BR102012007191B1

BR102012007191B1 - aparelho para reação-cristalização, e, processo para produzir cristais

Info

Publication number: BR102012007191B1
Application number: BR102012007191A
Authority: BR
Inventors: Mizrahi Yosef
Original assignee: Haifa Chemical Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2019-01-08
Also published as: UA110017C2; EA025736B1; GB201105421D0; CN102728094B; ZA201202362B; GB2489684A; EP2505243B1; EA201270366A2; US20140147367A1; CN102728094A; US8834806B2; PT2505243E; ES2454868T3; EA201270366A3; PL2505243T3; EP2505243A1

Abstract

aparelho para reação-cristalização, e, processo para produzir cristais. um reator para formar cristais a partir de sais solúveis, capaz de executar reação e/ou extração de solvente e/ou cristatalização. o reator inclui tres seções. a seção superior - que inclui um decantador, que inclui um vaso vertical com uma barragem horizontal em seu topo e uma saída para remover a fase leve. a seção inferior é um cristalizador que inclui tubo de tiragem coaxil e inclui ainda pelo menos um tubo de alimentação, um agitador localizado no interior do tubo de tiragem, e uma ou mais saída no fundo para remoção de pasta fluida com cristais. a seção intermediária inclui pelo menos um defletor vertical coaxil, e o vão entre o tubo de tiragem e o defletor vertical coaxil pode ser ajustado movendo-se o defletor vertical para cima ou para baixo.

Description

“APARELHO PARA REAÇÃO-CRISTALIZAÇÃO, E, PROCESSO PARA PRODUZIR CRISTAIS”

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção refere-se a reator químico multifuncional, em particular, a presente invenção trata de uma unidade de cristalização de tres fases para prover cristais altamente uniformes.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Descrição da técnica anterior

Métodos e aparelhos para cristalização de sais em soluções são bem conhecidos na indústria de processo químico e foram alvos de diversas patentes. Bennet et al., nas patentes US 3.873.275 e US 3.961.904, descrevem diversas configurações de cristalizadores, cada uma implementando um vaso agitado com chicana separadora e tubo de tiragem (DTB) para aumentar o tamanho do cristal. O cristalizador DTB inventado por Bennet et al. foi produzido comercialmente por várias fábricas industriais para a cristalização controlada de vários sais. O cristalizador DTB forma, essencialmente, um sistema de duas fases, uma fase líquida, representada por uma solução saturada, e uma fase sólida sendo os cristais.

Métodos para produção de um sal (referido como MY) e um ácido (referido como HX), a partir de um sal (referido como MX) e um ácido (referido como HY) em uma reação de decomposição dupla I (ver abaixo), foram revelados. Mais particularmente, a produção de nitrato de potássio a partir de KC1 e ácido nítrico, por extração de solvente, tem sido aplicada em diversas plantas de produção e revelada em diversos trabalhos: patentes US 2.894.813, de Baniel et al.; US 4.364.914 e US 4.378.342, de Manior et al.; US 4.668.495, de Portela et al. Em termos gerais, as reações que acontecem em tais plantas de produção são as seguintes:

(I) MX + HY-> ΜΎ + HX (II) HX + solvente -> solvente.HX

Na técnica anterior, as reações (I) e (II) eram executadas em um ou diversos vasos agitados em série. Os reagentes eram misturados com um solvente e um pouco de solução aquosa reciclada, produzindo uma corrente de tres fases suprida a um decantador para separação do solvente carregado, o líquido mãe, e o produto. O regime hidrodinâmico nesses vasos agitados é pouco definido e controlado, muito distante das condições hidrodinâmicas clássicas necessárias para cristalização apropriada e, consequentemente, os cristais produzidos são pequenos e mal definidos.

Um método para cristalização, de acordo com o qual o resfriamento da solução saturada é executado diretamente pelo emprego de um líquido volátil, foi descrito na patente US 4.452.621, de Patrick et al.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

A figura 1 é uma vista em seção transversal esquemática de um aparelho de cristalização da invenção.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

De acordo com a presente invenção, um método e um aparelho para cristalização de um sal, a partir de um sistema de tres fases representando uma combinação de uma fase aquosa, uma fase de solvente e uma fase sólida, cristais. O sistema da presente invenção emprega e integra o método e cristalizador DTB inventado por Bennet et al. Acima referido, em um novo e exclusivo aparelho para executar simultaneamente: reação, cristalização, extração de solvente, decantação e transferência de calor direta.

A presente invenção refere-se a um aparelho inédito que apresenta uma combinação exclusiva do cristalizador DTB clássico e um decantador de tres fase possibilitando efetuar reação de extração de solvente para a produção de cristais grandes bem-definidos. O aparelho de acordo com a invenção implementa um projeto de cristalizador unitário para executar, simultaneamente, as seguintes operações unitárias:

(1) Uma reação de decomposição dupla (I) MX e MY sendo sais, HX e HY sendo ácidos.

