專利名稱：通過分級結晶從液體混合中分離物質的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過分級結晶從液體混合物中分離物質的方法，先將結晶層沉積于結晶器壁的一邊而在另一邊冷卻，然后將結晶層熔化。
結晶法正日顯主要，還勝過蒸餾法。這有多方面的原因。例如，結晶法的一項優點是可在低溫下獲取或純化熱敏物質。與真空蒸餾相反，它也不需要昂貴的真空設備。在許多情況下可得到比通過蒸餾法更高純度的制品。
結晶法勝過蒸餾法的另一方面主要原因是其能耗通常比較低。眾所周知，冷卻能一般比加熱能耗費高得多。即使如此，通過結晶來分離物質的總能耗通常比通過蒸餾要低得多，這只是因為通過結晶來分離物抽所需能量通過要比通過蒸餾分離少得多。
US-A-3272875描述了包括冷卻劑流動管子的結晶器，管子的外壁用作結晶表面。冷卻劑環路是二級環路，它將液態冷卻劑從循環泵的出口輸送到管子的一端，通過管子后，從管子的另一端輸送到熱交換器并在那回到循環泵中。熱交換器用于傳遞來自主環路即冷卻系統環路的冷卻能。產物環路從產物循環泵開始，到管子一端的外壁，并從管子的另一端到熱交換器并回到產物循環泵中。產物環路中的熱交換器接收來自熱源的熱能。
在上述結晶器的操作中，結晶層在管子的外壁上形成。其專利說明書中沒有描述如何移除結晶層的細節。但是，在母液從產物環路中排走后結晶層可通過提高冷卻環路上的溫度或通過將先前制備的產物導入和循環來熔化，這是眾所周知的。熔化所需的熱能可通過置于產物環路中的熱交換器來供應。這里所述的專利說明書所述的方法只是實室規模的。其沒有任何資料敘述如何將該法用于工業生產中。特別是其沒有描述關于多級結晶方法的任何細節。無論如何，明顯地其對大量熱交換器的需要會使設備昂貴。由于其中的能量損失以及所選的方法條件所限，所需能量會很大，其特別重要的項目是昂貴的冷卻能。
長期以來已做了各種努力來降低設備的費用和分級蒸餾所需的能量。例如，DE-A-1769123提出通過將結晶器套層中的蒸汽排除而直接通過冷卻設備中的介質來冷卻結晶器。然而沒詳細說明如何將之付諸于實施，而且自所述該專利說明書發表以來24年間也沒有關于直接冷卻的冷凝器的報導。
與最初所述的US-A-3272875中的結晶器相反，在按DE-A-1769123的結晶器中，各管子從外部冷卻，液體混合物以膜狀滴流從上流到管子里面的形式供應。同樣，結晶器對于多級結品方法的每一階段并不都是必需的。代之，多級結晶在單級結晶器的不同循環中完成。為進一步降低能耗，建議應將在冷卻設備中冷凝器放出的熱部分地貯存在載熱體罐中，并通過在產物環路中的熱交換器隨后用于溶化結晶。多余的熱在冷卻水中排掉或在極端情況下通過二級冷卻設備排掉。這種已知方法的缺點是其設備費用高以及在貯存和能量轉換時損失能量。
本發明的目的是設計一種只需較少能量。特別是較少昂貴的冷卻能、且其設備不象先前方法那么復雜的方法。
按照本發明的通過在結晶器的一壁上沉積結晶層來進行分級結晶并由此從液態混合物中分離物質的新方法，其特征在于為達到結晶的目的，介質在結晶器另一邊壁上蒸發，在結晶器中氣態介質的壓力按照結晶所需的溫度來控制。因為在該方法中結晶器作為諸如氨或水等用作冷卻的介質的蒸發器來運行，因此不需要熱交換器來將冷卻能從致冷機的冷卻劑環送到結晶器的冷卻劑環路。同時這也消除了由此而產生的能量損失。其處理溫度可通過控制氣態介質的壓力得以最佳方式加以控制。
介質最好以膜狀滴流流到壁上。這樣可以達到結晶過程所需的結晶器壁的均勻冷卻。
供以熔化晶層或在氣態中熱溶的介質最好在壁上冷凝，氣態介質的壓力按在壁上所需的溫度加以調節。這消除了對供應熱能的熱交換器的需要。其處理溫度可通過控制氣態介質的壓力得以最佳方式加以控制。
