[发明专利]气、液双相反应结晶方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于无机化工领域，具体涉及一种气、液双相反应结晶方法及其装置。所述的气、液双相反应指的是能生成固相结晶物的化学反应。本发明所涉及的反应装置就是以气、液两相为反应物，生成固相结晶产物为特定反应类型的反应装置，所述反应装置主要应用于诸如制碱工业等无机化工领域。这类反应装置不仅要解决气、液两相反应控制的问题，更重要的是要解决固相生成物结晶的问题。

背景技术

随着人们对诸如纯碱等化工类产品的研究，发现很多化工产品的结晶形态与金属相似，具有特定的晶体结构，这种晶体结构是其分子结构的宏观体现。工业生产条件下，经常遇到有些化工产品当采用气、液两相进行化学反应生成结晶固相物，通过蒸发、浓缩或冷析等手段将固相生成物从溶液中分离时，总是受到固相产物结晶效果较差的困扰，表现为：固相产物的结晶粒度较细，造成后续处理过程的能耗、成本上升和产品质量下降。产品结晶效果的好坏，内在因素取决于其自身的晶体形态。譬如NaCl的晶体结构为规整的体心结构，晶体机械强度好，其晶体结构不容易受外力扰动而破坏，工业生产过程中的结晶粒度好；而NaHCO₃的晶体结构为针状结构，易受外力扰动而破坏，结晶效果很差，给工业生产环节带来很多棘手的技术问题。

外部条件控制对结晶效果的影响也是非常关键的，通过采取合理的技术手段，优化结晶环境，可以使结晶效果得到明显改善。这些技术手段包括过饱和度控制、施放晶种、排除或降低机械干扰、延长结晶生长周期等。实验室条件下，实现上述手段是不存在任何技术难题的，但是在实际工业生产过程中则不然。反应装置是化工行业的核心设备，不同的化学反应类型和反应条件，采用反应装置的结构形式也大不相同。炉、塔、管、罐以及换热器等结构形式都可以作为特定化学反应工程的反应装置。反应结晶装置的技术现状是对反应过程的控制较为成熟，对结晶过程的控制缺乏有效的技术手段，具体表现为：

1、过饱和度难以控制。过饱和度是结晶产生与生长过程的推动力，当过饱和度不足时，结晶生长较慢，对给定的反应结晶装置而言，预期的结晶生长周期会延长，这就意味着装置产能的下降或结晶粒度不合要求；但一味的增大过饱和度以致过量时，也会物极必反，因为过饱和度过量将导致大量细晶的生成，成为后续结晶析出的生长中心，非但没有起到助推结晶生长的作用，反而削弱了后续的结晶动力，因此，维持适宜而稳定的过饱和度是结晶技术的关键。

适宜而稳定的过饱和度控制可以采取反应控制、温度控制和直接调浆控制等方法实现。反应控制是通过控制溶液中固相生成物的生成速率以维持过饱和度的相对稳定；温度控制是利用固相生成物在溶液中的溶解度随温度的变化以维持过饱和度的相对稳定。当前工业应用领域的反应结晶装置，上述两种控制过程同时存在。基于任何化学反应都伴随放热或吸热过程，反应速率亦受温度变化的影响，反应控制与温度控制相互制约，相互影响，使得过饱和度的控制过程难以量化，从而影响了产品的结晶效果。而直接调浆控制在工业过程中极少应用。

2、结晶过程缺乏控制措施。控制晶核数量是控制结晶过程的最直接有效的技术手段。现有技术状态下的反应结晶装置，晶体从溶液中析出历经晶核产生到长大的发展过程。晶核的产生需要比晶核生长较大的过饱和度推动，当溶液中溶质的浓度达到一定的过饱和度时，溶液中会瞬时出现大量的细小晶体，称之为闪晶。闪晶的出现使溶质的过饱和度得到迅速释放，闪晶成为后续析出晶体的生长中心——晶核。晶核的数量将决定结晶过程的晶体粒度，判断晶核数量的多少与溶液过饱和度梯度分布密切相关，是一个相对的概念，晶核生成相对数量越多，意味着晶粒的生长中心越多，将直接导致晶体粒度偏小；晶核生成相对数量越多，意味着溶液过饱和度的梯度损失越大，后续结晶动力受限，将导致晶粒生长缓慢；而当晶核生成数量相对不足时，溶液中存在的杂质微粒或容器内表面的粗糙突起都会成为晶体生长的载体，造成产品纯度降低或设备内表面结巴等工程技术难题。

上面所述的采用气、液两相物质进行化学反应生成结晶固相物的最典型的例子是：纯碱的生产方法中得到了广泛应用的以气、液两相为反应物而生成固相结晶产物的氨碱法、联碱法以及天然碱碳酸化法。氨碱法和联碱法都是用食盐水溶液吸收氨和二氧化碳制出重碱(碳酸氢钠)，然后通过煅烧重碱来获得纯碱(碳酸钠)，其化学反应过程为：

氨盐水碳酸化：

NaCl+NH₃+CO₂+H₂O→NaHCO₃↓+NH₄Cl

重碱的煅烧：