CN112337130B - 一种超重力直接结晶的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种超重力直接结晶的装置及方法，属于结晶技术领域，可解决现有结晶设备存在的成本高、占地面积大、易堵塞等问题，采用气液直接接触的方式进行换热结晶，溶剂全部蒸发转化为气相，溶质达到过饱和状态并迅速结晶为无定形的细小颗粒。在超重力环境下实现直接结晶，可以获得较大的传质和传热系数，减少能源消耗的同时提高热能利用率，做到节能减排，超重力直接结晶技术无需设置换热面，提高了传热系数，具有节能优势；连续操作易于浆料处理，温度更易控制，处理效率更高；没有晶核的生长过程，获得无定型晶体用途广泛，可能具有更高的溶解度和更快的溶出速率。

Description

一种超重力直接结晶的装置及方法
技术领域
本发明属于结晶技术领域，具体涉及一种超重力直接结晶的装置及方法。
背景技术
结晶作为主要分离技术，可从均质液相中获得大小均匀，形态稳定的晶体。目前市场占有率较高的结晶设备主要有多效结晶器、机械再压缩蒸汽结晶器、多级闪蒸结晶器等。多效蒸发一般将3个及以上蒸发器串联，前一效蒸发器产生的蒸汽作为后一效蒸发器热源，以此达到节能效果。多效蒸发技术热效能高、动力消耗小、进水水质要求低，其缺点是设备占地面积较大、投资成本较高、易腐蚀结垢。机械压缩蒸发技术较为先进，核心是通过压缩机对二次蒸汽进行压缩，提高其压力和温度，补充蒸汽损失的热焓，主要优点是运行费用低、占地面积小、高效节能，也存在易结垢、易腐蚀、价格昂贵等缺点。
上述结晶技术和结晶设备均采用间接接触的方式进行蒸发结晶，传热效果受到限制，存在能量利用不充分和蒸发母液的问题。同时颗粒粒度较难控制，无法获得较细结晶颗粒，也存在设备和技术复杂、造价成本高等问题。对此，科学家开始研究直接接触式的结晶技术，旨在节能降耗减排，主要有喷雾结晶技术等。喷雾结晶器原理是将溶液通过喷头呈雾状喷入有气体流通的结晶室内，液滴在气流作用下保持悬浮状态，与周围空气进行热量传递，高比表面积提高热利用效率。但是喷雾结晶设备投资较高、处理量小、喷头容易堵塞，因此在工业上推广较少。
发明内容
本发明针对现有结晶设备存在的成本高、占地面积大、易堵塞等问题，提供一种超重力直接结晶的装置及方法，在超重力环境下实现直接结晶，可以获得较大的传质系数和传热系数，减少能源消耗的同时提高热能利用率，做到节能减排。
本发明采用如下技术方案：
一种超重力直接结晶的装置，包括旋转填料床、热风发生装置、鼓风机、储晶装置、离心泵、储液槽Ⅰ、储液槽Ⅱ和冷凝设备，热风发生装置通过鼓风机、阀门Ⅰ和气体流量计与旋转填料床的进气口连接，储液槽Ⅰ通过离心泵、阀门Ⅱ和液体流量计与旋转填料床的进液口连接，旋转填料床的出气口通过冷凝设备与储液槽Ⅱ连接，旋转填料床的晶体排出口与储晶装置连接。
所述旋转填料床为立式或卧式结构。
所述旋转填料床内设有填料，填料包括丝网、波纹网、多孔板或规整填料。
所述旋转填料床内设有液体分布器。
所述旋转填料床的晶体排出口设有排出阀。当旋转填料床内部结垢堵塞时关闭排出阀，通入热水进行处理。
所述旋转填料床的填料外侧设有若干刮刀，可在运行时对内壁上的晶渣进行刮除。
一种超重力直接结晶的方法，包括如下步骤：
第一步，将热风发生装置吹出的气体作为载热气，经鼓风机吹入旋转填料床，储液槽Ⅰ中的溶液经离心泵进入旋转填料床，与载热气在旋转填料床中直接接触；
第二步，调节操作参数进行结晶，溶液通过旋转填料床的液体分布器的喷嘴，喷射到填料的内缘上，在离心力的作用下沿填料孔隙向外缘流动，溶液与载热气在超重力场中直接接触，迅速蒸干；
第三步，溶液中的溶质结晶，形成无定形的颗粒，从旋转填料床的晶体排出口排出；
第四步，溶液中的溶剂气化，随载热气从旋转填料床的的排气口排出，经后处理装置将溶剂回收。
所述载热气与溶液的接触形式包括逆流、错流和并流中的任意一种。
