KR970002178B1 - 직접 접촉식 결정화장치 및 그 방법 - Google Patents

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Description

직접 접촉식 결정화장치 및 그 방법

제1도는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 직접 접촉 결정화 장치(crystallizer)를 도시한다.

제2도는 제1도의 분사 노즐(injection nozzie)의 상세도를 도시한다.

제3도는 본 발명의 또다른 구현예에 따른 직접 접촉 결정화 장치를 도시한다.

제4도는 본 발명의 세번째 구현예에 따른 직접 접촉 결정화 장치를 도시한다.

제5도 및 제6도에 통상적 직접 접촉 결정화 장치와 비교한 제1도의 직접 접촉 결정화 장치에 대한 결정크기 분포를 도시한다.

제7도는 종래의 결정화 장치 용기(vessel) 또는 반응기를 개장(retrofitting)하는데 사용되는 복합 홉출관과 분사 노즐 배열을 도시한다.

제8도는 간접 접촉 코일과 조합된, 직접 액체/가스 분사기를 갖는 직접 접촉 결정화 장치를 도시한다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 결정화 장치 12 : 결정 슬러리

14 : 결정화 장치 용기 16 : 홉출관

18 : 분사 노즐 18' : 오리피스 오프닝

18 : 질소가스 거품 24 : 조절판

26 : 액체 수준 32 : 입자 계수기

34 : 펌프

본 발명은 직접 접촉 결정화 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 가스상 또는 액체 질소를 사용하여 결정 슬러리(slurry)를 동시에 냉각하고 교반하는 홉출관, 직접 접촉 결정화 장치에 관한 것이다.

결정화 고체와 과포화된 액체의 연속적 현탁은 균일한 결정을 성장시키는데 있어 중요하다. 종래의 직접 접촉 결정화 장치의 고안은 큰 부피의 냉매를 사용하였다. 직접 접촉 결정화 장치에 우수하게 사용된 냉매의 실례로는 프레온 물, 알코용액, 부탄, 프로판 및 공기를 들 수 있다. 그러나 이들 결정화 장치는 참여(true) 고체 현탁 또는 완전 혼합을 제공하는데는 부족하였다.

대부분의 통상적인 직접 접촉 결정화 장치는 기계적 단위를 사용하여 프로판, 부탄, 또는 메탄과 같은 냉매를 제압축한다. 기계적 증기 재압축 단위의 비용은 응축기가 제압축 전에 증발된 용매를 제거하는데 사용되어야 하기 때문에 매우 높다. 더 나아가 모타, 감속기 및 현탁액으로 결정을 유지하는 교반기를 설치하는 비용도 관련된다. 따라서, 이들 공지된 결정화 장치는 통상적으로 매우 고가이다. 추가적인 단점으로 이들 결정화 장치의 시험에서 이들은 교반이기 때문에 2차적 결정핵 생성을 일으킴을 알 수 있다. 2차적 결정핵 생성에 의해 제조된 미세결정은 쉽게 덩어리지는 경향이 있다.

이들 기계식 결정화 장치는 슬러리를 강력하게 교반하고 현탁액으로 결정을 유지하는 교반기가 장치된다. 교반기의 속도는, 용기의 바닥에 큰 결정이 가라앉고 응고되는 것을 방지하기에 충분하게 빨라야 한다. 그러나 빠른 회전 교반기는 충격으로 큰 결정을 파괴할 수 있다.

큰 결정을 파괴하는 것 이외에, 다른 결정의 기계적으로 교반된 표면에서의 결정에 대한 충격은 2차적 결정핵 생성과 결정이 덩어리지는 것을 촉진한다. 2차적 결정핵 생성은 결정 크기 분포가 넓어지고 슬러리를 소모하기 때문에 바람직하지 않다. 또한 2차적 결정핵 생성에 의해 제조된 미세 결정은 여과하기가 어렵다. 따라서 재순환이 필요하다. 우수한-혼합화 결정화 장치는 과포화 용액에 대해 병류로 흐르는 결정보다는 우수하지만, 결정이 과포화 용액에 대해 향류로 흐르는 이상 조작 조건보다는 우수하지 못하다.

