CN111905399B - 卧式双螺旋多级逆流结晶方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卧式双螺旋多级逆流结晶装置，包括多级逆流结晶器，多级逆流结晶器内设有电机驱动的搅拌结构，多级逆流结晶器的壳体外围从左到右依次设有多段独立的加热腔，每段加热腔均与一个温控装置相连，使每段加热腔的温度可调节；多级逆流结晶器的内腔与进料装置、进溶剂装置导通相连，多级逆流结晶器的下端一侧设有溢流孔，溢流孔与排母液装置相连；多级逆流结晶器的下端另一侧设有出料口，出料口与过滤装置的入口相连，过滤装置的出口通过管路从多级逆流结晶器的上端回流至多级逆流结晶器内。通过固液两相逆流，以及固相的晶体回流实现溶液中主产品溶质和杂质溶质的彻底分离，实现主产品的全部回收和纯度的进一步提高。

Description

卧式双螺旋多级逆流结晶方法与装置

技术领域

本发明涉及化工分离技术领域，尤其涉及一种卧式双螺旋多级逆流结晶方法与装置。

背景技术

溶液结晶的目的一是实现溶质与溶剂的分离，获得溶质的晶体产品，二是实现纯化，即在多种溶质的情况下，获得更高纯度的主产品溶质含量，降低杂质溶质的含量。在医药、食品、基础化工领域的现有溶液结晶方法主要为间歇或连续的一次结晶或多次重结晶的方法，对于含有多种溶质的情况，一次结晶往往无法实现主产品含量的达标，需要通过多次重结晶的方法来满足纯度的标准，但由于物质本身的热力学平衡性质，导致在得到高纯度产品的同时损失大量的产品，使得产品生产收率较低。

多级逆流结晶技术目前的研究和工业化应用主要集中于熔融结晶，早在1945年美国Phillipes公司提出连续多级逆流分布结晶的概念，于1958年实现工业化应用，并在接下来的几十年间由德国的Schildknecht等公司和研究机构开发出了塔式旋转螺旋结构、脉冲塔式、Brodie式、TNO振动式等连续多级分布结晶装置，在熔融结晶领域成功实现了相对于精馏来说低能耗，高纯度的结晶装备工业化应用。国内于20世纪90年代由北京化工大学和天津大学开始连续多级逆流分布熔融结晶的研究，但截至目前研究仍然相对较少。

在溶液结晶领域，不管是物性方法、计算模型和装置研发相对于熔融结晶都更为复杂。熔融结晶一般为二元物系，而溶液结晶则至少是三元物系，目前虽然有一些基础相平衡的研究文献报道，但在物性方法的建立上仍不成熟。对于多级逆流结晶方法的计算模型和装置的研发更是研究上的空白。

发明内容

为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种卧式双螺旋多级逆流结晶方法与装置。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种卧式双螺旋多级逆流结晶装置，包括多级逆流结晶器，所述多级逆流结晶器内设有电机驱动的搅拌结构，所述多级逆流结晶器的壳体外围从左到右依次设有多段独立的加热腔，每段所述加热腔均与一个温控装置相连，使每段加热腔的温度可调节；所述多级逆流结晶器的内腔与进料装置、进溶剂装置导通相连，所述多级逆流结晶器的下端一侧设有溢流孔，所述溢流孔与排母液装置相连；所述多级逆流结晶器的下端另一侧设有出料口，所述出料口与过滤装置的入口相连，所述过滤装置的出口通过管路从多级逆流结晶器的上端回流至多级逆流结晶器内。

通过溶剂进料装置，实现通过加入溶剂连续调节结晶器内各位置的过饱和度。通过温控装置可精确调节控制各段的温度和溶液过饱和度。通过过滤装置，实现晶体产品的采出和母液的回流。

进一步来说，所述搅拌结构为双螺旋结构。

进一步来说，所述双螺旋结构包括两根平行分布的搅拌轴，每根搅拌轴上均设有螺旋叶片，且两个搅拌轴上的螺旋叶片交错分布；两根所述搅拌轴之间齿轮啮合传动。双螺旋叶片的交错反向旋转使固相晶体在推进过程中不会产生返混和积留，并且通过螺旋转速的调节可以实现停留时间的调节。

