結(jié)晶操作技術(shù)與運(yùn)行管理

一、晶體基本理論

固體從形態(tài)上分為有晶形和無(wú)定形兩種。例如，食鹽、蔗糖等都是晶體，而木炭、橡膠都為無(wú)定形物質(zhì)。其區(qū)別主要在于內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)元素（原子、分子）的排列方式互不相同。

（一）溶解度和溶解度曲線

任何固體物質(zhì)與其溶液相接觸時(shí)，如溶液尚未飽和，則固體溶解，如溶液恰好達(dá)到飽和，則固體溶解與析出的速度相等，結(jié)果是既無(wú)溶解也無(wú)析出，此時(shí)固體與其溶液已達(dá)到相平衡。固液相平衡時(shí)，單位質(zhì)量的溶劑所能溶解的固體的質(zhì)量，稱為固體在該溶劑中的溶解度。工業(yè)上通常采用1（或100）份質(zhì)量的溶劑中溶解多少份質(zhì)量的無(wú)水溶質(zhì)來(lái)表示溶解度的大小。

溶解度的大小與溶質(zhì)及溶劑的性質(zhì)、溫度及壓強(qiáng)等因素有關(guān)。一般情況下，溶質(zhì)在特定溶劑中的溶解度主要隨溫度而變化。因此，溶解度數(shù)據(jù)通常用溶解度對(duì)溫度所標(biāo)繪的曲線來(lái)表示，該曲線稱為溶解度曲線。圖2-79中示出了幾種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物在水中的溶解度曲線。

由圖2-79可知，有些物質(zhì)的溶解度隨溫度的升高而迅速增大，如NaNO3、KNO3等；有些物質(zhì)的溶解度隨溫度升高以中等速度增加，如KCl、（NH4）2SO4等；還有一類物質(zhì)，如NaCl等，隨溫度的升高溶解度變化不明顯；此外，一些化合物的溶解度曲線上有折點(diǎn)，物質(zhì)在折點(diǎn)兩側(cè)含有的水分子數(shù)不等，故轉(zhuǎn)折點(diǎn)又稱為變態(tài)點(diǎn)。例如，低于32.4℃時(shí)，從硫酸鈉水溶液中結(jié)晶出來(lái)的固體是Na2SO4·10H2O，而在這個(gè)溫度以上結(jié)晶出來(lái)的固體是Na2SO4。

溶解度特征對(duì)于結(jié)晶方法的選擇起決定性的作用。對(duì)于溶解度隨溫度變化敏感的物質(zhì)，適合用變溫結(jié)晶方法分離；對(duì)于溶解度隨溫度變化緩慢的物質(zhì)，適合用蒸發(fā)結(jié)晶法分離等。

（二）飽和溶液與過(guò)飽和溶液

1.飽和溶液與溶解度曲線

達(dá)到固、液相平衡時(shí)的溶液稱為飽和溶液。溶液含有超過(guò)飽和量的溶質(zhì)，則稱為過(guò)飽和溶液。同一溫度下，過(guò)飽和溶液與飽和溶液的濃度差稱為過(guò)飽和度。

溶液的過(guò)飽和度與結(jié)晶的關(guān)系可用圖2-80表示。圖中AB線為具有正溶解度特性的溶解度曲線，CD線表示溶液過(guò)飽和且能自發(fā)產(chǎn)生晶核的濃度曲線，稱為超溶解度曲線。這兩條曲線將濃度-溫度圖分為三個(gè)區(qū)域：AB線以下的區(qū)域稱為穩(wěn)定區(qū)，穩(wěn)定區(qū)中溶液尚未達(dá)到飽和，因此沒(méi)有結(jié)晶的可能；CD線以上的區(qū)域稱為不穩(wěn)區(qū)，在此區(qū)域中，溶液能自發(fā)地產(chǎn)生晶核；AB線和CD線之間的區(qū)域稱為介穩(wěn)區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，不會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生晶核，但如果在溶液中加入晶種（在過(guò)飽和溶液中人為地加入的小顆粒溶質(zhì)晶體），這些晶種就會(huì)長(zhǎng)大。此外，大量的研究工作證實(shí)，一個(gè)特定物系只有一條確定的溶解度曲線，但超溶解度曲線的位置卻要受很多因素的影響，如有無(wú)攪拌、攪拌強(qiáng)度大小、有無(wú)晶種、晶種大小與多寡、冷卻速率快慢等，因此應(yīng)將超溶解度曲線視為一簇曲線。

圖2-80中初始狀態(tài)為E的潔凈溶液，分別通過(guò)冷卻法（EFH）、蒸發(fā)法（EF′G′）或真空絕熱蒸發(fā)法（EF″G″）結(jié)晶。