最好至少一個結晶器用于結晶，至少有一個另外的結晶器用于熔化結晶，并且在結晶時在一結晶器中出現的氣態介質在另一結晶器中被壓縮和冷凝以用于熔化結晶。結果一結晶器充當冷凝器，而與之相交替的另一結晶器充當致冷機中的蒸發器。這樣冷卻能和來自致冷機的廢熱兩者裝飾直接得到了利用。和常規方法相比，總節能可達30％或更多。因此其致冷機可比先有方法中所用的更小。
按照本方法最佳的實施方法，在熔化過程中，再另外供以結晶器外加的熱能，并隨后將多余的熱能排掉。這使該方法更具適應性和靈活性。例如如果在熔化過程中另外將外加熱能加到結晶器上并隨后將多余的熱能排掉，那末就可以比形成結晶更快的速度將結晶熔化。致冷機總是可以獨立于當時所需的熱處理量而運作。通過這種方法，通過控制壓力，每臺結晶器均勻獨立于其它結晶器運作。因此可以以各種溫度梯度、誘導溫度、部分熔化用的加熱梯度等方式運作。
本發明也涉及運作所述方法的設備。這種設備包括具有套的結晶器，其中結晶區通過一層可沉積結晶的壁與介質區隔開，介質區至少具有液體介質的一個進口和一個出口。按照本發明，在結晶器中至少還配有連接氣態介質流進和流出的裝置以及控制氣態介質壓力的裝置。
這種控制氣態介質壓力的裝置可以例如是控制折板或控制閥，其在通過過程控制所設定的壓力基礎上，可以在結晶過程期間使氣態介質從結晶器流出，而在熔化或熱熔狀態期間使氣態介質流進結晶器。正象在該方法的描述中提到的，其處理溫度可通過控制其壓力得以最佳方式加以控制。
最好提供一種輔助蒸發器。最好對于作為蒸發器運作的結晶器來說，如果需要，輔助蒸發器可通過液態介質的蒸發來產生氣態介質。這種輔助蒸發器可依靠廢蒸汽來運作。因此在任何時候，如果需要此結晶時所產生的更多的熱能，可通過爐廢蒸汽來蒸發液態介質。它具有每臺結晶均可獨立于其它結晶器運作的優點。例如結晶可用比其形成過程更短的時間熔化。
在結晶熔化后，如用冷卻水冷卻的輔助冷卻器可供排掉多余的熱能。如果蒸汽或水用作介質，就不需要輔助蒸發器。在結晶器中的壓力以及最后其溫度均可通過排放蒸汽而降低。
在本發明的一個優選的實施方案中，所述壁至少由一根最好是垂直安放并且一端封閉的管子和供以將液態介質傳送到所述封閉端區域并在那兒以膜狀滴流流到壁上的裝置構成。正如下文將詳細解釋的那樣，這可使結晶器的結構特別優越，即使在所用介質處于相對高的壓力下也可以防漏。
所述的液態介質最好通過立管導入。為了不影響膜狀滴流，可通過墊襯物使立管和壁保持空開。
在所述設備的一個優選實施方案中，其結晶器包括在底下永久與基座連接而在預端通過分布盤的開口外凸的大量管子，用于分級分離的液態混合物通過其可沿著各管子外壁向下流動的空隙。這種結構可以保證當溫度變化時管子可以相互獨立地膨脹或收縮。在權利要求書各條款中所定義的本發明設備的其它優點已經在方法特征的描述中提及，從下面描述中它們也將變得顯而易見。
現在將根據附圖來闡述本發明的一個實施例，其中

圖1是按照本發明的用于多級分級結晶設備的冷卻系統圖。
圖2是特別適合于按照圖1的冷卻系統的結晶器圖，和圖3是用蒸汽運作的圖1系統變化后的系統圖。
對于使用二臺或多臺結晶管的多級結晶來說，本發明特別優越。因此將參照多級結晶過程來描述本發明的情況，但本發明的實用范圍并不只限于多級結晶。由于多級結晶設備為本領域技術人員所非常熟悉，所以這里就無需詳細介紹這些設備的流程。有關資料可參照有關的技術文獻或在本緒言中所提及的專利說明書。
