CN1178128A - 利用分步结晶法从液体混合物中分离一种物质的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用分步结晶法从液体混合物中分离物质的方法及装置,结晶器(S－1,S－2,S－3)的一些管子的内壁,因蒸发一种液体介质而冷却,介质的气相压力按照结晶所需的温度而加以控制。管子外壁形成一层结晶,随后可把它熔化。一台结晶器中先前形成结晶的熔化,同另一台结晶器的结晶过程同时进行。两台同时操作的结晶器在一个致冷系统(11)中,分别作为蒸发器和冷凝器操作。

Description

利用分步结晶法从液体混合物中 分离一种物质的方法和装置

本发明涉及一种利用分步结晶法从液体混化物中分离一种物质的方法和装置。

除了普通的蒸馏方法之外，结晶方法变得越为重要了。这有许多原因。例如，结晶方法的一个优点是可取得热敏性物质，或者在低温下提纯。此外，它不像真空蒸馏那样，需要有昂贵的真空装置。在许多情况下，还可比蒸馏方法取得更高的纯度。

美国专利US-A-3 272 875披露了一种带着一些管子的结晶器，流经管内的是一种冷却剂，而管子外壁就用作结晶的表面。冷却剂回路是一个次级回路，冷却剂从一台循环泵的出口输送到管子的一端，并流经管子，再从管子的另一端流经一台换热器，然后流回循环泵。这一台换热器从一个主回路，也即冷却系统回路，传递冷却能量。产品回路，从产品循环泵导向管子一端的管子外壁，然后再从管子的另一端导向一台换热器，最后回到产品循环泵。产品回路中的换热器从一热源接受热能。

当上述的结晶器在操作时，在管子的外壁上形成一层结晶。专利说明书中关于如何取走结晶层没有给出任何详情。不过，可以得知，当母液离开产品回路以后，结晶层可以通过提高冷却回路的温度，或者引入和循环先前获得的产品把它熔化掉。熔化所需的热能可以通过布置在产品回路中的换热器供给。引用的专利说明书只是在实验室规模上的工艺说明。没有资料说明这一方法如何能转变成工业实践。尤其是更没有关于多段结晶的资料。不过，可以得知，需要采用的一些换热器，将必造成昂贵的设备开支。鉴于所选用的操作方法和造成的能量损失，所必需的能量将是很多的。而冷却能量却是特别昂贵的。

关于分步结晶法，曾经长期致力于降低所需的能量和设备的开支。例如，德国专利DE-A-17 69 123建议利用冷却车间的介质直接冷却结晶器，从结晶器的套管空间抽走蒸汽。然而，在实际上并没有这样做的资料，而且自从所引用的专利说明书公布25年以来，也没有得知有直接冷却结晶器的事实。

与根据首先提起的美国专利US-A-3 272 875相反，根据德国专利DE-A-1769123的结晶器，管子是从外面加以冷却的，而液体混合物是送到管子内侧以薄膜状涓流而下。此外在多段结晶过程中，每一段并不配备一台结晶器。相反，多段结晶却是在单一台结晶器的不同循环中实现的。为了进一步降低能耗，建议在冷却车间的冷凝器中产生的热量应当部份地储存在一个加热介质贮槽中，再通过在产品回路中的换热器，用于以后的结晶熔化。多余的热量在冷却水中放掉，或者在极个别的情况下，流经一个第二冷却装置。这一己知的方法，在能量储存和转化过程中有能量损失和设备支出多的缺点。

未在先公布的EP-A-0 715 870专利说明书，披露了一种利用分步结晶法，从液体介质中分离一种物质的方法，其中管子的另一侧被冷却时，管子的一侧上沉积上一层结晶。冷却的实现是根据结晶所需的温度，利用蒸发结晶器中的介质并调整介质的气相压力而达到的。另一方面，通过以气相供入的介质在管壁上的冷凝来使结晶层熔化。在这一操作中，气相的压力是根据管壁用途所必需的温度来调控的。假如至少有两台结晶器出现，一台结晶器可用于结晶，另一台结晶器则用于熔化结晶的物质。因此，在一制冷机中，一台结晶器按照冷凝器，另一台结晶器按照蒸发器操作。在这一方式下，来自制冷机的冷能和废热两者都直接地应用了。这同己知的方法对比，节省了相当大的能量。

