CN110732154A - 一种内环流反应结晶器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内环流反应结晶器，主要包括由外到内安装的反应器外筒和导流筒，它们将反应器分隔成内外两层，可分别作为上升区和降液区，上升区底部设有用于进料的气液集成分布器，降液区底部设有用于分离结晶产物的水力旋流器，含有小颗粒结晶产物且相对清洁的液体从水力旋流器溢流口排出并留在反应器中继续反应结晶，达到一定粒度的结晶产物从底流口排出并收集在反应器下方的储罐中。本发明集混合、传质、反应、结晶和分离于一体，反应器中的定向循环使反应物料混合均匀，有利于传质、反应和结晶，又给水力旋流器提供固液分离的动力，实现了结晶产物的自动、连续分离。此外，通过控制反应结晶条件，可以精确控制晶体的粒度和形貌。

Description

一种内环流反应结晶器

技术领域

本发明涉及反应结晶及固液分离技术领域，特别是涉及一种内环流反应结晶器。

背景技术

反应结晶是指气体与液体或液体与液体之间进行化学反应生成难溶或不溶固相物质的过程。反应结晶技术既用于生产所需的工业产品，又可以用来分离提纯。有气-液-固三相参与的反应结晶过程在工业生产中十分普遍，如三元锂离子电池前驱体的生产过程、对二甲苯PX氧化生成重要的化工原料对苯二甲酸PTA过程以及药物合成过程中的反应结晶等。

晶体产物的形貌和粒径分布对其物理、化学性质和产品功能有着重要影响。工业上大多数采用搅拌槽或鼓泡塔反应器进行反应结晶，这两种反应器生产的结晶产物皆存在粒度分布比较广的缺陷。搅拌槽中的机械搅拌对于反应结晶过程扰动较大，容易影响结晶产物的自然生长，尤其不利于非球形晶体的生长，另外结晶产物易粘附于搅拌桨，造成搅拌效率降低。此外，搅拌槽反应器通常耗能较高。再者，在反应结晶器中进行反应结晶后的结晶产物需要在反应器外的分离设备中进行固液分离而得到固相晶体产物，大多数都是通过各种以过滤为主的工艺实现固体与液体的分离，过滤工艺易堵塞，造成生产不连续；且其结晶母液的循环利用需要再外加动力设备才能将其返回反应器，更进一步增加了操作成本和生产不稳定性。

如授权公告号为CN 207175557的实用新型专利提出了一种磷回收结晶反应器，通过设置在升流筒内的空气扩散器和设置在升流筒上方的扰流罩，能够使反应器主体内的料液从升流筒的底部进水口进入到升流筒内，并从升流筒上部的出水口流出、碰撞扰流罩后回流至反应器主体内，实现了在较低的水流剪切力下，料液能循环搅拌，促进晶核的析出；由于扰流罩深入到反应器主体内，使得反应器主体内对应扰流罩外侧的区域的水流波动较小，利于结晶产物下沉流回至结晶产物存储斗，同时该区域的洁净水从反应器主体上部出水口溢出，进入到排水机构。该实用新型提出的扰流罩外侧的固液分离区是利用沉降作用使固体颗粒沉降下来进入存储斗，洁净水从顶部溢流出反应器主体。然而依靠自然沉降不能使结晶产物分离完全，且分离时间较长，这对于晶体颗粒较细小且处理量较大的情况难以适用；另外，此设备也无法生产特定粒径和形貌的晶体产物。同时清洁液体要返回反应器中继续参加反应还需要额外的输送设备，增加了生产成本。

授权公告号为 CN208406151 U的实用新型专利提出了一种多功能反应溶解结晶罐，包括控温夹层、升温或降温夹层、机械搅拌、进料管、气相管、冷凝器、放料阀；进料管与多功能反应溶解结晶罐连接，放料阀位于多功能反应溶解结晶罐底部，冷凝器通过气相管与多功能反应溶解结晶罐相连，升温或降温夹层位于多功能反应溶解结晶罐的下部，控温夹层位于多功能反应溶解结晶罐的上部。放料阀放出的产物需经管路连接至固液分离装置(如离心机)。因此，该发明需要单独、昂贵的液固分离系统，更无法控制晶体的粒度和形貌。