본 발명의 직접 접촉 결정화 장치는 결정 슬러리에서 2차적 결정핵 생성을 최소화하는 동안에 고체 현탁을 최대로 하는 것이 달성된 것이다. 직접 접촉 결정화 장치를 홉출관 조립부와 가스상 또는 액체 질소 분사계와 조합하여 사용하여 결정 슬러리를 동시에 냉각 및 교반한다. 홉출관은 통상적인 결정화 장치 형태로 사용되었지만, 이들은 순환을 이루게 하기 위해 거의 가스 거품의 부력에만 의존하지는 않는다. 대표적으로 홉출관을 갖는 통상적인 결정화 장치에는 또한 기계적 교반기 또는 재순환 펌프가 장치된다.

결정화 장치 내부에 가스상 또는 액체 질소를 분사하는 것은 어려운 작업이다. 본 발명은 외부벽의 냉각을 최소화하는 이중벽 구조물을 갖는 우수하게 절연된 파이프/관을 사용하여, 냉각 질소가스 또는 액체를, 홉출관 하부 말단에 위치된 노즐에 전달한다.

모액(즉, 결정 슬러리)이 냉각 가스상 또는 액체 질소와 접촉하였을 때, 얼음과 결정이 형성될 수 있다. 얼음 또는 결정이 노즐벽에 달라붙는 것을 막기 위해, 폴리테트라플루오로에틸렌(테프론)을 노즐 구성시에 사용한다. 테프론 벽은 충분히 두꺼워서 노즐 외벽의 온도가 결정 슬러리의 온도에 근접하게 한다. 홉출관 내부의 높은 속도는 저온 표면에 인접한 열적 경계층을 감소시킴에 의해 얼음 형서와 노즐이 막히는 것을 막는다. 대표적인 홉출관 장치의 3상 흐름에서, 대부분의 액체 운동량은 3상 혼합물이 파장 또는 튀기는 형태로 액체 표면에 도달할 때 소실된다. 본 발명은 침지된 조절판을 사용하여 소정의 가스가 혼합물로부터 분리되기 전에 3상 혼합물의 방향을 변화시킨다. 침지된 조절판으로 홉출관 외부 액체의 높은 스위핑(sweeping) 이동이 이루어진다. 결정은 결정화 장치의 바닥에 매우 적게 가라앉는다. 이 결과로 넓은 몸체 결정화 장치 용기가 사용될 수 있다.

제1도를 참조하여 본 발명의 홉출관, 직접 접촉 결정화 장치(10)는 가스상 또는 액체화된 질소를 사용하여 결정 슬러리(12)를 동시에 냉각 및 교반한다.

직접 접촉 결정화 장치는 예를 들어, 티오술폰산 칼륨, 시트르산, 티오술폰산 나트륨, 파라-크실렌, 수산화 나트륨, 황산나트륨, 염화 칼륨, 락토오스, 붕산 또는 냉각 또는 증발하여 결정화함에 의해 용매로부터 분리 될 수 있는 유기, 무기, 또는 약체 화합물을 결정화할 수 있다. 또한 이것은 식용유의 방한, 항생 물질이 정제, 물탱크의 공기혼화 및 (물을 얼음으로 냉각시킴에 의해) 유기화합물의 탈수에 사용될 수 있다.

또한 본 발명의 원리는 아르곤-산소 탄산제거, 및 암모늄으로부터의 수소 스트립핑(stripping)과 같은 용융된 금속을 교반하는데 사용될 수 있다. 그러나 이들의 사용은 조절판, 홉출판, 및 노즐 구조물로 이용되는 재료의 종류에 대한 특별한 주의와 고려가 요구되어 진다. 내화 재료와 흑연이 용기, 조절판, 홉출관 및 노즐의 구성에 바람직하다.