2.溶液的過(guò)飽和度

溶質(zhì)濃度超過(guò)該條件下的溶解度時(shí)，該溶液稱為過(guò)飽和溶液，過(guò)飽和溶液達(dá)到一定過(guò)飽和度時(shí)會(huì)有溶質(zhì)析出。

一般過(guò)飽和度可用兩種方式來(lái)表示。第一種，以濃度差來(lái)表示過(guò)飽和度：

Δc=c-c*

（2-40）

式中　Δc——溶度差過(guò)飽和度，kg溶質(zhì)/100kg溶劑；

　　　c——操作溫度下的過(guò)飽和濃度，kg溶質(zhì)/100kg溶劑；

　　　c*——操作溫度下的溶解度，kg溶質(zhì)/100kg溶劑。

第二種，以溫度差來(lái)表示過(guò)飽和度：

　　　Δt=t*-t

（2-41）

式中　Δt——溫度差過(guò)飽和度，K；

　　　t*——該溶液在飽和狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，K；

　　　t——該溶液經(jīng)冷卻達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)的溫度，K。

（三）結(jié)晶過(guò)程的兩個(gè)階段

晶體的生成包括晶核的形成和晶體的生長(zhǎng)兩個(gè)階段。

1.晶核的形成

晶核是過(guò)飽和溶液中初始生成的微小晶粒，是晶體成長(zhǎng)過(guò)程中必不可少的核心。結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)相變過(guò)程。在開(kāi)始由氣相或液相形成晶相時(shí)，一般說(shuō)是很困難的，原子或分子在氣相或液相的吉布斯函數(shù)很高，必須在很大程度上降低其分子熵才能形成晶核。晶核可以由均相成核或非均相成核兩種過(guò)程及三種成核形式：初級(jí)均相成核、初級(jí)非均相成核及二次成核。在高過(guò)飽和度下，溶液自發(fā)地生成晶核的過(guò)程，稱為初級(jí)均相成核；溶液在外來(lái)物（如大氣中的微塵）的誘導(dǎo)下生成晶核的過(guò)程，稱為初級(jí)非均相成核；而在含有溶質(zhì)晶體的溶液中的成核過(guò)程，稱為二次成核。二次成核也屬于非均相成核過(guò)程，它是在晶體之間或晶體與其他固體（器壁、攪拌器等）碰撞時(shí)所產(chǎn)生的微小晶粒的誘導(dǎo)下發(fā)生的。均相成核是指在大體積過(guò)飽和體系中自然形成晶核，體系各部分成核的概率相同。

晶核形成的過(guò)程：在溶液中，質(zhì)點(diǎn)元素不斷地作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，隨著溫度的降低或溶劑量的減少，不同質(zhì)點(diǎn)元素間的引力相對(duì)地越來(lái)越大，以致達(dá)到不能再分離的程度，結(jié)合成線晶，線晶結(jié)合成面晶，面晶結(jié)核成按一定規(guī)律排列的細(xì)小晶體，形成所謂的“晶胚”。晶胚不穩(wěn)定，進(jìn)一步長(zhǎng)大則成為穩(wěn)定的晶核。

結(jié)晶是以過(guò)飽和度為推動(dòng)力的，如果溶液沒(méi)有過(guò)飽和度產(chǎn)生，晶核就不能形成。在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)，晶體就可以增長(zhǎng)，但晶核的形成速率卻很慢，尤其在溫度較低，溶液的黏度很高，溶液的密度較大時(shí)，阻力也比較大，晶核的形成也比較困難。

在大部分的結(jié)晶操作中，晶核的產(chǎn)生并不困難，而晶體的粒度增長(zhǎng)到要求的大小則需要精細(xì)的控制。往往有相當(dāng)一部分多余出來(lái)的晶核遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)取出的晶體粒數(shù)，必須把多余的晶核從細(xì)晶捕集裝置中不斷取出，加以溶解，再回到結(jié)晶器內(nèi)，重新生成較大粒的晶體。

2.晶體的生長(zhǎng)

晶體的生長(zhǎng)過(guò)程是指在過(guò)飽和溶液中已有晶核形成或加晶種后，以過(guò)飽和度為推動(dòng)力，溶液中的溶質(zhì)向晶核或加入的晶體運(yùn)動(dòng)并在其表面上進(jìn)行有序排列，使晶體格子擴(kuò)大的過(guò)程。

影響結(jié)晶成長(zhǎng)速率的因素很多：過(guò)飽和度、粒度、物質(zhì)移動(dòng)的擴(kuò)散過(guò)程等。

解釋結(jié)晶成長(zhǎng)的機(jī)理有：層生長(zhǎng)理論、布拉維法則、擴(kuò)散理論、吸附層理論。下面介紹關(guān)于晶體生長(zhǎng)的三種主要的理論。