授权公告号为CN 104445288 B的发明专利提出了一种碳酸氢钠反应结晶器，包括反应器主体、液体进料口、固体进料口、排气口、出料口、淘析返料口、溶解反应区、中心筒、成长区、晶浆区和结晶区。该发明是一种全混型结晶器和成长型结晶器的有机结合。既有全混型结晶器结构简单、设备占地小，操作容易控制运行效率高等优点，又在很大程度上体现了成长型结晶器晶体颗粒相对粗大，晶体粒度分布相对均匀等特点。但是晶体生产成熟后被泵抽出送入离心机进行固液分离，成本高昂。

授权公告号为CN 203470004 U的实用新型专利提出了一种粗粒盐化工转化反应结晶器，包括一个反应罐，反应罐由上下连通的主罐体和倒锥形罐体组成，反应罐上方设有环形溢流槽，在反应罐内设有上下贯通的内筒和中筒，内筒内贯穿有搅拌杆，搅拌杆下端连接有搅拌叶轮，搅拌叶轮设在靠近内筒下沿的倒锥形罐体内，在倒锥形罐体的正下方设有出料口，出料口下方装有带颈腔的出料管，在靠近出料口的倒锥形罐体侧壁上设有回流孔，颈腔与回流孔之间连接有带泵的回流管路。该实用新型通过泵抽回颈腔内的液体，冲刷出料区锥体斜面，进一步克服了结盐沉积。但该发明靠重力沉降进行晶体分离，所需分离体积较大且效率低，更无法控制晶体形貌和粒度。

授权公告号为CN 106345375 B的发明专利提出了一种同时带有反应和分离功能的内环流反应器，该反应器降液区下部设有水力旋流器，浆液进入水力旋流器后，含固浆体从底流口排出再次进入上升区循环流动，不含固体的清洁产品从顶流口流出，通过外部阀门控制清洁产品的流量。该发明结构简单、成本低廉，不需特别的液固分离装备，可同时进行气-液-固三相反应、传质和分离。该发明适用于催化剂为固体颗粒的气-液-固三相反应，以便将催化剂颗粒留在反应器中继续参加反应，而不是将分离后的固体产物移除系统。因此，对于连续结晶过程无法实现及时排出晶体产品至反应器外的功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种内环流反应结晶器，能适应不同的晶体粒径分布范围和反应器处理量，有效分离反应结晶器内的结晶产物，且能耗较小；同时实现反应、结晶与分离的过程强化，减少操作成本，实现生产连续化；最后，通过精确控制操作条件，可实现晶体粒度分布和形貌的精确调控。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种内环流反应结晶器，包括由外到内安装的反应器外筒和导流筒；所述反应器外筒和所述导流筒将反应器分隔成内外两层，可分别作为上升区和降液区，浆相从上升区进入降液区并形成定向循环；所述反应器外筒底部设有气体进料口和液体进料口，侧壁设有固体加料口；所述上升区底部设有用于分散气液两相的的气液集成分布器，顶部设有用于脱出多余气体的脱气区；所述降液区底部设有用于分离结晶产物的水力旋流器，所述水力旋流器溢流口与所述上升区相连通，所述水力旋流器底流口伸出反应器外部，含有小颗粒结晶产物且相对清洁的液体从所述水力旋流器溢流口排出并留在反应器中继续参加反应结晶，而达到一定粒度的结晶产物从所述水力旋流器底流口排出反应器。