此外，在EP-A-0 715 870专利说明书中所述的方法中，还可以输入另外的热能，如果熔化结晶物质有所需要的话。这一要求可通过利用管子和阀门，把一台辅助蒸发器连接到需要额外热能的一台或多台结晶器上而实现。举例来说。结晶物质的熔化可比只来自其它结晶器的可利用能量要快一些。总之，外部热能的利用可使过程更灵活些。不过，缺点是，对于制冷介质需要配有液体分离器和管状的昂贵设备。此外经过冷凝可能会有问题，以及造成液体波动。

本发明的目的是要改善EP-A-0 715 870专利的过程，使之能实现较低的能量消耗和投资，以及较高的可靠性。

这一问题是根据权利要求1所提出的方法加以解决。

根据本发明，额外的热能不是通过一台独立的辅助蒸发器来提供，而是供给在结晶器中的介质，因此不需要有一台独立的辅助蒸发器以及连向结晶器的管路。这样也消除了有关的问题，诸如液体波动和管路的压力损失。

本发明也涉及根据权利要求6中的一种装置。有利的是，在这一装置中，散热器是安装在结晶器的液体介质的贮液槽内。另一种做法是散热器可以安装在一个同结晶器连通的独立的贮槽中，使独立的贮槽同结晶器具有相同的压力。这一变动，对现存的装置需要改善但结晶器没有空间来容纳散热器时特别有利。

有利的是，在结晶器的介质室中，安装有一个液相介质进出的装置，其上面有向上的直接开孔，在进出装置的上方还安装一个液滴分离器。这样可防止液体介质液滴，随同抽出气体夹带进入压缩机。

本发明在权利要求书中所说明的实施方案的其它优点，从以下的说明就将更为清楚。

图纸中：图1是本发明的多段分步结晶装冷却系统的示意图。图2所示是特别适用于图1的冷却系统的结晶器图。

本发明对于带有两个或两个以上的结晶器的多段结晶过程特别有利。因此，本发明将参照多段结晶过程的例子加以说明，但是并不局限于此。由于多段结晶过程装置对于熟悉的人们皆是己知的，因此不需要有物质如何在此装置中输送的细节说明。取而代之，是参考有关的技术文献和起初提到的出版物。

图1所示，是一个带有三台结晶器S-1，S-2和S-3的多段分步结晶过程的结晶装置。一般至少有两台结晶器在同时操作，一台当作制冷装置的蒸发器，另一台当作冷凝器。在结晶过程中，一台结晶器起蒸发器作用，在熔化过程中，则起冷凝器的作用。因此，在本发明装置中，制冷机11并不同普通装置一样，包含有压缩机13，一台蒸发器和一台冷凝器。相反的是，该蒸发器和冷凝器是同制冷机组11相脱离，而是结晶器S-1，S-2，S-3的一部份。这是事先在原则上假定，除非有另外地利用一台辅助的冷凝器或辅助的蒸发器外，至少有一台结晶器总是按照蒸发器操作，和至少有另一台结晶器总是按照冷凝器操作。然而，甚至当多台结晶器在过程的不同阶段同时当作蒸发器或冷凝器操作时，每台结晶器结晶形成或熔化时管壁上的温度也可保持不同。要达到这一点，只需按照管壁上所要求的温度，控制每台结晶器气相介质的压力就是。

如果结晶熔化所需的热能比结晶过程中产生的废热为多，那就必须提供额外的热量。根据本发明，这是通过向结晶器中的介质提供外部的热能来实现的，这在以下详细说明。

结晶器S-1，S-2，S-3中气相介质的压力是通过连接在管子25，26和27上的测量控制装置PC-1，PC-2和PC-3来控制的，设定的压力由过程控制装置33决定。

管路25，26，27是从结晶器S-1，S-2，S-3的接头96引向集合管23，集合管23是连向压缩机13的入口侧。集合管23是处在较低的压力下，即2巴压力。在结晶的期间，控制阀28，29，30可个别地控制在结晶器中气相介质，即氨的压力。这决定看使结晶器的管子75(图2中)冷却的介质的蒸发温度。

