TW201418534A - 用於起始硫酸銨結晶方法的方法 - Google Patents

用於起始硫酸銨結晶方法的方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種製造結晶型硫酸銨之連續方法，該方法包含一啟動作業，接連是一穩態作業，其中該啟動作業包含：i)在一結晶器中，蒸發源於一約飽和之硫酸銨溶液的溶劑；ii)用以另一約飽和之硫酸銨溶液替換經蒸發的溶劑；iii)將硫酸銨的種晶引入該結晶器；iv)持續蒸發溶劑，直至達到所欲之超飽和程度；以及v)在一回收單元中自硫酸銨溶液回收結晶型硫酸銨，且該穩態作業包含：vi)持續地饋入約飽和之硫酸銨溶液至該結晶器中並且持續地從該結晶器抽出硫酸銨晶體，以使得位在該結晶器內的硫酸銨溶液和硫酸銨晶體的整體總體積得以保持恆定；且vii)在一回收單元中自硫酸銨溶液回收結晶型硫酸銨，其特徵在於，在該啟動作業的期間，在該結晶器中超飽和的程度被維持在1.2%及一初級成核反應會發生之點之間；及適合進行該方法之裝置。

Description

用於起始硫酸銨結晶方法的方法 發明領域
本發明係有關一種結晶型硫酸銨的製備方法。
發明背景
硫酸銨例如在農業、園藝或林業中可使用作為肥料。其常被以結晶材料形式投予。晶體的尺寸是重要的且決定了它的實用性及價值。因此，硫酸晶體通常有一所欲的尺寸。一般製備結晶性硫酸銨的方法是在連續的製程中，從飽和或超飽和溶液製備的。典型地，連續方法包含一穩態作業。然而，要由從未作業之結晶器到達成穩態之作業是需要啟動作業。同樣地，若要停止結晶器，關機作業也是必需的。
發明概要
一種製造結晶性硫酸銨之連續方法的例子揭示於A.Mersmann所著作的Crystallization Technology Handbook(1995)336-340,Marcel Dekker Inc.,New York,ISBN 0-8247-9233-5。在其所揭示之啟動作業中，約飽和的 硫酸銨溶液是被饋入結晶器中。將溶液加熱以蒸發溶劑並且引發結晶化。蒸發持續進行以使得晶體在尺寸上增長。當足夠量的晶體達到所欲尺寸時，就引發穩態作業：將硫酸銨晶體的懸浮液連續地抽出以供固體與液體之分離；且新的硫酸銨溶液則是連續地被引入至該結晶器。
然而上述的方法存在一個問題，那就是當硫酸銨沉積在結晶器的內表面時會造成積垢。這會導致生產能力的損失，並造成結晶器要被關機以便清理。若是運作在高溫下，則結晶器關機就必須頻繁到如一個禮拜一次或兩次。因已知的啟動方法是非常費時的，因此關機而造成生產能力的損失是倍增的。在啟動階段的期間，具有所欲尺寸之晶體的形成的速率相當地慢，因此，在生產能力上啟動的總體損失是相當地高。
Takiyama和Matsuoka在Powder Technology 121(2001)99-105中揭示，對在連續式混合-懸浮液混合-產物移出結晶器中的啟動作業作種晶規格設計可減少該啟動作業所需的時間。他們揭示了實驗室規模的實驗(720ml容器)，在單一次加入作業中將具有標的尺寸的種晶加入(質量為準之平均值，數量為準之平均值，或實際晶體產物)。冷卻式結晶化被運用，相反地，工廠運用的是蒸發式結晶化。實驗是在起始漿液密度為27.8kg/m3下被進行；但在化學工廠中，需要更高的晶體密度俾以節約地運作。此外，實驗室規模的反應在室溫下被進行。化學工廠一般在較高溫度下運作，若蒸發式結晶化被使用更是如此。所有上述的差 別在嘗試放大所揭示之方法時導致複雜化。