进一步来说，所述螺旋叶片上设置有筛网结构。筛网结构可以实现固相晶体的截留，溶液的通过，并且通过双螺旋叶片的相互刮切，确保结晶体不会附着于筛网，并能够分散于液相中，有利于固液两相的传质。

进一步来说，每个所述加热腔对应一段夹套，所述夹套安装在多级逆流结晶器的壳体上，所述夹套与壳体固定并合围形成所述加热腔。

进一步来说，所述夹套外围设置有旁管，所述旁管的安装在夹套上并与加热腔导通相连。

一种卧式双螺旋多级逆流结晶方法，其特征在于：包括以下具体步骤：

A、饱和、过饱和、固液混合或固体晶体状态的物料从进料装置进入多级逆流结晶器内，溶剂从进溶剂装置进入多级逆流结晶器内，并通过搅拌结构推动下固液两相逆向移动接触；

B、温控装置单独控制加热腔内的温度，所述加热腔的温度以进料装置为分界线，沿进料装置向左侧的加热腔的温度依次降低，沿进料装置向右侧的加热腔的温度依次增加，多级逆流结晶器最左侧的加热腔温度与多级逆流结晶器最右侧的加热腔温度之间的温度差为20°～80°；

C、多级逆流结晶器上的溢流孔有母液溢出至排母液装置；多级逆流结晶器上有出料口，料液由出料口进入产品过滤装置，在过滤装置拦截固相结晶，实现装置的固相结晶的产品采出，并将过滤后的母液重新输送至装置内部，利于快速传质达到平衡，并降低溶剂使用量。

采用的双螺旋结构相对于单螺旋可以形成相对密封的固相结晶移动的腔体，因此不会产生较大量的晶体反向移动导致的返混现象，从而导致传质单元高度增加。并且双螺旋叶片之间的间隙以及与壳体之间的间隙都很小，因此可以保证固相结晶不会附着在筛网上，导致传质不充分。

与现有技术相比，本发明通固液两相逆流，以及固相的晶体回流实现溶液中主产品溶质和杂质溶质的彻底分离，实现主产品的全部回收和纯度的进一步提高。主要解决医药、食品、基础化工领域的溶液多次重结晶存在的产品损失大、收率低、纯度低、固废多的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例中多级逆流结晶器的结构示意图。

图3为本发明实施例中双螺旋叶片的剖面示意图。

图中：

1-多级逆流结晶器；2/4-进溶剂装置；3-进料装置；5-排母液装置；6-温控装置；7-过滤装置；8-电机；9-搅拌结构；10-筛板；11-加热腔；12-旁管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例

参见附图1～图3所示，本实施例中的一种卧式双螺旋多级逆流结晶装置，包括多级逆流结晶器1，所述多级逆流结晶器1内设有电机8驱动的搅拌结构9，所述搅拌结构9为双螺旋结构，包括两根平行分布的搅拌轴91/92，每根搅拌轴91/92上均设有螺旋叶片93/94，且两个搅拌轴上的螺旋叶片93/94交错分布。两根所述搅拌轴91/92之间齿轮啮合相连，使电机8能驱动螺旋叶片相向转动。使用过程中，螺旋叶片93/94(组成双螺旋叶片)的交错反向旋转使固相晶体在推进过程中不会产生返混和积留，并且通过螺旋转速的调节可以实现停留时间的调节。

本实施例通过双螺旋结构实现固相和液相的逆向移动接触，在接触的过程中实现固相物质持续的溶解和液相中溶质的持续结晶，并在装置内形成各种溶质组分的浓度梯度分布，从而实现主产品溶质与杂质溶质的分离。同时双螺旋叶片的交错反向旋转使固相晶体在推进过程中不会产生返混和积留，并且通过螺旋转速的调节可以实现停留时间的调节。

