專利名稱：在批量流化床工藝中回收溶劑的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種批量流化床工藝，且更特定而言涉及一種在批量流化床干燥工藝中回收溶劑的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
流化床工藝是諸如混合、凝聚、?；?、造粒、涂布、干燥或冷卻的工藝，其中固體粒子床安置于容器中，且空氣或氣體流以足夠大的速率向上通過粒子以使得固體粒子運動且影響所需工藝。通常，被加壓空氣或氣體通過在流化床底部中分配器板中的許多孔進入流化床容器。空氣或氣體流向上流動穿過該床，在進行所需工藝的同時使固體粒子懸浮于該流中。批量流化床處理允許在單個容器或單元中進行若干工藝步驟(例如，混合、干燥、冷卻等)。批量流化床工藝確保了在一批內(nèi)的所有產(chǎn)物的均勻性。在批量流化床干燥工藝中，被加熱的空氣流向上流動穿過安置于容器中的濕產(chǎn)物且從離開干燥器的濕產(chǎn)物，不太致密的粒子移除溶劑，而不會影響到產(chǎn)物的基本性質(zhì)。雖然吹送空氣的流化床干燥器(FBD)通常為易于操作且低成本的選擇來干燥許多化學(xué)或制藥產(chǎn)物，但使用吹送空氣的FBD有著顯著缺點。舉例而言，吹送空氣的多個FBD通常不適合于干燥對于包含于空氣流內(nèi)的水分、雜質(zhì)或氧氣敏感的產(chǎn)物且不適合于干燥含有機或易燃溶劑的產(chǎn)物。具體而言，存在向包含于干燥空氣中的氧氣或水分暴露時傾向于降解的許多化學(xué)和制藥產(chǎn)物。此外，存在與各種化學(xué)或制藥產(chǎn)物干燥工藝中引入氧氣相關(guān)聯(lián)的許多安全考慮，因為自濕產(chǎn)物的有機溶劑可具有揮發(fā)性質(zhì)且當(dāng)向干燥空氣中的氧氣暴露時可實際上形成可燃的混合物。與吹送空氣的FBD相關(guān)聯(lián)的其它缺點為從干燥工藝中提取的空氣流回收溶劑的難度和費用。吹送空氣的FBD的替代方案是使用惰性氣體或無水分的流化氣氛而不是標(biāo)準(zhǔn)空氣來干燥化學(xué)或制藥產(chǎn)物。舉例而言，使用有機溶劑的流化床干燥工藝通常需要惰性氣體， 諸如氮氣，來替換空氣作為流化介質(zhì)。但是，使用惰性氣氛比使用標(biāo)準(zhǔn)空氣顯著更貴且因此再循環(huán)惰性流化氣體是采用的做法。再循環(huán)惰性流化氣體通常需要在產(chǎn)物干燥期間移除揮發(fā)性溶劑和由氣流拾取的其它雜質(zhì)?，F(xiàn)有FBD系統(tǒng)使用氮氣作為惰性流化氣體和在干燥容器或罐下游的溶劑移除工藝從離開FBD的整個流持續(xù)地移除溶劑，且無溶劑或純化的氮氣再流通或再循環(huán)回到FBD。令人遺憾的是，由于進出FBD的惰性氣體的高流率，溶劑回收系統(tǒng)的成本和大小帶來使用吹送惰性氣體的FBD干燥許多化學(xué)和制藥產(chǎn)物的顯著經(jīng)濟缺點。使用吹送空氣的FBD或吹送惰性氣體的FBD的另一替代方案是真空干燥器。在大約1989年，提出了第一真空流化床系統(tǒng)，其中生成流化床并維持流化床在真空條件下，從而排除了對惰性氣體的需要。實際上，真空干燥器目前用于其中產(chǎn)物對于水分、雜質(zhì)或氧氣敏感的許多產(chǎn)物干燥應(yīng)用或溶劑是高度揮發(fā)性且易燃的應(yīng)用。令人遺憾的是，真空干燥器從資本費用觀點以及操作成本觀點而言都很昂貴。而且，使用真空干燥器的大部分干燥工藝具有比吹送空氣的FBD或吹送惰性氣體的FBD更長的干燥時間。而且，在基于真空干燥器的干燥工藝中的溶劑回收是比吹送空氣或吹送氮氣的FBD系統(tǒng)中溶劑回收更難且更昂貴的提案。盡管真空系統(tǒng)可降低待移除溶劑的沸點，真空環(huán)境可隔絕傳熱且在無載氣的情況下抑制大批傳質(zhì)。由于難以保持密封防止通過旋轉(zhuǎn)設(shè)備泄漏，真空干燥器很少有能力攪動粉末，導(dǎo)致較差的傳熱和傳質(zhì)效率。因此所需要的是在允許高效回收溶劑的惰性環(huán)境中進行產(chǎn)物的批量流化床處理的在經(jīng)濟上有吸引力且具有成本效益的解決方案。