进一步地，所述气液集成分布器上均匀设置小孔，用于分散液体，每个小孔中设有曝气针，用于分散气体，根据实际需求改变小孔和气针的内径。

进一步地，所述反应器外筒上端要高于所述导流筒上端10 cm以上。

进一步地，所述导流筒下端要高于所述反应器外筒下端2 cm至50 cm。

进一步地，所述导流筒的段数和尺寸可视反应器高度不同而变化。

进一步地，所述反应器外筒和所述导流筒将反应器分隔成的内外两层，都既可以作为上升区又可以作为降液区。

进一步地，所述水力旋流器的进料口要高于所述导流筒下沿。

进一步地，所述水力旋流器尺寸和个数视处理量和结晶产物粒径分布范围而定。

进一步地，所述水力旋流器无需额外提供动力，由内环流反应结晶器本身的定向流动提供分离动力。

进一步地，在所述水力旋流器底流口设有阀门，需调节底流口流量与进料流量一致以保持反应器内液位恒定。

进一步地，所述水力旋流器底流口穿过反应器外筒底部伸出反应器外，底流口设有连接管路，将底流口排出的浓缩结晶产物排出至反应器下方的所述储罐中。

进一步地，所述反应器外筒外侧可增设换热设备。

本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：

本发明的一种内环流反应结晶器依靠浆液在上升区和降液区之间的密度差从而在上升区和降液区之间形成定向循环，避免了使用搅拌桨等强力搅拌方式，基本不破坏晶体的生长过程；另外，将水力旋流器设置在反应器内部，既节约了生产空间，又利用了反应器内浆体的定向循环流动给水力旋流器提供了分离动力，从而使其不需要额外的外加动力就能进行固液分离，极大地减少了能耗；再者，水力旋流器中的物料在离心力的作用下进行分离，含有大晶粒的重相组分在底流口排出反应器，含有小晶粒的相对清洁的液体通过溢流口排出至反应器上升区内继续参加反应，从而节省了将清洁液体（结晶母液）返回反应器内的动力设备，节约了成本和能耗。最后，利用水力旋流器分离结晶产物不仅能够根据不同反应结晶产物粒径分布的不同来调整所适用的水力旋流器的尺寸，而且可以根据反应器不同的处理量而增加水力旋流器的数量以达到分离要求。同时避免了沉降分离分离不彻底、分离时间长和过滤分离易堵塞、不连续等缺点，本质安全。

本发明提出的一种内环流反应结晶器不仅实现了混合、传质、反应、结晶和分离的过程强化，同时使生产连续化，提高了产品质量、分离效率和安全系数，节约了生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为环隙进气的内环流反应结晶器的结构示意图。

图2为中心进气的内环流反应结晶器的结构示意图。

图3为多级内环流反应结晶器的结构示意图。

其中，反应器外筒-1，导流筒-2，上升区-3，降液区-4，气液集成分布器-5，水力旋流器-6，水力旋流器溢流口-601，水力旋流器底流口-602，储罐-7，脱气区-8，液体入口-9，气体入口-10，固体加料口-11，阀门-12。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种内环流反应结晶器，能适应不同晶体产物粒径分布范围和反应器处理量，有效自动分离反应结晶器内的结晶产物且能耗较小，并可精确调控结晶产物的粒度分布和形貌。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，反应器外筒1高度为3.5 m，内径为0.5 m，导流筒2高度为3.0 m，内径为0.36 m，导流筒2上端与反应器外筒1上端的脱气区8高0.3 m。反应器外筒1和导流筒2之间的环隙作为上升区3，导流筒内部作为降液区4；在上升区3底部设有液体入口9和气体入口10，在反应器外筒1侧壁设有固体加料口11；气液集成分布器5设置于上升区3底部，其上均匀分布200个直径为6 mm的小孔，小孔与液体入口9相通，每个小孔内插一根内径为1 mm的气针，气针与气体入口10相通。降液区4底部设有一个用于固液分离的水力旋流器6，水力旋流器6直径为50 mm，水力旋流器溢流口601与上升区3相通，水力旋流器底流口602伸出反应器并设有阀门12，阀门12控制水力旋流器底流口602流量与反应器入口流量一致以维持反应器液位恒定。反应器外筒1外设置有换热设备。