气相介质可从压缩机13的压力侧经过一根分配管路21和支管15，16，17送到相应结晶器S-1，S-2，S-3的接头96。分配管路21是处在较高的压力下，即14巴压力。在结晶熔化期间，支管15，16，17上的控制阀18，19，20可个别地控制在相应结晶器S-1，S-2，S-3中气相介质的压力。这决定着使结晶器的管子加热的介质的冷凝温度。

在结晶和熔化过程期间，压力值，因而也是温度值的调定可由过程控制装置33决定。

从收集槽35出来的液体介质可经过管路39送往结晶器S-1，S-2，S-3。来自收集槽35的液体介质是经过接在管路39上的控制阀40，41，42送到结晶器S-1，S-2，S-3的贮液槽93(图2)，控制阀40，41，42是受液位测量和控制装置LC-1，LC-2，LC-3控制。泵40用于泵送液体介质去结晶器。

连接在压缩机13入口侧的收集槽35，是通过阀门44和压力测量和控制装置PC-5维持在一恒定的压力下。收集槽35因此也可当作节能器。收集槽35的压力是调在最传值，使既能送往结晶器，又能从结晶器流回来。

为了实行结晶过程，相应结晶器S-1，S-2，S-3的贮液槽93是注入经过接管115由收集槽35送来的液体介质。每一台结晶器S-1，S-2，S-3有它自己的泵P-1，P-2，P-3用于循环来自接头94至接头95的冷却剂。泵的操作同压缩机13的压力无关。因此，循环量并不需要控制，而且当结晶过程在冷却，压力下降的当时，泵的功率也不改变。泵所需克服的压力差，只由静压高度和回路中管路的压力损失决定。

如前所述，过程控制装置33所需决定的是哪一台结晶器或哪几台结晶器应按蒸发器操作，因而哪一个阀门或那些阀门40，41，42应当打开或关闭。

结晶可以比它们形成时以更短得多的时间熔化。假如在一台结晶器中的结晶要熔化，同时另一台结晶器正用于结晶，由冷却系统11所放出的废热就不足以使熔化进行得比结晶快。因此，必须供入外部热量。为了供入额外的热能，每一台结晶器配有一台散热器。每一台相应的散热器53(图2)可经由管路50和阀门52，52’，52”的余热蒸汽操作。阀门52，52’，52”是受按照过程控制装置33所决定的调定压力，以及由压力测量和控制装置PC-1，PC-2，PC-3的测量压力控制。相应散热器53的出口接头114是经过一个液体分离器117接在冷凝水排放管路119上。

在一台辅助冷凝器55用于排放多余的热能。辅助冷凝器55通过管子56，58和阀门57同冷却水回路连接。另一选择就是也可采用空气冷却的冷凝器。辅助冷凝器55连在分配管路21上，以便当所需要的废热少于冷却系统11当时所供给的热量时，就从管路21上抽出气相介质把它冷凝。阀门57受测量和控制装置PC-4控制，并且同由过程控制装置33所决定的调定压力相一致。通过辅助冷凝器55液化了的介质可流入贮槽61，它作为收集槽35的一个容器。LC-4表示一个液位测量和控制装置，用于控制阀门63。液体介质绽贮槽61供入收集槽35是通过阀门63进行的。

结晶器S-1，S-2，S-3在各段上，其结构都是相同的。结晶器的示范装置示于图2。结晶器70基本上包括一个容器71，它是被分配圆板81上方的盖子73封闭着。在容器71中分布着许多管子75(图上只示出一根)。它们构成结晶出现的管壁。液体混合物能以薄膜的形状沿管子75的外壁76涓流而下。液体混合物的入口77是在盖子73上面。分配圆板81上有许多开孔82，管子75就是穿经这些开孔向上伸出，管子的顶端69是封闭的。液体混合物能以获得膜的形式向下经过间隙83涓流。由于管子75的冷却，所希望的结晶就形成在管子的外壁76上。产品的出口84在产品圆盘85上。液体介质通过一台循环泵(图上未示出)以熟知的方式从出口84循环到入口77直到本段的结晶过程结束为止。