由於上述之啟動程序，達到穩定狀態的時間大幅地減少。但若要放大這樣的方法至生產規模則問題仍會存在。當使用100m3的反應器時，製程的放大需要大約30公噸的種晶。因需要額外的設備，例如儲藏及混合設備，提供如此大規模的種晶並不經濟實惠。此外，使用的種晶(及在引晶方法中消耗的)為產物規格的晶體。
本發明之目的係提供一種製備結晶型硫酸銨的連續方法，其可克服一個或多個上述方法的缺點。尤其是，本發明之一目的係提供一種比已知方法還快速的啟動作業。另一個目的係提供一種具有更高生產能力的結晶化方法。再者，本發明希望能增加此方法之產量，並降低能量消耗。此外，其目的係降低未達所欲尺寸之硫酸銨晶體產物的比例。由下述說明，本發明所著眼之一個或更多個的目的會變得更為明瞭。
本發明者已找出一種用於硫酸銨工廠的改良型啟動方法。此方法可被經濟地實施並且仍提供一種比已知生產規模結晶化方法更快達到穩態作業。尤其是，他們已發現在結晶器中對超飽和作謹慎控制可容許相當低量之種晶的使用，且比產物規格小的種晶也可使用。
因此，本發明提供一種製造結晶型硫酸銨之連續方法，該方法包含一啟動作業，其後接著續一穩態作業，其中該啟動作業包含：i)在一結晶器中，蒸發源於一約飽和之硫酸銨溶液 的溶劑；ii)用以另一約飽和之硫酸銨溶液替換經蒸發的溶劑；iii)將硫酸銨的種晶引入該結晶器；iv)持續蒸發溶劑，直至達到所欲之超飽和程度；以及v)在一回收單元中自硫酸銨溶液回收結晶型硫酸銨，且該穩態作業包含：vi)持續地饋入約飽和之硫酸銨溶液至該結晶器中並且持續地從該結晶器抽出硫酸銨晶體，以使得位在該結晶器內的硫酸銨溶液和硫酸銨晶體的整體總體積得以保持恆定；且vii)在一回收單元中自硫酸銨溶液回收結晶型硫酸銨，其特徵在於，在該啟動作業的期間，在該結晶器中超飽和的程度被維持在1.2%及一初級成核反應會發生之點兩者間。
結晶型硫酸銨意指主張方法之最後產物。為避免混淆，此名詞不包括在結晶器中的種晶或晶體，或從結晶器被移出之晶體，但包含從分離單元中回收之晶體。
可使用任何適當的結晶器。優先使用DTB-型或Oslo-型結晶器。因生產大晶體是較佳，故低剪切型結晶器是較佳。
分離單元在穩態作業期間使用。分離單元一般是移除低於所欲尺寸之晶體。分離可藉由任何適當方法，但通常是藉由篩或流體旋風器。
約飽和之硫酸銨溶液一般是未飽和的。飽和之程度為95%至100%較佳。為98%至99.9%更佳。為99%至99.8%尤佳。這可避免不必要的自發性結晶化的風險。較佳的是，約飽和的硫酸銨溶液被加入該結晶器，以使得硫酸銨溶液及硫酸銨晶體的恆定整體總體積在結晶器中維持恆定。這將會使得結晶器的生產力最大化。在結晶器中的硫酸銨溶液及硫酸銨晶體的恆定整體總體積之典型容差為5vol.%，但3vol.%較佳，2vol.%更佳。
飽和為所屬技術領域之人員熟知。為避免混淆，飽和被定義為：[所溶解之硫酸銨的濃度]/[處於飽和之所溶解之硫酸銨的濃度]。其因此沒有單位；且通常以百分比被表示。
蒸發可在大氣壓力下，或者更高或更低。技術人員會基於設備及能源的經濟效益性選擇最適合之壓力。
通常結晶化是藉由蒸發式結晶化。因此一般在較高溫下發生。結晶器中的溫度超過40℃是較佳。結晶器中的溫度為45℃至150℃更佳。其為50℃至130℃尤佳。
