工業結晶基礎之七——結晶設備按結晶方法分類結晶器結晶敞槽：效率低、粒度無法控制、純度不高。攪拌式結晶器（圖）搖藍式結晶器（圖）：大晶體12mm長槽攪拌式連續結晶器（圖）錐形分級冷卻結晶器（圖）間接冷卻式結晶器攪拌式結晶槽攪拌式結晶槽搖藍式結晶器長槽攪拌式連續結晶器錐形分級冷卻結晶器回轉結晶器（圖）淋灑式結晶器（圖）濕壁結晶器（圖）Cerny直接冷卻結晶器（圖）直接接觸冷凍結晶器（圖）直接接觸冷卻結晶器回轉結晶器淋灑式結晶器濕壁結晶器Cerny直接冷卻結晶器直接接觸冷凍結晶器蒸發結晶器多效蒸發結晶器。真空結晶器Messo多級真空結晶器連續式自然循環真空結晶器蒸發式結晶器真空式結晶器Messo多級真空結晶器連續式自然循環真空結晶器幾種通用結晶器強制外循環結晶器（圖）Oslo型結晶器（圖）DTB型結晶器（圖）DP型結晶器（圖）Messo湍流結晶器（圖）雙夾套間歇結晶器（圖）雙導流筒結晶器（圖）強制外循環結晶器Oslo型結晶器

流化床型結晶器：適用于真空法、冷卻法的結晶操作。屬于強制外循環結晶器。這種類型的結晶器時30年代由挪威人Jeremiassen提出的，也常稱為Krystal結晶器或粒度分級型結晶器，在工業上曾得到較為廣泛的應用。我國大連、連云港等地建有年產量達萬噸級的Oslo結晶器，用于NH4Cl的生產。這種結晶器雖然年代較久，性能也有不足之處，但是人們對它的操作經驗較為成熟，故常被使用。Oslo型結晶器的特點優點：

1、其過飽和度產生的區域與晶體生長區分別設置在結晶器的兩處，晶體在循環母液中流化懸浮，為晶體生長提供一個良好的條件。在連續操作的基礎上，能長成為大而均勻的晶體。2、其操作方式屬于典型的母液循環式，優點在于循環液中基本上不含晶粒，從而避免發生葉輪與晶粒間的接觸成核現象，再加上結晶室的粒度分級作用，使這種結晶器所產生的晶體大而均勻，特別適合生產在飽和溶液中沉降速度大于20mm/s的晶粒。Oslo型結晶器特點缺點：

母液循環型的缺點在于生產能力受到限制，因為必須限制液體的循環流量（即流速）及懸浮密度，把結晶室中懸浮液的澄清界面限制在溢流口之下，以防止母液中挾帶明顯數量的晶體。DTB型結晶器（導流筒-檔板型結晶器）

DTB（Drabttubebabbled）型結晶器時50年代出現的一種效能較高的結晶器，首先用于氯化鉀的生產，后衛化工、食品、制藥等工業部門所廣泛采用。經過多年的運行考察，證明這種型式的結晶器性能良好，能生產較大晶粒（粒度可達0.6~1.2mm），生產強度較高，器內不易結疤，它已成為連續結晶器的主要形式之一?？捎糜谡婵绽鋮s、蒸發法、直接接觸冷凍法及反應法的結晶操作。DTB型結晶器的特點優點：

1、晶體不易在結晶器壁上結疤DTB型結晶器設置了導流筒，形成了循環通道，只需要很低的壓頭（約100~200mmH2O），就能在結晶器內實現良好的內循環，使器內各流動截面上都可以維持較高的流動速度，并使晶漿密度高達30~40%（重量）。對于真空冷卻法及蒸發結晶，沸騰液體的表面層是產生過飽和度的趨勢最強烈的區域，在此區域中存在著進入不穩區而大量產生晶核的危險。導流筒則把大量高濃度的晶漿直接送到彼處，使表面層中隨時存在著大量的晶體，從而有效地消耗不斷產生的過飽和度，使之只能處在較低的水平。以運行中的氯化鉀真空冷卻結晶器為例，沸騰層的過冷溫度僅為0.2~0.3℃從而避免了在此區域中因過飽和度過高而產生大量晶核，同時也大大降低沸騰液面處的內壁面上結疤的速率。

