一种冷却结晶器及冷却结晶方法与流程

本技术涉及冷却结晶，尤其是涉及一种冷却结晶器及冷却结晶方法。

背景技术：

1、结晶是化工生产中常见的单元操作，用于从溶液或熔体中析出固体晶体，以实现产品的纯化和粒度控制，主要取决于结晶工艺和结晶设备，常见的结晶工艺包括闪蒸结晶、冷却结晶，或者二者的结合；结晶方式包括间歇式和连续式；结晶器类型除典型带搅拌间歇式结晶釜以外，还有一些特殊结构的结晶器。

2、在现有技术中，为了达到特定的结晶效果，需要控制结晶过程的温度按一定规律变化，即控制冷却曲线或升温曲线，从而实现过饱和度的选择性控制，而传统冷却结晶多采用间歇釜式操作或连续式，但无降温曲线要求，其反应釜内部的温度变化无法按预设曲线控制，进而可能会导致不规则成核、细晶或巨晶过多、晶体生长不规则、粒度大而不均的问题发生。

技术实现思路

1、本技术提供一种冷却结晶器及冷却结晶方法，能解决现有的冷却结晶设备中难以实时监测并调控反应釜内部的温度，生长出来的晶体粒度不够均匀的问题。

2、本技术的技术方案如下：一种冷却结晶器，包括：

3、塔式筒体，所述塔式筒体顶端设有旋转驱动件；

4、多个凸型分节盘，多个所述凸型分节盘相互间隔地设置于所述塔式筒体内部，以在所述塔式筒体内部分隔形成多个位于所述凸型分节盘上方的结晶腔室，每个所述凸型分节盘的边缘周向间隔设置有多个晶浆下沉通道；

5、冷却系统，包括套设于所述塔式筒体外部的冷却夹套组件，所述冷却夹套组件内部设有与所述结晶腔室一一对应的冷却介质循环回路；

6、搅拌装置，包括搅拌轴，所述搅拌轴一端与所述旋转驱动件的驱动轴相连，另一端贯穿多个所述结晶腔室，并延伸至所述塔式筒体的底部，所述搅拌轴上相互间隔地设置有多个搅拌桨，多个所述搅拌桨一一对应地位于多个所述结晶腔室内部。

7、通过采用上述方案，塔式筒体通过多个凸型分节盘分隔形成多个独立的结晶腔室，使得晶浆在各结晶腔室内的停留时间分布窄，降低了返混程度，从而避免了单一反应釜内晶浆停留时间差异过大导致的晶体粒度不均问题；

8、同时，冷却夹套组件为各结晶腔室分别设置独立的冷却介质循环回路，配合凸型分节盘边缘的晶浆下沉通道使晶浆逐级下沉，实现了各结晶腔室的分段冷却控制，使得晶浆在下沉过程中与相邻冷却介质的温差可控制在较小范围内，避免了局部过冷导致的晶体在塔壁或下沉通道处异常析出；

9、而且，搅拌轴贯穿多个结晶腔室并在各结晶腔室内分别设置搅拌桨，不仅保证了各结晶腔室内晶浆的均匀悬浮和分散，还防止了晶体在冷却表面堆积结垢，延长了设备的连续运行周期。

10、在本技术其中的一个实施例中，所述凸型分节盘包括：

11、中心平台部，所述中心平台部中设有供所述搅拌轴穿过的轴孔，并在所述轴孔处与所述搅拌轴转动密封；

12、环形导流部，所述环形导流部同轴套设于所述中心平台部外部，所述环形导流部的外缘沿径向方向延伸，并向下弯曲；

13、环形导向部，所述环形导向部同轴套设于所述环形导流部的外缘上，所述环形导向部外缘与所述塔式筒体的内壁相连，多个所述晶浆下沉通道周向间隔设置于所述环形导向部和环形导流部之间的连接处。

14、通过采用上述方案，环形导流部的外缘沿径向延伸并向下弯曲，配合环形导向部形成凸型结构，进而能够对晶桨起到导流的作用，而晶浆下沉通道设置在环形导向部与环形导流部连接处的边缘位置，引导晶浆沿塔式筒体边缘均匀下沉，由于晶浆下沉通道位于靠近塔式筒体内壁的边缘区域，下沉的晶浆与外侧冷却夹套内冷却介质之间的热交换路径短，而且该区域的晶浆温度已经进行过冷却，与相邻下层结晶腔室的温差小，因此降低了晶浆在下沉过程中因局部过冷而在通道内异常结晶堵塞的情况发生；