（1）層生長(zhǎng)理論　科塞爾（Kossel，1927）首先提出，后經(jīng)斯特蘭斯基（Stranski）加以發(fā)展的晶體的層生長(zhǎng)理論亦稱為科塞爾-斯特蘭斯基理論。

它的主要觀點(diǎn)是在晶核的光滑表面上生長(zhǎng)一層原子面時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在界面上進(jìn)入晶格“座位”的最佳位置是具有三面凹入角的位置。質(zhì)點(diǎn)在此位置上與晶核結(jié)合成鍵放出的能量最大。因?yàn)槊恳粋€(gè)來(lái)自環(huán)境相的新質(zhì)點(diǎn)在環(huán)境相與新相界面的晶格上就位時(shí)，最可能結(jié)合的位置是能量上最有利的位置，即結(jié)合成鍵時(shí)應(yīng)該是成鍵數(shù)目最多，釋放出能量最大的位置。

（2）布拉維法則　1855年，法國(guó)結(jié)晶學(xué)家布拉維（A.Bravis）從晶體具有空間格子構(gòu)造的幾何概念出發(fā)，論述了實(shí)際晶面與空間格子構(gòu)造中面網(wǎng)之間的關(guān)系，即實(shí)際晶體的晶面常常平行于網(wǎng)面結(jié)點(diǎn)密度最大的面網(wǎng)，這就是布拉維法則。

（3）擴(kuò)散理論　按照擴(kuò)散理論，晶體的生長(zhǎng)過(guò)程由三個(gè)步驟組成：①溶質(zhì)由溶液擴(kuò)散到晶體表面附近的靜止液層；②溶質(zhì)穿過(guò)靜止液層后達(dá)到晶體表面，生長(zhǎng)在晶體表面上，晶體增大，放出結(jié)晶熱；③釋放出的結(jié)晶熱再靠擴(kuò)散傳遞到溶液的主體去。

二、結(jié)晶設(shè)備

（一）常見(jiàn)的冷卻結(jié)晶設(shè)備

冷卻結(jié)晶法是指基本上不除去溶劑，而是使溶液冷卻而成為過(guò)飽和溶液而結(jié)晶。適用于溶解度隨溫度下降而顯著減小的物系。例如，硝酸鉀、硝酸鈉等溶液。

1.空氣冷卻式結(jié)晶器

空氣冷卻式結(jié)晶器是一種最簡(jiǎn)單的敞開(kāi)型結(jié)晶器，靠頂部較大的開(kāi)敞液面以及器壁與空氣間的換熱而達(dá)到冷卻析出結(jié)晶的目的。由于操作是間歇的，冷卻又很緩慢，對(duì)于含有多結(jié)晶水的鹽類往往可以得到高質(zhì)量、較大的結(jié)晶。但必須指出，這種結(jié)晶器的能力是較低的，占用地面積大。它適用于生產(chǎn)硼砂、鐵礬、鐵銨礬等。

2.釜式結(jié)晶器

冷卻結(jié)晶過(guò)程所需的冷量由夾套或外部換熱器供給，如圖2-81及圖2-82所示，采用攪拌是為了提高傳熱和傳質(zhì)速率并使釜內(nèi)溶液溫度和濃度均勻，同時(shí)可使晶體懸浮，有利于晶體各晶面成長(zhǎng)。圖2-82所示的結(jié)晶器為外循環(huán)式冷卻結(jié)晶器，既可間歇操作，也可連續(xù)操作。若制作大顆粒結(jié)晶，宜采用間歇操作，而制備小顆粒結(jié)晶時(shí)，采用連續(xù)操作為好。

外循環(huán)式冷卻結(jié)晶器的優(yōu)點(diǎn)是：冷卻換熱器面積大，傳熱速率大，有利于溶液過(guò)飽和度的控制。缺點(diǎn)是循環(huán)泵易破碎晶體。

3.Krystal-Oslo分級(jí)結(jié)晶器

Krystal-Oslo結(jié)晶器是1919年由挪威Issachen及Jeremiassen等人開(kāi)發(fā)的一種制造大粒結(jié)晶、連續(xù)操作的結(jié)晶器，又稱為Oslo（奧斯陸）式結(jié)晶器、Jeremiassen式結(jié)晶器或Krystal式結(jié)晶器。如圖2-83所示，這種結(jié)晶器至今還廣泛使用著。這類結(jié)晶器根據(jù)用途分為蒸發(fā)式與冷析式以及真空蒸發(fā)式三種類型。不論過(guò)飽和度產(chǎn)生的方法如何，過(guò)飽和溶液都是通過(guò)晶床的底部，然后上升，從而消失過(guò)飽和度。接近飽和的溶液由結(jié)晶段的上部溢流而出，再經(jīng)過(guò)循環(huán)泵進(jìn)行下一次強(qiáng)制循環(huán)，送入過(guò)飽和發(fā)生器再返回晶床的底部。設(shè)計(jì)與操作控制在過(guò)飽和發(fā)生器中不超過(guò)介穩(wěn)定區(qū)的限度；在溢流口上面的一段，通過(guò)的流量在不取出成品晶漿時(shí)等于在溢流管處注入的加料流率，因此上升速度很低，細(xì)小結(jié)晶就在這一段積累，由一個(gè)外設(shè)的細(xì)晶捕集器間歇式連續(xù)取出，經(jīng)過(guò)沉降后，或者過(guò)濾，或者用新鮮加料液溶解，也可以輔之以加熱助溶的辦法，消除過(guò)剩的細(xì)小結(jié)晶，溶化后的溶液供給結(jié)晶器作為原料液。這樣可以保證結(jié)晶顆粒穩(wěn)步長(zhǎng)大。