與現(xiàn)有解決方案相比，這些解決方案需要降低批量流化床工藝的操作成本和相關(guān)聯(lián)的資本成本(即，設(shè)備大小)而不會不利地影響工藝循環(huán)或時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明可表征為一種在流化床容器中流化批量的含溶劑的產(chǎn)物的方法，其包括以下步驟(i)引導(dǎo)含惰性流化氣體的流入流穿過流化床容器以處理批量的產(chǎn)物且產(chǎn)生其中夾帶了溶劑的惰性流化氣體的流出流；(ii)將夾帶溶劑的流出流的第一部分轉(zhuǎn)移到溶劑回收工藝以從夾帶溶劑的流出流的第一部分移除溶劑來形成清潔的流出流；(iii)再循環(huán)夾帶溶劑的流出流的第二部分到流入流；(iv)將清潔的流出流引導(dǎo)至流入流；以及，(ν)向清潔的流出流或流入流提供惰性流化氣體的補充流。本發(fā)明還可表征為一種流化床系統(tǒng)，其包括流化床容器，其適于包含批量的含溶劑的產(chǎn)物；流入回路，其適于供應(yīng)惰性流化氣體到流化床容器；流出回路，其適于從流化床容器移除其中夾帶溶劑的惰性流化氣體；第一再循環(huán)回路，其將流出回路聯(lián)接到溶劑回收裝置且溶劑回收裝置聯(lián)接到流入回路；第二再循環(huán)回路，其將流出回路直接聯(lián)接到流入回路，以及，流量控制閥，其安置于流出回路中且在操作上安置成響應(yīng)來自控制器的命令在第一再循環(huán)回路與第二在循環(huán)回路之間分配該流出物；以及，惰性流化氣體源，其聯(lián)接到第二再循環(huán)回路或流入回路。


通過結(jié)合下面的附圖給出的下文的本發(fā)明更詳細(xì)的描述，本發(fā)明的上述和其它方面、特征和優(yōu)點將會更顯然，在附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的流化床系統(tǒng)的示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的流化床系統(tǒng)的替代實施例的示意圖； 圖3是流化床系統(tǒng)的又一替代實施例的工藝流程和設(shè)備圖；以及圖4是流化床系統(tǒng)的再一個替代實施例的工藝流程和設(shè)備圖。
具體實施例方式本流化床干燥的系統(tǒng)和方法部分地基于實現(xiàn)使粉末或顆粒床完全流化所需的氣體流量與干燥所需的氣體流量之間的差異和清除出滲入的空氣的需要。用于完全流化的氣體流率必須足夠高，在這樣的流率，由氣體施加的曳力(drag force)大于床中粒子的表觀重量。完全流化的粒子中的湍流混合提供在氣體體積與固體粒子之間優(yōu)良的傳熱和傳質(zhì)。 另一方面，干燥工藝受到緩慢蒸發(fā)過程和溶劑分子通過動量邊界層到氣相的擴散的限制。 干燥工藝還受到溶劑可能必須通過固體粒子的微孔擴散到固體-氣體界面的速率的限制。實現(xiàn)這些差異，本方法涉及在諸如流化床干燥器的批量流化床系統(tǒng)中再循環(huán)流化氣體，在再循環(huán)環(huán)路中使用分流回收方法。通過將廢氣流分成兩個流，僅使再循環(huán)氣流的第一部分通過溶劑回收工藝，在溶劑回收工藝中，使用吸附、吸收且更優(yōu)選地通過溶劑冷凝步驟來去除或回收溶劑。在移除了大部分溶劑之后，此第一氣流返回到流化床干燥器。未進行溶劑回收的再循環(huán)流的第二部分通過使此第二氣流與純化的或第一流混合而直接返回到流化床干燥器。因此，用于溶劑移除的氣體處置設(shè)備的大小和成本可顯著地降低，同時流化床仍具有流化所需的全部氣體量。如果使用溶劑冷凝工藝，則需要更少的冷凍劑來冷卻該惰性氣流且需要更少的加熱來使得再循環(huán)溫度回到所需干燥氣體溫度。還公開了第三流為本溶劑再回收工藝的部分。此第三流包括未處理的再循環(huán)流的一部分或處理的再循環(huán)流的一部分或二者都被清除或排出以防止氧氣含量累積于該系統(tǒng)中。當(dāng)空氣滲入到閉合再循環(huán)環(huán)路內(nèi)時氧氣濃度變化。等量的新鮮氮氣或其它惰性氣體被供應(yīng)到本系統(tǒng)和工藝以補充被清除或排出的氣體的損失?，F(xiàn)轉(zhuǎn)至圖1，示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的基于惰性氣體的批量流化床干燥器系統(tǒng) 10的示意圖，該系統(tǒng)10結(jié)合直接再循環(huán)環(huán)路或回路14利用溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路或回路 12。