本实施例中两根搅拌轴上的螺旋叶片93/94具有筛网结构，筛网结构可以实现固相晶体的截留，溶液的通过，并且通过双螺旋叶片的相互刮切，确保结晶体不会附着于筛网，并能够分散于液相中，有利于固液两相的传质。

多级逆流结晶器1从上至下依次设有至少三段独立的加热腔11，本实施例中为上下衔接的七段加热腔，每段加热腔11均与一个温控装置6相连，使每段加热腔的温度可调节。本实施例中的温控装置包括罐体，所述罐体内具有如恒温水箱一样的控温装置，以实现对流经的液体控温作用，是一种市面上已有的成品设备。

壳体1的内腔与进料装置3、进溶剂装置2/4导通相连，壳体1的上端设有溢流孔，所述溢流孔与排母液装置5相连；壳体1的下端设有出料口，所述出料口与过滤装置7的入口相连，所述过滤装置7的出口通过管路回流至多级逆流结晶器内。

每个加热腔对应一段夹套13，所述夹套13安装在多级逆流结晶器1的壳体上，所述夹套13与壳体固定并合围形成所述加热腔11。夹套13上设有两个与加热腔11连通的法兰接头，其中一个法兰接头与温控装置6通过管道相连作为温控介质进管、另一个法兰接头与一根旁管12相连，作为温控介质回管。

本实施例中的进料装置3可以实现固体进料、饱和溶液进料以及悬浮晶浆进料。进溶剂装置2/4包括溶剂罐、计量泵或控制阀门、传感器和PLC控制模块组成的调节系统，可以实现通过加入溶剂连续调节结晶器内各位置的过饱和度。温控装置6包括与PLC控制模块相连的热交换器、温度传感器。通过分段夹套、多组热交换器、温度传感器与PLC控制模块组成的温度分布调节系统，通过温度的精确调节控制各段的溶液过饱和度。

过滤装置7包括静压过滤器或离心机等，过滤后晶体作为产品采出，母液作为液相回流回到结晶器内。

一种卧式双螺旋多级逆流结晶方法，包括以下具体步骤：

步骤1：饱和、过饱和、固液混合或固体晶体状态的物料从进料装置进入壳体内，溶剂从进溶剂装置进入壳体内，在壳体内的搅拌结构推动下固液两相逆向移动接触；搅拌结构采用双螺旋结构，使固相晶体在推进过程中不会产生返混和积留，并且通过螺旋转速的调节可以实现停留时间的调节。其上的筛网结构设计，可以实现固相晶体的截留，溶液的通过，并且通过双螺旋叶片的相互刮切，确保结晶体不会附着于筛网，并能够分散于液相中，有利于固液两相的传质；

步骤2：温控装置单独控制加热腔内的温度，所述加热腔的温度以进料装置为分界线，沿进料装置向上的加热腔的温度依次降低，沿进料装置向下的加热腔的温度依次增加，壳体最上端的加热腔温度与壳体最下端的加热腔温度之间的温度差为20°～80°；

步骤3：壳体的上端的溢流孔有母液溢至排母液装置；多级逆流结晶器上有出料口,料液由出料口进入产品过滤装置，在过滤装置拦截固相结晶，实现装置的固相结晶的产品采出，并将过滤后的母液重新输送至装置内部，利于快速传质达到平衡，并降低溶剂使用量。

本实施例通过液相回流的方法相对于投加溶剂，可缩短晶体溶解的时间，从而缩短30％左右的传质单元高度，并且投加新溶剂会增加母液的后处理负荷，并需要通过降低更低的温度等方式来保持其过饱和度。同时采用固相回流可以将溶质间的相平衡扩展到全组分范围，因此能够保证采出的母液中更低的主产品溶质的含量，相对于通过批次性的母液套用方法能够获取更高的产品收率。

本实施例中通过改变温度、改变溶剂体系、改变PH等多种方式提高溶液的过饱和度，并使溶质结晶为固相，并通过装置的动态结构和静态结构的作用实现固相和液相的逆向移动接触，在接触的过程中实现固相物质持续的溶解和液相中溶质的持续结晶，并在装置内形成各种溶质组分的浓度梯度分布，从而实现主产品溶质与杂质溶质的分离。

