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1、结 晶 操 作,徐州工业职业技术学院张旭光,结晶设备的选用与操作 一、结晶操作对设备的要求,结晶设备要保证结晶良好，结晶速度快。 结晶设备的构造方面应考虑多种因素对结晶过程的影响： 溶液的性质、黏度、杂质的影响、结晶温度、结晶体的大小、结晶体的形状以及结晶生长速度特性等,1结晶设备一般应有搅拌装置 搅拌可使结晶颗粒保持悬浮于溶液中，并同溶液有一个相对运动，以减薄晶体外部境界膜的厚度，提高溶质质点的扩散速度，加速晶体长大。2搅拌器的形式应选择得当 不同的搅拌器搅拌速度不同，搅拌速度太快，会因剌激过剧烈自然起晶，也可能使已长大的晶体破碎，功率消耗也增大； 搅拌太慢则晶体颗粒会沉积。故搅拌器的速度要
2、视溶液的性质和晶体大小而定。如味精煮晶时，一般采用615r/min，柠檬酸结晶时，用810r/min，粉状味精结晶时，用2028r/min，等电点结晶时，用2836r/min。,3搅拌器的形式应根据溶液流动的需要和功率消耗情况来选择。 一般煮晶锅多采用锚式搅拌，配合溶液在沸腾时的自然循环，可使晶体悬浮。 立式结晶箱多采用框式搅拌器。 卧式结晶箱多采用螺旋式搅拌器。4当晶体颗粒比较小，容易沉积时，为了防止堵塞，排料阀要采用流线形直通式，同时加大出口，以减少阻力。,5必要时安装保温夹层，防止突然冷却而结块。6为防止搅拌轴的断裂，应安装保险装置，如保险连轴销等。 遇结块堵塞，阻力增大时，保险销即折断
3、，防止断轴、烧坏马达或减速装置等严重事故。7排气装置、管道等应适当加大或严格保温，以防止结晶的堵塞。,二、结晶设备的分类,（1）浓缩式结晶器 （2）冷却式的结晶器 （3）蒸发冷却式结晶器 另外，结晶设备按操作连续化程度不同，也可分为间歇式结晶设备和连续式结晶设备。 间歇式结晶设备结构比较简单，结晶质量好，结晶收率高，操作控制比较方便，但设备利用率低，操作劳动强度大。 连续式结晶设备结构比较复杂，所得的晶体颗粒较细小，操作控制比较困难，消耗动力大，但设备利用率高，生产能力大。,（1）浓缩式结晶器,是借助于一部分溶剂在沸点时的蒸发或在低于沸点时的汽化达到过饱和而析出晶体的设备，适用于溶解度随温度的
4、降低变化不大的物质的结晶。 浓缩的方法主要是蒸发浓缩，故浓缩式结晶器主要类型是蒸发式结晶器。蒸发式结晶器利用蒸发作用来排除溶液中的溶剂，使溶质结晶析出，它是蒸发和结晶两种操作组合的设备,（2）冷却式的结晶器,冷却式的结晶器是采用冷却降温的方法使溶液达到过饱和而结晶（自然结晶或晶种起晶）的结晶操作设备。 随着结晶的进行，需要不断降温，以维持溶液一定的过饱和度进行育晶。 此类设备用于温度对溶解度影响比较大的物质结晶。,（3）蒸发冷却式结晶器,又称真空结晶器。 原始的真空结晶器为一密闭容器，由冷凝器及蒸汽喷射器维持真空度。 加入容器的溶液温度远比结晶器内压强下所对应的沸点为高。容器内晶体悬浮液上方保
5、持充分的空间供蒸汽排出和回收雾沫夹带。由于溶液的闪蒸，温度自动下降并浓缩所以所需的过饱和度是靠冷却和蒸发两种作用产生的。 真空结晶器的理论收率正比于加料浓度与溶器内平衡温度下的溶解度之差。,三、常见的结晶设备 1蒸发式结晶器,（1）Krystal-Oslo 型蒸发式结晶器。 Krystal-Oslo 型蒸发式结晶器由蒸发室与结晶室两部分组成。原料液经外部加热器预热之后，在蒸发器内迅速被蒸发，溶剂被抽走，同时起到了冷却作用，使溶液迅速进入介稳区并析出晶体。,Krystal-Oslo 型蒸发式结晶器,Krystal-Oslo 型蒸发式结晶器具有以下优点,由于操作在减压条件下进行，故可维持较低的温度
6、，使溶液产生较大的过饱和度。循环液中基本不含晶体颗粒，可避免循环泵的叶轮与晶粒之间发生碰撞而造成二次成核。结晶室具有粒度分级作用，使结晶产品颗粒大而均匀。,Krystal-Oslo 型蒸发式结晶器的缺点：,因母液的循环量受到了产品颗粒在饱和溶液中沉降速度的限制，操作弹性较小。加热器内容易出现结晶层而导致传热系数降低。加热面附近溶剂汽化较快，溶液的过饱和度不易控制，因而也难以控制晶体颗粒的大小。该设备适用于对产品晶粒要求不严格的结晶操作。,（2）DTB型蒸发式结晶器,DTB（Draft Tube and Baffie，导流管与挡板）型结晶器是一种典型的晶浆内循环器，蒸发室内有一个导流管，管内装有