2、生產能力大結晶器單位體積的晶體產量取決于過飽和度、晶體的生長率及晶體的表面積，而晶體表面積又為晶漿密度及晶體粒度的函數。DTB結晶器中流體力學條件較好。對控制傳質速率的結晶過程具有較高的生長速率。密度很高的晶漿也為結晶過程提供較大的生長表面。在一般的結晶器中，人們總是小心翼翼地將過飽和度控制到較低水平，唯恐出現大量的晶核，影響產品質量。而在DEB結晶器中，由于循環強度很大，器內各處的過飽和度及晶漿密度都較均勻，允許按過飽和度的上限控制操作條件。對于真空冷卻法結晶，可采用較濃、較熱的料液、較大的進料量、較低的操作壓力等，使處于過飽和狀態的溶質（大致為晶體的生產量）較多，這是此類型結晶器具有較高生產強度的原因。

3、可生產顆粒較大的晶體DTB結晶器設有母液外循環通道，用于過量微晶的消除及產品的淘洗。由圖可以看出，在澄清區的上端有母液排出口，從結晶器中排出一定量的母液及多余的結晶，并使之經細晶消除器，用加熱或加溶劑稀釋的方法以消除母液中的細晶，然后用泵分兩股送回結晶器。一股送至淘洗腿底部，作為淘洗產品的液流，剩余的部分則直接送回結晶器的底部。結晶器設置澄清區，外循環通道、細晶消除及淘洗腿，從而具有控制產品粒度及粒度分布的能力。外循環的液體量遠低于內循環液量，僅為進料量的幾倍。若需生產粒度較大的產品，則可適當提高外循環母液量，使澄清區內母液向上的流速增大，借以使粒度較大的細晶被帶出且被消除。DTB型結晶器設計

（1）結晶器的有效容積：需要根據對產量及粒度分布的要求，結合晶體動力學參數來決定。

（2）晶漿循環量（內循環量）：要求有足夠大的循環量。一方面必須防止沸騰表面層中不出現過大的過飽和度，而最大允許的過飽和度取決于介穩區寬度，另一方面內循環量必須大至足以保持足夠高的晶漿懸浮密度。

（3）氣液分離空間的直徑及高度：要求能維持較低的蒸汽流速uv，以保證上升蒸汽不致挾帶過量的霧滴，uv可用下式估算：Uv—氣液分離空間中蒸汽的上升速度，m/s；ρl、ρv—母液、蒸汽的密度，kg/m3；Kv—霧沫挾帶因子，對于水溶液可以接受的最大值為0.017m/s。（4）導流筒的形狀及尺寸：導流筒可以使等直徑的圓筒形，也可以是呈錐形，如采用后者，則導流筒的上口截面積可取為結晶器的有效橫截面積的一半，即導流筒的上口直徑1/2倍的蒸汽空間直徑。錐形導流筒的底口直徑可取為結晶器有效直徑的一半。導流筒的上緣至沸騰液面的距離應能保持懸浮液在該處的流道截面積不變。即要求懸浮液流經導流筒的上端時的軸向速度同它流過導流筒上緣與沸騰液面之間的流道時的徑向速度相等，所以，從導流筒的上緣至液面的距離為0.25倍導流筒上端直徑。DP型結晶器Messo湍流結晶器雙夾套間歇結晶器雙導流筒結晶器MSMPR型結晶器EquipmentKun.zhou925@

導流筒-檔板型結晶器：適用于真空冷卻法、蒸發法、直接接觸冷凍法及反應法的結晶操作。屬于內部強制循環結晶器。

混合懸浮混合出料結晶器：主要適用于冷卻結晶過程,常用于間歇結晶過程.

流化床型結晶器：適用于真空法、冷卻法的結晶操作。屬于強制外循環結晶器。MSMPRDTBOSLODTB型結晶器例題：在一臺連續操作的MSMPR結晶器中進行KNO3結晶試驗，平均停留時間為0.5小時，每升料漿中含300g固體KNO3，KCl晶體的密度為2.10g/cm3，體積形狀因子可取為1。產品經分析得到以下兩個數據：10～20μm占10%（質量）；100～120μm占20%（質量）。若要求所得產品95%（重量）以上的晶體尺寸大于120μm，那么平均停留時間至少應大于幾小時？解：懸浮密度MT=300g/l晶漿，則可求出相應粒度范圍類的晶體質量。體積形狀因子Kv=1，晶體密度ρ=1.98g/cm3，計算結果見表。10～20101533753019.46100～1202011010000006012.18作圖并用直線擬合：直線的斜率為停留時間則用函數M（x）計算不同停留時間下晶體質量的累積分布，見下表。累積保留%0.59.190.981.8514.600.6732.641.53.060.3763.2922.300.2079.982.51.840.1188.5031.530.0793.033.51.310.0495.56結果見表，可知至少需要3.5個小時。