A—結(jié)晶器進(jìn)料管；B—循環(huán)管入口；C—主循環(huán)泵；D—冷卻器；E—過(guò)飽和吸入管；F—放空管；G—晶漿取出管；H—細(xì)晶捕集器

冷卻式Krystal分級(jí)結(jié)晶器（圖2-84）的過(guò)飽和產(chǎn)生設(shè)備是一個(gè)冷卻換熱器，一般是溶液通過(guò)換熱器的管程，且管程是以單程式的最普遍，冷卻介質(zhì)通過(guò)殼程。

A—細(xì)晶器捕集器；B—中心降液管；C—分級(jí)段；D—主循環(huán)泵；E—冷卻器；F—溢流口；G—輔助循環(huán)泵；H—取出口；I—加液口；J—冷劑出口；K—排放出口

須指出的是殼程冷卻介質(zhì)的循環(huán)方式。在管程通過(guò)的溶液的過(guò)飽和度設(shè)計(jì)限是靠主循環(huán)泵的流量所控制，但是冷卻介質(zhì)的狀況也同樣會(huì)使溶液發(fā)生過(guò)飽和度超過(guò)設(shè)計(jì)限的問(wèn)題，因?yàn)樾迈r的冷卻介質(zhì)沖入換熱器殼程時(shí)，與溶液溫度差很大，而過(guò)飽和度的介穩(wěn)區(qū)是很狹窄的一個(gè)區(qū)域。為了防止這一現(xiàn)象發(fā)生，不致使溶液在冷卻介質(zhì)入口處迅速結(jié)垢，必須再加上一套輔助循環(huán)泵以消除這一現(xiàn)象。這說(shuō)明換熱器中產(chǎn)生的過(guò)飽和度超限不僅可能發(fā)生在管程的進(jìn)出口兩端；而且也受到管壁內(nèi)外兩側(cè)流體狀況的影響。為此就不得不使冷劑間接地通過(guò)輔助循環(huán)系統(tǒng)加以緩沖，見(jiàn)圖2-85。

（二）常見(jiàn)的蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備

蒸發(fā)結(jié)晶與冷卻結(jié)晶不同之處在于，前者需將溶液加熱到沸點(diǎn)，并濃縮達(dá)過(guò)飽和而產(chǎn)生結(jié)晶。

現(xiàn)代的蒸發(fā)結(jié)晶器（包括以蒸發(fā)為主，又有鹽類析出的裝置，如隔膜電解液的蒸發(fā)裝置），都是指嚴(yán)格控制過(guò)飽和度與成品結(jié)晶粒度的各種裝置。它是在蒸發(fā)裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，又在結(jié)晶原理上前進(jìn)了一大步。

1.Krystal-Oslo蒸發(fā)式生長(zhǎng)型結(jié)晶器

圖2-86是典型蒸發(fā)式Krystal-Oslo生長(zhǎng)型結(jié)晶器。加料溶液由G進(jìn)入，經(jīng)循環(huán)泵進(jìn)入加熱器，產(chǎn)生蒸汽（或者前級(jí)的二次蒸汽）在管間通入，溶液達(dá)到過(guò)飽和，結(jié)晶操作控制在介穩(wěn)區(qū)以內(nèi)。溶液在蒸發(fā)室內(nèi)排出的蒸氣（A點(diǎn)）由頂部導(dǎo)出。如果是單級(jí)生產(chǎn)，分離的蒸氣直接去大氣冷凝器，然后有必要時(shí)通過(guò)真空發(fā)生裝置（如真空泵或者蒸汽噴射器及冷凝器組）；如果是多效的蒸發(fā)流程，排出蒸氣則通入下一級(jí)加熱器或者末效的排氣、冷凝裝置。

溶液在蒸發(fā)室分離蒸汽之后，由中央下行管送到結(jié)晶生長(zhǎng)段的底部（E點(diǎn)），然后再向上方流經(jīng)晶體流化床層，過(guò)飽和得以消失，晶床中的晶粒得以生長(zhǎng)。當(dāng)粒子生長(zhǎng)到要求的大小后，從產(chǎn)品取出口排出，排出晶漿經(jīng)稠厚器離心分離，母液送回結(jié)晶器。固體直接作為商品，或者干燥后出售。