직접 접촉 결정화 장치(10)는 다음의 4가지 주요한 부분을 갖는다 :

1) 액체/가스 노즐계, 2) 액체/가스 전달 파이프, 3) 홉출관 조립부, 및 4) 조절판 조립부

수직 홉출관(16)은 결정화 장치 용기(14)의 중앙에 설치된다. 그러나 또한 홉출관(16)은 용기가 단지 중앙으로부터 떨어져 있는 오프닝(opening)을 갖는다면 중앙으로부터 떨어져 있는 위치에 설치될 수 있다. 홉출관(16)과 용기(14)는 화학적으로 결정화하기에 적합한 소정의 재료로 만들어질 수 있다. 유리뿐만 아니라, 스테인레스강이 우수하게 이용될 수 있다.

용기(14)와 홉출관(16)의 물리적 크기는 변할 수 있다. 그러나 특정한 제한이 따르게 된다. 용기(14)는 구조물 파라메터가 허용할 만큼 크거나 또는 작을 수 있다. 홉출관(16)의 지름은 용기의 지름의 1% 내지 70.7%(즉 1/2제곱근)을 범위로 할수 있다. 흡출관이 용기 지름의 70.7%일 때, 홉출관 내부 단면적은 홉출관(16) 외부 단면적과 대략적으로 같다. 바람직하게는 홉출관(16)의 지름을 용기 지름의 10 내지 20%로 하여 충분한 난류와 상승 운동이 이루어지게 한다. 매우 큰 용기에 대해서는, 복합 홉출관이 단일 홉출관 대신에 제공될 수 있다. 더 나아가, 매우 큰 홉출관에 대해서는, 수직 분할된 복합 분사 노즐이 홉출관 내부에서 후면-혼합을 감소하는데 사용될 수 있다.

홉출관(16)의 하부 말단에서의 환상이 오프닝과 용기(14)의 바닥 표면 사이의 거리는 홉출관 내부 지름의 1/4로서 대략적으로 계산된다. 이 환상 오프닝은 통상적으로 흡출된 내부와 같은 면적을 갖는다. 따라서 오프닝에서의 액체 속도는 홉출관 내부에서의 속도와 같다. 더 작은 오프닝은 더 큰 선 속도를 나타낼 것이다. 이 큰 속도는 무거운 결정 슬러리를 스위핑하는데 우수하지만, 그러나 흐름저항 때문에 압력 강하가 증가한다. 그러나, 홉출판 오프닝과 용기 바닥 사이의 거리는 가라앉는 입자의 흡입을 증가 또는 감소시키기 위해(즉, 시동시에) 조정될 수 있다.

분사 노즐(18)은 결정화 장치(10)의 바닥과 뾰족하게 상부로 수직으로 위치되어 홉출관(16)의 하부 말단으로 돌출된다. 결정화 장치 용기(14)의 바닥은 바람하게는 원뿔형으로 형성되어 고체가 분사 노즐(18)로 향하게 되고, 따라서, 결정화 장치(10)에 데드 코너(dead corner)를 남기지 않는다. 그러나 결정화 장치 조립(즉, 홉출관, 조절판, 이중벽으로 된 관, 및 분사 노즐)은 원형의, 평판-바닥화된, 또는 원뿔형 용기를 포함한 소정의 종류의 용기 또는 반응기를 개장하는데 사용될 수 있다.

노즐(18)은 가스상 또는 액체 질소를 결정화 장치(10)로 직접적으로 분사하는데 사용된다. 노즐벽은 충분하게 두꺼워서 노즐(18)의 외부 온도와 결정 슬러리(12)의 온도와 근접하게 된다. 노즐(18)의 지름은 감소되어 분사 속도를 증가시키고 액체가 노즐로 역류되는 것을 막는다.

노즐(18)은 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌(테프론)으로 구조되어 얼음 또는 결정이 노즐벽에 달라붙는 것을 막는다. 테프론과 플루오로하이드로카본은 최적의 비-습윤 특성과 낮은 열 전도성을 나타내어 얼음 또는 결정이 표면에 달라붙지 않게 된다. 그러나, 노즐은 우수한 비-습윤성, 낮은 열전도성, 열충격 저항 특성을 나타내는 소정의 재료 또는 복합층의 재료로 만들어질 수 있다. 만약 액체 질소가 이용된다면, 노즐 재료는 열적 충격을 조절하는 것이 가능하게 될 수 있다.

