傾斜結晶塔內(nèi)有機物結晶純化過程的研究.pdf

1、熔融結晶過程是一種分離提純有機物的有效方法，它不僅能制備高純度的有機物，而且還能分離其它分離方法難以分離的特種有機物系，如同分異構體、同系物和熱敏性有機物。同時，在熔融結晶裝置中，塔式結晶器由于能在同一設備中同時實現(xiàn)洗滌、重結晶和發(fā)汗提純機理而被廣泛使用。因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的新型結晶分離技術，設計一個高效連續(xù)的熔融結晶裝置就具有非常重要的意義。本文的研究目標是采用針對有機物系固液相間密度差較小而設計的傾斜結晶塔，研究有機物的分離

2、提純規(guī)律，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的傾斜型結晶塔，并通過對結晶過程的數(shù)學建模以及流體模擬，以獲得結晶塔的設計放大規(guī)律。 為了便于實驗現(xiàn)象的觀察，首先制作一個長為1200mm，內(nèi)徑為50mm的玻璃制傾斜結晶塔，研究對二氯苯一鄰二氯苯低共熔體系在傾斜結晶塔中的分離規(guī)律。正交實驗結果表明：結晶塔中固液二相的傳質(zhì)和傳熱較慢，所需的穩(wěn)定時間約為600min，進料濃度和攪拌速率對穩(wěn)定時間的影響不明顯；進料濃度對結晶塔提純段的濃度分布和結晶床層

3、高度有顯著影響，進料濃度增加，結晶床層越高，提純段各點的濃度也升高，且晶體床層區(qū)域的熔融液處于過飽和狀態(tài)，但是，進料濃度對產(chǎn)品純度的影響不大，因為實驗體系為低共熔物系，進料濃度為62％～86％時，產(chǎn)品純度都達到了99.9％以上；攪拌對結晶塔分離提純效果的影響表現(xiàn)在它可以提供足夠的擾動，推動熔融液與晶體之間的逆流接觸，促進兩相之間的傳質(zhì)和傳熱，避免出現(xiàn)晶體懸浮密度分布不均勻和熔融液出現(xiàn)溝流的現(xiàn)象，還可以有效地防止塔壁晶體結塊現(xiàn)象的發(fā)生，攪

4、拌速率對晶體床層高度并沒有影響；晶體床層的存在是結晶塔實現(xiàn)分離提純的必要條件，且可以分為二段，上端為晶體沉降區(qū)，晶體量較少，固液二相混合較好；下端為緊密晶體床層區(qū)，晶體堆積緊密，需要有足夠的攪拌速率，來保證固液二相的充分混合，開始出現(xiàn)結晶床層的部分，熔融液濃度上升很快，提純效果十分明顯，之后熔融液濃度的上升趨勢變緩，發(fā)汗提純機理在發(fā)揮作用。為進一步考察傾斜結晶塔對有機物分離提純的適應性，在增加結晶段長度后，使用丙烯酸一丙酸部分固體溶液體

5、系，研究了加熱功率、返流比和晶體懸浮密度對結晶塔分離提純效果的影響。實驗結果表明：對于現(xiàn)有的玻璃制結晶塔，進料濃度為90％是一個合適的進料濃度；由于降溫溫差的增大，結晶塔到達穩(wěn)定的時間為1200min；回流比越大，產(chǎn)品純度越高，所需理論塔板數(shù)就越多；但是晶體床層是分離提純過程的基礎，如果懸浮密度較小，則即使回流比較大，也難以制得較高純度的產(chǎn)品；理論塔板數(shù)反應了結晶塔的分離提純效率，理論塔板數(shù)越多，則結晶塔的分離效率越高，在一定的懸浮密度

6、范圍內(nèi)，回流比與理論塔板數(shù)呈線性關系；加熱功率對產(chǎn)品純度和濃度分布的影響，是通過其對回流比和懸浮密度的改變而實現(xiàn)的，回流比越大，晶體懸浮密度通常也較大。 通過前期的實驗觀察，發(fā)現(xiàn)攪拌槳相鄰槳葉之間容易聚集晶體造成結晶塔的堵塞，因而對結晶塔進行了重新設計，使用不銹鋼制傾斜結晶塔，考察了攪拌方式與轉(zhuǎn)速、加熱和冷卻功率、進料濃度和傾斜角度對結晶塔分離提純效果的影響。實驗結果表明：通過對結晶塔測溫口的重新設計，消除了兩相鄰槳葉之間的晶體

7、聚集，確保了結晶塔的連續(xù)操作，不銹鋼制傾斜結晶塔已經(jīng)可以運轉(zhuǎn)30個小時以上；結晶塔的傾斜角度對結晶塔的分離提純效果有明顯的影響，傾斜角度為45度時分離效果最好；加熱功率和冷卻功率需要匹配，有效加熱功率為10w時結晶塔能穩(wěn)定操作，結晶塔的分離提純效果較好；攪拌方式的影響主要是通過調(diào)節(jié)攪拌軸的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來防止結晶塔內(nèi)的堵塞，保證了分離過程的連續(xù)進行；使用不銹鋼制傾斜結晶塔分離提純對二氯苯一鄰二氯苯低共熔體系，塔底的產(chǎn)品純度可以達到99.99

8、％以上，且能夠長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)。 改進后的不銹鋼制傾斜結晶塔，在傾斜角度為45°，攪拌速率為15r/min，進料濃度為80～93％，冷卻循環(huán)水冷卻溫度為25～30℃時，能連續(xù)運轉(zhuǎn)48小時以上，塔底產(chǎn)品純度可達到99.997％；出料速率大于1.7g/min時，結晶塔的提純效率開始下降，出料速率在0.4～0.9g/min之間，結晶塔能穩(wěn)定高效地運轉(zhuǎn)；在連續(xù)實驗中，增加返流比，能顯著提高結晶塔的分離效果和產(chǎn)品的純度；加熱功率和冷凍功率對

9、結晶塔分離提純效果的影響，是通過改變返流比和晶體懸浮密度來實現(xiàn)的。為了模擬工業(yè)裝置的運行情況，還重新設計了新型的結晶塔，此結晶塔使用雙螺旋輸送槳來輸送晶體，取消了提純段的取樣口和測溫口，所設計的結晶塔已經(jīng)獲得了專利授權。為了更好地描述結晶塔內(nèi)固液兩相的傳質(zhì)和傳熱過程，綜合各種提純機理的數(shù)學描述，對結晶塔提純段建立通用的數(shù)學模型，此通用數(shù)學模型能夠經(jīng)化簡得到文獻中已報導的各種數(shù)學模型。 使用相同的邊界條件，比較了各種數(shù)學模型，數(shù)學

10、模型的計算結果表明，發(fā)汗--傳熱模型最能反映重力沉降型結晶塔內(nèi)的提純過程。使用發(fā)汗一傳熱模型，系統(tǒng)地分析了各種因素對結晶塔分離提純過程的影響。使用簡化的發(fā)汗模型，計算了結晶塔提純段的熔融液濃度分布，計算結果與實驗值一致，證實了該模型的有效性。 使用Fluent軟件對結晶塔內(nèi)固液兩相的流動過程進行了流體模擬，計算所得結果證實了結晶塔提純段內(nèi)晶體懸浮密度的分布經(jīng)歷了三個不同的區(qū)域，即熔融液占據(jù)區(qū)、晶體沉降區(qū)和緊密晶體床層區(qū)，模擬結果