15、此外，多个晶浆下沉通道周向间隔布置，使得晶浆能够均匀地从上层结晶腔室流向下层结晶腔室，防止了偏流现象，进一步提高了各结晶腔室内晶浆停留时间分布的均匀性。

16、在本技术其中的一个实施例中，在靠近所述旋转驱动件的结晶腔室中，所述搅拌桨设置于所述搅拌轴靠近对应的凸型分节盘一侧；

17、在其余的所述结晶腔室中，所述搅拌桨设置于所述搅拌轴远离对应的凸型分节盘的一侧。

18、通过采用上述方案，靠近旋转驱动件的第一个结晶腔室内的搅拌桨设置在靠近凸型分节盘的一侧，即位于结晶腔室的下部区域，此时含晶核的热溶液刚从塔式筒体顶部进入该结晶腔室，温度高且过饱和度大，该位置的搅拌桨在旋转搅拌时，促使进入的热溶液快速向下流动并与凸型分节盘表面附近已冷却的晶浆混合，通过冷热晶浆的快速混合降低局部过饱和度，减少了热溶液在进料区域因过饱和度过高而爆发成核产生大量细晶；

19、而在其余结晶腔室中，搅拌桨设置在远离凸型分节盘的一侧，即位于结晶腔室的上部区域，该位置的搅拌桨在搅拌过程中，能够进一步混合晶桨的同时，对晶桨产生向下的推力，从而降低了不同结晶腔室内部的晶桨产生返混的情况发生；

20、此种差异化的搅拌桨位置布置，不仅实现了结晶腔室内快速混合降低局部过饱和度的功能，还能够使得各个结晶腔室内部的的晶桨能够逐级向下流动，降低了返混的情况发生。

21、在本技术其中的一个实施例中，所述冷却夹套组件包括多个套设在所述塔式筒体外部的冷却夹套，每个所述冷却夹套两侧分别设置有进液口和出液口，并通过进液口和出液口与冷却介质循环设备相连，以形成多个所述冷却介质循环回路。

22、通过采用上述方案，多个冷却夹套分别套设在塔式筒体外部与各结晶腔室对应的位置，每个冷却夹套通过独立的进液口和出液口与冷却介质循环设备连接，形成独立的冷却介质循环回路；

23、这种一一对应的独立循环回路设计，使得各结晶腔室的冷却温度可以根据预设的温度时间曲线分别独立调控，从而实现分段式的精确降温控制，既可以满足线性降温、恒温保持、阶梯降温等多种工艺温度曲线要求，又避免了单一冷却回路难以兼顾不同腔室温度需求的问题；

24、而且，由于各冷却夹套之间相互独立，当某一结晶腔室因工艺调整需要改变冷却强度时，不会影响其他结晶腔室的温度控制，提高了系统的灵活性和抗干扰能力。

25、在本技术其中的一个实施例中，还包括多个测温件，多个所述测温件一一对应地设置于所述冷却夹套上，并伸入至对应所述结晶腔室内的晶浆下沉通道上方，以监测对应的所述结晶腔室内部的温度。

26、通过采用上述方案，测温件伸入结晶腔室内部，并在晶浆下沉通道上方位置直接接触晶浆，能够实时准确地获取各结晶腔室内晶浆的真实温度，相比于仅监测冷却介质温度或塔壁温度的方式，该测温方式消除了传热滞后和温度场不均匀带来的测量误差；

27、多个测温件与多个结晶腔室一一对应配置，为各独立的冷却介质循环回路提供了精确的温度反馈信号，使得控制器能够根据各结晶腔室的实际温度与预设温度时间曲线的偏差进行调节，通过调节对应冷却夹套的冷却介质流量或温度，能够将各结晶腔室的温度精确控制在设定范围内，进而有助于各结晶腔室温度能够按照预设曲线变化，提高了温度控制的精度。

28、在本技术其中的一个实施例中，所述搅拌桨包括：

29、空心轴，套设于搅拌轴外部；

30、至少三片搅拌叶，周向间隔设置于所述空心轴外侧壁上。

31、通过采用上述方案，通过将至少三片搅拌叶周向间隔设置在空心轴外侧壁上，在搅拌轴旋转驱动下，搅拌叶对晶浆产生均匀的剪切力和推动力，使晶浆在结晶腔室内形成稳定的循环流动，既保证了晶体颗粒均匀悬浮，又避免了因局部流速过高导致的晶体破碎或因流速过低导致的晶体沉积。