含有PX、醋酸和循环母液的液相反应物和空气分别通过液体入口9和气体入口10经气液集成分布器5进入上升区3中，固体催化剂经过固体加料口11进入反应器，在200 ^oC、14 atm的条件下进行催化氧化反应结晶。生成的浆液混合物沿上升区3向上运动到达脱气区8进行脱气，脱气后的浆液进入降液区4中向下流动，在降液区4底部设有水力旋流器6，反应器中浆液的定向流动给水力旋流器6提供了入口动力，浆液从水力旋流器的入口进入后在离心力的作用下进行固液分离，由于固液两相的密度差，重相组分将沿着水力旋流器6边壁向下螺旋，轻相组分将沿着水力旋流器6中心向上运动，清洁液体从水力旋流器溢流口601排出至反应器中继续参加反应，大于50 μm的晶体产物经由水力旋流器底流口602排出至晶体产品储罐7中。反应过程中，反应器通过换热设备与外部换热。调节阀门12使出料流量等于进料流量以维持反应器内液位恒定。

实施例二

如图2所示，反应器外筒1高度为4 m，内径为0.4 m，导流筒2高度为3.2 m，内径为0.28m，导流筒2上端距反应器外筒1上端的脱气区8高0.4 m。导流筒2内的空隙作为上升区3，反应器外筒1和导流筒2之间的环隙作为降液区4；在上升区3底部设有液体入口9和气体入口10，在反应器外筒1侧壁设有固体加料口11；气液集成分布器5设置于上升区3底部，其上均匀分布150个直径为4 mm的小孔，小孔与液体入口9相通，每个小孔内插一根内径为0.8 mm的气针，气针与气体入口10相通。降液区4底部设有两个用于固液分离的水力旋流器6，水力旋流器6直径为30 mm，水力旋流器溢流口601与上升区3相通，水力旋流器底流口602伸出反应器外并设有阀门12，阀门12控制水力旋流器底流口602流量与反应器入口流量一致以维持反应器液位恒定。

Ca(OH)₂饱和溶液和含有2%的CO₂气体分别通过液体入口9和气体入口10经过气液集成分布器5进入上升区3中，控制反应温度为85 ^oC、pH为8.9，浆液和二氧化碳气体混合后进行反应结晶，浆液向上运动到达脱气区8进行脱气，脱气后的浆液进入降液区4中向下流动，在降液区4底部设有2个均布的水力旋流器6，浆液从水力旋流器6的入口进入后在离心力的作用下进行固液分离，含有直径大于0.5 μm且长径比大于20的碳酸钙晶须的重相组分经由水力旋流器底流口602排出至晶体产品储罐7中，含有直径小于0.5 μm且长径比小于20的碳酸钙晶体的相对清洁的轻相组分从水力旋流器溢流口601排出至反应器中继续循环进行反应结晶。调节阀门12使出料流量等于进料流量以维持反应器内液位恒定。

实施例三

如图3所示，反应器外筒1高度为15 m，内径为1.0 m，内设三段导流筒2，每段高度均为4.6 m，内径为0.7 m，每段间隔0.2 m，每段之间用钢柱连接；导流筒2上端与反应器外筒1上端的脱气区8高0.5 m。反应器外筒1和导流筒2之间的环隙作为上升区3，导流筒内部作为降液区4；在上升区3底部设有液体入口9和气体入口10，在反应器外筒1侧壁设有固体加料口11；气液集成分布器5设置于上升区3底部，其上均匀分布800个直径为10 mm的小孔，小孔与液体入口9相通，每个小孔内插一根内径为1 mm的气针，气针与气体入口10相通。在每一级导流筒2下部设有八个用于固液分离的水力旋流器6，水力旋流器6直径为80 mm，水力旋流器溢流口601与上升区3相通，水力旋流器底流口602伸出反应器并设有阀门12，阀门12控制水力旋流器底流口602流量与反应器入口流量一致以维持反应器液位恒定。

