過志昌

（上海迅昌化工裝備技術(shù)研究所)

化工裝備技術(shù)領(lǐng)域的幾個重要發(fā)明及其應(yīng)用*

過志昌*

（上海迅昌化工裝備技術(shù)研究所)

介紹了近幾年來開發(fā)的幾項化工裝備技術(shù)，其中包括連續(xù)結(jié)晶機、筒錐式反應(yīng)過濾洗滌干燥多功能機、平板式過濾洗滌干燥多功能機，分析了這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。

結(jié)晶機攪拌槳多功能機冷卻過濾干燥料漿

1 GLJ-高效刮壁式空心板片冷卻連續(xù)結(jié)晶機

1.1 研發(fā)過程介紹

眾所周知，物料的冷卻結(jié)晶是醫(yī)藥、化工、食品等行業(yè)十分重要的單元操作，結(jié)晶的好壞將直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。目前我國生產(chǎn)的結(jié)晶機品種不多，只有攪拌釜式結(jié)晶機、臥式長槽形螺帶攪拌結(jié)晶機等幾種。近幾年來，我國也引進了國外的DTB、ASLO、DP等幾種結(jié)晶機。但由于其結(jié)晶技術(shù)并不是很先進，加上使用效果不是很理想，因而也沒有在我國產(chǎn)生較大的影響。此外，這些結(jié)晶設(shè)備對于提高傳熱系數(shù)和降低能耗并沒有顯著的優(yōu)勢，因而沒有受到國人的青睞也在情理之中。

由于結(jié)構(gòu)簡單和造價低，目前我國用得最多的還是如圖1所示的釜式結(jié)晶機，這種結(jié)晶機約占目前使用量的90%以上。釜式結(jié)晶機存在諸多缺點：

（1）由于夾套的冷卻作用，結(jié)晶首先從釜壁開始，使得晶狀物首先結(jié)在釜壁，嚴重時可在釜壁上形成厚厚的晶狀物，大大影響傳熱效率。這時雖可通過提高攪拌轉(zhuǎn)速來減少晶狀物的結(jié)壁，但在很多情況下結(jié)晶過程是受到攪拌轉(zhuǎn)速制約的。攪拌轉(zhuǎn)速過快，會使晶粒粒徑大大減小，影響下一步的過濾洗滌操作。對于希望獲得較大晶粒的場合，提高攪拌轉(zhuǎn)速往往是不合適的。另外，對于釜式攪拌結(jié)晶，攪拌槳一般難以做到刮壁攪拌，這樣就難以將結(jié)在釜壁上的晶粒刮下，因而傳熱效率大大降低。

（2）對于普通結(jié)晶釜，往往是靠近冷卻釜壁處結(jié)晶效果好一點，而在釜中心處的物料結(jié)晶很慢，整個釜內(nèi)晶粒很不均勻，整體結(jié)晶速度很慢。通常，一批物料全部結(jié)晶完，少則幾小時，多則十幾小時甚至幾十小時。這樣的結(jié)晶釜不但能耗大，勞動力成本高，而且產(chǎn)品質(zhì)量也不高。

圖1 釜式結(jié)晶機

（3）對于在釜內(nèi)加入冷卻盤管的結(jié)晶釜，雖可大大提高冷卻面積，但由于冷卻盤管是靜止的，結(jié)晶時先在靜止盤管外形成晶狀物，嚴重影響了傳熱效果。另外加入盤管后會大大影響結(jié)晶釜的攪拌效果，刮壁攪拌更是不可能。在釜壁上和盤管上形成較多晶狀物后，傳熱效果更差，結(jié)晶料漿也不容易順利完全排出。

（4）由于結(jié)晶釜底部往往為標準橢圓封頭，因而對于物料濃度較高、結(jié)晶固體較多的結(jié)晶釜，往往排料不徹底，部分結(jié)晶固體會殘留在釜底排不出，影響了產(chǎn)量，增加了能耗。

針對普通結(jié)晶釜存在的諸多缺點，筆者做了大量的研究開發(fā)工作，先后研制成功了WPJ-臥式高效內(nèi)轉(zhuǎn)圓盤冷卻結(jié)晶機、WGJ-臥式高效內(nèi)轉(zhuǎn)排管冷卻結(jié)晶機、WLJ-臥式高效內(nèi)轉(zhuǎn)螺帶冷卻結(jié)晶機、WLLJ-臥式螺旋推進式連續(xù)冷卻結(jié)晶機、LGJ-立式高效內(nèi)轉(zhuǎn)排管冷卻結(jié)晶機、LLJ-立式高效內(nèi)轉(zhuǎn)螺帶冷卻結(jié)晶機等，形成為高效結(jié)晶機系列。這些設(shè)備可大大提高結(jié)晶效率，節(jié)省能耗和減少結(jié)晶時間，并獲得了多項國家專利，在醫(yī)藥、食品、冶金、礦山、化工、精細化工等很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