特別地，圖1示出批量流化床干燥系統(tǒng)10，其便于使用新工藝氣體流動和控制策略，與常規(guī)現(xiàn)有的吹送空氣的FBD系統(tǒng)、基于真空的FBD系統(tǒng)或完全再循環(huán)的惰性氣體FBD系統(tǒng)相比，新工藝氣體流動和控制策略允許減小流化床干燥系統(tǒng)10的大小(S卩，占據(jù)面積)和相關(guān)聯(lián)的資本成本。實現(xiàn)了流化床系統(tǒng)占據(jù)面積和相關(guān)聯(lián)的資本成本降低，而不會顯著地增加產(chǎn)物干燥時間。圖示的批量流化床系統(tǒng)10包括流化床容器20，流化床容器20適于包含批量的含濕溶劑的產(chǎn)物22。諸如氮氣、氬氣或氦氣的惰性流化氣體M經(jīng)由進口沈供應(yīng)到流化床容器20，在流化床容器20中，其流化含濕溶劑的產(chǎn)物22且(若適當(dāng))與之起反應(yīng)。監(jiān)視流化床容器20中的條件，包括壓力、氣體流率、溫度等，并將這些條件饋送到系統(tǒng)控制器(未圖示)來操作控制系統(tǒng)10的各個方面，其在下文中被更詳細(xì)地描述。到流化床容器20的進入回路沈包括通風(fēng)口 28，其對流化床容器20中的壓力做出響應(yīng)；加熱腔室30，其適于加熱進口沈中的惰性流化氣體M到規(guī)定的溫度設(shè)置點(Tspi)或范圍。在流化床干燥的情況下，經(jīng)由泵42離開流化床容器20的流出物40為惰性流化氣體，其中夾帶了溶劑的一部分。在離開流化床容器20時，流出物40由流量控制閥44分流到兩個單獨回路內(nèi)。第一回路為溶劑回收和再循環(huán)回路12，其將流出物40發(fā)送到溶劑回收工藝或子系統(tǒng)50且隨后使被處理的流出物52返回到流化床容器20的進口 26。第二回路為直接再循環(huán)回路14，其將含溶劑的氣體或流出物40的一部分直接發(fā)送到流化床容器20 的進口 26。流到直接再循環(huán)回路14和溶劑回收和再循環(huán)回路12的流出物40的相對部分在操作上由基于微處理器的控制器(未圖示)響應(yīng)于流化床系統(tǒng)10的各種被測量參數(shù)和在流化床容器20中進行的工藝階段而設(shè)置。溶劑回收子系統(tǒng)50的圖示實施例優(yōu)選地包括豎直熱交換器52，在豎直熱交換器 52中，起初經(jīng)由再循環(huán)流來冷卻流出物的一部分40A。被冷卻的流出流M然后被引導(dǎo)至冷凝單元55，在冷凝單元55中，從惰性載氣移除溶劑且從惰性氣體源60 (優(yōu)選地惰性氣體的液體源)添加補充惰性氣體58。隨著溶劑從被冷卻的流出流M冷凝出來，清潔的或被處理的流出流56與任何所需的補充氣體58 —起作為冷卻源再循環(huán)到豎直熱交換器52且隨后到進口 26?；陔x開冷凝器且用于在溶劑回收工藝期間冷卻流出物40A的氣流溫度來確定或計算添加到該系統(tǒng)的補充氣體58的量。如在圖1的實施例中可了解到，與補充惰性流化氣體58的液體源60相關(guān)聯(lián)的制冷或冷卻容量用于冷卻溶劑回收和再循環(huán)回路12中的流出物40A以便于在將此流再引入回到FBD之前移除溶劑負(fù)荷的某部分。通過冷卻流出物40A，可回收的溶劑量隨著每次通過冷凝單元55而增加且也幫助移除從流出物40A中的空氣夾帶引起的任何水分。因為冷卻再循環(huán)流出物40A的一部分，離開冷凝器的氣流優(yōu)選地在返回到進口沈且引入到流化床容器20內(nèi)之前被再加熱。由于流出物40被分成多個再循環(huán)流40A、40B且每個再循環(huán)流以比通過流化床容器20的體積流率更低的體積流率流動，在再循回路內(nèi)的氣體處置設(shè)備(包括閥、熱交換器、 冷凝器等)更小且通常更廉價。在優(yōu)選布置中，僅流出物的一部分被引導(dǎo)通過溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路12。被導(dǎo)向通過溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路12的流出物40A的百分比通常在總流出物40的大約1%至80%之間且在干燥工藝期間優(yōu)選地基于流化床系統(tǒng)10的操作規(guī)程來調(diào)整此百分比。