结晶器70可交替地用作蒸发器和冷凝器。为了这一目的，每一根管子75都含有一根上升管87，这一根上升管87是从上升管管板90上的供装配用的螺纹接头89伸入管子75中的。上升管87依靠垫板91装在管子75的中心上。在离上升管87顶部不远的地方布置有冷却剂分布器92，保证用作冷却剂的介质以薄膜的方式涓流在管子75的内壁78上以便冷却管子。冷却剂分布器92的这样布置，使得管子75的顶部和分配圆板81不被冷却，以便液体混合物总能不受阻碍地流经间隙83。不过，如果结晶器是按冷凝器操作，用来熔化结晶。管子的顶部也受到在管子75上冷凝的介质的加热。在离拱状产品圆盘85不远的管子75上面配有一个套环86，并用一圆圈固定在管子75上，用以防止形成在管子75上的结晶下滑。在管子75的里面，优先地布置一段管子88，用以使涓流的薄膜偏流离开套环86，防止结晶在套环86以下的地区形成。管子75同偏移管段88之间有一个空隙88’。当结晶器作为冷凝器操作时，管子75的下部也被在管子75管壁上的空隙88’中冷凝的介质加热。

在结晶过程的期间，由熔化或冷凝期间所形成的非蒸发介质或冷凝介质可流开进入贮液槽93中。从贮液槽93那里，液体介质经过接口94和泵可排放到接口95。接口96是在结晶期间用来排放蒸发介质，当结晶被熔化时，用来供给气相介质。

应当注意，结晶器70是由产品圆盘85分隔成两个腔室74、80，它们之间具有相当大的压力差。例如结晶室74一般是在大气压力或稍高于大气压力下，而介质室80的压力是14巴。防止介质从任何地方漏入产品室74是很重要的。本发明的结晶器结构，对于结晶管75不需要有压差防漏的螺纹接头。因为介质的输送是经过上升管87送到管子75的顶部，管子75可以用焊接方法把顶端69焊死封闭。管子75的底部可焊在产品圆盘85上，而产品圆盘本身可焊接在容器71的夹套72上。这种焊接连接在结晶器的操作过程是气密的。结构的另一优点是管子75可在分配圆板81上自由运动。因此，假如加热或冷却失效，因而同其它管子有不同的收缩或膨胀差别，管子75也不会有遭损坏的危险。

现在说明结晶器70介质室80的特殊设计。在上升管管板90的下面，有一个从上面管子75掉下液体介质的液滴分离器100。有一段同容器71同心配置的管段101，离其顶缘不远有一块平板103，同管段101合作，构成一个用于接纳滴下介质的圆状浅槽105。一根或多根排放管107从浅槽105伸入位于多孔圆盘109下面的贮液槽93。在浅槽105下面，安装一个同接头96相连的气相介质的出入装置111，其顶部带有管子截面的细长开孔112。

结晶过程中，气相介质以较高的速度，约9米/秒，流注环隙110，所夹带的液体介质掉落在多孔圆盘109上，再流入贮液槽93。另一方面，气相介质在多孔圆盘109上转向向上。上升气体的速度比较小，约0.25米/秒。在圆盘109处，它们再次转向向下，和能经过装置111和接口96流出。液滴分离器100可防止从接口96吸入的气体夹带液滴进入压缩机13。

贮液槽93的液体介质进口115是位于多孔圆盘109下面。散热器53是安置在贮液槽93中，并有蒸汽的入口接头113和出口接头114。散热器53可以是盘管式的或者是板式换热器。结晶器的设计也可能设计成容许流体介质在散热器53上涓流而下。

结晶开始熔化之前，贮液槽93中过多的液体介质是在液位测量和控制装置LC-1，LC-2或LC-3的控制下，从那里排出，直到散热器53只是部份地或者不再浸在液体介质中为止。液体介质输送到收集槽35是由结晶器的压力实现的。

结晶熔化期间。可视需求，适当地使散热器53切入操作。相应散热器53的蒸汽供应，是由压力测量和控制装置PC-1，PC-2，PC-3控制阀门52，52’，52”进行的。各相应的冷凝水出口接头114是经过一个冷凝水疏水器117，连接到冷凝水排放管路119。这样能达到完全放空和防止冻结损坏。