노즐(18)은 초과 압력 강하가 나타나지 않는 길이를 갖는다. 이것은 노즐 그 자체 지름의 1/2보다 작지 않아야 한다. 또한 노즐벽은 충분히 두꺼워서 벽 외부 온도가 슬러리의 벌크(bulk) 온도와 근접하게 된다. 두께는 하기와 같이 계산될 수 있다 :

L=-Ks A(To-Ti)/Q

상기식에서 L=벽두께 Ks=재료의 열전도 상수 A=면적 To=슬러리의 벌크 온도 Ti=내부의 가스/액체 온도 Q=전체 열 플럭스(fluk)

노즐벽은 열전도 상수가 감소된 절연 재료의 복합층으로 만들어질 수 있다. 절연성이 좋을 수록 얇은 벽의 노즐이 사용될 수 있다.

제2도는 노즐(18)의 고안을 도시한다. 이 노즐은 내부 공동 챔버(hollow chamber)를 갖기 때문에 열 전도성이 감소한다. 또한 가스가 음속/초음속으로 가속하는 것은 매우 단계적인 변위를 허용한다. 공동 챔버를 갖는 대신에, 또한 노즐은 고체 테프론으로 만들어질 수 있다. 그러나 벽두께는 증가되어질 것이다.

액체 또는 가스상 흐름 비율의 주어진 범위에 대해, 가장 작은 노즐의 내부 지름은 유용한 공급 압력보다 큰 압력 강하를 일으키지 않도록 하는 크기로 만들어져야 한다. 주어진 공급 압력과 흐름 비율에서, 더 큰 노즐은 가스/액체가 더 낮은 선 속도로 분사되게 할 것이다.

선 속도는 액체의 역류와 얼음 결정이 부착되는 것을 막을 만큼 충분히 커야 한다(대략 10ft/sec 보다 작아서는 안된다). 가스는 바람직하게 음속에서 분사되고(즉 대략 1,000ft/sec) 액체는 저음속 속도에서 분사되지만, 이것이 증발될 때 음속이 달성된다. 다른 방법에서 보다 더 작은(즉 더 미세한) 가스 거품은 매우 큰 분사 속도에서 형성되고 더 우수한 열전달 비율을 달성하였다. 더 작고 또는 더 미세한 가스 거품은 액체 질소의 냉각도의 전체 열 평형 또는 이용에 대해 매우 뛰어난 교환을 의미한다. 홉출관을 통한 결정 슬러리의 속도는 고체가 현탁될만큼 충분히 커야 한다(즉, 결정의 말기 안정화 속도보다 커야 한다).

액체 또는 가스상 질소의 부피 흐름 비율은 결정 슬러리의 냉각 비율에 따른다(슬러리의 크기와 형태에 의해 영향을 받는다). 매우 높은 냉각/증발 비율은 전체 회분 반응시간이 감소하게 할 것이지만, 그러나 냉각 비율은 통상적으로 3℉의 과포화보다 크게 생성하지는 않아야 한다. 과포화로 인한 과량의 구동력은 비정상적인 결정인 성장을 생성하게 할 것이다.

만약 액체 질소가 유용하다면, 액체 질소의 온도는 이것의 비점 또는 이하, 즉 -196℃(77k)이어야 한다. 가스상 질소는 소정의 온도가 되어야 한다. 유용한 가스는 더욱 저온일수록, 냉각도는 더욱 우수하다.

결정 슬러리는 회수되는 화학물질의 종류와 결정의 양에 따라 소정의 온도에서 조절될 수 있다. 많은 결정은 낮은 슬러리 온도에서 회수될 수 있다. 그러나 이보다 낮은 온도는 그 이상의 에너지/가스당 회수되는 결정의 파운드를 요하게 될 수도 있다. 더 나아가 결정상이 변화할 수도 있다. 극 저온의 온도 제한은 용매의 빙점이 될 수도 있고, 상한의 제한은 비점이 될 수도 있다.

