化工装备技术领域的几个重要发明及其应用*

过志昌

（上海迅昌化工装备技术研究所)

化工装备技术领域的几个重要发明及其应用*

过志昌*

（上海迅昌化工装备技术研究所)

介绍了近几年来开发的几项化工装备技术，其中包括连续结晶机、筒锥式反应过滤洗涤干燥多功能机、平板式过滤洗涤干燥多功能机，分析了这些设备的结构特点及其在生产中的应用。

结晶机搅拌桨多功能机冷却过滤干燥料浆

1 GLJ-高效刮壁式空心板片冷却连续结晶机

1.1 研发过程介绍

众所周知，物料的冷却结晶是医药、化工、食品等行业十分重要的单元操作，结晶的好坏将直接影响产品的产量和质量。目前我国生产的结晶机品种不多，只有搅拌釜式结晶机、卧式长槽形螺带搅拌结晶机等几种。近几年来，我国也引进了国外的DTB、ASLO、DP等几种结晶机。但由于其结晶技术并不是很先进，加上使用效果不是很理想，因而也没有在我国产生较大的影响。此外，这些结晶设备对于提高传热系数和降低能耗并没有显著的优势，因而没有受到国人的青睐也在情理之中。

由于结构简单和造价低，目前我国用得最多的还是如图1所示的釜式结晶机，这种结晶机约占目前使用量的90%以上。釜式结晶机存在诸多缺点：

（1）由于夹套的冷却作用，结晶首先从釜壁开始，使得晶状物首先结在釜壁，严重时可在釜壁上形成厚厚的晶状物，大大影响传热效率。这时虽可通过提高搅拌转速来减少晶状物的结壁，但在很多情况下结晶过程是受到搅拌转速制约的。搅拌转速过快，会使晶粒粒径大大减小，影响下一步的过滤洗涤操作。对于希望获得较大晶粒的场合，提高搅拌转速往往是不合适的。另外，对于釜式搅拌结晶，搅拌桨一般难以做到刮壁搅拌，这样就难以将结在釜壁上的晶粒刮下，因而传热效率大大降低。

（2）对于普通结晶釜，往往是靠近冷却釜壁处结晶效果好一点，而在釜中心处的物料结晶很慢，整个釜内晶粒很不均匀，整体结晶速度很慢。通常，一批物料全部结晶完，少则几小时，多则十几小时甚至几十小时。这样的结晶釜不但能耗大，劳动力成本高，而且产品质量也不高。

图1 釜式结晶机

（3）对于在釜内加入冷却盘管的结晶釜，虽可大大提高冷却面积，但由于冷却盘管是静止的，结晶时先在静止盘管外形成晶状物，严重影响了传热效果。另外加入盘管后会大大影响结晶釜的搅拌效果，刮壁搅拌更是不可能。在釜壁上和盘管上形成较多晶状物后，传热效果更差，结晶料浆也不容易顺利完全排出。

（4）由于结晶釜底部往往为标准椭圆封头，因而对于物料浓度较高、结晶固体较多的结晶釜，往往排料不彻底，部分结晶固体会残留在釜底排不出，影响了产量，增加了能耗。

针对普通结晶釜存在的诸多缺点，笔者做了大量的研究开发工作，先后研制成功了WPJ-卧式高效内转圆盘冷却结晶机、WGJ-卧式高效内转排管冷却结晶机、WLJ-卧式高效内转螺带冷却结晶机、WLLJ-卧式螺旋推进式连续冷却结晶机、LGJ-立式高效内转排管冷却结晶机、LLJ-立式高效内转螺带冷却结晶机等，形成为高效结晶机系列。这些设备可大大提高结晶效率，节省能耗和减少结晶时间，并获得了多项国家专利，在医药、食品、冶金、矿山、化工、精细化工等很多领域得到广泛应用。

上述新开发的结晶机与釜式结晶机相比，效率虽有很大提高，但在结晶过程中旋转运动部件的冷却表面仍有晶体析出，一旦冷却表面有晶体形成，哪怕很薄也会影响冷却效果。对于间隙操作的场合，这种冷却表面结晶现象还不十分突出，因为下一批热的结晶物料加入时会把这层结晶体溶解掉。但对于连续结晶的情况，问题就会非常突出，因为冷却表面的结晶体会越积越厚而无法去除，严重地影响冷却效果。为了解决上述问题，笔者还研制出了GLJ-高效刮壁式空心板片冷却连续结晶机和GGJ-高效刮壁式空心板片冷却分批结晶机。这种结晶机的研发成功，可以说是对我国结晶技术的重大突破，因为这种结晶机在结晶的整个过程中可对冷却表面进行清壁操作，使冷却表面始终处于干净状态，从而大大提高冷却传热效果，使一台结晶机可替代十几台甚至更多的釜式结晶机。