Krystal蒸發(fā)結(jié)晶器大多數(shù)是采用分級(jí)的流化床，粒子長(zhǎng)大后沉降速度超過(guò)懸浮速度而下沉，因此底部聚積著大粒的結(jié)晶，晶漿的濃度也比上面的高，空隙率減小，實(shí)際懸浮速度也必然增加，因此正適合分級(jí)粒度的需要。這也正好是新鮮的過(guò)飽和溶液先接觸的所在，在密集的晶群中迅速消失過(guò)飽和度，流經(jīng)上部由O點(diǎn)排出，作為母液排出系統(tǒng)；或者在多效蒸發(fā)系統(tǒng)中進(jìn)入下一級(jí)蒸發(fā)。

生長(zhǎng)型蒸發(fā)結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)比一般蒸發(fā)器復(fù)雜得多，投資也必然高。因此，原則上在前級(jí)沒(méi)有達(dá)到析出結(jié)晶的濃度時(shí)，就無(wú)必要按照這種結(jié)晶器設(shè)計(jì)。只有肯定有結(jié)晶析出時(shí)才采用Krystal型生長(zhǎng)結(jié)晶器，這一點(diǎn)要給予注意。

Krystal蒸發(fā)結(jié)晶器除以分級(jí)式操作外，也可以采用晶漿循環(huán)（magmarecycling）式操作。為了達(dá)到晶漿循環(huán)的目的，一種辦法是保持較高的晶漿積累濃度，最后循環(huán)泵進(jìn)口處吸入的也是較濃的晶漿，經(jīng)循環(huán)泵送入蒸發(fā)器再進(jìn)入蒸發(fā)室循環(huán)；另一種辦法是加大循環(huán)速度，同時(shí)保持較高的晶漿濃度。晶漿循環(huán)操作法的生產(chǎn)能力要高于分級(jí)結(jié)晶操作法，只是循環(huán)泵的轉(zhuǎn)動(dòng)部件及加熱管有晶漿的磨損。同時(shí)要注意選擇泵型，防止晶粒破碎，產(chǎn)生大量的細(xì)晶，以及長(zhǎng)大的晶粒又被破碎。

2.DTB型蒸發(fā)式結(jié)晶器

DTB是drafttubebafflecrystallizer的縮寫(xiě)，即遮擋板與導(dǎo)流管的意思，簡(jiǎn)稱“遮導(dǎo)式”結(jié)晶器，如圖2-87所示。

DTB型蒸發(fā)式結(jié)晶器可以與蒸發(fā)加熱器聯(lián)用，也可以把加熱器分開(kāi)，結(jié)晶器作為真空閃蒸制冷型結(jié)晶器使用。這種結(jié)晶器是目前采用最多的類型。它的特點(diǎn)是結(jié)晶循環(huán)泵設(shè)在內(nèi)部，阻力小，驅(qū)動(dòng)功率省。為了提高循環(huán)螺旋槳的效率，需要有一個(gè)導(dǎo)熱液管。遮擋板的鐘罩形構(gòu)造是為了把強(qiáng)烈循環(huán)的結(jié)晶生長(zhǎng)區(qū)與溢流液穿過(guò)的細(xì)晶沉淀區(qū)隔開(kāi)，互不干擾。

過(guò)飽和產(chǎn)生在蒸汽蒸發(fā)室。液體循環(huán)方向是經(jīng)過(guò)導(dǎo)流管快速上升至蒸發(fā)液面，然后使過(guò)飽和液沿環(huán)形面積流向下部，屬于快升慢降型循環(huán)，在強(qiáng)烈循環(huán)區(qū)內(nèi)晶漿的濃度是一致的，所以過(guò)飽和度的消失比較容易，而且過(guò)飽和溶液始終與加料溶液并流。由于攪拌槳的水力阻力小，循環(huán)量較大，所以這是一種過(guò)飽和度最低的結(jié)晶器。器底設(shè)有一個(gè)分級(jí)腿（elutriationleg），取出的產(chǎn)品晶漿要先穿過(guò)它，在此腿內(nèi)用另外一股加料溶液進(jìn)入，作為分級(jí)液流，把細(xì)微晶體重新漂浮進(jìn)入結(jié)晶生長(zhǎng)區(qū)，合格的大顆粒沖不下來(lái)，落在分級(jí)腿的底部，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品也進(jìn)行一次洗滌，最后由晶漿泵排出器外分離，這樣可以保證產(chǎn)品結(jié)晶的質(zhì)量和粒徑均勻，不夾雜細(xì)晶。一部分細(xì)晶隨著溢流溶液排出器外，用新鮮加料液或者用蒸汽溶解后返回。