以某抗癌药物生产为例，液相反应物和气相分别通过液体入口9和气体入口10经气液集成分布器5进入上升区3中，在130 ^oC、常压的条件下进行药物结晶。生成的浆液混合物沿上升区3向上运动，一部分物料越过第一级和第二级导流筒2进入降液区4，一部分物料继续向上运动到达脱气区8进行脱气，脱气后的浆液进入第三级导流筒2中向下流动，待流动稳定后，将在每一级导流筒2和反应器外筒1之间形成稳定的定向循环。在每一级导流筒2底部设有水力旋流器6，反应器中浆液的定向流动给水力旋流器6提供了入口动力，浆液从水力旋流器的入口进入后在离心力的作用下进行固液分离，由于固液两相的密度差，重相组分将沿着水力旋流器6边壁向下螺旋，轻相组分将沿着水力旋流器6中心向上运动，清洁液体从水力旋流器溢流口601排出至反应器中继续参加反应，大于120 μm的药物晶体产物经由水力旋流器底流口602排出至晶体产品储罐7中。调节阀门12使水力旋流器底流口602出料流量等于反应器进料流量以维持反应器内液位恒定。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种内环流反应结晶器，其特征在于，包括由外到内安装的反应器外筒和导流筒；所述反应器外筒和所述导流筒将反应器分隔成内外两层，可分别作为上升区和降液区，浆相从上升区进入降液区并形成定向循环；所述反应器外筒底部设有气体进料口和液体进料口，侧壁设有固体加料口；所述上升区底部设有用于分散气液两相的的气液集成分布器，顶部设有用于脱出多余气体的脱气区；所述降液区底部设有用于分离结晶产物的水力旋流器，所述水力旋流器溢流口与所述上升区相连通，所述水力旋流器底流口伸出反应器外部，含有小颗粒结晶产物且相对清洁的液体从所述水力旋流器溢流口排出并留在反应器中继续参加反应结晶，而达到一定粒度的结晶产物从所述水力旋流器底流口排出反应器。

2.根据权利要求1所述的一种内环流反应结晶器，其特征在于，所述气液集成分布器上均匀设置小孔，每个小孔中设有曝气针，根据实际需求改变小孔和气针的内径。

3.根据权利要求1所述的一种内环流反应结晶器，其特征在于，所述反应器外筒上端要高于所述导流筒上端10 cm以上，所述导流筒下端要高于所述反应器外筒下端2 cm至50cm。

4.根据权利要求1所述的一种内环流反应结晶器，其特征在于，所述导流筒的段数和尺寸可视反应器高度不同而变化。

5.根据权利要求1所述的一种内环流反应结晶器，其特征在于，所述反应器外筒和所述导流筒将反应器分隔成的内外两层，都既可以作为上升区又可以作为降液区。

6.根据权利要求1所述的一种内环流反应结晶器，其特征在于，所述水力旋流器的进料口要高于所述导流筒下沿。

7.根据权利要求1所述的一种内环流反应结晶器，其特征在于，所述水力旋流器尺寸和个数视处理量和结晶产物粒径分布范围而定。

8.根据权利要求1所述的一种内环流反应结晶器，其特征在于，在所述水力旋流器底流口设有阀门，需调节底流口流量与进料流量一致以保持反应器内液位恒定。

9.根据权利要求1所述的一种内环流反应结晶器，其特征在于，所述水力旋流器底流口穿过反应器外筒底部伸出反应器外，底流口设有连接管路，将底流口排出的浓缩结晶产物排出至反应器下方的所述储罐中。

10.根据权利要求1所述的一种内环流反应结晶器，其特征在于，所述反应器外筒外侧可增设换热设备。

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