1.2 新型结晶机的结构形式及工作原理

GLJ-高效刮壁式空心板片冷却连续结晶机和GGJ-高效刮壁式空心板片冷却分批结晶机采用全新的结构和工作原理，它们的主要结构如图2所示。在一个卧式长槽形容器内组合排列了很多空心冷却板片，中心搅拌轴从所有的冷却板片内穿越通过，在每两个空心冷却板片之间安装有阻流式分隔圆盘和很多旋轮推进刮壁式搅拌装置。这种刮壁式搅拌装置可对所有的冷却表面都起到清壁作用，使传热和冷却效率大大提高。

图2 GLJ－高效刮壁式空心板片冷却连续结晶机

被结晶的物料从一端进入，并被迂回曲折缓慢向前推进到另一端溢流排出。在这一过程中，物料与大量的冷却表面充分接触，迅速冷却，实现真正的快速连续结晶。

根据需要，该形式结晶机也可设计成快速分批结晶，可任意控制搅拌转速和结晶速度，以获得理想的晶体粒径。对于发汗提纯结晶的场合，可通过大量空心板片的快速冷却在所有的空心冷却板片之间析出晶体，然后加热发汗，去除杂质后最终溶解排出，获得纯度很高的产品。

1.3 主要优点

(1)由于在一个卧式长槽形容器内组合排列了大量的空心冷却板片，其冷却面积一般是同样容积的釜式结晶机的5～20倍，冷却面积非常大。

(2)结晶机内所有的空间每隔一段不远的距离都有冷却表面，无冷却死角，物料的结晶很均匀。

(3)所有的表面都有清壁搅拌推进式刮板，从而使冷却表面始终干净，使结晶过程中冷却效率大大提高，实现真正的快速冷却结晶。因此，该结晶机一台就可替代十几台甚至更多台的釜式结晶机。

(4)实现真正的连续结晶。该结晶机在结晶过程中始终有刮壁清壁作用，其传热系数和冷却效率可始终维持不变，这是其它结晶机所不能做到的。

(5)可快速分批结晶。用于分批结晶时，一台机可替代5～10台甚至更多台的釜式结晶机，可通过控制搅拌转速和冷却速度控制结晶颗粒大小。

(6)当用于发汗提纯结晶时，可通过大量空心板片的快速冷却在所有的空心冷却板片之间结成晶体，然后加热发汗，去除杂质后最终溶解排出获得纯度很高的产品，可解决列管式发汗结晶等无法解决的难题。

(7)实现密闭操作，特别适合于易燃易爆、有毒物料或鲜美食品、药品等的冷却结晶。

(8)按GMP标准设计，可用于食品、药品等洁净度要求极高的场合。

1.4 GLJ-高效刮壁式空心板片冷却结晶机的应用

阿斯巴甜为在可口可乐、百事可乐等饮料和食品中添加的甜味剂，其化学名称为苯丙氨酸，为白色结晶状的粉末，全球使用量的70%在中国生产。

原来阿斯巴甜的结晶都采用釜式结晶、间歇操作的方法生产。反应釜出来的料浆温度为62℃左右，需在结晶釜内冷却到0℃左右才能进行结晶。物料加入结晶釜后，随着冷却的进行，结晶首先从釜壁开始。一般结晶开始后2 h，在釜壁上可生成8～10 cm厚的晶体层。这时，由于传热效果已很差，必须打开结晶釜上部的人孔，用木棒或塑料棒把壁上的晶体捅下来，然后盖上人孔盖，打开搅拌机进行搅拌继续结晶。又过了2 h，在釜壁上又生成了8～10 cm厚的晶体层，这时需要再打开上部人孔，再用木棒或塑料棒把壁上的晶体捅下来。这样的过程要重复进行4～5次才能使结晶釜内的物料全部完成结晶，即全部完成结晶需要的时间为10 h左右，不但结晶时间长，劳动强度高，能耗大，而且也很难做到符合食品生产的GMP标准要求。

采用GJJ-高效刮壁式空心板片冷却分批结晶机可对阿斯巴甜进行结晶。将反应釜出来的62℃的料浆加入到结晶机中，由于每两块冷却结晶板片间距离为180 mm，因此在静止状态下1 h就可完成全部结晶，白色结晶体基本充满每两块板片间。之后，开动搅拌刮壁装置，对结晶好的物料进行刮壁搅拌打桨，最后将其排出结晶机。采用釜式结晶机对阿斯巴甜进行结晶，每天24 h只能完成两批次生产。而采用GJJ-高效刮壁式空心板片冷却分批结晶机，24 h能完成18个批次生产，同样大小的设备，其结晶效率是普通釜式结晶机的9倍。

