筛板式双螺旋结晶塔内有机物的精制纯化过程及机理研究

Melt crystallization is a green technology for separating and purifying organic compounds.Aim at the problems of low theoretical stage and poor backwashing of traditional crystallizer, This project design an sieve plate double spiral column crystallizer on the basis of the continuous multistage countercurrent fractional crystallization, and the double spiral column crystallizer is going to separate and purify organic compound isomer mixture, which is difficult to separate by distillation, hoping to obtain amplification rules and design guidelines of this double spiral column crystallizer. The research includes process of fluid flow and purification mechanism of multi-stage reciprocating countercurrent fractional crystallization; establish theoretical and empirical correlations of variation of the concentration and temperature distribution along with the heights of crystallizer and different operation conditions.Combining crystallization thermodynamics, Kinetics with purification strengthening mechanism in column crystallizer to establish a mass and heat transfer mathematical models which can describe crystallization process properly. Then through the model to simulate the mass and heat transfer process in double spiral column crystallizer.Based on the simulation results, optimizing and strengthening of the process of the mass and heat transfer and purification can be done and basic data and industrial design basis which is analysised from simulation can be provided for achieving coupling this crystallization process and other separation processes. This project achieves integration and coupling of multiple recrystallization processes, significantly improving the crystallization rate, reducing energy consumption, simplifying industrial process; So the U-shaped column crystallizer has a very important significance in the fields of petrochemical industry, chemical and pharmaceutical processes.

熔融结晶过程是一种分离提纯有机物的有效方法。本项目针对现有塔式熔融分步结晶器理论级数低、逆流洗涤效果差等问题，在连续多级逆流分步结晶器的基础上，采用双螺旋桨叶与筛板塔结构相结合设计了一种新型分步结晶塔；通过该塔对有机物同分异构体进行分离提纯，以期获得有机物熔融结晶分离提纯强化机理和理论依据。研究主要包括筛板式双螺旋分步结晶过程的流体流动、传质传热以及提纯强化机理的研究，得出结晶塔中浓度、温度沿塔高分布以及操作条件相关联的数学模型，得到结晶塔各提纯强化机理与操作条件的对应关系并建立正确描述塔内结晶过程的基础理论，利用FBRM技术检测粒度分布找到塔内流体流动和传质传热对晶体生长过程的影响机制，进而调整塔式结晶器内结构和操作参数，获得高洗涤效率和分离效率的结晶塔。本项目实现多个重结晶过程的集成与耦合，明显提高结晶收率，降低能耗，简化工艺；在石油化工、化学工程及制药过程等领域，都有非常重要的意义。

熔融结晶技术是一种新的、很有发展潜力的分离提纯技术，国外近年来开发工作进展相当活跃。该技术具有很多的优点，不仅分离效率高、能耗低、设备投资少、分离纯度高，还解决了一般精馏技术难以解决的共沸物及热敏物质分离的难题。适合于大规模连续生产，因此这种新的分离技术具有广阔的应用前景和重要的工业价值。本项目在自行开发设计的筛板式结晶塔设备内，对二甲苯和间二甲苯为原料，考察了搅拌作用、晶体床层高度、进料浓度、回流比等因素对结晶塔分离提纯的影响，取得了大量的实验数据，在不到1m的提纯高度中将浓度为90 %的二种物料均提纯到了99.99 %。回流比对连续多级逆流分步结晶的产品纯度和分离效果有着很大的影响，回流比增大，产品纯度增高，但是生产能力下降，实际生产中应根据需要确定一合适的回流比；实验过程中，用实验数据拟合得到了塔中物料浓度沿塔高z分布的数学关联式。通过多次实验，得出了不同条件下物料浓度在结晶塔内的分布曲线，验证了此数学关联式的实用性，这为结晶塔进一步放大至工业规模提供了可靠的依据。针对连续多级逆流分布结晶操作中所出现的塔壁结垢、搅拌桨叶间晶体聚集成块等问题，在实验中加入少量溶剂后，结晶塔壁面的结垢减少，晶体床层中液体的流动情况得到改善，结晶塔的操作更加可控。在逆流洗涤、重结晶及发汗作用这三种熔融结晶理论模型的基础上，针对所用结晶塔的实际情况，提出了相关的假设，建立了包含质量衡算方程及热量衡算方程的一维二阶微分方程组。确定了模型中各相关参数的计算方法，并运用数学软件MATLAB对此微分方程组进行了数值求解，计算结果与实验值符合良好，说明模型能较好的描述此塔内浓度分布情况；与发汗模型的相比，本文模型更为适用于实验所用结晶塔。本项目实现多个重结晶过程的集成与耦合，明显提高结晶收率，降低能耗，简化工艺；在石油化工、化学工程及制药过程等领域，都有非常重要的意义。