电热式程序控温结晶器的制作方法

本发明属于冶金分离、化工合成、材料制备技术领域，尤其涉及一种电热式程序控温结晶器。

背景技术：

结晶一般是从溶解在溶液中的物质以晶体形式析出，主要用途为分离提纯物质或祛除溶液中杂质以实现净化溶液的目的，广泛应用于湿法冶金、化工、材料、医药、食品、制盐等工业部门。结晶可采用两种方式，一种是加热蒸发脱除部分溶剂使溶质过饱和度增加，从溶液中析出；另一种方式是通过改变溶液温度而降低溶质在溶液中的溶解度，而使溶质析出；同时采用这两种方式，可以提高结晶效率。用来实现结晶功能的设备称为结晶器，通常具有加热和冷却两种功能，然而目前市场销售的结晶器，不论是实验用结晶器，还是工业用结晶器，都不具备程序精准控温功能。

在结晶过程中，温度对产品质量和生产效率影响很大。为了提高溶液过饱和度，加大结晶推动力，促进结晶反应速率，可通过扩大溶液降温幅度予以实现，这要求结晶器具有较大的温度控制范围。同时，为了提高晶体质量、控制结晶形态，通常还需要控制降温速率。例如在氧化铝生产过程中，铝酸钠溶液分解生成氢氧化铝的过程为结晶过程，分解周期一般需要50-80h，杂质元素主要为硅、铁、钠，如何提高氢氧化铝的分解速率和分解质量，对于氧化铝工业具有重要意义。然而，目前生产氢氧化铝过程中只能有效控制铝酸钠溶液初始温度，降温速率和终点温度在分解槽结构、串联槽数固定之后，只能根据经验通过改变溶液在槽内停留时间和搅拌速率进行粗略调整，无法对降温速率和终点温度进行精确控制。当结晶降温速率较大时容易瞬时产生大量晶核，从而导致结晶出大量细小的氢氧化铝颗粒，其只能作为晶种循环使用，不能用于后续生产砂状的氧化铝，从而降低了氧化铝的生产效率。这种方式下氢氧化铝的结晶效率及产品质量受季节变化、设备结垢等因素影响较大。

尽管很多结晶器配备了温度显示装置，但只能设定一个目标温度，不能进行多段程序控温，只能借助环境温度进行自然冷却降温或用冷却介质对其进行降温，降温速率无法调整，从而无法精准控制结晶反应过程。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种电热式程序控温结晶器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

电热式程序控温结晶器，主要包括容器、加热装置和程序控温装置，程序控温装置连接并控制加热装置；程序控温装置为多段程序控温表。

上述电热式程序控温结晶器，还包括冷却水箱；容器为内层容器和外层容器构成的双层结构，容器上设容器盖，内层容器和外层容器之间形成夹套；冷却水箱通过冷却介质回流管和冷却介质进入管与夹套连通构成循环回路，冷却水箱的出水口与夹套的入水口相连，夹套出水口与冷却水箱的入水口相连。

夹套为空心夹层，或者夹套内设螺旋流道，或者夹套内壁上设置金属散热片。

内层容器和外层容器为圆筒形、正方形、矩形或其它形状；内层容器采用金属光滑平板、波纹板或棘板制作；外层容器采用金属或陶瓷材料制作；螺旋流道采用金属材料或聚四氟乙烯制作。

加热装置由电源、真空开关和电加热体组成，电加热体连接并由继电器控制盒控制，电加热体置于内层容器内；加热体采用电阻式加热、微波加热或电磁加热方式。

多段程序控温表连接并控制热电偶和继电器控制盒中的继电器，热电偶置于内层容器内；多段程序控温表为8步、16步、32步、64步型可编程控温表。

上述电热式程序控温结晶器，还包括搅拌装置，搅拌装置为机械搅拌器或气体搅拌器；机械搅拌器为桨式搅拌器或推进式搅拌器；桨式搅拌器由搅拌器调速器、搅拌电机和搅拌桨组成，搅拌桨通过固定支架置于内层容器内。