以江苏宜兴一家生产阿斯巴甜的企业为例，全球40%的阿斯巴甜由该企业生产。该企业使用了18台GJJ-6.5（即容积6.5 m3）的分批结晶机，代替了原来使用的160台同样容积的釜式结晶机。该公司结晶部分由原来的三个大型结晶机车间缩小到占地只有半个车间大小，占地面积大大降低，能耗和劳动力成本大大降低，产品质量还比原来有所提高，且完全达到了GMP标准。

图3 阿斯巴甜原釜式结晶机车间现场

图4 阿斯巴甜刮壁式空心板片冷却分批结晶机车间现场

2.1 研发过程介绍

众所周知，反应、过滤、干燥是化工、医药、食品等行业三个十分重要的单元操作，一般要有反应釜、过滤机、干燥机三个单元设备来完成。这三个单元设备分别都有各自的配套装置，因而设备占地面积大，造价高。此外，单元与单元间物料的搬运或输送较麻烦，不但劳动强度大，还易造成物料的走失和浪费。对于易燃易爆、有毒或剧毒的物料，或不允许有污染的生物制品、药品、食品等，要求密闭操作，这时反应、过滤、干燥这三个装置间物料的输送难度就更高，有时常常会因此而造成整套装置不能完全处于正常操作状态，而且劳动强度大，生产周期长，能耗大，效率低，甚至影响产品质量。

正是基于上述原因，笔者进行了大量的设计研发工作，终于研制成功LFGG-筒锥式反应过滤洗涤干燥多功能机（见图5），实现了化工装备技术的重大突破。该机的发明对中国乃至世界的化工装备技术领域都产生了重大影响，其技术在世界领先。

2.2 筒锥式多功能机的结构形式及工作原理

该多功能机为筒锥式结构，在圆筒体和下部锥体上设置有加热夹套，可对物料进行加热或冷却。在多功能机内部设置有空心轴和变角度变导程空心螺旋搅拌装置，用以对物料进行搅拌和提升，在出料时推出物料。在下部锥体内设置有结构较复杂的圆锥形过滤装置，在设备底部有特殊设计的无死角快开出料装置或无死角气动出料球阀。

在反应阶段，反应物料从顶部加入，独特的搅拌结构可使物料在机内得到十分均匀的搅拌，并通过筒体夹套、锥体夹套及空心轴、空心螺旋的同时加热或冷却，使物料在机内充分反应。在过滤阶段，该机可使物料在机内通过加压或抽真空过滤滤干，并加入洗涤液，使物料在机内进行多次自动再浆洗涤，达到洗涤要求后再压干。在干燥阶段，筒体夹套、锥体夹套、空心轴、空心螺带同时对物料进行加热并在顶部抽真空，对物料进行真空密闭干燥，干燥后自动密闭出料。

图5 筒锥式反应过滤洗涤干燥多功能机

2 LFGG-筒锥式反应过滤洗涤干燥多功能机

2.3 主要优点

(1)一机多用。可在一台机内完成反应、萃取、过滤、洗涤、反复多次过滤洗涤、干燥等多种操作，并直接得到成品。

(2)密闭操作，特别适合处理易燃易爆、有毒或剧毒的危险产品以及不允许有污染的鲜美食品、生物制品和药品等。

(3)筒体夹套、锥体夹套及空心轴、空心螺带同时对物料进行加热或冷却，热效率高，能耗低。

(4)特殊的搅拌螺旋设计，可使物料在反应、过滤、洗涤、干燥各个阶段都对物料进行十分均匀的搅拌，从而使整机的工作效率达到很高水平。

(5)在过滤阶段，由于螺带与过滤介质的良好贴合刮壁作用，可使物料在薄层滤饼条件下进行过滤，过滤效率高。

(6)简化和缩短工艺流程，设备占地面积小，厂房和设备投资大大节省。

(7)操作方便，劳动强度低，加工出的产品质量好。

(8)环保、节能、减排。

2.4 LFGG-筒锥式过滤洗涤干燥多功能机的应用

该反应过滤洗涤干燥多功能机从20世纪90年代发明以来，经过不断改进和革新，已申请了多项国家专利。该机为世界独创，其技术水平在国际上是一流的，到目前为止已有1500台在医药、化工、精细化工、食品、矿山、冶金等行业得到十分成功的应用，既节能又环保，受到用户的一致好评。

