率。通过额外的洗涤晶体层、使用热流泵能显著降低层式结晶和悬浮结晶过程所需能量。

图1 悬浮结晶过程

3 设备简介

3.1结晶器

    结晶器是一个垂直的夹套容器，内部有一个旋转轴，刮刀叶片被安装在其中，如图2所示。冷却液流过外套，从大片液体中除去热量，形成新的晶体。

图2 悬浮结晶器

3.2生长容器

    生长容器，也称为成熟容器，有一个搅拌器，以使晶体均匀地悬浮在悬浮液中。保持体积决定停留时间，次冷却使晶体生长。

3.3洗涤塔

    洗涤塔是一种由标准气动或液压活塞驱动的机械分离装置，如图3所示。洗涤塔本身由一个圆筒、一个带有整体滤网的可移动的活塞和一个在滚筒下部装有刮削刀的旋转盘组成。活塞和盘之间的空间填满了晶体填充床。洗涤塔的效率主要取决于晶体的大小和粘度。较大的晶体和较低的粘度使分离效率更高。

    洗涤塔属于强制传输纯化塔，在这种塔中，床层移动靠压力或机械力，这种塔的特征是形成了紧密填充的晶体床层，孔隙率小于等于0.45，这种塔可以实现连续操作，且纯的熔融液为洗涤液。

图3 洗涤塔

4 洗涤塔的工作过程

图4 洗涤塔工作过程

4.1填满

    填充步骤从活塞向上运动开始。活塞下面的空间充满了悬浮回路的悬浮液。同时，活塞上方的液体残渣被推回到悬浮回路中，或者从整个电池限制的过程中移出。填充行程以活塞在顶部位置结束。

4.2压缩

    活塞和水晶床之间的空间现在充满了悬挂的水晶。然后活塞开始向下运动。滤渣流过滤网，晶体不能通过滤网，因此它们留在洗涤柱中。当活塞继续压缩行程时，在现有的水晶床上面形成一层新的晶体层。

4.3洗涤

    活塞继续推动水晶床，增加熔化环内的压力，这就造成了压力差。水晶床迫使熔化环中的纯净液体通过刮板孔和水晶床向上移动，从而洗涤晶体。洗脸前会移位并向上移动。

4.4刮

    第四步开始，通过激活旋转盘持有的刮刀。活塞继续推向水晶床并向下移动，因为刮刀切断了水晶床的碎片，使它们进入熔化回路。当活塞达到最低位置，转盘被关闭时，刮削步骤就完成了。

5 应用