(2) Extração de solvente do ácido HX produzido na reação (I) pelo solvente orgânico parcialmente imiscível, (II).

(3) Dissolução do reagente, MX, e cristalização do produto, MY, em condições hidrodinâmicas de um cristalizador (DTB) com chicana separadora e tubo de tiragem clássico, para produzir cristais tendo D₅₀tipicamente na faixa de 350 a 550 micra.

(4) Remoção de calor de reação e/ou calor de cristalização pelo solvente mencionado em (3), aplicando, desse modo, princípios de cristalização por resfriamento direto (DCC).

(5) Decantação e separação do Líquido-Líquido-Sólido produzindo pelo menos tres correntes de saída separadas: solvente carregado, líquido mãe e pasta fluida dos cristais produzidos.

A presente invenção refere-se a um aparelho e método inéditos para executar simultaneamente: reação, cristalização, extração de solvente, decantação e resfriamento direto. O aparelho, ilustrado na figura 1, apresenta tres seções distintas com diferentes funções e regimes de escoamento:

- Seção inferior 10, um cristalizador, que inclui um tubo de tiragem (DT) 12, uma hélice coaxialmente revolvente 14; diversos tubos de alimentação 16 e um defletor cilíndrico (CB). Ela apresenta um regime de escoamento similar a um cristalizador DTB convencional.

- Seção superir 24 que inclui um decantador, apresentando um regime de escoamento similar a um decantador convencional. Ela tem um diâmetro maior do que a seção inferior, e é desenhada para realizar decantação por gravidade para separar a fase orgânica leve das fases aquosa e de cristais.

- Uma seção de transição, intermediária, 26, combina os dois regimes de escoamento diferentes. Ela inclui um defletor vertical coaxial (CVB) 28, cujo papel é reduzir drasticamente distúrbio de escoamento proveniente de baixo e, subsequentemente seus efeitos dobre o regime de escoamento gravitacional do decantador, enquanto, simultaneamente, possibilita escoamento bidirecional entre as duas seções. O vão entre o CVB 28 e o topo do DVB pode ser ajustado. O escoamento entre as seções superior e inferior é controlado pelo CVB 28. O CVB divide o fluxo de descarga DT em duas correntes: uma primeira descendente, de volta para a seção DT, e a segunda ascendente, para o decantador. A razão de divisão é controlada pela mudança de vão entre CVB 28 e o top de DT

12. Este vão é ajustado pela movimentação do CVB para cima e para baixo, consequentemente, conforme mostrado pela seta dupla 34.

A seção inferior tem um regime hidrodinâmico similar ao cristalizador DTB convencional. Os reagentes são supridos através de tubos de alimentação 16, de preferência, mas não de modo limitativo, ao fundo do DT 12. Um ou mais tubos de alimentação usados pera cada reagente: - o solvente; o ácido, HX, pasta líquida de sal MX, e alguma corrente reciclada, como líquido mãe, são supridos ao DT 12. A mistura: cristais, líquido mãe e solvente, são circulados ascendentemente através de DT 12. A geometria desta seção é ditada por considerações de projeto estabelecidas para o CRB, para fluidificar os cristais mantendo uma condição baixa de supersaturação, evitando nucleação secundária.

Adicionalmente de acordo com o método da presente invenção, a geometria da seção inferior realiza o requisito de misturar o solvente orgânico em regime hidrodinâmico controlado para obter dispersão bem-defmida, preferencialmente de o/w (óleo em água), não limitada a, levando e consideração e otimizando transferência de massa e requisitos de desencaixe de fase rápido e completo.

A pasta fluida com os cristais grosseiros é descarregada através de uma saída 38 no fundo, enquanto a salmoura com cristais finos é aspirada através do CB do mesmo modo que no cristalizador DTB convencional. O arranjo gera, porém, difere de um decantador convencional. O material suprido escoa ascendentemente, as fases pesadas separadas (salmoura e cristais) escoam para baixo. A fase leve separada no topo da seção superior é descarregada sobre uma barragem de extravazamento nivelada convencional 42. O solvente pobre é suprido através de um dos diversos tubos de alimentação, como o tubo de alimentação 16, na seção inferior. Ele, então, circula através de DT, de preferência, como uma dispersão o/w. Uma fração da dispersão, controlada pelo CVB 28 flui ascendentemente para o decantador. No decantador, a dispersão se separa, produzindo uma camada transparente de solvente carregado que flutua acima e sobre a barragem 42 no topo, enquanto da fase aquosa e cristais afundam por gravidade, retomando para a seção inferior. O motor 48 aciona o eixo rotativo 50 da hélice 14. Em outros modos de realização, o motor pode ficar localizado abaixo do cristalizador, o torque provido por um eixo conectando o motor à hélice.