所述载热气包括烟道气、空气、二氧化碳、燃油气和氮气中的任意一种。
载热气要确保充足的热量供应，使溶剂在超重力场中迅速全部蒸干，溶质结晶。
本发明提出的超重力直接结晶技术采用气液直接接触的方式进行换热结晶，结晶过程中载热气和溶液直接接触换热，传热传质效率高。高速旋转的填料将溶液剪切分割成具有一定线速度的极薄的液膜和细小的液滴，气体通过填料层中的空隙时，与溶液和填料急速碰撞接触，传热总表面积是填料面积和液膜面积之和，且液膜在不断快速更新，提高了传热系数，热质同传均得到强化。
本发明的有益效果如下：
超重力直接结晶，将传统工艺中的蒸发浓缩和结晶集于一体，在超重力设备内进行直接接触式结晶，工艺简单，对温度实现灵敏控制，操作性可控性强。超重力装置内部填料快速旋转，会使气压降低形成负压，降低溶剂沸点，加快溶剂蒸发，降低能耗。超重力装置成本低、换热效率高、占地面积小、开停车方便、处理效率高。可使用烟道气等作为热源，进行热回收利用。
超重力直接接触蒸发结晶技术无需设置换热面，提高了传热系数，具有节能优势；连续操作易于浆料处理，温度更易控制，处理效率更高；没有晶核的生长过程，获得的无定型产物用途广泛，可能具有更高的溶解度和更快的溶出速率。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明的旋转填料床的俯视结构示意图；
图3为本发明的旋转填充床工作原理示意图；
其中：1-旋转填料床；2-热风发生装置；3-鼓风机；4-储晶装置；5-离心泵；6-储液槽Ⅰ；7-储液槽Ⅱ；8-冷凝设备；9-阀门Ⅰ；10-气体流量计；11-进液口；12-进气口；13-出气口；14-晶体排出口；15-液体流量计；16-阀门Ⅱ；17-填料；18-刮刀。
具体实施方式
结合附图，对本发明做进一步说明。
如图所示，一种超重力直接结晶的装置，包括旋转填料床1、热风发生装置2、鼓风机3、储晶装置4、离心泵5、储液槽Ⅰ6、储液槽Ⅱ7和冷凝设备8，热风发生装置2通过鼓风机3、阀门Ⅰ9和气体流量计10与旋转填料床1的进气口12连接，储液槽Ⅰ6通过离心泵5、阀门Ⅱ16和液体流量计15与旋转填料床1的进液口11连接，旋转填料床1的出气口13通过冷凝设备8与储液槽Ⅱ7连接，旋转填料床1的晶体排出口14与储晶装置4连接。
所述旋转填料床1为立式或卧式结构。
所述旋转填料床1的内设有填料17，填料17包括丝网、波纹网、多孔板或规整填料。
所述旋转填料床1内设有液体分布器。
所述旋转填料床1的晶体排出口14设有排出阀。
所述旋转填料床1的填料17外侧设有若干刮刀18。
一种超重力直接结晶的方法，包括如下步骤：
第一步，将热风发生装置吹出的气体作为载热气，经鼓风机吹入旋转填料床，储液槽Ⅰ中的溶液经离心泵进入旋转填料床，与载热气在旋转填料床中直接接触；
第二步，调节操作参数进行结晶，溶液通过旋转填料床的液体分布器的喷嘴，喷射到填料的内缘上，在离心力的作用下沿填料孔隙向外缘流动，溶液与载热气在超重力场中直接接触，迅速蒸干；
第三步，溶液中的溶质结晶，形成无定形的颗粒，从旋转填料床的晶体排出口排出；
第四步，溶液中的溶剂气化，随载热气从旋转填料床的的排气口排出，经后处理装置将溶剂回收。
所述载热气与溶液的接触形式包括逆流、错流和并流中的任意一种。
所述载热气包括烟道气、空气、二氧化碳、燃油气和氮气中的任意一种。
实施例1
高温烟道气驱动的超重力强化蒸发氯化钠溶液：将温度为250℃的高温烟道气和氯化钠稀溶液连续通入立式超重力装置，选用错流旋转填料床，填料层为鲍尔环填料，转速设定为1000 r/min。氯化钠稀溶液通过液体分布器的喷嘴，喷射到旋转填料床填料层的内缘上，在离心力的作用下沿填料孔隙向外缘流动，高温烟道气与氯化钠稀溶液在超重力场中直接接触。氯化钠稀溶液快速升温，部分水气化，溶液快速浓缩为饱和状，从超重力装置的液体出口排出。高温烟道气与氯化钠稀溶液换热后温度降低，从超重力装置的排气口排出，经后处理装置将蒸发出的水回收。通过计算，采用此技术换热面积比传统技术提高50%，传热效率提高25%，能耗比传统工艺节省25%。