제3도와 제4도는 결정화 장치(10)의 다른 구현예를 도시한다. 가스상 또는 액체 질소는 제4도에 도시된 것과 같은 결정화 장치의 바닥에서 오리피스 오프닝(18')을 통해 분사될 수도 있거나, 또는 제3도에 도시된 것과 같은 작은 구멍들은 갖는 구멍 뚫린 테프론 디스크판(18)을 통해 분사될 수도 있다. 홉출관 및 오리피스 오프닝 또는 구멍이 뚫린 디스크 판 사이의 거리는 조정될 수 있다.

우수하게 절연된 이송관 또는 파이프(20)는 우수한 질의 가스상 또는 액체 질소를 노즐(18)로 이송하는데 사용된다. 이송 파이프(20)는 외부벽의 저온화를 최소화하기 위해 이중벽 구조를 갖는다. 이 이중벽 구조물은 또한 관 내부에서 증발하는 것으로부터 액체 질소를 유지하는데 중요하다. 예를 들어, 액체 질소는 4001b/hr의 비율에서 1/4테프론 노즐을 통해 40psig에서 분사될 수 있다. 액체가 노즐 출구에 도달하기 전에 증발된다면 가스상 질소는 확산할 것이며, 라인(line)의 내부에서 4,559ft/sec에서 이동되어 같은 량의 액체를 음속보다 휠씬 빠르게 분사하는 것이 요구되어질 것이다. 이 가스 속도는 음속을 초과할 수 없기 때문에, 부피 흐름 속도는 감소되어야만 한다. 따라서 이송 파이프가 적당하게 절연되지 않는다면, 증발된 가스는 가스/액체의 흐름을 격렬하게 감소시킬 것이며, 불충분한 냉각 비율을 얻게 될 것이다.

이송관에 대한 바람직한 절연은 이중벽 사이의 공기를 빼내어 진공을 만든다. 그러나 진공 절연은 고가이다. 알머플랙스(ARMERFLEX) 또는 파이버글래스(FIBERGLAS)와 같은 다른 종류의 절연 재료는 만약 이들이 습윤된다면 절연값이 떨어지게 된다. 따라서, 스테인레스강 이중벽 구조물이 가장 경제적인 종류의 절연물임이 발견되어졌다.

이중벽으로 된 외형으로 매우 큰 모양의 가스/액체 질소가 매우 작은 노즐을 사용하여 분사될 수 있다. 예를 들어, 조절에 의해 0∼40psig 사이에 공급 압력과 0∼4001b/hr의 액체가 매우 작은 노즐을 통해 분사될 수 있다.(즉, 1/4 노즐을 갖는 3/8의 이중벽으로 된 관). 다른 결정화 장치 구조물은 매우 큰 오프닝 파이프를 필요로 한다.

홉출관 내부에는 매우 높은 난류를 갖는, 이중벽으로 된 관이 홉출관 내부에 설치된다. 많은 수의 얼음 형성과 결정의 막힘은 열 경계층과 냉각 지점의 감소 때문에 감소된다. 파이프(20)는 최소한의 열전도를 위해 스테인레스강과 테프론 스페이서(spacer)로 만들어진다. 10001b/hr의 액체 질소가 물에 분사되는 시험에서, 얼음 형성이 노즐 또는 파이핑에 나타나지 않았다.

조작시에 노즐(18)은 가스상 또는 액체 질소를 결정화 장치(10)에 직접 분사한다. 가스와 증발하는 액체가 음속에서 분사되면 미세 가스 거품이 충격파장 때문에 형성된다. 이들 미세 가스 거품은 열전달에 대해 매우 큰 표면을 갖는다. 따라서 이 노즐은 매우 우수한 실용성의 냉각도가 인정된다.

중심부에서 위치한 홉출관(16)의 제한성 때문에, 가스는 액체와 고체 양쪽에 힘을 작용하여 상부로 흐르게 한다. 고체는 현탁되어 유지되고, 질소 가스 거품(22)의 항력이 중력에서 고체의 부력의 값을 뺀 값보다 큰 동안에는 연속적으로 순환할 것이다.