O aparelho e os métodos da presente invenção podem ser usados para melhorar a cristalização de uma variedade de aplicações de processos de extração de solvente - cristalização, não limitados à acima mencionada reação de decomposição dupla combinada com extração de solvente de um dos produtos. O aparelho inédito pode ser aplicado para implementar simultaneamente todas ou algumas operações unitárias (1) a (5) citadas acima. O aparelho da presente invenção pode ser aplicado para a cristalização por resfriamento direto de um sal de uma solução saturada, usando um solvente parcialmente imiscível para remoção de calor, como, mas não de modo limitativo, cristalização de nitrato de potássio de solução rica em nitrato de potássio por cristalização por resfriamento direto com um solvente parcialmente imiscível como, não limitativamente, uma parafina molecular alta. Em outro aspecto da invenção, o aparelho Daca presente invenção pode ser aplicado para implementação de qualquer reação, combinada cristalização e extração de solvente, pelo uso de qualquer solvente parcialmente imiscível para ativar o processo de reação-cristalização. Exemplos de tais solventes são parafinas, hidrocarbonetos, alcoóis, cetonas, éteres, trocador de íon catiônico líquido ou trocador de íon aniônico líquido ou uma mistura dos mesmos.

De acordo com a presente invenção, várias características estruturais de arranjo de defletores internos diferentes são aplicáveis, para realizar o método inédito e exclusivo desta invenção.

Exemplos de processos atuais.

Exemplo 1: Fabricação em escala piloto foi executada, usando um reator na constituição de um modo de realização da presente invenção, para a produção de nitrato de potássio. O processo de acordo com a presente invenção foi aplicado para executar reação, extração de solvente e cristalização de nitrato de potássio, concorrentemente, no mesmo reator.

Cloreto de potássio, ácido nítrico a 60% e solvente pobre foram supridos ao DT. O cristalizador tinha um DT com diâmetro de 650mm, com uma turbina inclinada girando a 160 RPM.

O cristalizador operou continuamente em estado firme por 24 horas, produzindo cristais de nitrato com D₅₀ de 390 micra.

Como comparação, os cristais de reatores mistos seriais convencionais, operando à mesma composição de fluxo e temperatura, tinham um D₅₀ de 280 micra.

Exemplo 2: Um reator fabricado de acordo com a presente invenção foi aplicado em escala industrial para a produção de nitrato de potássio, O processo de acordo com a presente invenção foi executado para implementar uma reação, extração de solvente e cristalização concorrentemente, obtendo nitrato de potássio. Cloreto de potássio, ácido nítrico a 60% e solvente pobre firam supridos ao DT. O cristalizador tinha um diâmetro de DT de 1850mm, com uma turbina angulada girando entre 55 e 65 RPM.

O cristalizador foi operado continuamente em estado firme por 24 horas, produzindo cristais de nitrato de potássio do D₅₀ de 450 micra.

Exemplo 3: Um reator fabricado de acordo com a presente invenção foi aplicado em escala industrial para resfriar cristalização de nitrato de potássio a partir de uma salmoura rica em nitrato de potássio. A salmoura, a fase pesada, foi misturada no reator com um solvente resfriado, a fase leve, produzindo cristais de nitrato de potássio com D₅₀ de 520 micra.

Claims

1. Aparelho de reação-cristalização para executar reação e/ou extração de solvente e/ou cristalização de sais solúveis, caracterizado pelo fato de compreender:

uma seção superior tendo um topo e um decantador, o dito decantador compreendendo:

um vaso vertical tendo uma barragem horizontal no topo da dita seção superior;

uma saída no topo da dita seção superior para remover uma fase leve no topo do decantador;

uma seção inferior, incluindo um cristalizador, que inclui:

um tubo de tiragem coaxial;

pelo menos um tubo de alimentação;

um agitador localizado no interior do dito tubo de tiragem; pelo menos uma saída no fundo para remoção de pasta fluida de cristais; e uma seção intermediária sanduichada entre à seção inferior e a seção superior, de modo que as seções fiquem em comunicação fluídica, e que inclui pelo menos um defletor vertical coaxial, havendo um vão entre o tubo de tiragem e o defletor vertical coaxial, onde, no uso, o vão é ajustável pela movimentação do dito defletor vertical para cima ou para baixo.

2. Processo para produzir cristais usando o aparelho como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos duas fases líquidas e pelo menos uma fase sólida são misturadas para formar uma mistura para executar: uma reação e uma extração de solvente, para formar pelo menos uma fase de cristal, uma fase pesada e uma fase leve, o processo compreendendo:

extrair uma porção da fase leve da mistura;

descarregar, pela seção superior, pelo menos uma porção da fase leve, e descarregar, pela seção inferior, cristais formados no aparelho e uma porção da mencionada fase pesada.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado

5 pelo fato do calor de reação, calor de cristalização e calor de resfriamento serem removidos pela fase leve, o dito processo compreende:

misturar pelo menos duas fases, uma leva e outra pesada;

onde a temperatura da fase leve é mais baixa do que a temperatura da dita fase pesada;

10 formar pelo menos uma fase de cristal sólida e duas fases líquidas;

descarregar uma porção da fase leve pela seção superior, e descarregar os cristais e uma porção da dita fase pesada pela seção inferior.