圖1顯示了多級分級結晶的結晶設備，它包括例如S1、S2和S3三個結晶器。通常至少二個結晶器總是同時運作，一個用為致冷朵11的蒸發器而另一個作為致冷機11的冷凝器。(還)一臺結晶器在結晶時作為蒸發器運作而在熔化時作為冷凝器運作。因此，在按本發明的設備中，致冷機11并不包含由壓縮器13及蒸發器和冷凝器構成的常規單元。單元11中空出的蒸發器和冷凝器構成結晶器S1、S2和S3的一部分。其先決條件是除非具有一個輔助冷凝器或輔助蒸發器，原則上至少一臺結晶器總是作為蒸發器運作同時至少另外一臺結晶器作為冷凝器運作。即使當大量結晶器作為在操作過程中的不同階段的蒸發器或冷凝器而同時運作，對每臺結晶器來說，其形成結晶的壁的溫度可維持不同。這可簡單地通過按照壁上所需溫度的不同來控制每臺結晶器中氣態介質的壓力來做到。如果對熱能的需要量大于致冷機11產生的廢熱量，那末就必須提供輔助蒸發器53。在結晶器S1、S2和S3中氣態介質的壓力通過與管子25、26和27相連的測定及控制裝置PC1、PC2和PC3來控制，所設定的壓力由過程控制器33決定。
管25、26和27從結晶器S1、S2和S3(圖2接口96)接出并通到收集管23，并由23通到壓縮器13的進口端。收集管23處于較低的壓力，如2巴。在結晶過程中控制閥28、29和30可分別控制氣態介質如氨在結晶器中的壓力。這決定了冷卻結晶器中所述管子的介質的蒸發溫度。
從壓縮器13的高壓端出來的氣態介質可通過分配管21和支管15、16和17供應到每個結晶器S1、S2和S3(圖2接口96)中。分配管21處于較高的壓力，如14巴。當熔化結晶時，在支管15、16和17中控制折板18、19和20可分別控制在每個結晶器S1、S2和S3中氣態介質的壓力。這決定了用于加熱結晶器的所述管子的介質的冷凝溫度。
在結晶和熔化時所設定的壓力以及最終其溫度均可通過過程控制器33設定。
液體介質通過泵37從收集罐35傳遞到結晶器S1、S2和S3中，泵的高壓端連接到管39中。參考符號LC1表示液面高度測定和控制裝置。來自管39的液體介質通過控制閥40、41和42引到結晶器S1、S2和S3中。在管39和罐35間的溢流閥44用來使控制閥40、41和42的進口壓力維持恒定。過程控制器33決定哪個或哪幾個結晶器作為蒸發器運作并因此而最終決定閥40、41和42的開或閉。S1至S3中的每個冷凝器與液體排放閥45、46和47相連以便當結晶器作為冷凝器運作時將過量的冷卻介質或冷凝后的介質通過管49供給到收集罐35。液體排放閥設計成只排放液體而不排放氣體，因此結晶品中的氣態介質維持在同樣的壓力。
熔化結晶可以在此其形成所花的短得多的時間內完成。因此如果一個結晶器用于形成結晶而另一個結晶器用于熔化結晶，那末由致冷機11傳出的廢熱不足以使結晶熔化快過結晶形成過程。結果就必須供給另外的熱。附加熱量可通過輔加蒸發器53和55提供。輔加蒸發器55可依靠廢蒸汽如通過管50和閥52的蒸汽來運作。閥52按照由過程控制器33所決定的設定壓力來控制，同時分配管21中的壓力通過測量和控制裝置PC來測定。為了在所耗的熱能量比同時由致冷機11所產生的熱能量大時將氣態介質供給分配管21，輔助蒸發器53的出口和分配管21相連。
輔助冷凝器55用來排放過量熱能。該輔助冷凝器55可通過管線56、58和閥57而與冷卻水環路相連。為了在消耗的廢熱量比同時由致冷機11所產生的少時從分配管21中排除和冷凝氣態介質，輔助冷凝器55和分配器21相連。閥57通過由過程控制器33所決定的設定壓力來控制，其壓力通過裝置PC4來測定。由輔助冷凝器55液化的介質可流到作為接收器的罐61中并可進一步輸送到收集罐35和輔助蒸發器53中。參照符LC2表示液面高度測量和控制裝置，它控制閥63。液態介質通過閥63從罐61供到收集罐35中。
參照符48表示與輔助蒸發器53相連的冷凝蒸氣罐。在罐48中的冷凝可通過泵51泵回蒸汽發生器(未畫出)中。該過程由液面高度測量和控制裝置LC3啟動。