32、在本技术其中的一个实施例中，位于同一所述凸型分节盘上的晶浆下沉通道的直径相等，位于不同所述凸型分节盘上的晶浆下沉通道的直径由上至下依次增大。

33、通过采用上述方案，同一凸型分节盘上的多个晶浆下沉通道直径相等，保证了晶浆从该结晶腔室向下层结晶腔室流动时各通道的流量均匀，避免了因通道直径差异导致的偏流现象，进而使得下层结晶腔室内各区域的晶浆浓度和温度分布更加均匀；

34、不同凸型分节盘上的晶浆下沉通道直径由上至下依次增大，这是因为晶浆在逐级冷却过程中，随着温度降低，晶体不断析出和生长，晶浆的固含量逐渐增加，粘度也相应上升，下层结晶腔室内的晶浆流动性相对较差。通过增大下层凸型分节盘上晶浆下沉通道的直径，降低了晶浆通过通道时的流动阻力，保证了高固含量晶浆的顺畅下沉，避免了因通道直径不足导致的晶浆堵塞或滞留，同时也避免了位于下方的结晶腔室内的晶桨返混至上方的结晶腔室中。

35、在本技术其中的一个实施例中，所述空心轴内壁沿自身环向设有键槽，所述搅拌轴外部周向设置有与所述键槽相适配的多个键条，所述键条与键槽沿所述搅拌轴的轴向方向延伸，所述空心轴下端面设有与所述搅拌轴平行设置的驱动杆，所述驱动杆下端开设有半球形腔，所述半球形腔内部设有滚珠，所述滚珠部分突出于所述半球形腔。

36、通过采用上述方案，空心轴内壁的键槽与搅拌轴外部的键条沿轴向延伸并相互适配，形成既能传递旋转扭矩又允许轴向相对滑动的传动连接，使得空心轴在随搅拌轴同步旋转的同时，在驱动杆的支撑驱动下，驱动杆能够沿着凸型分节盘表面环绕移动，进而带动空心轴沿搅拌轴轴向方向在一定范围内自由浮动，使得搅拌桨能够一起上下浮动，增加了结晶腔室内晶浆的纵向混合程度，进一步改善了晶体生长的均匀性。

37、在本技术其中的一个实施例中，所述凸型分节盘上表面设置有同轴套设于搅拌轴上的环形盘，所述环形盘上表面设有具有部分圆形形状的弧形坡道，所述弧形坡道的所在圆与所述环形盘同心，所述弧形坡道的厚度由中部向两端逐渐降低，所述空心轴带动驱动杆转动，以使得驱动杆下方的滚珠在所述环形盘上形成圆形的行走路径，所述弧形坡道位于所述行走路径上。

38、通过采用上述方案，当搅拌桨旋转时，空心轴能够带动驱动杆转动，驱动杆下端的滚珠能够经过弧形坡道，进而使得驱动杆抬升整个搅拌桨，当滚珠远离弧形坡道时，驱动杆带动搅拌件下移，进而使得搅拌件由于自重下移，如此往复转动，提高了对结晶腔室内部晶浆的混合程度，在对内部晶浆进行搅动的同时，能够往复上下运动，提高了对晶浆的混合程度。

39、本技术的目的之二在于提供一种冷却结晶方法。

40、其技术方案如下：一种冷却结晶方法，采用冷却结晶器，包括以下步骤：

41、s1：在所述塔式筒体内预置热水，开启搅拌装置和冷却系统，并对塔式筒体内部的各个结晶腔室进行分段冷却；

42、s2： 所述塔式筒体顶部连续引入含有晶核的热溶液，晶浆通过晶浆下沉通道下沉并依次流经各个结晶腔室；

43、s3：在各所述结晶腔室内搅拌热溶液，同时通过对应结晶腔室的冷却介质循环回路按照预设的温度时间曲线进行逐级冷却，其中，通过控制进料速率和出料速率保持各所述结晶腔室内的液位恒定，并通过控制器根据各结晶腔室实时监测的温度进行pid调节，以使各所述结晶腔室内的实际温度与预设的温度时间曲线相符；

44、s4：从所述塔式筒体底部连续排出成品晶浆。

45、通过采用上述方案，步骤s1在塔式筒体内预置热水并开启搅拌装置和冷却系统，对各结晶腔室进行分段预冷，从而在塔式筒体内部建立了稳定的温度梯度场，避免了后续高温热溶液进料时因塔壁温度过低而在局部发生骤冷结晶；