超飽和可利用此技術人士熟知之技術予以測量。超飽和可在線上測定或者藉由取一樣品且離線測量。典型地，測量是在線上測定。較佳的是，使用折射率或傅立葉變換紅外光譜。這些技術揭示於Kadam et al.所著作的 Crystal Growth & Design(2010),Vol.10,2629-2640。如同Jiang及ter Horst於Crystal Growth & Design(2011),Vol.11,256-261所揭示者，初級成核之點是使用誘導時間的機率分布來測量硫酸銨的成核行為而予以決定的。
通常在啟動作業期間，在結晶器中的超飽和被維持在1.2%以上，1.3%以上較佳，1.4%以上更佳，例如1.5%以上。通常在啟動作業期間，在結晶器中的超飽和被維持在2.5%以下；2.4%以下較佳；2.3%以下更佳；2.2%以下尤佳。通常在啟動作業期間，在結晶器中的超飽和被維持在1.2%及2.5%之間。在啟動作業期間，在結晶器中的超飽和被維持在1.3%及2.2%之間較佳。
超飽和為所屬技術領域之人員熟知。為避免混淆，超飽和被定義為：[所溶解之硫酸銨的濃度]/[處於飽和之所溶解之硫酸銨的濃度]-1.其因此沒有單位；且通常以百分比被表示。
晶體增長隨著增加超飽和而增加。因此，較高的超飽和是較佳。但為了避免自發性、快速且無法控制的結晶化，超飽和應被保持在低於初級成核點。此一無法控制的結晶化會產生大量的小晶體。所導致的超飽和的下降意指這樣的晶體的增長是緩慢的。藉著維持超飽和在界定限制內，晶體的增長被最大化，而使得較大的晶體快速地生成。因此，可更快速地達到穩態作業。
硫酸銨之種晶通常被引入至硫酸銨溶液中，例如硫酸銨水溶液。與其一起會形成漿液或懸浮液的形式。
種晶的平均尺寸通常是低於所生成之結晶型硫酸銨的平均尺寸。這避免所欲尺寸之結晶被再加工。因此，製程的產量被增加，且能源耗損被降低。此外，所生成之低於所欲尺寸的硫酸銨晶體比例亦降低。
典型地，被饋入結晶器之種晶的平均尺寸低於1.4mm。種晶的平均尺寸低於1.3mm較佳；低於1.2mm更佳。種晶的平均尺寸介於0.8至1.2mm更佳。
晶體增長速率也取決於現存之種晶的表面積。因此種晶的表面積若落在所決定的範圍內是較佳。典型地，硫酸銨的種晶具有從1至6m2kg-1的平均晶體表面積。從2至5m2kg-1較佳；從3至4m2kg-1更佳。硫酸銨的晶體具有約3.9m2kg-1的平均晶體表面積是最佳。
硫酸銨的種晶通常被長時間地引入。這一般是至多10個小時。較佳的是，在步驟iii)中，硫酸銨的種晶被饋入達至多6個小時。更佳的是，其被饋入達1到4個小時，例如2至3個小時。
種晶可來自任何來源。但是通常是在早期作業中利用結晶器產生且被保留作為種晶。一般而言，種晶是以漿液之一部分饋入之。典型地，該漿液具有從10至40wt%的固體含量。從20至35wt%的固體含量較佳；從25至30wt%最佳。
穩態作業之特徵在於維持，例如：約恆定之漿液密度；約恆定之平均晶體尺寸；約恆定之硫酸銨溶液的饋入率；以及約恆定之蒸發率。結晶化之技術領域的人員了 解如何去辨認穩態狀況。
漿液密度可藉由為此技術人員熟知之技術予以測量。這包括了壓力差測量及放射性測量。使用壓力差測量為較佳。典型地，在步驟iii)之起始時硫酸銨溶液的漿液密度為1230至1270kgm-3。其從1240至1260kgm-3較佳；從1245至1255kgm-3更佳；例如1250kgm-3。
於此，平均結晶尺寸意指平均值D50，也稱為質量中值直徑。這為此技術人員所熟知。其可用標準技術，例如篩分，予以測量。
典型地，離開結晶器之種晶的平均尺寸最少為1.4mm。其最少為1.6mm較佳。