在所有階段的結晶器S1、S2和S3均可有同樣的結構。結晶器的一具體實施例如圖2所示。結晶器70實際上主要包括由在分配盤81上面的蓋73封閉的容器71。大量的管子75(圖中只畫出一根)安置于容器71中。它們構成了形成結晶所在的壁。液體混合物可以以膜狀滴流方式往下流到管子75的外壁76上。液體混合物的進口77在蓋73上。分布盤81上有許多開口82，通過82在頂端69封閉的管子75朝上凸出。然后液體混合物可以以膜狀滴流方式通過空隙83往下流。由于管子75的冷卻，結晶按需要在外壁76上形成。出口84位于產物盤85上。液體混合物可按已知的方式通過循環泵(未繪出)從出口84循環到進口77中直到該級的結晶過程完成。
結晶器70可用作蒸發器或冷凝器。為此每根管子75均含一立管87，其橫靠于立管板90，從為聯接用途提供的螺紋接口89起立于整個管子75之中。通過墊片91將立管87固定于管子75的中間。冷卻劑分布器92離立管87頂端有一點距離以保證作為冷卻劑使用的介質以膜狀滴流的方式沿管子75的內壁78流下以冷卻管子75。在這種冷卻劑分布器92的安排中。管子75的頂部和分布盤81沒有被冷卻，因此液體混合物總是可以暢通無阻地流過空隙83。但是如果結晶器作為熔化結晶的冷凝操作，在管子75中冷凝的介質也加熱該管子的頂部。
離產物盤85一小段距離的地方，管子75上有一個由例如固定于管子75上并接合好的環組成的肩85以防止在管子上形成的結晶物下滑。為轉變膜狀滴流方向的管子88，最好設在管子75的里面，其伸展到肩86并防止結晶在肩86以下的區域形成。槽88′位于管子75降轉向管子88之間。當結晶器作為冷凝器運作時，要在靠管子75的壁上的槽88′中冷凝的介質也加熱管子75的底部。
在結晶過程期間沒有蒸發的介質或在熔化或熱熔期間冷凝的介質可通過接口94流到液體排放盤45、46和47(圖1)中。接口95用于從閥40、41或42供應液態介質。接口96吸于在結晶期間排放結蒸發的介質或在結晶熔化期間供應氣態介質。
注意結晶器70被產品盤85分成二個室74和80，二室間存在相當大的壓力差。通常結晶室74處于常壓或稍高于常壓，而含有介質的室80的壓力處于例如14巴的水平。防止介質從漏縫進入產物室74是非常重要的。在按本發明構造的結晶器70中，在結晶器管子75上沒有帶螺口，這可能會產生泄漏現角。
因為介質是通過主管87傳送到管子75的頂部，管子75的頂端69可通過焊接封閉。在管子75的底部，可焊在產物盤85上，反過來產物盤85可焊到容器71的夾套72上。在結晶器運作時這種焊接聯接是氣密的。所述的該結構的另一優點是管子75可在分布盤81中自由移動。因此如果冷卻或加熱失敗并且結果使管子的收縮或膨脹不同于其它管子時，管子75不會有被損失的危險。
依靠諸如氨或具相似性質的冷卻介質運作的如在圖1中所示的冷卻設備特別適合于結晶點在約120℃以下的產物的結晶。如果結晶點位于大約100至230℃的范圍內，水蒸汽可代替氨使用并且無需使用在圖1中所示的致冷機。
圖3顯示了一種為使用蒸汽而設計的設備。其各代表符號代表著和前圖一樣的部件。因為在圖3中其設備的構成基本上同圖1相同，所以下面的描述只限于其具有重要差異之處。正象已提及的那樣，在該設備中沒有致冷機，也沒有封閉的介質回路。代之，蒸汽被導進設備中，而冷凝液被排放掉。其引起的變化是非常小的。例如分布管21可通過閥60與蒸汽網絡而不是與致冷機相連。廢蒸汽可通過閥65排掉。如需要，冷凝液即水可通過閥64而從收集罐35即從該設備中排掉。
在沒有背離本發明原則下可作出各種改變。一種代替方案是采用按照DE-A-1799123的結晶器，而為濕潤所述管子的外壁將液體介質噴灑在結晶器中。另一種代替方案例如是用單結晶器進行多級結晶，在這種情況下結晶過程進行時產生的液體介質可貯存罐中而在后來在結晶過程中使用。
權利要求