結晶器的操作與控制分批結晶與連續結晶操作比較

當生產規模大至一定水平時，通常采用連續操作，但是有許多結晶過程雖然生產規模很大還是可以合理的采用分批操作，主要是因為間歇結晶設備相對簡單，熱交換器表面上結垢現象不嚴重，特別是對于某些結晶物系只有間歇操作才能生產出指定的純度、粒度分布及晶型的合格產品。間歇結晶優缺點間歇結晶與連續結晶過程相比較，它的缺點是操作成本比較高，不同批產品的質量可能有差異，即操作及產品質量的穩定性較差，必須使用計算機輔助控制方能保證生產重復性。在制藥行業應用間歇結晶操作，便于批間對設備進行清理，可防止批間污染，而保證藥的高質量，同理對于高產值低批量的精細化工產品也適用于間歇操作。1、冷卻法及蒸發法結晶采用連續操作時經濟效果較好，操作費用較低。2、連續結晶操作的母液能充分利用，大約只有7%的母液需要重復加工，與之相比，分批操作則有約20到40%的母液需要重復加工。3、當生產規模較小時，兩種操作方式的勞動量相差不多，但當生產規模幅度擴展時，連續操作所需勞動量可以不增長，故可以節約勞動量。4、相對而言，連續操作時的操作參數是穩定的，不像分批操作那樣要按一定的操作程序不斷地調節其操作參數。5、兩種操作方式相比，連續操作的結晶器單位有效體積的生產能力可高數倍至十數倍之多，占地面積也較小。連續結晶優點1、在換熱面上及自由液面接觸的器壁上容易結晶垢，并不斷累積。連續操作需要停機清理的周期通常在200到2000小時之間，在運行的后期，操作條件及產品質量逐步惡化，而分批操作則在每次操作開始之前都會有清理的機會。2、與控制良好的分批結晶操作相比，連續操作的產品平均粒度較小。3、操作較為困難，它要求操作人員有較高的水平及較豐富的經驗。有時操作穩定，但器內晶體粒度分布的波動無法避免。連續結晶缺點1、結晶操作方式的決定性因素一般是生產量或料液處理量的多少，之間沒有明確界限。正確的選擇很大程度上取決于被結晶物質的特性及所在工廠的具體條件。2、晶體的生長速率較慢，分批操作交易控制。連續結晶操作的生產規模最低限度不得小于100kg/h,否則在技術上認為無法操作；而分批操作沒有產量的下限。料液處理量若大于20m3/h，最好選用連續結晶操作。結晶操作方式選擇分批結晶器操作加入晶種控制結晶

分批結晶過程中，為了控制晶體生長，獲得粒度均勻的晶體產品，盡量避免初級成核現象，所以向溶液中加入適當數量及適當粒度的晶種，讓被結晶的溶質只在晶種表面上生長。同時用溫和的攪拌，使晶體均勻的懸浮在溶液中，避免二次成核現象。需要小心的控制溶液的溫度或濃度，這種方式叫“加晶種的控制結晶”。

連續結晶器的操作

連續結晶器的操作有以下幾項要求：1、控制符合要求的產品粒度分布；2、結晶器具有盡可能高的生產強度；3、盡量降低結晶垢的速率，以延長結晶器正常運行的周期；4、維持結晶器的穩定性。連續結晶過程中采取的措施1、采用細晶消除系統2、粒度分級排料3、清母液溢流技術