一般而言，製程更包含晶體尺寸分類步驟，其中細小晶體部分及粗大晶體部分是會被生成的。典型地，粗大晶體部分包含所欲尺寸的晶體。細小晶體部分可再被加工以產生較不理想的結晶型硫酸銨產物。當存在有尺寸分類步驟，較佳是至少有一部分的細小晶體部分會從尺寸分類步驟饋入至步驟iii)。典型地，在尺寸分類步驟中，細小晶體部分具有低於1.4mm的平均晶體尺寸。典型地，粗大晶體部分具有至少1.4mm的平均晶體尺寸。
本發明更提供一種適合利用上述方法製造硫酸銨晶體的裝置，其包含：一混合單元；一結晶器；一尺寸分類器； 一回收單元；及一種晶製備單元，其特徵在於該尺寸分類器被設置成提供晶體至該種晶製備單元，以及該種晶製備單元被設置成在啟動期間饋入晶體的漿液至該結晶器並在穩態作業期間饋入至該混合單元。
本發明更提供一種適合藉由上述方法製造硫酸銨晶體的裝置，其包含：i)一混合單元，其係將一硫酸銨溶液饋入一結晶器；ii)該結晶器產生一硫酸銨晶體的懸浮液且饋入該硫酸銨晶體的懸浮液至一回收單元；iii)該回收單元自一硫酸銨溶液分離硫酸銨晶體且饋入該硫酸銨溶液至該混合單元；且iv)一種晶製備單元，其在製程的啟動作業期間提供種晶至該結晶器。
典型地，該裝置更包含：v)一尺寸分類器，其位在該結晶器及該回收單元之間，且該尺寸分類器將自該結晶器所饋入硫酸銨晶體懸浮液分離成一細小硫酸銨晶體懸浮液以及一粗大硫酸銨晶體懸浮液；且該尺寸分類器將該細小硫酸銨晶體的懸浮液饋入至該種晶製備單元；且將該粗大硫酸銨晶體的懸浮液饋入至該回收單元。
較佳的是，該種晶製備單元在製程的啟動作業期 間提供種晶至該混合單元；且其在製程的穩態作業期間提供種晶至該混合單元。
典型地，本發明之裝置更包含一種提供在該結晶器中超飽和的線上測量之設備。
該裝置通常是一硫酸銨結晶化工廠。較佳的是，其為一每年能生產至少10,000噸硫酸銨的工廠。較佳的是，可利用硫酸銨溶液之饋入來供應該裝置，且該硫酸銨溶液為源自於己內醯胺工廠或丙烯腈工廠的副產品。
圖1揭示一種依據先前技術的典型設置。一新的硫酸銨溶液經由線(a)進入一混合單元(1)，在此其與來自線(e)之輸入物混合而形成一硫酸銨饋入液。硫酸銨饋入液接著通過線(b)至結晶器(2)中，在此其進行結晶化，以使得硫酸銨晶體的懸浮液被生成。硫酸銨晶體的懸浮液通過(c)線至回收單元(3)中，在此其與結晶型硫酸銨分離；從線(e)被移除；且被循環回到混合單元(1)中。結晶型硫酸銨則經由線(d)回收。
圖2揭示一種依據本發明的方法。線(a)至線(e)，及單元(1)至(3)如同在第1圖所定義者。在該啟動作業期間，硫酸銨晶體的懸浮液自種晶製備單元(4)經由線(f)饋入至結晶器(2)。
圖3揭示一種依據本發明的方法。線(a)至線(e)，及單元(1)至(3)如同在第1圖所定義者。在該啟動作業期間，硫酸銨晶體的懸浮液自種晶製備單元(4)經由線(f)饋入 至結晶器(2)。通過線(c)該硫酸銨晶體的懸浮液進入尺寸分類單元(5)，其中一細小晶體部分分離且經由線(i)移除而送至種晶製備單元(4)。粗大晶體部分通經過線(h)線送至回收單元(3)。在穩態作業期間，硫酸銨晶體經由線(g)饋入至混合單元中(1)。任何過多的種晶通過線(j)以供進一步的加工。
較佳實施例之詳細說明
本發明係藉由下列實施例說明，但不限於該等實施例性。
實施例 比較例1
此比較例在實質上對應於圖1之設備中進行。