1.通過多級結晶過程來從液體混合物中分離物質的方法，它通過在結晶器(S1、S2、S3、70)的另一面壁上冷卻而在一面壁(75)上沉積結晶層，最后將結晶層熔化，其特征在于為達到結晶的目的，介質在所述的另一面壁(75，78)上蒸發，其特征還在于在結晶器(S1、S2和S3)中氣態介質的壓力按照結晶所需的溫度來控制。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于所述介質以膜狀滴流方式流下所述壁(75，78)。
3.按照權利要求1或2的方法，其特征在于供以熔化結晶層或在氣態中熱熔的介質在所述壁上冷凝，其特征在于氣態介質的壓力按照在壁上所需溫度來控制。
4.按照權利要求2或3的方法，其特征在于至少一個結晶器被用于形成結晶并且至少有另一個結晶器被用于熔化結晶，其特征還在于在形成結晶時在一結晶器中出現的氣態介質在另一個結晶器中壓縮和冷凝以熔化結晶。
5.按照權利要求4的方法，其特征在于在熔化過程期間，將另外的外加熱能供給結晶器，而多余的熱能則在后來排掉。
6.按照權利要求5的方法，其特征在于外加熱能量通過在輔助蒸發器中液態介質的蒸發來供應。
7.按照權利要求5或6的方法，其特征在于其多余的熱能通過輔助冷凝器(55)排掉。
8.按照權利要求1至7任一項權利要求的方法工作的設備，包括至少一個帶外套(71)的結晶器(70)并且其中通過可沉積結晶的壁(75)將結晶區(74)與介質區(80)分開，還包括具有至少各一個液態介質進口(95)和出口(94)的介質區(80)，其特征在于至少提供了一個接口(96)用以流入和排放氣態介質，其特征還在于提供了結晶器中調節氣相壓力的裝置(33；18，28；19，29；20，30)。
9.按照權利要求8的設備，其特征在于它具輔助蒸發器(53)。
10.按照權利要求9的設備，其特征在于它具輔助冷凝器(55)。
11.按照權利要求8至10任一項權利要求的設備，其特征在于所述壁由至少一管子(75)構成，最好是垂直安裝并在一端封閉(69)，其特征還在于裝備了將液態介質傳送到其封閉端(69)的裝置(87)，從那里液態介質可以以膜狀滴流形式流下壁。
12.按照權利要求8至11任一項權利要求的設備，其特征在于供給液態介質的裝置是一立管(87)。
13.按照8至12任一項權利要求的設備，其特征在于所述立管(87)由墊片(91)固定使其離壁(75)一段距離。
14.按照8至13任一項權利要求的設備，包括固定連接于基座(85)以及通過在分布盤(81)上的開口(82)在頂部有凸出的多根管子和將進行分級分離的液態混合物可通過其沿著所述管子(75)的外壁(76)下流的空隙(83)。
15.按照權利要求14的設備，其特征在于所述立管(87)延伸到分布盤(81)以下的區域。
16.按照8至15任一項權利要求的設備，其特征在于對膜狀滴流來說在所述壁(75)的較低區域設置了轉向裝置(88)如轉向管，在所述壁(75)和轉向裝置(88)之間留有槽(88′)。
17.按照權利要求8至16任一項的設備，其特征在于外罩(71)的蓋(73)設置在分布盤(81)之上。
全文摘要
本發明的結晶器(70)具有液態介質的進口(77)以及在結晶過程結束時可流出母液并隨后可獲得熔化的結晶的出口(74)。在結晶過程進行時，大量頂端封閉的管子(75)在其上部被供以液態混合物的膜狀滴流。所述管子的內部供以冷卻用的液態介質的膜狀滴流。所述液態介質通過立管(87)供應，介質分布器(92)支配在分布盤(81)下面介質的流動。
文檔編號B01D9/02GK1132652SQ9512143
公開日1996年10月9日 申請日期1995年12月8日 優先權日1994年12月8日
發明者R·比索夫 申請人:蘇舍化學技術有限公司