홉출관(16)은 홉출관(16)의 하부 말단과 결정화 장치 용기(14)의 바닥 사이의 오프닝이 결정 슬러리가 이를 통해 흐를 만큼 충분히 크도록 위치되고, 단 오프닝은 유속이 결정의 안정화 속도보다 크도록 작게 위치된다. 홉출관은 충분한 난류를 생성하여 열적 평형이 이루어질 수 있도록 한다(즉, 존재하는 가스는 액체의 부피와 같은 온도를 갖는다). 또한 홉출관(16) 내부의 높은 슬러리 속도는 소정의 냉각 표면에 인접한 열적 경계층이 감소함에 의해 얼음 결정과 막힘을 막는다.

기계적 교반기 또는 재-순환 펌프는 본 발명의 직접 접촉 결정화 장치에는 필요하지 않다. 결정은 가스 거품(22)이 분사 노즐(18)로부터 상응함에 의해 현탁 및 순환되다. 본 발명의 직접 접촉 결정화 장치는 균일한 형태의 결정과 좁은 크기 분포를 형성하고, 열교환 표면의 막힘을 최소화한다.

바람직하게는, 액체 질소 직접 접촉 결정화 장치는 중심부에 대해 대략적으로 45도로 경사진 원뿔형 바닥을 갖기 때문에 결정은 노즐(18)로 흐르게 되고, 결과적으로 홉출관 상부로 상승하게 된다. 그러나 결정화 장치 조립은 원뿔형 바닥을 갖지 않는 용기 또는 반응기를 개장하는데 사용될 수 있다.

가장 큰 결정들을 가장 빨리 가라앉게 되고, 제1로 분사 노즐(18)로부터의 냉각 가스와, 과포화가 그것의 최대의 값이 되는 곳에서 접촉한다. 이어서, 큰 결정은 작은 결정보다 더 높은 재순환과 성장 속도를 받아들인다. 이 결과로 결정화 장치의 외형은 2차적 결정핵 생성을 최소로 할뿐만 아니라, 큰 결정의 성장 속도를 개선 시킨다.

전형적으로, 가스 거품이 흡출관(16)의 상부로 도달할 때, 갑작스런 압력의 발생이 일어나서, 가스 거품(22)과 결정 슬러리(12)가 혼합하는 극단적인 난류가 얻어진다. 홉출관(16)을 통해 상승하는 가스 거품(22)의 상부로의 밀림에 의한 운동량은 파장과 튀김에 의해 통상적으로 소실된다. 그러나 침지된 조절판(24)은 소정의 가스가 혼합물로부터 분리되기 전에 3상 혼합물의 방향을 변경하는데 사용된다.

침지된 조절판(24)은 판 또는 역으로 된 원뿔형이 될 수 있다. 조절판(24)은, 소정의 가스 거품이 묶이지 않아서 가스-액체 접촉면을 형성하는 한 소정의 형태가 될 수 있다. 액체 수준(26) 아래에, 그러나, 단 홉출판(16)의 상부에 조절판(24)을 설치함에 의해 부력이 회전력으로 전환된다. 사각 지역은 수평 교반의 강도가 증가되고 환상으로의 재순환이 형성되어 소정의 안정화된 결정이 홉출관(16)으로 스위핑함에 의해 제거된다. 실제적으로 액체 수준의 하부에 조절판(24)의 설치로 파장과 튀김이 감소한다.

주어진 가스-액체 흐름 비율에 대해, 조절판(24)의 이상적 위치는 흡출판(16)의 상부 오프닝으로부터 대략적으로 4(인치)이다. 그러나 최적의 위치는 홉출관의 크기와 가스-액체 흐름 비율에 따라 변화한다. 제7도에 도시된 상부 조절판의 구현에는 중요한 기능을 갖지는 않는다. 이들은 단지 흡출관 지지물을 안정화하고 튀김(만약 단지 소정의 튀김이 있다면) 벤트(Vent) 또는 검사 유리에 도달하는 것을 억제하는데 이용된다.

