CN102728094B - 结晶装置 - Google Patents

Abstract

本发明为结晶装置，涉及多功能化学反应器，特别地，本发明是关于用于提供高度均一的晶体的三相结晶单元。

Description

结晶装置

发明领域

本发明涉及多功能化学反应器，特别地，本发明是关于用于提供高度均一的晶体的三相结晶单元。

发明背景

现有技术描述

用于使盐从溶液结晶的方法和装置是化学过程工业中熟知的并且已经是若干专利的主题。Bennett等人在美国专利3,873,275和在美国专利3,961,904中描述了若干结晶器配置，每一个都实现了用于改进晶体尺寸的导流筒挡板搅拌容器(DTB)。由Bennett等人发明的DTB结晶器已经在商业上在许多工业工厂中被实施用于若干盐的受控结晶。该DTB结晶器基本上形成两相系统，即液相和固相，所述液相是饱和溶液，所述固相是晶体。

公开了用于由盐(被称为MX)和酸(被称为HY)以复分解反应I(参见下面)生产盐(被称为MY)和酸(被称为HX)的方法。更特别地，通过溶剂提取从KCl和硝酸生产硝酸钾已经在若干生产工厂中应用且已经在若干公开内容中公开：Baniel等人的美国专利2,894,813；Manor等人的美国专利4,364,914和美国专利4,378,342；和Portela等人的美国专利4,668,495。以广义方面，在这样的生产工厂中进行的反应如下：

(I)MX+HY→MY+HX

(II)HX+溶剂→溶剂.HX

在现有技术中，反应(I)和(II)在一个至若干个搅拌容器中连续地进行。将反应物与溶剂和一些循环水溶液混合，产生了三相流，将三相流供给到倾析器中，用于分离负荷溶剂；母液；和产物。这些搅拌容器中的水动力状态被很差地界定和控制，远非适当结晶所需要的传统水动力条件，因此，产物晶体是小的和不良地界定的。

由Patrick等人在美国专利4,452,621中描述了用于结晶的方法，根据该方法，通过采用挥发性液体直接进行饱和溶液的冷却。

附图简述

图1是本发明的结晶装置的示意性横截面图。

发明描述

根据本发明，使盐从三相系统结晶的方法和装置的特征是水相、溶剂相和固相(晶体)的组合。本发明的系统采用上文引用的由Bennett等人发明的DTB结晶器方法并将该方法并入新的和独特的装置用于同时进行：反应；结晶；溶剂提取、倾析和直接传热。

本发明涉及一种新颖装置，其特征为传统DTB结晶器和能够进行溶剂提取反应的三相倾析器的独特组合以生产大的、完好晶体。根据本发明的装置实现了用于同时地进行以下单元操作的整体结晶器设计：

(1)复分解反应(I)，MX和MY是盐，HX和HY是酸。

(2)通过部分不混溶有机溶剂对反应(I)中产生的酸HX进行溶剂提取，(II)。

(3)在传统导流筒挡板(DTB)结晶器的水动力条件下，反应物MX的溶解(dissolution)和产物MY的结晶，以产生具有通常在350至550微米范围内的D₅₀的晶体。

(4)通过(3)中提及的溶剂排除反应热和或结晶热，由此适用直接冷却结晶(DCC)原理。

(5)倾析和分离液体-液体-固体，产生至少三种单独的出口流：负荷溶剂、母液和产物晶体浆料。

本发明涉及用于同时地进行以下的新颖装置和方法：反应；结晶；溶剂提取；倾析和直接冷却。图1所描绘的装置以具有不同功能和流动状态的三个不同部分为特征：

·下部部分10，即结晶器，其包括导流筒(DT)12、同轴旋转的螺旋桨14；若干进料管16和圆柱形挡板(CB)18。其以与常规的DTB结晶器相似的流动状态为特征。

·上部部分24，其包括倾析器，倾析器以与常规倾析器相似的流动状态为特征。上部部分24具有比下部部分大的直径，且其被设计为完成重力倾析以分离轻的有机相与水相和晶体相。

·中间过渡部分26，其匹配两个不同的流动状态。中间过渡部分26包括同轴竖直挡板(CVB)28，同轴竖直挡板(CVB)28的作用是急剧地减少来自下面的流动扰动，和因此减少流动扰动对倾析器的重力流动状态的影响，而同时其实现在两个部分之间的双向流动。可以调节DTB的顶部和CVB 28之间的间隙。在上部部分和下部部分之间的流动通过CVB 28来控制。CVB将DT排出流分为两种流：第一种流向下返回到DT部分，而第二种流向上到倾析器。通过改变在DT 12的顶部和CVB 28之间的间隙来控制分流比。该间隙通过使CVB相应地上下运动来调节，如双头箭头34所示的。

下部部分具有与常规DTB结晶器相似的水动力状态。将反应物通过进料管16供给到优选地但不限于DT 12的底部。每种反应物使用的一个或多个进料管：-溶剂；酸HX，盐MX浆料和任何循环流比如母液被供给到DT 12。混合物：晶体、母液和溶剂，被向上循环通过DT 12。该部分的几何结构受非常明确的DTB结晶器设计考虑因素支配，用于使晶体流化、维持低的过饱和条件、避免二次成核。