上述电热式程序控温结晶器，还包括结晶反应容器，结晶反应容器通过位置可调支架置于内层容器内。

冷却水箱为蛇管式、列管式、套管式、板式、半导体制冷式的冷却水箱，冷却水箱主要由箱体及其内设的潜水泵和金属换热器组成。

针对现有结晶器存在的问题，发明人首次将多段程序控温表用于结晶器，设计并制作了一种电热式程序控温结晶器，主要包括容器、加热装置和程序控温装置，程序控温装置连接并控制加热装置；程序控温装置为多段程序控温表。其中，容器、加热装置和程序控温装置为本发明的必要部件，构成简易型结晶器，其成本较低，虽能够精准控制温度和降温速率，但其降温速率控制范围小，只能在不超过自然冷却速率的范围内进行控制；固定装置、搅拌装置、冷却水箱为附属部件，为增强温度可控范围和降温速率范围，可通过添加冷却水箱，并将容器设计为双层结构(内层容器和外层容器)，和在双层结构的夹套内设螺旋流道，成为增强冷却型结晶器。

本发明的结晶器以液体作为传热介质和冷却介质，以电能为热源，通过程序控温装置与其他装置的协同作用，在精准控制冷却介质或反应液温度的同时对升温和降温速率进行精确控制，实现真正意义的程序控温(包括保温、升温、降温)，以控制反应液的晶核形成与生长、改善晶体的质量、控制晶粒形态；而且其降温速率可超过自然冷却速率，温度精度控制偏差≤1℃。与现有技术相比，本发明结晶器模块化强、结构简单、便于组装，而且容易利用已有设备改装升级。总之，本发明具有工作温度、降温速率可控范围广，温度控制精准的特点，填补了国内外市场空白。将之器用于科研可获得精准的实验数据，用于生产可提高产品质量和生产效率，在冶金、化工、材料、生物和制药等各领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明电热式程序控温结晶器的结构和使用状态示意图。

图中：1搅拌器调速器，2继电器控制盒，3多段程序控温表，4连接导线，5固定支架，6结晶反应容器，7容器盖，8热电偶，9内层容器，10位置可调支架，11反应液，12传热介质，13外层容器，14螺旋流道，15电加热体，16冷却介质，17冷却介质回流管，18冷却水箱，19冷却介质进入管，20搅拌桨，21搅拌电机。

图2是本发明电热式程序控温结晶器的电路示意图。

图中：1真空开关，2继电器，3主电路，4控制电路，5热电偶，6多段程序控温表，7电加热体。

具体实施方式

一、基本结构和功能(图1和图2)

简易型电热式程序控温结晶器，主要包括内层容器、加热装置和程序控温装置，程序控温装置连接并控制加热装置；程序控温装置为多段程序控温表。简易型的可控降温速率不能低于无冷却介质冷却时的自然降温速率。

增强冷却型电热式程序控温结晶器还包括冷却水箱；容器为内层容器和外层容器构成的双层结构，容器上设容器盖，内层容器和外层容器之间形成夹套；冷却水箱通过冷却介质回流管和冷却介质进入管与夹套连通构成循环回路，冷却水箱的出水口与夹套的入水口相连，夹套出水口与冷却水箱的入水口相连。增强冷却型结晶器的降温幅度和降温速率范围更大，可控降温速率能超过无冷却介质冷却时自然降温速率。

其中，

加热装置由电源、真空开关和电加热体组成，电加热体连接并由继电器控制盒控制，电加热体置于内层容器内。结晶器的规格可以根据用户要求自由设计，当要求功率较小、处理量较少，如实验室用结晶器，可以采用220v交流电源。当结晶器功率较大、处理量较多时，如用于工业生产，可以采用380v交流电源。加热体通常采用电阻式加热，也可采用微波加热或电磁加热方式等。

多段程序控温表连接并控制热电偶和继电器控制盒中的继电器，热电偶置于内层容器内；多段程序控温表为多段程序控制，“多段”起码包括升温段控制和降温段控制，可以采用市场上销售8步、16步、32步、64步型可编程控温表。

冷却水箱的作用是加速传热介质的冷却速率，拓宽结晶器工作温度范围和使用范围，与其它装置协同作用，能够使该结晶器的冷却速率高于无冷却介质进行冷却时的自然降温速率。冷却水箱可以采用市场上销售的各种蛇管式、列管式、套管式、板式、半导体制冷式的冷却水箱，冷却水箱主要由箱体及其内设的潜水泵和金属换热器组成，从冷却水箱入口回流的温度较高的冷却介质经水箱内换热器冷却后流入夹套内对内层容器的传热介质或反应液进行冷却。所用冷却液类型、功率、扬程、流量、温度等选择应与结晶器的规格尺寸、反应液量、温度控温范围、降温速率等要求相匹配。结晶器夹套出口的冷却介质温度必须低于冷却水箱所承受的最高温度，冷却水箱出口的冷却介质温度必须低于结晶所需的最低温度。冷却介质要符合冷却器的工作温度要求，具有较小的饱和蒸气压，无毒性，一般冷却水箱和夹套内盛放冷却介质选用纯水或专门的冷却液作为冷却介质。

