魏潤濤，余 凡

（陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司華州分公司，陜西渭南 714000）

結(jié)晶是指溶質(zhì)從溶液中析出的過程，可以從一定的飽和溶液中獲得一定大小形狀的晶體[1]。結(jié)晶器是結(jié)晶過程中必不可少的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電池行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、污水處理行業(yè)和食品行業(yè)等。結(jié)晶器的種類有很多，不同的操作方式選用的結(jié)晶器也不盡相同。

本文主要闡述了連續(xù)型結(jié)晶和間歇型結(jié)晶的不同，重點(diǎn)介紹了目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的3類連續(xù)型結(jié)晶器，為鹽類晶體生產(chǎn)時(shí)結(jié)晶設(shè)備的選取提供了參考，并對今后結(jié)晶器的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 結(jié)晶機(jī)理概述

工業(yè)結(jié)晶就是一個(gè)復(fù)雜的相間質(zhì)量和熱量傳遞的過程，其推動(dòng)力主要來源于多相體系在熱力學(xué)上的非平衡特性，最大生產(chǎn)能力是由熱力學(xué)相平衡的數(shù)據(jù)決定的。通過不斷加熱使溶液達(dá)到沸點(diǎn)，溶劑蒸發(fā)，溶液達(dá)到飽和甚至過飽和狀態(tài)，再通過對溶液降溫，降低溶質(zhì)在溶劑中的溶解度，使溶質(zhì)從溶液中析出產(chǎn)生晶核，晶核逐漸生長形成晶體。溶液降溫結(jié)晶這一過程就需要在結(jié)晶器內(nèi)完成。

2 結(jié)晶器概述

結(jié)晶器的種類有很多，按照溶液獲得過飽和狀態(tài)的方法可分為蒸發(fā)結(jié)晶器和冷卻結(jié)晶器；按照循環(huán)液流動(dòng)方式可分為母液循環(huán)結(jié)晶器和晶漿循環(huán)結(jié)晶器[2]；按照操作方式的不同可分為間歇型結(jié)晶器和連續(xù)型結(jié)晶器。工業(yè)生產(chǎn)中常使用的結(jié)晶器有夾套結(jié)晶釜、OSLO結(jié)晶器（奧斯陸結(jié)晶器）、DTB結(jié)晶器（雙套導(dǎo)流管擋板型結(jié)晶器）、DP結(jié)晶器（雙推動(dòng)器結(jié)晶器）和其他結(jié)晶器等。

2.1 間歇型結(jié)晶器

間歇型結(jié)晶器最常見的主要是夾套結(jié)晶釜，釜內(nèi)裝有攪拌器防止晶體沉積，也便于物料均勻混合；釜外壁一般采用夾套或者盤管，通冷媒對釜內(nèi)物料進(jìn)行降溫。夾套結(jié)晶釜操作簡單，設(shè)備投資少，但設(shè)備產(chǎn)能較小，占地面積大，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)，且釜內(nèi)壁容易結(jié)痂，底部易板結(jié)，為了不影響結(jié)晶釜的降溫性能，每釜出料后需要對釜內(nèi)結(jié)塊物料進(jìn)行沖洗，增加了母液的產(chǎn)生量。因此，大型工業(yè)化生產(chǎn)一般不選用。夾套結(jié)晶釜可根據(jù)物料性質(zhì)的不同選用不同材質(zhì)的釜體，常用的材質(zhì)有碳鋼內(nèi)襯搪瓷、304不銹鋼和316不銹鋼等。夾套結(jié)晶釜結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 夾套結(jié)晶釜結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 連續(xù)型結(jié)晶器

早在上世紀(jì)70年代，Randolph和Larson根據(jù)粒度衡算和晶粒密度的基本原理，通過研究產(chǎn)品的粒度分布和結(jié)晶器的實(shí)際參數(shù)和操作步驟，將其應(yīng)用到工業(yè)結(jié)晶的實(shí)際生產(chǎn)過程中，最終新的結(jié)晶技術(shù)促進(jìn)了連續(xù)結(jié)晶技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)展[3]。連續(xù)型結(jié)晶與傳統(tǒng)的間歇型結(jié)晶相比，具有較高的生產(chǎn)效率，可以無間歇地生產(chǎn)，降低產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)性，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品的顆粒大[4]。常用的連續(xù)型結(jié)晶器有OSLO結(jié)晶器、DTB結(jié)晶器和DP結(jié)晶器。