3.噴霧式結(jié)晶器

當(dāng)溶液與冷劑不互溶時(shí)，就可以利用溶液直接接觸，這樣，就省去了與溶液接觸的換熱器，防止了過(guò)飽和度超過(guò)時(shí)造成結(jié)垢。如噴霧式結(jié)晶器。

噴霧式結(jié)晶器也稱濕壁蒸發(fā)結(jié)晶器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-88所示。這種結(jié)晶器在操作時(shí)將濃縮的熱溶液與大量的冷空氣相混合，產(chǎn)生冷卻及蒸發(fā)的效應(yīng)，從而使溶液達(dá)到過(guò)飽和，結(jié)晶得以析出。有很多工廠用濃縮熱溶液進(jìn)行真空閃蒸直接得到絕熱蒸發(fā)的效果使結(jié)晶析出的例子。操作時(shí)以25～40m/s高速度由一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)直接送入冷空氣，溶液由中心部分吸入并被霧化，這時(shí)霧滴高度濃縮直接變?yōu)楦稍锝Y(jié)晶，附著在前方的硬質(zhì)玻璃管上；或者變成兩相混合的晶漿由末端排出，稠厚，離心過(guò)濾。此類結(jié)晶器設(shè)備緊湊簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是結(jié)晶粒度往往比較細(xì)小。

三、結(jié)晶器操作

（一）間歇式冷卻結(jié)晶器的操作

在中小規(guī)模的結(jié)晶過(guò)程中廣泛采用間歇操作，它與連續(xù)結(jié)晶相比，操作較為簡(jiǎn)單。

（1）控制降溫速度結(jié)晶　在間歇操作的結(jié)晶過(guò)程中，為了控制晶體的大小和晶形，獲得粒度較均勻的晶體產(chǎn)品，必須盡一切可能防止多余的晶核生成，一種較好的控制手段是緩緩降溫，將溶液的過(guò)飽和度控制在介穩(wěn)區(qū)中，以使晶體能更好地生長(zhǎng)。

（2）攪拌結(jié)晶　間歇式結(jié)晶釜一般都配有攪拌裝置，攪拌能促進(jìn)傳熱，使結(jié)晶溫度均勻，不致顆粒大小不一，但應(yīng)注意攪拌的形式和攪拌的速度。

錨式攪拌徑向流動(dòng)較好，而槳式攪拌則有利于軸向流動(dòng)，框式攪拌則既有徑向流動(dòng)又有軸向流動(dòng)，在間歇式結(jié)晶釜中是一個(gè)很好的選擇。

攪拌轉(zhuǎn)速過(guò)慢，影響結(jié)晶釜內(nèi)的傳熱過(guò)程，不利于結(jié)晶產(chǎn)能的提高；攪拌轉(zhuǎn)速太快，會(huì)導(dǎo)致對(duì)晶體的機(jī)械破損加劇，影響產(chǎn)品的質(zhì)量，轉(zhuǎn)速太慢，則可能起不到攪拌的作用，適當(dāng)?shù)臄嚢杷俣葘?duì)間歇結(jié)晶是很重要的操作參數(shù)。

（3）加晶種的控制結(jié)晶　在間歇操作的結(jié)晶過(guò)程中，為了控制晶體的晶型，往往通過(guò)向溶液中加入適當(dāng)數(shù)量及適當(dāng)粒度的晶種，讓被結(jié)晶的溶質(zhì)只在晶種表面上生長(zhǎng)。在整個(gè)結(jié)晶過(guò)程中，加入晶種并小心地控制溶液的溫度或濃度，這種操作方式稱為“加晶種的控制結(jié)晶”。晶種的加入量取決于整個(gè)結(jié)晶過(guò)程中可被結(jié)晶出來(lái)的溶質(zhì)量、晶種的粒度和所希望得到的產(chǎn)品粒度。

（4）間歇冷卻結(jié)晶的最佳操作程序　采用自然冷卻操作，則在結(jié)晶過(guò)程的初始階段溶液的過(guò)飽和度急升或急降，有發(fā)生初級(jí)成核的危險(xiǎn)，又有生產(chǎn)能力低下的問(wèn)題；采用按恒速降溫操作，比自然冷卻稍好，但類似于上述自然冷卻操作的缺點(diǎn)依然存在；按適宜冷卻程序操作，使過(guò)飽和度自始至終維持在某一預(yù)期的恒定值，能使操作得到實(shí)質(zhì)性的改善。

（二）連續(xù)式冷卻結(jié)晶器的操作

連續(xù)結(jié)晶器的操作有以下幾項(xiàng)要求：①結(jié)晶器控制產(chǎn)品粒度分布合理；②結(jié)晶器具有盡可能高的生產(chǎn)強(qiáng)度；③降低結(jié)晶垢的速率，延長(zhǎng)結(jié)晶器正常運(yùn)行的周期；④維持結(jié)晶器的穩(wěn)定操作。