内层容器和外层容器可以是圆筒形、正方形、矩形或其它形状；内层容器采用金属光滑平板、波纹板或棘板制作；对于要求降温速率快但温度精度要求略低的情况，内层容器优选不锈钢、铝合金、钛合金等传热系数较高的金属材料，以增强冷却效果。对于降温速率要求慢但温度精度要求高的情况，内层容器优选传热系数较低的玻璃、陶瓷等材料。外层容器优选强度较好的金属或陶瓷材料。螺旋流道采用加工性能较好的金属材料或聚四氟乙烯制作。为了减少环境对结晶温度的影响，保证反应液温度均匀性，优选圆筒形容器，夹套优选螺旋形环绕的流道结构。

内层容器盛放传热介质或反应液，传热介质通常为水、盐溶液、煤油、食用油或其它液态传热介质，要求其传热系数高，流动性、热稳定性好，工作温度下不易挥发，无毒性或毒性很小。

夹套可以不安装任何零部件，仅为为空心夹层；为了增强冷却强度和冷却均匀性，减少冷却液滞留量，也可以在空心夹层内安装螺旋流道，或者夹套内壁上设置各种形状的金属散热片。夹套内盛放冷却介质，对内层容器中的传热介质(或反应液)或浸入在传热介质中的反应液进行加热、恒温或冷却，以实现结晶目的。

配套使用部件还包括结晶反应容器、搅拌装置、固定装置(固定支架和位置可调支架)。

搅拌装置为机械搅拌器或气体搅拌器；机械搅拌器为桨式搅拌器或推进式搅拌器；桨式搅拌器由搅拌器调速器、搅拌电机和搅拌桨组成，搅拌桨通过固定支架置于内层容器内中下部位置、靠近内壁侧，以便为盛装反应液的容器留有合适位置和足够的空间。搅拌装置的作用是促进传热介质在空间上的对流，以提高传热介质在温度分布上的均匀性，使液态传热介质或反应液温度在空间上保持一致性，也可以加速散热。当内层容器内直接盛放反应液时，还可以起到加速结晶反应传质、细化晶粒的作用。结晶反应容器通过位置可调支架置于内层容器内。

二、工作原理

内层容器(或简易型中的容器)中盛放传热介质或直接盛放冷却液，传热介质通常为水、盐溶液、煤油、食用油或其它液态传热介质。对浸入传热介质中的反应液(待结晶溶液)进行蒸发及冷却，以使反应液析出晶体或杂质。

结晶器的程序控温方式是通过由继电器等电气元件连接的控制电路以非接触形式控制主电路的开启与闭合，采用输入低电压信号控制主电路的高电压信号方氏，向主电路发出“连通”与“切断”指令，以达到实际温度按照程序设定温度变化的作用。具体是：浸在传热介质或反应液中的热电偶可以将传热介质或反应液的温度实时地反馈给多段程序控温表，当实际温度小于设定温度时，控制电路发出“闭合”指令将主电路连通，从而进行加热；当实际温度大于设定温度时，控制电路发出“断开”指令，切断主电路，传热介质或反应液在自然冷却或冷却介质冷却的情况下降温；当温度降至设定值以下时，控制电路又及时发出“闭合”指令进行加热，如此循环对温度进行精准控制。

三、应用实例

实施例1采用增强冷却型电热式程序控温结晶器分解工业铝酸钠溶液(以水为传热介质)

按照图1电热式程序控温结晶器总装结构示意图将容器、固定装置、加热装置、程序控温装置、搅拌装置和冷却水箱进行组装。其中内层容器9采用圆筒形不锈钢平板，外层容器13采用圆筒形玻璃，内外层容器之间的螺旋流道14采用不锈钢带逐层环绕在内层容器和外层容器之间的夹层内，采用密封胶将其固连在器壁。热电偶8采用镍硅合金k型热电偶，搅拌装置采用普通机械式搅拌器，搅拌桨20采用推力式搅拌桨，搅拌速度调至300r/min。电加热体15为“s”形电加热管。继电器盒2中的继电器为两触点输入、两触点输出的固态继电器，多段程序控温表3选择50段程序控温表。冷却水箱18选用内置金属管换热器的长方体形水箱，内置潜水泵。冷却介质16采用纯水。按照图2用带有继电器2的控制电路4对主电路3进行控制。操作步骤为首先向内层容器内注入20l蒸馏水，使液面达到内置容器2/3左右，之后打开冷却水箱启动按钮，使冷却液进入内外层容器的夹层内，同时向冷却水箱中补充纯水。将盛有工业铝酸钠溶液的圆底烧瓶浸入传热介质中，用位置可调支架10将圆底烧瓶固定在合适位置。工业铝酸钠溶液起始温度为60℃。开启搅拌器和多段程序控温表，程序设定第一段升温范围是60℃～85℃，升温速率2℃/min；第二段在85℃进行保温，保温时间20min；第三段降温范围是85℃～50℃，降温速率为1℃/min；第四段降温范围是50℃～35℃，降温速率为0.5℃/min。结果表明采用该结晶器，以水作为传热介质，通过一段升温-一段保温-两段降温的多段控温方式，能够获得粒度分布均匀、颗粒较为粗大的砂型氢氧化铝，更适合作为电解铝用氧化铝的生产原料，且氢氧化铝分解率高，分解速率快。该设备不仅适合用于氢氧化铝的结晶，而且适用于其它许多物质的结晶。