2.2.1 OSLO結(jié)晶器

OSLO結(jié)晶器是工業(yè)生產(chǎn)較常用的結(jié)晶器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。OSLO結(jié)晶器內(nèi)晶體流動(dòng)呈非線性，從上至下晶體分布不均勻，使過飽和度產(chǎn)生的區(qū)域和晶體生長區(qū)域分別分布在結(jié)晶器2個(gè)部分，晶體在母液中懸浮流化，不斷長大，將飽和溶液打入蒸發(fā)室，蒸發(fā)一部分溶劑，溶液變?yōu)檫^飽和溶液，經(jīng)中心管流至育晶室，在育晶室與已產(chǎn)生的晶體接觸，溶液中的過飽和溶質(zhì)沉積在已有的懸浮晶體表面，使晶體長大。懸浮的顆粒在育晶室內(nèi)進(jìn)行水力分級，大顆粒逐漸沉積，經(jīng)過底部的排放口排出顆粒均勻的晶體，小顆粒隨母液進(jìn)入循環(huán)管繼續(xù)循環(huán)蒸發(fā)[5]。

圖2 OSLO結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖

OSLO結(jié)晶器的優(yōu)點(diǎn)是：（1）可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較夾套結(jié)晶釜明顯升高。（2）晶體在育晶室經(jīng)過水力分級，得到的產(chǎn)品粒度均勻，且產(chǎn)品顆粒比間歇性生產(chǎn)得到的顆粒更大。（3）連續(xù)性操作，勞動(dòng)強(qiáng)度低。王偉采用OSLO結(jié)晶器以硫銨廢水為原料，生產(chǎn)的硫酸銨晶體粒度可到3 mm[6]。

OSLO結(jié)晶器的缺點(diǎn)是：（1）結(jié)晶器內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須光滑，否則易出現(xiàn)局部結(jié)塊，影響生產(chǎn)。（2）液位控制要求高。液位過高，真空冷卻時(shí)易出現(xiàn)真空冷卻系統(tǒng)堵塞并造成真空冷凝水中含有物料，嚴(yán)重影響冷凝水的品質(zhì)；液位過低，循環(huán)泵會(huì)產(chǎn)生汽縛，影響設(shè)備運(yùn)行。

2.2.2 DTB結(jié)晶器

DTB結(jié)晶器是一種典型的內(nèi)循環(huán)式結(jié)晶器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。與一般的結(jié)晶器相比較，循環(huán)效率比較高，被廣泛用于連續(xù)結(jié)晶工藝，可用于蒸發(fā)結(jié)晶、真空冷卻結(jié)晶和直接接觸冷卻法結(jié)晶等多種形式的結(jié)晶操作[7-9]。DTB結(jié)晶器底部裝有淘析柱，可以通過在淘析柱底部加入母液進(jìn)行淘洗，對晶體進(jìn)行分級，使小顆粒重新回到結(jié)晶器內(nèi)生長[10]。結(jié)晶器內(nèi)部有導(dǎo)流筒和擋板，導(dǎo)流筒內(nèi)有攪拌器?；旌弦涸跀嚢璧耐苿?dòng)力下，自下而上流動(dòng)，再經(jīng)導(dǎo)流筒與擋板之間的通道，折返至沉降區(qū)，大顆粒沉降，小顆粒隨母液進(jìn)入循環(huán)管繼續(xù)循環(huán)，生成更大的顆粒。DTB結(jié)晶器因其內(nèi)部循環(huán)均勻和產(chǎn)生的產(chǎn)品顆粒較大等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于醫(yī)藥、化工和食品等工業(yè)生產(chǎn)中。

圖3 DTB結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖

Rudolf等人根據(jù)結(jié)晶過程機(jī)理，研究了DTB結(jié)晶器內(nèi)適宜晶體的生長條件[11]。王朝乾等人以提溴母液為原料，采用DTB結(jié)晶器通過工藝探索，最終得到了顆粒較粗、純度較高的氯化鎂晶體[12]。付存然等人使用計(jì)算流體力學(xué)的方法，對DTB結(jié)晶器連續(xù)過程中的流場進(jìn)行了仿真模擬，得出結(jié)論：結(jié)晶器的高度是晶體粒度控制的影響因素[13]。