藉由一負載量為5000m3hr-1的貝格曼葉輪泵及一熱交換器，一300m3的Oslo-型流化床結晶器(2)與一用來循環來自結晶器主體的漿液之外部的循環電路一起使用。在啟動期間，180m3的硫酸銨水溶液存在於該結晶器中。該結晶器在90℃下蒸發運作。因為水的蒸發以及源自於生產己內醯胺的工廠的約飽和硫酸銨溶液饋入至該系統，所溶解之硫酸銨的濃度增加至一程度，即會發生硫酸銨晶體的自發性形成而造成一主要為細小晶體(平均直徑0.4mm)之硫酸銨漿液。
此類結晶器的正常運作點使用密度為1400kgm-3且晶體具有平均晶體尺寸為2.4mm的硫酸銨漿液。因此，在此啟動階段需要時間以允許晶體增長至2.4mm的尺寸。 在達到穩態運作點前這將耗費近40個小時。
如此硫酸銨結晶化單元的生成物被分成一高價值的產物，其包含顆粒尺寸為1.4mm以上的物質；及一低價值的產物，其包含顆粒尺寸為1.4mm以下的物質。
結果如顯示在下述表1。
比較例2
上述系統的運行情況利用Borland Delphi 5.0程式設計語言被轉化成一種利用總質量、熱量與的族群平衡來加以描述該系統的模型。描述系統中晶體尺寸分布的族群平衡是根據與M.J.Hounslow、R.L.Ryall及V.R.Marshall所提出之說明內容相類似的一級離散方案而執行；A discretized population balance for nucleation,growth,and aggregation；AIChE J.,34(1988)pp1821-1832。初級晶體成核反應及晶體增長的說明是由參考Jiang及ter Horst所著作之Crystal Growth & Design(2011),Vol.11,256-261的實驗室規模的實驗而獲得。二級晶體成核反應的說明是依據自一運作的硫酸銨結晶器的生產資料被校準。該模型被用來模擬上述結晶器系統之運作情況，此是由一約30個小時的啟動時期及一約90個小時的穩態生成時期所構成。相較於在啟動及穩態時期期間所生成物質的總量，該結晶器之運作的特徵在於：在該期間所生成物質包含有用1.4mm的篩網被保留之顆粒的量。
藉由增加40%的系統饋入速率，該模擬模型被用來預測比較例1的放大情況。該結晶器的容量增大65%。 這是利用保持流化床的速率恆定，以及結晶器的尺寸比率恆定而被計算出。
結果如顯示在下述表1。
實施例1
此實施例在實質上是在對應於圖2之設備中進行。
在根據本發明的實施例中，藉由使一種晶製備單元(4)鄰接至在該結晶器(2)，而將比較例所發展出之模擬模型適用於如揭示於第2圖中的設備結構。該種晶製備單元(4)是用於在啟動期間饋入50m3的40wt-%硫酸銨漿液至該結晶器中，該硫酸銨漿液包含平均晶體尺寸為0.87mm及相對標準偏差為0.38的硫酸銨晶體。種晶的漿液在硫酸銨晶體的自發性形成就要發生之前(根據超飽和計算)饋入且在90℃下在一個小時的時間內加入。在漿液饋入期間，硫酸銨饋入液(a)被水替換。為了容納漿液的加入，在漿液饋入開始之前，就減少結晶器中的硫酸銨溶液的體積。
結果如顯示在表1。
表1提供比較例1及2及實施例1的結果。
關於比較例1，可以看出各個啟動作業會導致在200噸具有大於1.4mm尺寸的產物減少；98噸具有小於1.4mm尺寸的產物增加；故與穩態作業比較，有120噸的產物淨減少。
比較例2顯示對每個啟動作業而言，428噸具有大於1.4mm尺寸的產物減少；328噸具有小於1.4mm尺寸的產物增加；故與穩態作業比較，有100噸的產物淨減少。
實施例1顯示對每個啟動作業而言，只有83噸具有大於1.44mm尺寸的的產物減少；10噸具有小於1.4mm尺寸的產物增加；故與穩態作業比較，只有73噸的產物淨減少。