上述新開發(fā)的結(jié)晶機與釜式結(jié)晶機相比，效率雖有很大提高，但在結(jié)晶過程中旋轉(zhuǎn)運動部件的冷卻表面仍有晶體析出，一旦冷卻表面有晶體形成，哪怕很薄也會影響冷卻效果。對于間隙操作的場合，這種冷卻表面結(jié)晶現(xiàn)象還不十分突出，因為下一批熱的結(jié)晶物料加入時會把這層結(jié)晶體溶解掉。但對于連續(xù)結(jié)晶的情況，問題就會非常突出，因為冷卻表面的結(jié)晶體會越積越厚而無法去除，嚴重地影響冷卻效果。為了解決上述問題，筆者還研制出了GLJ-高效刮壁式空心板片冷卻連續(xù)結(jié)晶機和GGJ-高效刮壁式空心板片冷卻分批結(jié)晶機。這種結(jié)晶機的研發(fā)成功，可以說是對我國結(jié)晶技術(shù)的重大突破，因為這種結(jié)晶機在結(jié)晶的整個過程中可對冷卻表面進行清壁操作，使冷卻表面始終處于干凈狀態(tài)，從而大大提高冷卻傳熱效果，使一臺結(jié)晶機可替代十幾臺甚至更多的釜式結(jié)晶機。

1.2 新型結(jié)晶機的結(jié)構(gòu)形式及工作原理

GLJ-高效刮壁式空心板片冷卻連續(xù)結(jié)晶機和GGJ-高效刮壁式空心板片冷卻分批結(jié)晶機采用全新的結(jié)構(gòu)和工作原理，它們的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。在一個臥式長槽形容器內(nèi)組合排列了很多空心冷卻板片，中心攪拌軸從所有的冷卻板片內(nèi)穿越通過，在每兩個空心冷卻板片之間安裝有阻流式分隔圓盤和很多旋輪推進刮壁式攪拌裝置。這種刮壁式攪拌裝置可對所有的冷卻表面都起到清壁作用，使傳熱和冷卻效率大大提高。

圖2 GLJ－高效刮壁式空心板片冷卻連續(xù)結(jié)晶機

被結(jié)晶的物料從一端進入，并被迂回曲折緩慢向前推進到另一端溢流排出。在這一過程中，物料與大量的冷卻表面充分接觸，迅速冷卻，實現(xiàn)真正的快速連續(xù)結(jié)晶。

根據(jù)需要，該形式結(jié)晶機也可設(shè)計成快速分批結(jié)晶，可任意控制攪拌轉(zhuǎn)速和結(jié)晶速度，以獲得理想的晶體粒徑。對于發(fā)汗提純結(jié)晶的場合，可通過大量空心板片的快速冷卻在所有的空心冷卻板片之間析出晶體，然后加熱發(fā)汗，去除雜質(zhì)后最終溶解排出，獲得純度很高的產(chǎn)品。

1.3 主要優(yōu)點

(1)由于在一個臥式長槽形容器內(nèi)組合排列了大量的空心冷卻板片，其冷卻面積一般是同樣容積的釜式結(jié)晶機的5～20倍，冷卻面積非常大。

(2)結(jié)晶機內(nèi)所有的空間每隔一段不遠的距離都有冷卻表面，無冷卻死角，物料的結(jié)晶很均勻。

(3)所有的表面都有清壁攪拌推進式刮板，從而使冷卻表面始終干凈，使結(jié)晶過程中冷卻效率大大提高，實現(xiàn)真正的快速冷卻結(jié)晶。因此，該結(jié)晶機一臺就可替代十幾臺甚至更多臺的釜式結(jié)晶機。

(4)實現(xiàn)真正的連續(xù)結(jié)晶。該結(jié)晶機在結(jié)晶過程中始終有刮壁清壁作用，其傳熱系數(shù)和冷卻效率可始終維持不變，這是其它結(jié)晶機所不能做到的。

(5)可快速分批結(jié)晶。用于分批結(jié)晶時，一臺機可替代5～10臺甚至更多臺的釜式結(jié)晶機，可通過控制攪拌轉(zhuǎn)速和冷卻速度控制結(jié)晶顆粒大小。