实施例2
热空气驱动的超重力强化蒸发浓缩稀烧碱溶液：将300℃的热空气和稀烧碱溶液连续通入卧式超重力装置，选用逆流旋转填料床，填料层为丝网填料，转速设定为800 r/min。热空气与稀烧碱溶液在丝网填料上直接接触，溶液快速升温，部分水气化，快速浓缩后从超重力装置的溶液出口排出。热空气和气化的水分从超重力装置的排气口排出，经后处理装置将水回收，通过本技术能耗节省25%。
实施例3
利用本技术蒸发处理高盐废水，水中氯化钠含量约200 g/L，COD约500 mg/L。将温度为300℃的高温烟道气和高盐废水连续通入立式超重力装置，选用错流旋转填料床，填料层为规整填料，转速设定为1000 r/min。烟道气和废水在超重力场中直接接触，高盐废水被快速浓缩。水蒸气随烟道气从超重力装置的排气口排出，冷凝回收。设备运行稳定，换热面积比传统技术提高50%，能耗比传统工艺节省30%。

Claims (10)

1.一种超重力直接结晶的装置，其特征在于：包括旋转填料床（1）、热风发生装置（2）、鼓风机（3）、储晶装置（4）、离心泵（5）、储液槽Ⅰ（6）、储液槽Ⅱ（7）和冷凝设备（8），热风发生装置（2）通过鼓风机（3）、阀门Ⅰ（9）和气体流量计（10）与旋转填料床（1）的进气口（12）连接，储液槽Ⅰ（6）通过离心泵（5）、阀门Ⅱ（16）和液体流量计（15）与旋转填料床（1）的进液口（11）连接，旋转填料床（1）的出气口（13）通过冷凝设备（8）与储液槽Ⅱ（7）连接，旋转填料床（1）的晶体排出口（14）与储晶装置（4）连接；
将所述热风发生装置（2）吹出的气体作为载热气，载热气要确保充足的热量供应，使溶剂在超重力场中迅速全部蒸干，溶质结晶。
2.根据权利要求1所述的一种超重力直接结晶的装置，其特征在于：所述旋转填料床（1）为立式或卧式结构。
3.根据权利要求1所述的一种超重力直接结晶的装置，其特征在于：所述旋转填料床（1）内设有填料（17），所述填料（17）为规整填料。
4.根据权利要求3所述的一种超重力直接结晶的装置，其特征在于：所述规整填料包括丝网、波纹网和多孔板中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种超重力直接结晶的装置，其特征在于：所述旋转填料床（1）内设有液体分布器。
6.根据权利要求1所述的一种超重力直接结晶的装置，其特征在于：所述旋转填料床（1）的晶体排出口（14）设有排出阀。
7.根据权利要求1所述的一种超重力直接结晶的装置，其特征在于：所述旋转填料床（1）的填料（17）外侧设有若干刮刀（18）。
8.一种超重力直接结晶的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，将热风发生装置吹出的气体作为载热气，经鼓风机吹入旋转填料床，储液槽Ⅰ中的溶液经离心泵进入旋转填料床，与载热气在旋转填料床中直接接触；
第二步，调节操作参数进行结晶，溶液通过旋转填料床的液体分布器的喷嘴，喷射到填料的内缘上，在离心力的作用下沿填料孔隙向外缘流动，溶液与载热气在超重力场中直接接触，迅速蒸干；
第三步，溶液中的溶质结晶，形成无定形的颗粒，从旋转填料床的晶体排出口排出；
第四步，溶液中的溶剂气化，随载热气从旋转填料床的排气口排出，经后处理装置将溶剂回收。
9.根据权利要求8所述的一种超重力直接结晶的方法，其特征在于：所述载热气与溶液的接触形式包括逆流、错流和并流中的任意一种。
10.根据权利要求8所述的一种超重力直接结晶的方法，其特征在于：所述载热气包括烟道气、空气、二氧化碳、燃油气和氮气中的任意一种。
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