3 PFD-平板式过滤洗涤干燥多功能机

3.1 研发过程介绍

PFD-平板式过滤洗涤干燥多功能机是在一个反应容器内可先后完成搅拌、反应、过滤、洗涤、脱液、干燥等多种工艺的多功能设备（见图6），具有简化流程、提高生产效率、防止物料污染、蒸汽灭菌、物料更换方便、机电一体化等优点。同时可使整个产品生产过程所需要的洁净厂房面积大幅度减少，大大降低基础设施投资费用，广泛应用于化工、精细化工、生物化工、制药、食品、矿山、冶金、轻纺、印染等行业，特别适用于洁净度要求高的、小批量多品种产品的生产场合。

3.2 平板式多功能机的结构形式及工作原理

该平板式过滤洗涤干燥多功能机的特点是除底部设置快开液压升降平板式过滤装置外，在筒体的圆周方向设置了圆筒式过滤装置，这种结构的平板式过滤机世界上其他国家都还没有。该多功能机的过滤面积是同类过滤机的2～3倍，与同样大小的过滤设备相比，过滤时间大大缩短。

设备内部有特殊结构的搅拌装置进行搅拌。该搅拌装置通过顶部电动机及减速机等驱动装置驱动，并通过液压装置的作用使搅拌装置上下运动，以实现在反应、过滤、洗涤和干燥过程中对搅拌和出料操作的不同要求。

图6 平板式过滤洗涤干燥多功能机

中部圆筒体外有夹套进行加热，底部过滤面下方也可设置加热装置进行加热，以满足干燥时对物料的加热要求。必要时还能设置空心轴和空心搅拌装置同时对物料进行内加热，大大提高对物料的干燥效率。该设备在中部筒体的侧向下方设置有特殊结构的液压自动排料装置，以便过滤滤饼或干燥好的物料被密闭自动排出。

被过滤物料从设备顶部加入，通过抽真空或加压的方式把物料压干。对于要洗涤的物料，可在滤干后加入洗涤液通过搅拌再浆后再滤干，洗涤可进行多次。洗涤滤干后的物料再在夹套、空心轴、空心搅拌桨及滤板下通入热载体对物料进行加热搅拌干燥，最终干燥好的物料从筒体侧面排出。干燥时也可在过滤板底下通入热空气或热氮气等对物料进行热风干燥，以大大提高干燥速率。

3.3 主要优点

（1）可在一台机内完成过滤、洗涤、干燥等多种操作，一机多用。

（2）密闭操作，特别适合于处理易燃、易爆、有毒或剧毒的危险产品以及不允许有污染的鲜美食品、生物制品和药品等。

（3）从进料到产品排出全部过程在一台机内完成，工艺流程大大缩短，设备数量大大减少，从而使厂房、设备和工艺管道、阀门等投资大为节省。

（4）具有特殊的搅拌结构，加上液压升降装置，既可使搅拌装置对物料进行充分高效搅拌，同时又可节省搅拌功率。

（5）由于该机设置了底部平板式过滤和圆筒过滤，过滤面积是常规过滤设备的2～3倍，大大缩短了过滤时间，提高了过滤效率。

（6）在洗涤阶段，由于该机能反复多次进行自动搅拌再浆洗涤，洗涤方便，洗涤效果好。

（7）由于筒体夹套、滤板下方或空心搅拌轴、搅拌桨均能对物料进行加热干燥，干燥效率高。还可对物料进行热风干燥，大大缩短干燥时间。

（8）由于为全密闭操作，对物料无任何污染，因而加工出的产品质量高，操作环境极佳。

3.4 PFD-平板式过滤洗涤干燥多功能机的应用

上海迅昌化工装备技术研究所从20世纪90年代研发该平板式过滤洗涤干燥多功能机以来，经过不断改进和革新，已获得了国家发明专利，其技术水平在国际上是一流的。迄今为止，该多功能机已有几百台在医药、化工、精细化工、食品、矿山、冶金等行业得到十分成功的应用，受到用户一致好评。

Several Important Inventions of Chemical Equipment Technology and Their Applications

Guo Zhichang

Several chemical equipment techniques which developed in these few years are introduced,including continuous crystallization machine,cone type filtering washing drying multi-function machine,plate type filtering washing drying multi-function machine,and the structure characteristics of the equipment and their applications in production were analyzed.

Crystallization machine;Stirring paddle;Multi-function machine;Cooling;Filtering;Ddrying;Slurry

TQ 051.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.004

2015-10-01）