实施例2采用增强冷却型电热式程序控温结晶器从粗盐溶液中提纯氯化钠(以水为传热介质)

按照图1电热式程序控温结晶器总装结构示意图将容器、固定装置、加热装置、程序控温装置、搅拌装置和冷却水箱进行组装。其中内层容器9采用圆筒形不锈钢平板，外层容器13采用圆筒形玻璃，内外层容器之间的螺旋流道14采用不锈钢带逐层环绕在内层容器和外层容器之间的夹层内，采用密封胶将其固连在器壁。其中热电偶8采用镍硅合金k型热电偶，搅拌器采用普通机械式搅拌器，搅拌桨20采用推力式搅拌桨，搅拌速度调至300r/min。电加热体15为“s”形电加热管。继电器盒2中的继电器为两触点输入、两触点输出的固态继电器，多段程序控温表3选择16段程序控温表。冷却水箱18选用内置金属管换热器的长方体形水箱，水箱中配有潜水泵。冷却介质16采用纯水。按照图2的电路图用带有继电器2的控制电路4对主电路3进行控制。操作步骤为首先向内层容器内注入20l蒸馏水，使液面达到内置容器2/3左右，之后打开冷却水箱启动按钮，使冷却水箱中的冷却液进入内外层容器的夹层内，同时向冷却水箱中补充纯水。将盛有粗盐溶液的烧杯浸入传热介质中，用位置可调支架10将烧杯固定在合适位置。粗盐溶液起始温度为室温25℃。开启搅拌器和多段程序控温表，程序设定第一段升温范围是25℃～100℃，升温速率1.5℃/min；第二段在100℃进行蒸发，蒸发时间5min；第三段降温范围是100℃～60℃，降温速率为1.5℃/min；第四段降温范围是60℃～35℃，降温速率为0.6℃/min。结果表明，该结晶器以水作为传热介质，在一段升温-一段蒸发过程中，可以很好地实现溶液中多余水分的蒸发，使溶液产生较高的过饱和度。在降温阶段，通过一段快速降温，使溶液首先形成大量晶核，促进nacl结晶效率。再通过二段慢速降温，促进溶液内离子扩散，有利于晶核长大。此过程不仅分离出粗盐中的杂质，获得纯净的nacl晶体，同时使晶体粒径分布均匀，粒度适中。该设备不仅适用于nacl的提纯，也可用于其它许多盐类的提纯。

实施例3采用增强冷却型电热式程序控温结晶器从浓硫酸溶液中结晶硫酸锰(以航空煤油为传热介质)

按照图1电热式程序控温结晶器总装结构示意图将容器、固定装置、加热装置、程序控温装置、搅拌装置和冷却水箱进行组装。其中内层容器9采用圆筒形不锈钢平板，外层容器13采用圆筒形玻璃，内外层容器之间的螺旋流道14采用不锈钢带逐层环绕在内层容器和外层容器之间的夹层内，采用密封胶将其固连在器壁。其中热电偶8采用镍硅合金k型热电偶，搅拌器采用普通机械式搅拌器，搅拌桨20采用推力式搅拌桨，搅拌速度调至300r/min。电加热体15为“s”形电加热管。继电器盒2中的继电器为两触点输入、两触点输出的固态继电器，多段程序控温表3选择32步多段程序控温表。冷却水箱18选用内置金属管换热器的长方体形水箱，水箱中配有潜水泵。冷却介质16采用纯水。按照图2的电路图用带有继电器2的控制电路4对主电路3进行控制。操作步骤为首先向内层容器内注入20l航空煤油，使液面达到内置容器2/3左右，之后打开冷却水箱启动按钮，使冷却水箱中的冷却液进入内外层容器的夹层内，同时向冷却水箱中补充纯水。将盛有锰盐的浓硫酸溶液的烧杯浸入航空煤油中，用位置可调支架10将烧杯固定在合适位置。浓硫酸溶液起始温度为室温25℃。开启搅拌器和多段程序控温表，程序设定第一段升温范围是25℃～150℃，升温速率3℃/min；第二段在150℃进行保温，保温时间20min；第三段降温范围是150℃～100℃，降温速率为3℃/min；第四段降温范围是100℃～35℃，降温速率为1℃/min。结果表明，以煤油作为传热介质，可以明显地提高溶液加热温度和升/降温速率，通过一段升温-一段保温-两段降温的控温方式，可以实现硫酸锰溶液的快速分解，并析出高纯硫酸锰晶体。