采用這些技術可使不同粒度范圍的晶體在結晶器內具有不同的停留時間，也可使晶體和母液具有不同的停留時間，從而使結晶器增添了控制產品粒度分布和晶漿密度的手段；再與適宜的晶漿循環速率相結合，便能使結晶器達到操作要求。在連續操作的結晶其中，每一粒晶體產品都是由一粒晶核生長而成的，晶核生成量越少，產品晶體就會長的越大。反之，晶體粒度必然小。比較普遍的情況是晶核數目太多，所以要把過量的晶核除掉，不讓它們有機會長大，減少它們消耗的可結晶出來的溶質，好讓其他晶體長大。1、細晶消除去除細晶的目的是提高產品中晶體的平均粒度。此外，它也為提高晶體的生長速率帶來好處，因為結晶器配置了細晶消除系統后，可以適當地提高過飽和度，從而提高了晶體的生長速率及設備的生產能力。即使不人為地提高過飽和度，被溶解而消除的細晶也會使溶液的過飽和度有所提高。

細晶消除的好處細晶消除的方法在結晶器內部或外部建立一個澄清區，在此區域內，晶漿以很低的速率向上流動，使大于某一“細晶切割粒度”的晶體都能從溶液中沉降出來，回到結晶器的主體部分，重新參與晶漿循環，并繼續生長。小于此粒度的細晶將隨從澄清區溢流而出的溶液進入細晶消除循環系統。用加熱或稀釋的方法溶解細晶后，再經循環泵重新回到結晶器中去。2、產品粒度分級排出這種操作方法有時為混合懸浮型連續結晶器所采用，以實現對產品粒度范圍的調節。產品粒度分級是使結晶器中所排出的產品先流過一個分級排料器，然后排出系統。分級排料器可以是淘析腿、旋液分離器或濕篩，它將小于某以產品分級粒度的晶體截留，并使之返回結晶器的主體，繼續生長，直到長大至超過分級粒度后才可能排出結晶器外。3、清母液溢流技術清母液溢流是調節結晶器內晶漿密度的主要手段，增加清母液流量可有效地提高結晶器內的晶漿密度。清母液溢流有時與細晶消除相結合，從結晶器中的澄清區溢流而出的母液總會含有小于某一切割密度的細晶，所以不存在真正的清母液。這樣溢流而出的母液如排出結晶系統，則被稱為清母液溢流，由于它含有一定量的細晶，所以也必然起著某些消除細晶的作用。清母液溢流的主要作用在于能使液相及固相在結晶器中具有不同的停留時間。在無清母液溢流的結晶器中，固、液兩相的停留時間是相等的；在有母液溢流的結晶器中，固相的停留時間可延長數倍之多，這對于結晶這樣的低速過程有至為重要的意義。清母液溢流量可根據所要求達到的懸浮密度，通過物料橫算很方便的計算出來。

化工設備經常因為產能的增加而面臨放大的問題，根據小試的模型結晶器的實驗數據設計工業大規模的結晶器是很困難的。目前結晶器的放大在所有化工單元操作中難度算是很大的，還沒有一套可以普遍遵守的放大準則。通常是經過一段摸索期，才能找到取得合格產品的操作條件，放大失敗的例子也并非罕見。結晶器的放大問題結晶器模型放大方法

模型結晶器如果能生產所期望的粒度及粒度分布的晶體產品，所設計的工業規模的結晶器必須在許多方面模擬小的結晶器，條件為：1、液、固兩相的流動特性一致；2、結晶器中所有對應區域內有相同的過飽和溶液；3、成核速率或最初的晶種粒度一致；4、晶漿密度相同；5、生長中的晶體與過飽和溶液間的接觸時間相同；

其主要思想是晶體生長成核的環境一致。熔融結晶過程與設備熔融結晶過程主要用于有機物的分離提純，冶金材料、高分子材料加工的區域熔煉過程也屬于熔融結晶。熔融結晶時根據待分離物質之間的凝固點不同而實現物質的結晶分離過程。這種結晶方式應用范圍很大，前景很廣闊，但是現有技術還不成熟，特別是對高純物質的分離還有待進一步研究。2/2/2023熔融結晶與溶液結晶的區別2/2/2023根據熔融結晶析出的方式及結晶裝置的類型，可以將熔融結晶過程分為以下三種方式：

1、逐步凍凝法——在冷卻表面上從靜止的或者熔融體滯流膜中徐徐沉析出結晶層，即逐步凍凝法，或定向結晶法。

2、懸浮床結晶法——在具有攪拌的容器中從熔融體中快速結晶析出晶體粒子，該粒子懸浮在熔融體之中，然后再經純化，融化而作為產品排出