(6)當用于發(fā)汗提純結(jié)晶時，可通過大量空心板片的快速冷卻在所有的空心冷卻板片之間結(jié)成晶體，然后加熱發(fā)汗，去除雜質(zhì)后最終溶解排出獲得純度很高的產(chǎn)品，可解決列管式發(fā)汗結(jié)晶等無法解決的難題。

(7)實現(xiàn)密閉操作，特別適合于易燃易爆、有毒物料或鮮美食品、藥品等的冷卻結(jié)晶。

(8)按GMP標準設(shè)計，可用于食品、藥品等潔凈度要求極高的場合。

1.4 GLJ-高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機的應(yīng)用

阿斯巴甜為在可口可樂、百事可樂等飲料和食品中添加的甜味劑，其化學名稱為苯丙氨酸，為白色結(jié)晶狀的粉末，全球使用量的70%在中國生產(chǎn)。

原來阿斯巴甜的結(jié)晶都采用釜式結(jié)晶、間歇操作的方法生產(chǎn)。反應(yīng)釜出來的料漿溫度為62℃左右，需在結(jié)晶釜內(nèi)冷卻到0℃左右才能進行結(jié)晶。物料加入結(jié)晶釜后，隨著冷卻的進行，結(jié)晶首先從釜壁開始。一般結(jié)晶開始后2 h，在釜壁上可生成8～10 cm厚的晶體層。這時，由于傳熱效果已很差，必須打開結(jié)晶釜上部的人孔，用木棒或塑料棒把壁上的晶體捅下來，然后蓋上人孔蓋，打開攪拌機進行攪拌繼續(xù)結(jié)晶。又過了2 h，在釜壁上又生成了8～10 cm厚的晶體層，這時需要再打開上部人孔，再用木棒或塑料棒把壁上的晶體捅下來。這樣的過程要重復進行4～5次才能使結(jié)晶釜內(nèi)的物料全部完成結(jié)晶，即全部完成結(jié)晶需要的時間為10 h左右，不但結(jié)晶時間長，勞動強度高，能耗大，而且也很難做到符合食品生產(chǎn)的GMP標準要求。

采用GJJ-高效刮壁式空心板片冷卻分批結(jié)晶機可對阿斯巴甜進行結(jié)晶。將反應(yīng)釜出來的62℃的料漿加入到結(jié)晶機中，由于每兩塊冷卻結(jié)晶板片間距離為180 mm，因此在靜止狀態(tài)下1 h就可完成全部結(jié)晶，白色結(jié)晶體基本充滿每兩塊板片間。之后，開動攪拌刮壁裝置，對結(jié)晶好的物料進行刮壁攪拌打槳，最后將其排出結(jié)晶機。采用釜式結(jié)晶機對阿斯巴甜進行結(jié)晶，每天24 h只能完成兩批次生產(chǎn)。而采用GJJ-高效刮壁式空心板片冷卻分批結(jié)晶機，24 h能完成18個批次生產(chǎn)，同樣大小的設(shè)備，其結(jié)晶效率是普通釜式結(jié)晶機的9倍。

以江蘇宜興一家生產(chǎn)阿斯巴甜的企業(yè)為例，全球40%的阿斯巴甜由該企業(yè)生產(chǎn)。該企業(yè)使用了18臺GJJ-6.5（即容積6.5 m3）的分批結(jié)晶機，代替了原來使用的160臺同樣容積的釜式結(jié)晶機。該公司結(jié)晶部分由原來的三個大型結(jié)晶機車間縮小到占地只有半個車間大小，占地面積大大降低，能耗和勞動力成本大大降低，產(chǎn)品質(zhì)量還比原來有所提高，且完全達到了GMP標準。

圖3 阿斯巴甜原釜式結(jié)晶機車間現(xiàn)場

圖4 阿斯巴甜刮壁式空心板片冷卻分批結(jié)晶機車間現(xiàn)場

2.1 研發(fā)過程介紹

眾所周知，反應(yīng)、過濾、干燥是化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)三個十分重要的單元操作，一般要有反應(yīng)釜、過濾機、干燥機三個單元設(shè)備來完成。這三個單元設(shè)備分別都有各自的配套裝置，因而設(shè)備占地面積大，造價高。此外，單元與單元間物料的搬運或輸送較麻煩，不但勞動強度大，還易造成物料的走失和浪費。對于易燃易爆、有毒或劇毒的物料，或不允許有污染的生物制品、藥品、食品等，要求密閉操作，這時反應(yīng)、過濾、干燥這三個裝置間物料的輸送難度就更高，有時常常會因此而造成整套裝置不能完全處于正常操作狀態(tài)，而且勞動強度大，生產(chǎn)周期長，能耗大，效率低，甚至影響產(chǎn)品質(zhì)量。