实施例4采用增强冷却型电热式程序控温结晶器从粗盐溶液中提纯氯化钠(以水为传热介质)

按照图1电热式程序控温结晶器总装结构示意图将容器、固定装置、加热装置、程序控温装置、搅拌装置和冷却水箱进行组装。其中内层容器9采用圆筒形不锈钢平板，外层容器13采用圆筒形玻璃，内外层容器之间的螺旋流道14采用不锈钢带逐层环绕在内层容器和外层容器之间的夹层内，采用密封胶将其固连在器壁。其中热电偶8采用镍硅合金k型热电偶，搅拌器采用普通机械式搅拌器，搅拌桨20采用推力式搅拌桨，搅拌速度调至300r/min。电加热体15为“s”形电加热管。继电器盒2中的继电器为两触点输入、两触点输出的固态继电器，多段程序控温表3选择32步多段程序控温表。冷却水箱18选用内置金属管换热器的长方体形水箱，水箱中配有潜水泵。冷却介质16采用纯水。按照图2的电路图用带有继电器2的控制电路4对主电路3进行控制。操作步骤为首先向内层容器内直接注入粗盐溶液，使液面达到内置容器2/3左右，之后打开冷却水箱启动按钮，使冷却水箱中的冷却液进入内外层容器的夹层内，同时向冷却水箱中补充纯水。粗盐溶液起始温度为室温25℃。开启搅拌器和多段程序控温表，程序设定第一段升温范围是25℃～60℃，升温速率1.5℃/min；第二段升温范围是60℃～95℃，升温速率为1.5℃/min，在95℃进行保温，保温时间15min；第三段降温范围是90℃～70℃，降温速率为0.5℃/min；第四段降温范围是70℃～40℃，降温速率为0.3℃/min。结果表明，该设备可以通过增加控温的程序段，实现复杂的控温过程，从而优化晶核形成、晶体生长的工艺条件。

实施例5采用简易型电热式程序控温结晶器分解工业铝酸钠溶液(以水为传热介质)

按照图1电热式程序控温结晶器总装结构示意图将容器、固定装置、加热装置、程序控温装置、搅拌装置进行组装。与实施例1不同之处在于：总装时不配备外层容器13、螺旋流道和冷却水箱。内层容器9采用玻璃制备。其中热电偶8采用镍硅合金k型热电偶，搅拌器采用普通机械式搅拌器，搅拌桨20采用奖式搅拌桨，搅拌速度调至400r/min。电加热体15为“ω”形电加热管。继电器盒2中的继电器为两触点输入、两触点输出的固态继电器，多段程序控温表3选择50步多段程序控温表。操作步骤为首先向内层容器内注入15l纯水，使液面达到内置容器2/3左右。将盛有工业铝酸钠溶液的敞口烧杯浸入传热介质中，用位置可调支架10将烧杯固定在合适位置。工业铝酸钠溶液起始温度为室温。开启搅拌器和多段程序控温表，程序设定第一段升温范围是25℃～95℃，升温速率1℃/min；第二段在95℃进行保温，保温时间30min；第三段降温范围是95℃～60℃，降温速率为0.2℃/min；第四段降温范围是60℃～35℃，降温速率为0.1℃/min。结果表明，与增强冷却型电热式程序控温结晶器相比，该结晶器同样可以实现对溶液温度、降温速率的精准控制，且该设备结构简单，制作成本低。但因未配置冷却水箱，溶液热量只能通过容器器壁向周围空气散热(即自然降温冷却)，因此溶液降温速率低，晶核形成与生长的推动力小，晶体的结晶效率和结晶质量受到制约。