本实施例将一段加热腔作为一个传质单元，通过改变温度、改变溶剂体系、改变PH等多种方式调节溶液的过饱和度，使其在每个传质单元内实现独立的传质平衡，避免因两相流动过程返混导致的传质单元高度增加。通过两相逆向流动轴线方向上的连续过饱和度分布调节，使其在每个传质单元内实现独立的传质平衡，避免因两相流动过程返混导致的传质单元高度增加。

以下以某化学原料药作为实例

从进溶剂装置将多级逆流结晶器内充满结晶体系的溶剂，然后按照设计参数调节不同位置的温度至恒定(从左至右一个有7个加热腔，控制温度分别为15℃、18℃、21℃、24℃、27℃、30℃、33℃)，将化学原料药粗品(干品)按照10kg/h的进料速率从进料装置进入多级逆流结晶器，并开启双螺旋电机，按照设计的速率(5r/min)调节转速，待一定时间(2min)后，从多级逆流结晶器的溶剂进口按照设计的流量83kg/h进入溶剂，并开始采出晶浆至过滤装置，将过滤后的母液回流到多级逆流结晶器内。同时从多级逆流结晶器的另一端不断采出母液至排母液装置。

通过逆流结晶的工艺方法可以将结晶工段的一次性收率由76.69％提高至95.65％，提高了18.96％，并且每批减少8.53kg固废。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种卧式双螺旋多级逆流结晶装置，其特征在于：

包括多级逆流结晶器，所述多级逆流结晶器内设有电机驱动的搅拌结构，所述多级逆流结晶器的壳体外围从左到右依次设有多段独立的加热腔，每段所述加热腔均与一个温控装置相连，使每段加热腔的温度可调节；所述多级逆流结晶器的内腔与进料装置、进溶剂装置导通相连，所述多级逆流结晶器的下端一侧设有溢流孔，所述溢流孔与排母液装置相连；所述多级逆流结晶器的下端另一侧设有出料口，所述出料口与过滤装置的入口相连，所述过滤装置的出口通过管路从多级逆流结晶器的上端回流至多级逆流结晶器内，

所述多级逆流结晶器内设有搅拌结构，所述搅拌结构为双螺旋结构，包括两根平行分布的搅拌轴，每根搅拌轴上均设有螺旋叶片，且两个搅拌轴上的螺旋叶片交错分布，且两根搅拌轴的螺旋叶片相向转动，且能相互刮切，

所述螺旋叶片上设置有筛网结构,

每个所述加热腔对应一段夹套，所述夹套安装在多级逆流结晶器的壳体上，所述夹套与壳体固定并合围形成所述加热腔。

2.根据权利要求1所述的卧式双螺旋多级逆流结晶装置，其特征在于：

所述夹套外围设置有旁管，所述旁管安装在夹套上并与加热腔导通相连。

3.一种卧式双螺旋多级逆流结晶方法，采用权利要求1或2所述的卧式双螺旋多级逆流结晶装置，其特征在于：

包括以下具体步骤：

A、饱和、过饱和、固液混合或固体晶体状态的物料从进料装置进入多级逆流结晶器内，溶剂从进溶剂装置进入多级逆流结晶器内，并通过搅拌结构推动下固液两相逆向移动接触；

B、温控装置单独控制加热腔内的温度，所述加热腔的温度以进料装置为分界线，沿进料装置向左侧的加热腔的温度依次降低，沿进料装置向右侧的加热腔的温度依次增加，多级逆流结晶器最左侧的加热腔温度与多级逆流结晶器最右侧的加热腔温度之间的温度差为20°～80°；

C、多级逆流结晶器上的溢流孔有母液溢出至排母液装置；多级逆流结晶器上有出料口，料液由出料口进入产品过滤装置，在过滤装置拦截固相结晶，实现装置的固相结晶的产品采出，并将过滤后的母液重新输送至装置内部，利于快速传质达到平衡，并降低溶剂使用量。