比較例2及實施例1各為一流速相同之系統。藉由使用實施例1的方法而不是比較例2的方法，對每個啟動作業而言有27噸的總產物的增加被觀測到。此外，更重要的是，這將導致345噸具有大於1.4mm尺寸的產物的增加。此具有大於1.4mm尺寸的產物比較小的產物更有價值。
因實施例1之啟動作業較比較例2的更快速，結晶化方法在整體上(當啟動被考慮進去其達120個小時的時期，)具有較高的生產能力及增加的生產量。此外，因為一相當低比例的晶體產物具有小於1.4mm的尺寸，其不需要被再加工以產生更大的晶體，因而節省能量。因此，實施例1顯示對已知方法的顯著改良。

Claims (15)

  1. 一種製造結晶型硫酸銨之連續方法，該方法包含一啟動作業，其後接續一穩態作業，其中該啟動作業包含：i)在一結晶器中，蒸發源於一約飽和之硫酸銨溶液的溶劑；ii)以另一約飽和之硫酸銨溶液替換經蒸發的溶劑；iii)將硫酸銨的種晶引入該結晶器；iv)持續蒸發溶劑，直至達到所欲之超飽和程度；以及v)在一回收單元中自硫酸銨溶液回收結晶型硫酸銨，且該穩態作業包含：vi)持續地饋入約飽和之硫酸銨溶液至該結晶器中並且持續地從該結晶器抽出硫酸銨晶體，以使得位在該結晶器內的硫酸銨溶液和硫酸銨晶體的整體總體積得以保持恆定；且vii)在一回收單元中自硫酸銨溶液回收結晶型硫酸銨，其特徵在於，在該啟動作業的期間，在結晶器中超飽和的程度被維持在1.2%及一初級成核反應會發生之點二者間。
  2. 如請求項1之方法，其中在該啟動作業期間，在該結晶器中超飽和被維持在1.2%及2.5%之間。
  3. 如請求項1之方法，其中在該啟動作業期間，在該結晶器中超飽和被維持在1.3%及2.2%之間。
  4. 如請求項1至3中任一項的方法，其中種晶的平均尺寸低於結晶型硫酸銨的平均尺寸。
  5. 如請求項4之方法，其中被饋入至該結晶器之種晶的平均尺寸是低於1.4mm。
  6. 如請求項5之方法，其中被饋入至該結晶器之種晶的平均尺寸是在0.8及1.2mm之間。
  7. 如請求項1至6中任一項的方法，其中硫酸銨的種晶具有從3至4m2kg-1的平均晶體表面積。
  8. 如請求項1至7中任一項的方法，其中在步驟iii)，硫酸銨的種晶被饋入達至多6個小時。
  9. 如請求項1至8中任一項的方法，其中在步驟iii)之起始時，硫酸銨溶液的漿液密度為從1240至1260kgm-3。
  10. 如請求項1至10中任一項的方法，其中離開該結晶器之晶體的平均尺寸最少為1.4mm。
  11. 如請求項1至10中任一項的方法，其更包含一晶體尺寸分類步驟，其中一細小晶體部分及一粗大晶體部分被生成。
  12. 如請求項11之方法，其中至少有一部分的細小晶體部分會從尺寸分類步驟饋入至步驟iii)。
  13. 如請求項1至12中任一項的方法，其中在該結晶器中之溫度是高於40℃。
  14. 一種適合藉由請求項1至13項中任一項的方法製造硫酸銨晶體的裝置，該裝置包含：i)一混合單元，其係將一硫酸銨溶液饋入一結晶器； ii)該結晶器產生一硫酸銨晶體的懸浮液且饋入該硫酸銨晶體的懸浮液至一回收單元；iii)該回收單元自一硫酸銨溶液分離硫酸銨晶體且饋入該硫酸銨溶液至該混合單元；且iv)一種晶製備單元，其在製程的啟動作業期間提供種晶至該結晶器。
  15. 如請求項14之裝置，其進一步包含一提供在該結晶器中超飽和的線上測量之設備。
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