為了使連續(xù)結(jié)晶器具有良好的操作性能，往往采用“細(xì)晶消除”、“粒度分級(jí)排料”、“清母液溢流”等技術(shù)，使結(jié)晶器成為所謂“復(fù)雜構(gòu)型結(jié)晶器”。

1.細(xì)晶消除

在連續(xù)操作的結(jié)晶器中，由于成核過(guò)程很不容易控制，較普遍的情況是晶核的生成速率過(guò)高。如何盡早地把過(guò)量的晶核除掉，而不應(yīng)讓它們生長(zhǎng)到大一些的粒度后再消除之是很重要的。

通常采用的去除細(xì)晶的辦法是根據(jù)淘析原理，在結(jié)晶器內(nèi)部或外部建立一個(gè)澄清區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，晶漿以很低的速度向上流動(dòng)，使大于某一“細(xì)晶切割粒度”的晶體能從溶液中沉降出來(lái)，回到結(jié)晶器的主體部分，重新參與器內(nèi)晶漿循環(huán)，并繼續(xù)生長(zhǎng)。所謂細(xì)晶切割粒度是指操作者或設(shè)計(jì)者要求去除的細(xì)晶的最大粒度，小于此粒度的細(xì)晶將從澄清區(qū)溢流而出，進(jìn)入細(xì)晶消除循環(huán)系統(tǒng)，以加熱或稀釋的方法使之溶解，然后經(jīng)循環(huán)泵重新回到結(jié)晶器中去。

2.清母液溢流

清母液溢流是調(diào)節(jié)結(jié)晶器內(nèi)晶漿密度的主要手段，增加清母液溢流量無(wú)疑可有效地提高器內(nèi)的晶漿密度。

從澄清區(qū)溢流而出的母液分為兩部分，一部分排出結(jié)晶系統(tǒng)，另一部分則進(jìn)入細(xì)晶消除系統(tǒng)，經(jīng)溶解消晶后重又回到結(jié)晶器中去。當(dāng)澄清區(qū)的細(xì)晶切割粒度較大時(shí)，為了避免流失過(guò)多的固相產(chǎn)品，可使溢流而出的含有細(xì)晶的母液先經(jīng)過(guò)旋液分離器或濕篩，而后分為兩股，使含有細(xì)晶較多的流股進(jìn)入細(xì)晶消除循環(huán)，而含有少量細(xì)晶的流股則排出結(jié)晶系統(tǒng)。

四、結(jié)晶操作的故障判斷及處理

在結(jié)晶操作中，由于控制不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)一些不正常工作現(xiàn)象，主要有以下方面：①晶體顆粒太細(xì)；②產(chǎn)生晶垢；③堵塞；④蒸發(fā)結(jié)晶器的壓力波動(dòng)；⑤晶漿泵不上量；⑥稠厚器下料管堵。具體產(chǎn)生原因及處理方法見(jiàn)表2-10。

五、連續(xù)式蒸發(fā)結(jié)晶操作的參數(shù)控制

1.投入量的控制

在投入量的恒穩(wěn)控制系統(tǒng)中，流量的測(cè)量?jī)x表應(yīng)選用電磁流量計(jì)或堰式流量計(jì)等。投入量的變化直接影響結(jié)晶器內(nèi)溶液過(guò)飽和度的大小。此外，投入量還與產(chǎn)量成正比。

2.取出量的控制

取出量的控制是個(gè)重要但未能妥善解決的問(wèn)題。許多連續(xù)結(jié)晶器在晶漿取出管路上安裝調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)取出量，但這樣做并不可靠，因?yàn)檫@種閥常有堵塞的可能。可加裝定時(shí)器，使閥每隔1～2min全開(kāi)一次以清除堆積在閥門處的晶體，從而避免堵塞現(xiàn)象。調(diào)節(jié)閥堵塞的發(fā)生與產(chǎn)品的粒度關(guān)系很大，一般情況下只有產(chǎn)品粒度很細(xì)時(shí)才能使用節(jié)流方法來(lái)調(diào)節(jié)取出量。目前，也有用考克或改用膠管閥的，便于晶疤堵塞時(shí)清理。在冬季，取出管最容易結(jié)疤堵塞。在取出時(shí)還可采用變速泵，根據(jù)結(jié)晶器內(nèi)的液位高低來(lái)控制變速泵的轉(zhuǎn)速。這個(gè)方法的缺點(diǎn)在于泵的轉(zhuǎn)速與取出量的關(guān)系是非線性的，因而調(diào)節(jié)特性不良，且可調(diào)范圍亦較窄。現(xiàn)在更常采用的方法是在結(jié)晶器的排料口處，將一股母液引回到取出管中去，以降低管中的晶漿密度，低密度晶漿的流量可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是所取出的晶漿必須先經(jīng)過(guò)一個(gè)沉降槽或增稠器，使晶漿密度增至適合于過(guò)濾或離心分離的程度。