另外，根据本发明的方法，下部部分的几何结构实现以受控的水动力状态混合有机溶剂的要求以实现明确界定的、优选地o/w(水包油)分散体，不限于考虑和优化传质以及快速的和完全的相分离要求。

具有粗晶体的浆料通过出口38在底部排出，而具有细晶体的盐水以与常规DTB结晶器相同的方式通过CB被拉起。然而，总体布置不同于常规倾析器。进料向上流动，分离的重相(盐水和晶体)向下流动。在上部部分的顶部处的分离的轻相在常规的水平的(leveled)溢流堰42上方排出。贫溶剂通过一个或若干个进料管例如进料管16在下部部分处供给。然后使贫溶剂优选地作为o/w分散体循环通过DT。如通过CVB 28控制的分散体的一部分向上流动到倾析器。在倾析器中，分散体分离，产生了浮在顶部的堰42上方并越过堰42的清澈的负荷溶剂层，而由于重力下沉的水相和晶体返回到下部部分。电动机48驱动螺旋桨14使轮轴50旋转。在其他实施方式中，电动机可以位于结晶器下方，由轮轴提供的转矩将电动机连接至螺旋桨。

本发明的装置和方法可以用于改进各种溶剂提取-结晶工艺应用的结晶，工艺应用不限于与产物中的一种的溶剂提取组合的上述复分解反应。新颖装置可以应用于同时地实现上面概述的全部或一些单元操作(1)至(5)。本发明的装置可以应用于使用部分不混溶溶剂排除热量使盐从饱和溶液直接冷却结晶，比如，不限于，通过使用惰性的、部分不混溶溶剂比如，不限于高分子石蜡来直接冷却结晶，硝酸钾从富硝酸钾溶液的结晶。在本发明的另外方面，根据本发明的装置可以应用于使用任何部分不混溶溶剂来驱动反应-结晶过程，而完成与结晶和溶剂提取组合的任何反应。这样的溶剂的实例是石蜡、烃、醇、酮、醚、酯、液体阳离子交换剂或液体阴离子交换剂或它们的混合物。

根据本发明，各种不同的内部挡板布置结构特征是可适用的，以实现本发明的新颖的和独特的方法。

实际工艺的实施例

实施例1：在构建用于生产硝酸钾的本发明的实施方式中，使用反应器进行中试规模制造。根据本发明的工艺应用于同时在同一反应器中进行硝酸钾的反应、溶剂提取和结晶。

将氯化钾、60％硝酸和贫溶剂供给到DT。结晶器具有650mm直径的DT，并且斜叶涡轮以160RPM旋转。

结晶器在稳态下连续操作24小时，产生具有390微米的D₅₀的硝酸钾晶体。

作为比较，来自在相同的流动组合物和温度下操作的常规连续混合反应器的晶体具有280微米的D₅₀。

实施例2：根据本发明制造的反应器应用于以工业规模生产硝酸钾。根据本发明的工艺被进行用于同时实现反应、溶剂提取和结晶，获得了硝酸钾。将氯化钾、60％硝酸和贫溶剂供给到DT。结晶器具有1850mm直径的DT，并且斜叶涡轮以55至65RPM旋转。

结晶器在稳态下连续操作24小时，产生具有450微米的D₅₀的硝酸钾晶体。

实施例3：根据本发明制造的反应器应用于以工业规模从富硝酸钾盐水冷却结晶硝酸钾。将盐水重相与冷冻溶剂轻相在反应器混合，产生了具有520微米的D₅₀的硝酸钾晶体。

Claims (3)

1.一种用于进行可溶盐的反应和/或溶剂提取和/或结晶的反应-结晶装置，所述装置包括：

·上部部分，其具有比下部部分大的直径，所述上部部分包括顶部和倾析器，所述倾析器包括：

■竖直容器，其具有在所述上部部分的所述顶部处的水平堰；

■出口，其在所述上部部分的所述顶部处，用于除去在所述倾析器的顶部处的轻相；

·下部部分，其包括结晶器，所述结晶器包括：

■同轴导流筒；

■至少一个进料管；

■搅拌器，其位于所述同轴导流筒内部；

■至少一个出口，其在底部，用于除去晶体浆料；以及

·中间部分，其夹在所述下部部分和所述上部部分之间，使得各部分流体连通，且所述中间部分包括至少一个同轴竖直挡板，在所述同轴导流筒和所述同轴竖直挡板之间具有间隙，其中在使用中，所述间隙通过使所述同轴竖直挡板上下运动而是可调节的。

2.一种使用如权利要求1所述的装置生产晶体的工艺，其中将至少两种液相和至少一种固相混合以形成混合物用于进行反应和溶剂提取，以形成至少一种晶体相、重相和轻相，所述工艺包括：

·从所述混合物提取所述轻相的一部分；

·从所述上部部分排出所述轻相的至少一部分；和

·从所述下部部分排出在所述装置中形成的晶体；以及所述重相的一部分。

3.如权利要求2所述的工艺，其中反应热、结晶热和冷却热通过所述轻相来排除，所述工艺包括：

·混合至少两种相，一种是轻相而另一种是重相；

其中所述轻相的温度低于所述重相的温度；

·形成至少一种固体晶体相和两种液相；

·从所述上部部分排出所述轻相的一部分；和

·从所述下部部分排出所述重相的一部分以及所述晶体。