正是基于上述原因，筆者進行了大量的設(shè)計研發(fā)工作，終于研制成功LFGG-筒錐式反應(yīng)過濾洗滌干燥多功能機（見圖5），實現(xiàn)了化工裝備技術(shù)的重大突破。該機的發(fā)明對中國乃至世界的化工裝備技術(shù)領(lǐng)域都產(chǎn)生了重大影響，其技術(shù)在世界領(lǐng)先。

2.2 筒錐式多功能機的結(jié)構(gòu)形式及工作原理

該多功能機為筒錐式結(jié)構(gòu)，在圓筒體和下部錐體上設(shè)置有加熱夾套，可對物料進行加熱或冷卻。在多功能機內(nèi)部設(shè)置有空心軸和變角度變導程空心螺旋攪拌裝置，用以對物料進行攪拌和提升，在出料時推出物料。在下部錐體內(nèi)設(shè)置有結(jié)構(gòu)較復雜的圓錐形過濾裝置，在設(shè)備底部有特殊設(shè)計的無死角快開出料裝置或無死角氣動出料球閥。

在反應(yīng)階段，反應(yīng)物料從頂部加入，獨特的攪拌結(jié)構(gòu)可使物料在機內(nèi)得到十分均勻的攪拌，并通過筒體夾套、錐體夾套及空心軸、空心螺旋的同時加熱或冷卻，使物料在機內(nèi)充分反應(yīng)。在過濾階段，該機可使物料在機內(nèi)通過加壓或抽真空過濾濾干，并加入洗滌液，使物料在機內(nèi)進行多次自動再漿洗滌，達到洗滌要求后再壓干。在干燥階段，筒體夾套、錐體夾套、空心軸、空心螺帶同時對物料進行加熱并在頂部抽真空，對物料進行真空密閉干燥，干燥后自動密閉出料。

圖5 筒錐式反應(yīng)過濾洗滌干燥多功能機

2 LFGG-筒錐式反應(yīng)過濾洗滌干燥多功能機

2.3 主要優(yōu)點

(1)一機多用?？稍谝慌_機內(nèi)完成反應(yīng)、萃取、過濾、洗滌、反復多次過濾洗滌、干燥等多種操作，并直接得到成品。

(2)密閉操作，特別適合處理易燃易爆、有毒或劇毒的危險產(chǎn)品以及不允許有污染的鮮美食品、生物制品和藥品等。

(3)筒體夾套、錐體夾套及空心軸、空心螺帶同時對物料進行加熱或冷卻，熱效率高，能耗低。

(4)特殊的攪拌螺旋設(shè)計，可使物料在反應(yīng)、過濾、洗滌、干燥各個階段都對物料進行十分均勻的攪拌，從而使整機的工作效率達到很高水平。

(5)在過濾階段，由于螺帶與過濾介質(zhì)的良好貼合刮壁作用，可使物料在薄層濾餅條件下進行過濾，過濾效率高。

(6)簡化和縮短工藝流程，設(shè)備占地面積小，廠房和設(shè)備投資大大節(jié)省。

(7)操作方便，勞動強度低，加工出的產(chǎn)品質(zhì)量好。

(8)環(huán)保、節(jié)能、減排。

2.4 LFGG-筒錐式過濾洗滌干燥多功能機的應(yīng)用

該反應(yīng)過濾洗滌干燥多功能機從20世紀90年代發(fā)明以來，經(jīng)過不斷改進和革新，已申請了多項國家專利。該機為世界獨創(chuàng)，其技術(shù)水平在國際上是一流的，到目前為止已有1500臺在醫(yī)藥、化工、精細化工、食品、礦山、冶金等行業(yè)得到十分成功的應(yīng)用，既節(jié)能又環(huán)保，受到用戶的一致好評。

3 PFD-平板式過濾洗滌干燥多功能機

3.1 研發(fā)過程介紹

PFD-平板式過濾洗滌干燥多功能機是在一個反應(yīng)容器內(nèi)可先后完成攪拌、反應(yīng)、過濾、洗滌、脫液、干燥等多種工藝的多功能設(shè)備（見圖6），具有簡化流程、提高生產(chǎn)效率、防止物料污染、蒸汽滅菌、物料更換方便、機電一體化等優(yōu)點。同時可使整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程所需要的潔凈廠房面積大幅度減少，大大降低基礎(chǔ)設(shè)施投資費用，廣泛應(yīng)用于化工、精細化工、生物化工、制藥、食品、礦山、冶金、輕紡、印染等行業(yè)，特別適用于潔凈度要求高的、小批量多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)場合。