46、步骤s2从塔式筒体顶部连续引入含晶核热溶液，晶浆通过凸型分节盘边缘的晶浆下沉通道依次流经各结晶腔室，由于各结晶腔室已经预冷至设定温度且相邻腔室温差小，热溶液进入后能够快速与各腔室内的晶浆混合并降温，避免了进料冲击导致的温度大幅波动，而晶浆通过边缘通道逐级下沉的流动方式使得晶浆在每个结晶腔室内的停留时间相对均匀，降低了停留时间分布宽度；

47、步骤s3在搅拌作用下，各结晶腔室内的晶浆保持均匀悬浮，独立的冷却介质循环回路根据预设的温度时间曲线对各腔室分别进行逐级冷却，配合实时温度监测和pid闭环调节，使得各结晶腔室的实际温度能够跟踪设定的温度时间曲线，实现了分段降温、恒温保持的工艺要求，进而使得晶浆在各结晶腔室内停留时间能够得到控制，使得晶体在可控的过饱和度和充足的生长时间条件下均匀生长，避免了因降温速率过快导致的爆发成核或因停留时间过短导致的晶体生长不充分。

48、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：塔式筒体通过多个凸型分节盘分隔形成多个串联的结晶腔室，晶浆通过凸型分节盘边缘周向间隔布置的晶浆下沉通道依次逐级下沉，显著降低了晶浆的返混程度，而且，其中靠近旋转驱动件的结晶腔室内搅拌桨设置在靠近凸型分节盘的下部位置，热溶液进入后在搅拌桨的推动下快速向下流动并与凸型分节盘表面附近已冷却的晶浆混合，通过冷热晶浆的快速混合降低局部过饱和度，避免了进料区域因过饱和度过高而爆发成核产生大量细晶；其余结晶腔室内搅拌桨设置在远离凸型分节盘的上部位置，搅拌过程中对晶浆产生向下推力，促进晶浆逐级流动的同时，防止了不同结晶腔室之间的返混，使得装置不仅在进料时实现了局部过饱和度的快速控制，还在后续腔室中维持了晶浆的定向流动和均匀悬浮，使得晶体在可控的过饱和度条件下均匀生长，避免了停留时间差异和局部过饱和导致的晶体粒度不均问题。

49、冷却夹套组件为各结晶腔室分别设置独立的冷却介质循环回路，配合伸入各结晶腔室内的测温件实时监测晶浆温度，控制器根据各结晶腔室实际温度与预设温度时间曲线的偏差进行pid调节，通过调节对应冷却夹套的冷却介质流量，将各结晶腔室温度精确控制在设定范围内，使得结晶器的结晶过程能够执行包括线性降温、恒温保持、阶梯降温在内的多种温度曲线，同时，晶浆下沉通道设置在凸型分节盘边缘靠近塔壁位置，下沉晶浆与外侧冷却夹套的热交换路径短，且该区域晶浆温度已经过充分冷却，从而能够控制相邻两个结晶腔室的温差不会过大，避免了局部过冷导致的通道内异常结晶堵塞；而且，不同凸型分节盘上的晶浆下沉通道直径由上至下依次增大，适应了晶浆在逐级冷却过程中固含量增加、粘度上升的变化规律，降低了高固含量晶浆通过通道时的流动阻力，保证了晶浆的顺畅下沉并防止了下层晶浆返混至上层，通过多个梯度冷却回路配合下沉通道和实时测温反馈的协同作用，既实现了各结晶腔室温度的独立调控，又保障了晶浆在多个结晶腔室之间的连续平稳流动，降低了温度控制不精确和物料输送不畅导致的晶体粒度不均和系统堵塞风险。

50、搅拌桨空心轴内壁的键槽与搅拌轴外部键条沿轴向延伸并相互适配，形成既能传递旋转扭矩又允许轴向相对滑动的传动连接，使得空心轴在随搅拌轴同步旋转的同时可沿轴向方向在一定范围内自由浮动，当驱动杆下方的滚珠经过环形盘上设置的弧形坡道时，弧形坡道厚度由中部向两端逐渐降低的斜坡结构使驱动杆和搅拌桨整体抬升，当滚珠离开弧形坡道区域时搅拌桨在自重作用下下移，如此往复转动实现了搅拌桨在旋转搅拌的同时进行周期性的上下往复运动，进而增加了结晶腔室内晶浆的纵向混合程度，使得晶浆在整个结晶腔室的纵向空间内充分混合，温度场和浓度场更加均匀。