종결된 결정은 펌프 또는 압력 이송기 중 하나에 의해 제거된다. 압력 이송기에서, 가스에 대한 배기 벤트는 잠겨져서 용기에 압력을 가하고 슬러리는 여과기로 방출된다. 결정은 크기가 충분히 크거나 특정화되었을 때 제거를 시작된다. 산업적인 실제예에서는 결정은 특정 온도에 도달할 때 제거된다.

이 계는 가압계가 아니다. 오히려, 이것은 압력 이송기가 펌프 대신 사용될 때 압력이 가해진다. 이런 경우에 압력은 이송 동안에 액체 헤드보다 약간 크게 될 것이다.

제5도와 제6도는 통상적인 결정화 장치와 비교한 본 발명의 직접 접촉 결정화 장치에 대한 결정 크기 분포를 도시한다. 시트르산이 직접 접촉에 의해 냉각될 때, 대략적으로 68%의 결정이 10∼20메쉬 크기로 존재한다(메쉬수가 작을 수록 결정은 크다). 제6도에 도시한 바와 같이, 시트르산이 교반된 탱크 결정화 장치에서 냉각될 때, 단지 13%의 결정이 10∼20메쉬 크기로 존재한다. 다시 제4도의 구현예를 참조하여, 이 직접 접촉 결정화 장치는 미세 결정의 분쇄와 제조물의 제거가 필요할 때, 연속 결정화로 조정된다. 역으로 된 실린더(30)는 결정화 장치로부터 액체와 미세 결정을 회수하는데 사용된다. 그러나 높은 안정화 비율을 갖는 큰 결정은 홉출판 외부의 액체의 느린 흐름 비율 때문에 실린더(30)로 흡수되지 않는다. 미세 결정 또는 핵은 액체 유출구에서 열 또는 용매 희석을 가함에 의해 파괴된다. 코울터(Coulter) 입자 계수기(32)는 핵의 크기와 양을 관측하는데 사용될 수 있다. 이후에 액체는 펌프(34)를 통해 결정화 장치 후면으로 펌핑된다.

이 구현예 후의 조작의 원리는 펌프를 제외하고는 제1구현예가 슬러리를 재순환하는데 사용되는 원리와 유사하다. 따라서 가스와 슬러리는 매우 높은 속도에서 홉출관을 통해 통과한다. 펌프는 슬러리 자체에 운동량을 제공하여 홉출관으로 들어가게 한다.

몇몇의 미세한 결정이 열적 영역에서 분쇄되지 않는다면 2차적 결정핵 생성이 일어날 수도 있다. 그러나 과포화는 이 지점에서 온도가 증가하기 때문에 매우 낫다. 따라서 2차적 결정핵 생성은 연속적인 결정화 장치에서 성장에 대해 적절하게 충분한 양으로 제한될 수 있다. 추가로, 열적 비율과 재순환 비율을 조절함에 의해, 결정 크기 분포는 조절될 수 있다. 결과적으로, 제조물은 새로운 핵이 형성되는 동안에 연속적으로 회수될 수 있다.

이 결정화 장치는 결정화가 일어날 수 있는 매우 제한된 온도 범위를 갖는 결정에 대해 특히 적당하다. 재순환에서 열적 부하가 증가함에 의해, 결정화 장치는 등온적으로 조작될 수 있고, 과포화는 단지 농도구배에 의해 수행될 수 있다.

제8도의 구현예를 참조하면, 이 직접 접촉 결정화 장치는 액체/가스 질소 분사 노즐(18)과 조합한 간접 접촉 냉각 코일(40)을 사용한다. 이것은 냉각의 최대 비율을 달성하기 위함이다. 얼음 형성과 결정의 막힘은 통상적으로 교반된 탱크의 냉각 코일에서와 같이 극심하지 않다. 이것은 흡출과 내부의 극심한 난류 조건이 결정이 냉각 표면에 달라붙는 것을 억제하기 때문이다. 추가로 높은 가스-액체 속도는 냉각 코일 표면의 열경계층을 감소하여 냉각 지점의 제거가 이루어진다.