3.液位控制

絕大多數(shù)的真空冷卻結(jié)晶器需在恒定的液位高度下操作，所以液位控制系統(tǒng)須能保證液位與預(yù)期高度相差在150mm之內(nèi)。對(duì)于DTB結(jié)晶器，液位高度是指結(jié)晶器的進(jìn)料口與器內(nèi)沸騰表面之間的高度差。過(guò)高的液位使循環(huán)晶漿中的晶粒不能被充分地送入產(chǎn)生過(guò)飽和度的液體表面層。液位過(guò)低時(shí)，液位的微小變化可能切斷導(dǎo)流筒上緣的循環(huán)通道，破壞結(jié)晶器的運(yùn)行。真空冷卻結(jié)晶器的液位控制系統(tǒng)中，變送器可采用壓差變送器，其低壓測(cè)壓口與結(jié)晶器的氣液分離室相連。壓差變送器可以是法蘭插入式，也可以用測(cè)壓連接管與結(jié)晶器相連，而連接管內(nèi)可被清洗，但清洗溶液的溫度應(yīng)較低，以防止它在連接管中沸騰而干擾液面控制。一般情況下，液位控制系統(tǒng)以進(jìn)料量作為調(diào)節(jié)參數(shù)，但在有些情況下則以母液的再循環(huán)量或取出量為調(diào)節(jié)參數(shù)。

4.絕對(duì)壓力的控制

真空冷卻結(jié)晶器的操作壓力（絕壓）必須仔細(xì)控制，因?yàn)樗淖兓芍苯佑绊懡Y(jié)晶溫度。結(jié)晶器內(nèi)的絕壓由真空系統(tǒng)的排氣速率控制。絕壓控制系統(tǒng)應(yīng)能使器內(nèi)溫度保持在預(yù)置點(diǎn)0.5K之間。通常在結(jié)晶器頂部安裝壓力變送器。

5.加熱蒸汽量的控制

對(duì)于蒸發(fā)結(jié)晶器，溶液的過(guò)飽和度主要取決于輸入的熱流強(qiáng)度。控制加熱蒸汽壓力或流量皆可達(dá)到控制熱流強(qiáng)度的目的，經(jīng)驗(yàn)證明最好是控制蒸汽流量。對(duì)于大多數(shù)的蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備，加熱蒸汽流量直接正比于結(jié)晶器的生產(chǎn)速率、循環(huán)晶漿的單程溫升及熱交換溫差。控制系統(tǒng)不但應(yīng)能監(jiān)測(cè)此溫差值，據(jù)以重新設(shè)置加熱蒸汽流量的給定值，還須具有內(nèi)部自鎖功能，當(dāng)驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵或螺旋槳的電機(jī)因過(guò)載或斷電而停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)切斷蒸汽的輸入。

6.晶漿密度的控制

結(jié)晶器內(nèi)的晶漿密度是一個(gè)重要的操作參數(shù)，可用懸浮液中兩點(diǎn)間的壓差來(lái)表征晶漿密度，此兩點(diǎn)在垂直方向上必須有足夠大的距離，使測(cè)量?jī)x表有較大的讀數(shù)，如晶漿有較大的密度，則兩測(cè)壓點(diǎn)間的垂直距離可為150～250mm。一般情況下，此兩測(cè)壓點(diǎn)可設(shè)置在結(jié)晶器主體的液面下方。對(duì)于強(qiáng)制外循環(huán)結(jié)晶器，兩測(cè)壓點(diǎn)安裝在晶漿循環(huán)管路上也能成功地測(cè)量晶漿密度。液體的湍流運(yùn)動(dòng)使輸出信號(hào)存在相當(dāng)強(qiáng)的噪聲，故須在測(cè)壓連接管上加裝阻尼閥或采用適當(dāng)?shù)碾娮幼枘崞鳌Ｔ诰{控制系統(tǒng)中，按壓差變送器輸出的信號(hào)，調(diào)節(jié)清母液溢流速率，保持結(jié)晶器內(nèi)晶漿密度恒定。

7.其他需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)

結(jié)晶系統(tǒng)需要測(cè)量溫度的點(diǎn)包括進(jìn)料、出料、液氨、冷卻水或其他載冷體等，還需要監(jiān)測(cè)加熱器的溫差以及各種母液成分的變化。循環(huán)泵或循環(huán)螺旋槳的電機(jī)的電流波動(dòng)，也需監(jiān)測(cè)。還需經(jīng)常監(jiān)測(cè)晶漿泵的電機(jī)的電流大小。