2.2.3 DP結(jié)晶器

DP結(jié)晶器是在DTB結(jié)晶器的基礎(chǔ)上發(fā)展的新型結(jié)晶器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。DTB結(jié)晶器只是在導(dǎo)流筒內(nèi)安裝螺旋槳，將懸浮液從下向上推，DP結(jié)晶器則是在導(dǎo)流筒外側(cè)的環(huán)隙也設(shè)置了螺旋槳葉，它的安裝方式與導(dǎo)流筒內(nèi)的葉片相反，可將內(nèi)導(dǎo)流筒與外導(dǎo)流筒間的循環(huán)液向下推送，當(dāng)攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)后，內(nèi)外螺旋槳葉向不同的方向推送液體，使流體內(nèi)外循環(huán)相結(jié)合。DP結(jié)晶器的外導(dǎo)流筒將育晶室分為澄清區(qū)和沉降區(qū)，外導(dǎo)流筒與育晶室之間為澄清區(qū)，此范圍的流體基本不受攪拌影響，方便晶體的沉降，沉降區(qū)的大顆粒沉降，小顆粒隨母液循環(huán)，實(shí)現(xiàn)晶體的篩選[14]。此種結(jié)晶器可在很大程度上降低二次成核速率，使晶體平均粒度增大。但DP結(jié)晶器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較普通結(jié)晶器復(fù)雜，容易出現(xiàn)局部結(jié)塊，并且螺旋槳的制作比較困難。

圖4 DP結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖

顏常青等人將寶鋼化工有限公司生產(chǎn)硫酸銨晶體的原有結(jié)晶器改造為DP結(jié)晶器，得到了粒度更大且均勻性優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，提升了原有設(shè)備的產(chǎn)能[15]。

2.2.4 其他結(jié)晶器

吳宗生結(jié)合OSLO結(jié)晶器和DTB結(jié)晶器的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了雙循環(huán)結(jié)晶器。該結(jié)晶器適合生產(chǎn)大顆粒鹽，產(chǎn)品粒度分布較窄，不產(chǎn)生細(xì)小的鹽粒，且可以根據(jù)需要在0.4～2.0 mm之間調(diào)節(jié)產(chǎn)品的粒度，最大直徑可達(dá)4 mm以上[16]。雙循環(huán)結(jié)晶器綜合了OSLO結(jié)晶器和DTB結(jié)晶器的優(yōu)點(diǎn)，克服了二者的不足[17]，為大顆粒晶體的生產(chǎn)提供了新的方法。

萬華等人在OSLO結(jié)晶器和DP結(jié)晶器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化改造，發(fā)明了一種連續(xù)生產(chǎn)的真空冷卻結(jié)晶器，結(jié)構(gòu)如圖5所示。該設(shè)備集冷卻、結(jié)晶和沉降于一體，具有設(shè)備連續(xù)運(yùn)行、運(yùn)行周期長、工藝穩(wěn)定、便于操作及可以滿足生產(chǎn)不同粒度的結(jié)晶鹽要求等特點(diǎn)[18]。

夏君君等人在傳統(tǒng)的DTB或OSLO內(nèi)部設(shè)置細(xì)晶消除循環(huán)換熱裝置，發(fā)明了可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部消晶、生產(chǎn)中可實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品粒度分布主動(dòng)調(diào)控的連續(xù)細(xì)晶消除循環(huán)一體化結(jié)晶器，結(jié)構(gòu)如圖6所示[19]。

3 結(jié)論

圖5 真空冷卻結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 連續(xù)細(xì)晶消除循環(huán)一體化結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)晶在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位，尤其是化工和醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用廣泛。結(jié)晶器是結(jié)晶過程中的核心設(shè)備，選擇合適的結(jié)晶器不僅能提高產(chǎn)品的質(zhì)量，還能提高產(chǎn)能。但許多鹽類晶體在實(shí)際生產(chǎn)中還存在局部結(jié)塊和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等特點(diǎn)，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。如何在現(xiàn)有結(jié)晶器的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的改善和產(chǎn)量的提高還需我們不斷探索。