Claims (17)

1. 직접 접촉식 저온 결정화 장치로서, (A) 냉각용 용기; (B) 상기 용기내에 위치하고 하단부가 상기 용기의 바닥면으로부터 떨어진 상태로 위치하는 홉출관; (C) 상기 홉출관내로 유체를 분사시키도록 위치하는 분사용 노즐; (D) 상기 분사용 노즐을 통해 저온 유체를 공급하는 수단; 및 (E) 상기 분사용 노즐을 통해 -190℉를 초과하는 온도로 온난한 기체를 공급하는 수단으로 이루어진 직접 접촉식 저온 결정화 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 분사용 노즐을 통해 저온 유체를 공급하는 수단이 상기 분사용 노즐을 통과하는 중심 도관으로 되어 있고, 상기 분사용 노즐을 통해 상기 온난한 기체를 공급하는 수단이 상기 중심 도관 둘레에 배향된 다수의 도관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 직접 접촉식 결정화 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 중심 도관의 직경이 자체의 길이부 위에서 감소된 것을 특징으로 하는 직접 접촉식 결정화 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 홉출관의 상단부 위에 배플이 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 직접 접촉식 결정화 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 배플에 1개 이상의 관통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접 접촉식 결정화 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 홉출관의 높이를 조절할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 직접 접촉식 결정화 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 분사용 노즐이 플루오로카본으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 직접 접촉식 결정화 장치.
8. 결정을 생성시키는 방법에 있어서, (A) 결정화 장치의 용기내에서 하단부가 바닥 표면부로부터 떨어진 상태로 위치하도록 되어 있는 홉출관이 구비된 결정화 장치내로 분사용 노즐을 통하여 결정 슬러리를 제공하는 단계; (B) 분사용 노즐을 통하여 상기 결정화용 용기내에 저온 유체를 분사시키고, 상기 저온 유체를 상기 홉출관내에서 상기 결정 슬러리와 접촉시켜서 결정을 형성시키는 단계; (C) 온도 -109℉ 이상, 상기 슬러리 용매의 빙점 이상의 온난한 기체를, 상기 저온 기체가 상기 결정화용 용기내로 분사되는 시간의 일부 이상 동안에, 분사용 노즐을 통해 상기 결정화 장치내로 분사시키는 단계; 및 (D) 상기 결정 슬러리를 상기 결정화용 용기로부터 배출시키는 단계로 이루어지는, 결정을 생성시키는 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 저온 유체가 액체인 것을 특징으로 하는, 결정을 생성시키는 방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 저온 유체가 기체인 것을 특징으로 하는, 결정을 생성하는 방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 저온 유체가 질소인 것을 특징으로 하는, 결정을 생성시키는 방법.
12. 제8항에 있어서, 상기 온난한 유체가 액체인 것을 특징으로 하는, 결정을 생성시키는 방법.
13. 제8항에 있어서, 상기 저온 유체가 헬륨, 아르곤, 산소, 수소, 이산화탄소, 메탄 또는 액화 천연 가스인 것을 특징으로 하는, 결정을 생성시키는 방법.
14. 제8항에 있어서, 상기 저온 유체가 노즐을 통해 초음속으로 분사되는 가스인 것을 특징으로 하는, 결정을 생성시키는 방법.
15. 제8항에 있어서, 상기 저온 유체가 노즐을 통해 음속 이하의 속도로 분사되는 액체인 것을 특징으로 하는, 결정을 생성시키는 방법.
16. 제8항에 있어서, 상기 저온 유체가 홉출관내에서 일부 이상이 기화되는 액체인 것을 특징으로 하는, 결정을 생성시키는 방법.
17. 제8항에 있어서, 노즐을 통해 상기 저온 기체가 분사되면서 온난한 기체가 노즐의 중심부를 통해 분사되는 것을 특징으로 하는, 결정을 생성시키는 방법.