7、带螺旋桨式搅拌器，可把带有细小晶体的饱和溶液快速推升到蒸发表面，形成循环通道。 由于DTB型结晶器循环流动所需要的压头很低，螺旋桨可以在很低的转速下工作，因此，可产生粒度较大的晶体。环型挡板将结晶器分隔为晶体生长区和澄清区，挡板与器壁间的环隙为澄清区，在澄清区中搅拌的影响实际上已消失，使晶体得以从母液中沉降分离，只有微晶可随母液从澄清区的顶部排出器外，从而实现对微晶量的控制。,淘析腿的DTB型结晶器,上部是气-液分离空间，可防止因雾沫夹带而造成溶质损失。闪蒸造成轻度的过饱和，过饱和液沿环形面流向下部时释放其过饱和度，使晶体得以长大。在器底部设有一个分级腿，这些晶浆又与原料液混合，再经中心导流管
8、而循环。当晶体长大到一定大小后就沉淀在分级腿内，同时对产品也进行洗涤，保证了结晶产品的质量和粒径均匀，不夹杂细晶,DTB型结晶器具有以下特点,结晶性能良好，已成为连续结晶器的主要形式之一。可获得较大的晶粒。由于循环强度很大，器内各处的过饱和度及晶浆密度都较均匀，允许按过饱和度的上限控制操作条件，生产强度较高。由于循环良好，器内不易结垢。,（3）DP型结晶器,DP型结晶器与DTB型结晶器在构造上很相近，是对DTB型的改进。,DP型除了在导流筒内设有一组螺旋桨外，在导流筒外侧也设有一组桨叶，向下推送环隙中的循环液。 内、外两组桨叶共同组成一个大直径的螺旋桨，中间一段导流筒与大螺旋桨制成一体而同步旋
9、转，上下两段则固定不动，加大了螺旋桨的直径后，在维持相同的循环液量的前提下，可大幅度地降低它的转速，这样就降低了功率的消耗。 更重要的是在很大程度上降低了二次成核的速率，晶体平均粒度增大，生产能力提高，其他优点与DTB型相似，所以，它是一种比较理想的结晶器。缺点是大螺旋桨的制造比较困难。,（4）真空煮晶锅,对于结晶速度比较快，容易自然起晶，且要求晶体较大的产品，多采用真空煮晶锅进行煮晶，如谷氨酸钠等的结晶就采用这种设备。煮晶锅的结构比较简单，是一个带搅拌的夹套加热真空蒸发罐，由加热蒸发室、加热夹套、气液分离器、搅拌器等组成。凡与产品接触的部分均采用不锈钢制成，以保证产品质量。加热蒸发室为一圆筒
10、壳体，下部焊上加热夹套，夹套高度通过计算蒸发所需的传热面积而定，夹套宽度3060mm，夹套上装有蒸汽进口管，安装于夹套的中上部，使蒸汽分布均匀，进口要加装挡板，防止直冲而损坏内锅，夹套上还装有压力表、不凝性气体排放阀和冷凝水排除阀，冷凝水排除阀安装在夹套的最低位置，以防止冷凝水的积聚，降低传热系数。,煮晶锅上部顶盖多采用锥形，上接气液分离器，以分离二次蒸汽所夹带的雾沫，一般采用锥形除泡帽与惯性分离器结合使用。分离出的液体由小管回流入锅内，二次蒸汽在升汽管中的流速815m/s。搅拌装置的形式很多，多采用锚式搅拌器。一般与锅底的间距为25cm，转速通常是615r/min。,1二次蒸汽排出管；2气-
11、液分离器；3清洗孔；4视镜；5吸液孔；6入孔7压力表孔；8蒸汽进口管；9锚式搅拌器；10排料阀；11轴封填料箱；12搅拌轴,真空煮晶锅,2冷却式结晶器 （1）间接换热釜式结晶器,间接换热釜式结晶器目前应用较广：分两类,内循环式冷却结晶器 外循环式冷却结晶器,（2）连续式敞口搅拌结晶器,带半圆底的卧式敞口长槽 ，槽外装有通冷却水的夹套，槽内装有两组螺条形的搅拌桨叶,1马达；2蜗杆蜗轮减速箱；3轴封；4轴；5左旋搅拌桨叶； 6右旋搅拌桨叶；7夹套；8支脚；9排料阀,连续式敞口搅拌结晶器特点因对溶液加以搅拌，故晶粒不易在冷却面上聚结，且使晶粒能更好地悬浮于溶液中。由于它的容积较大，转速很慢（通常在1
12、0r/min以下），所以晶体在其中不易破碎。产品颗粒较细小、均匀。既可作结晶用，又可作蒸发结晶操作的辅助冷却结晶器（晶体在其中继续长大），还可作为结晶分离前的晶浆贮罐。搅拌器功率消耗小。体积较大，适用于产量较大，周期较长的场合。,3蒸发冷却式结晶器（1）连续真空结晶器,1升压泵；2混合冷凝器；3循环管；4泵；5双级蒸汽喷射泵,连续真空结晶器特点结构简单。无运动部件。当处理腐蚀性溶液时，器内可加衬里或用耐腐蚀材料制造。溶液是绝热蒸发而冷却，不需要传热面，因此在操作时不会出现晶体结垢现象。操作易于控制和调节。生产能力大。其缺点是：蒸汽、冷却水消耗量较大。,（2）DTB 型真空结晶器,1折流板；2导筒；3加热器；4淘洗器；5淘洗泵；6循环泵,导筒折流板式真空结晶器,是一种更为有效的真空结晶器,思考题,1.什么叫结晶？有何意义？2晶体具有哪些特性？3结晶操作的推动力是什么？4试以温度-浓度图说明结晶操作的基本原理？5工业上有哪些常用的结晶方法？分别适用于什么场合？6结晶操作先后经历哪几个步骤？7常用的起晶方法有哪几种？8影响结晶速度的因素有哪些？试作简要分析。9选择结晶设备时应同时考虑哪些因素？10常用的结晶设备有哪几种？各有何特点？,