在不离开本发明的思想，各种不同的变更都是可能的。例如，一种可能性是，根据DE-A-1 769 123专利的结晶器，是把液体介质喷酒在结晶器，以便弄湿管子外面。

此外，本发明也不局限于所示出的降膜式结晶过程。相反，本发明也可应用在其它结晶方法上，例如静态结晶法。又如，管子75可用不同外形的冷却元件代替。

Claims (14)

1、一种利用分步结晶法从液体混合物中分离一种物质的方法，在这一方法中，在一台结晶器(例如S-1)的管壁(75)的另一面(78)上被一种液体介质的蒸发而被冷却的同时，管壁(75)的一面(76)上沉积上一层结晶，气相的压力是按照结晶所需要的温度而加以调控的，在此之后，为了冷凝和/或熔化结晶层，管壁的那另一面是由另一台结晶器(例如S-2)在结晶过程中因蒸发过程而产生的气相介质所加热，其压力是按照熔化所需的温度加以调控的，如果需要，可向第一次提到的结晶器提供用于蒸发液体介质的另外的热能。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于：多余的热能随后被一台辅助冷凝器(55)从介质中取走。

3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于：为了在管壁(78)上实现结晶过程因此而起蒸发作用的液体介质是由穿经结晶器的一个回路传输的。

4、根据权利要求3的方法，其特征在于：该液体介质是由结晶器的贮液槽(93)向上泵出，并在管壁(78)上以薄膜的形式向下涓流。

5、根据权利要求1至4的任一项要求的方法，其特征在于：该液体介质是贮存在一收集槽(35)中，以及收集槽中的压力，在结晶过程开始时，要维持收集槽(35)与相应的结晶器(S-1，S-2，S-3)之间的压差，足以使液体介质输送到结晶器去，而在冷凝或熔化过程开始时，足以使液体介质从结晶器输送到收集槽(35)中去。

6、一种至少包括一台结晶器(70)的装置，包含有一个容器(71)，其中的结晶室(74)是以结晶将沉积在其上面的管壁(75)同介质室(80)相隔开，介质室(80)至少有一个液体介质的出口(94)和入口(95)，并且至少有一个介质的气相流出和流进的接头(96)，此外还包含控制结晶室气相压力的装置(PC-1，PC-2，PC-3)，以及一台同结晶器相连结用于蒸发液体介质的散热器(53)。

7、根据权利要求6的装置，其特征在于：散热器(53)是放置在结晶器(70)的液体介质贮液槽(93)中。

8、根据权利要求7的装置，其特征在于：有一台辅助的冷凝器(55)。

9、根据权利要求6至8的任一要求的装置，其特征在于：气相的进出装置(111)是放置在结晶器的介质室(80)中，并且具有向上的直接开孔(112)，而且在进出装置的上方布置着一个液滴分离器(100)。

10、根据权利要求9的装置，其特征在于：进出装置(111)是管状截面，在其顶部开有狭长状的开孔(112)。

11、根据权利要求9或10的装置，其特征在于：液滴分离器(100)包含有收集浅槽(105)，它是同结晶器的壳体(71)同心布置的，并且有出口(107)以及从槽底(103)向下伸展的下缘(101)，在液滴分离器(100)同容器(71)内壁之间形成一个圆环状的间隙(110)。

12、根据权利要求9至11的任一要求的装置，其特征在于：气相介质进出装置(111)的下面，布置着一块开孔圆板(109)。

13、根据权利要求6至12的任一要求的装置，其特征在于：每一台结晶器都有一台泵(P-1，P-2，P-3)，用于输送液体介质，来冷却结晶将在其上面沉积的管壁。

14、根据权利要求6至13的任一要求的装置。其特征在于：配备有一台液体介质的收集槽(35)，其中介质的压力可由一套压力测量和控制装置(PC-4)把它保持在一数值，视结晶器的操作方式，根据收集槽(35)同相应结晶器(S-1，S-2，S-3)之间的压力差，把液体介质送往结晶器，或者送往收集槽(35)。

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