3.2 平板式多功能機的結(jié)構(gòu)形式及工作原理

該平板式過濾洗滌干燥多功能機的特點是除底部設(shè)置快開液壓升降平板式過濾裝置外，在筒體的圓周方向設(shè)置了圓筒式過濾裝置，這種結(jié)構(gòu)的平板式過濾機世界上其他國家都還沒有。該多功能機的過濾面積是同類過濾機的2～3倍，與同樣大小的過濾設(shè)備相比，過濾時間大大縮短。

設(shè)備內(nèi)部有特殊結(jié)構(gòu)的攪拌裝置進行攪拌。該攪拌裝置通過頂部電動機及減速機等驅(qū)動裝置驅(qū)動，并通過液壓裝置的作用使攪拌裝置上下運動，以實現(xiàn)在反應(yīng)、過濾、洗滌和干燥過程中對攪拌和出料操作的不同要求。

圖6 平板式過濾洗滌干燥多功能機

中部圓筒體外有夾套進行加熱，底部過濾面下方也可設(shè)置加熱裝置進行加熱，以滿足干燥時對物料的加熱要求。必要時還能設(shè)置空心軸和空心攪拌裝置同時對物料進行內(nèi)加熱，大大提高對物料的干燥效率。該設(shè)備在中部筒體的側(cè)向下方設(shè)置有特殊結(jié)構(gòu)的液壓自動排料裝置，以便過濾濾餅或干燥好的物料被密閉自動排出。

被過濾物料從設(shè)備頂部加入，通過抽真空或加壓的方式把物料壓干。對于要洗滌的物料，可在濾干后加入洗滌液通過攪拌再漿后再濾干，洗滌可進行多次。洗滌濾干后的物料再在夾套、空心軸、空心攪拌槳及濾板下通入熱載體對物料進行加熱攪拌干燥，最終干燥好的物料從筒體側(cè)面排出。干燥時也可在過濾板底下通入熱空氣或熱氮氣等對物料進行熱風干燥，以大大提高干燥速率。

3.3 主要優(yōu)點

（1）可在一臺機內(nèi)完成過濾、洗滌、干燥等多種操作，一機多用。

（2）密閉操作，特別適合于處理易燃、易爆、有毒或劇毒的危險產(chǎn)品以及不允許有污染的鮮美食品、生物制品和藥品等。

（3）從進料到產(chǎn)品排出全部過程在一臺機內(nèi)完成，工藝流程大大縮短，設(shè)備數(shù)量大大減少，從而使廠房、設(shè)備和工藝管道、閥門等投資大為節(jié)省。

（4）具有特殊的攪拌結(jié)構(gòu)，加上液壓升降裝置，既可使攪拌裝置對物料進行充分高效攪拌，同時又可節(jié)省攪拌功率。

（5）由于該機設(shè)置了底部平板式過濾和圓筒過濾，過濾面積是常規(guī)過濾設(shè)備的2～3倍，大大縮短了過濾時間，提高了過濾效率。

（6）在洗滌階段，由于該機能反復多次進行自動攪拌再漿洗滌，洗滌方便，洗滌效果好。

（7）由于筒體夾套、濾板下方或空心攪拌軸、攪拌槳均能對物料進行加熱干燥，干燥效率高。還可對物料進行熱風干燥，大大縮短干燥時間。

（8）由于為全密閉操作，對物料無任何污染，因而加工出的產(chǎn)品質(zhì)量高，操作環(huán)境極佳。

3.4 PFD-平板式過濾洗滌干燥多功能機的應(yīng)用

上海迅昌化工裝備技術(shù)研究所從20世紀90年代研發(fā)該平板式過濾洗滌干燥多功能機以來，經(jīng)過不斷改進和革新，已獲得了國家發(fā)明專利，其技術(shù)水平在國際上是一流的。迄今為止，該多功能機已有幾百臺在醫(yī)藥、化工、精細化工、食品、礦山、冶金等行業(yè)得到十分成功的應(yīng)用，受到用戶一致好評。

Several Important Inventions of Chemical Equipment Technology and Their Applications

Guo Zhichang

Several chemical equipment techniques which developed in these few years are introduced,including continuous crystallization machine,cone type filtering washing drying multi-function machine,plate type filtering washing drying multi-function machine,and the structure characteristics of the equipment and their applications in production were analyzed.

Crystallization machine;Stirring paddle;Multi-function machine;Cooling;Filtering;Ddrying;Slurry

TQ 051.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.004

2015-10-01）