盡管在溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路或回路12中減小的體積流率，與其中整個流出物被處理進行溶劑移除(即，純化)且再循環(huán)回到流化床容器20的流化床系統(tǒng)相比，用于將給定濕產(chǎn)物22干燥到規(guī)定溶劑含量的循環(huán)時間并未顯著增加。大部分批量流化床干燥操作具有三種操作規(guī)程，包括規(guī)程1，其中溶劑拾取率的速率(即，每單位時間由流化氣體拾取且?guī)ё叩娜軇┵|(zhì)量)最高且因此帶有溶劑的流化氣體的飽和度也最高。規(guī)程1通常為當(dāng)流化床容器中的濕產(chǎn)物包含被稱作‘自由溶劑’的材料時流化床干燥器的最初操作模式。第二或中間規(guī)程，在本文中被稱作規(guī)程2，為其中溶劑拾取率的速率低于規(guī)程1中的溶劑拾取速率且隨著時間穩(wěn)定地減小的操作模式。第三規(guī)程被稱作規(guī)程3且為其中產(chǎn)物中的其余溶劑通常被截留或吸附于產(chǎn)物孔隙內(nèi)的規(guī)程或操作模式。 由給定流率和溫度的流化氣體的溶劑拾取率顯著低于規(guī)程1中的情況，且不同于規(guī)程2，保持在相對恒定的水平。對于大部分商業(yè)流化床干燥工藝，規(guī)程3通常占整個批量干燥時間多于50%和高達大約80%。在優(yōu)選實施例中，在溶劑回收和再循環(huán)回路中的流出物的體積流率隨著時間減小，或更特別地隨著流化床系統(tǒng)從一個規(guī)程轉(zhuǎn)移到下一規(guī)程而減小。在優(yōu)選實施例中，通過溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路引導(dǎo)的流出物的體積流量在操作規(guī)程1期間大體上在離開FBD的流出流的大約10%至大約80%之間。隨著流化床系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到規(guī)程2，進一步減小通過溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路引導(dǎo)的流出物的體積流量。最終，隨著流化床系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到規(guī)程3以提取產(chǎn)物中的截留物或吸附的溶劑，通過溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路引導(dǎo)的流出物的體積流量減小至離開FBD的流出流的大約1%與大約10%之間。意外地，發(fā)現(xiàn)許多化學(xué)和制藥產(chǎn)物的總產(chǎn)物干燥時間沒有由于流化氣體中的溶劑負(fù)荷而顯著地增加。含溶劑的流出物的一部分直接再循環(huán)到進口減小了批量干燥工藝中的瞬態(tài)溶劑移除負(fù)荷和與溶劑移除相關(guān)聯(lián)的設(shè)備成本。此外，將含溶劑的流出物的一部分直接再循環(huán)到進口且組合這樣的含溶劑的流出物與純化的流出物和補充流化氣體允許產(chǎn)物干燥以略微增加但可接受的總干燥時間來進行。如上文所示，在典型批量流化床干燥循環(huán)期間，最初發(fā)生第一規(guī)程，在第一規(guī)程， 溶劑拾取率的速率(當(dāng)粉末包含在技術(shù)文獻中通常被稱作“自由溶劑”的材料時)最高， 之后為第二規(guī)程，在第二規(guī)程，溶劑拾取率保持減小，之后為最終規(guī)程，在最終規(guī)程中，溶劑移除率幾乎穩(wěn)定，得到干燥粉末。本發(fā)明所公開的系統(tǒng)和工藝將在任何時刻離開干燥器的氣流分成了兩個流，其中第一氣流經(jīng)受溶劑回收工藝且然后再循環(huán)且第二氣流直接被再循環(huán)。這兩個流中任一個的一部分可被排出以防止空氣積聚在再循環(huán)環(huán)路中。通過調(diào)整分氣流工藝的相對比例與轉(zhuǎn)移到溶劑回收工藝的氣體百分比，本工藝允許取決于操作規(guī)程對干燥進行主動控制。熟知再循環(huán)氣體中的溶劑濃度影響粒子的干燥速率。一般而言，在批量干燥循環(huán)開始時，由于以任何方式在粒子中的高溶劑濃度，再循環(huán)氣體中的高溶劑濃度對于粒子的干燥速率具有較小影響。因此，再循環(huán)流的較小部分應(yīng)被轉(zhuǎn)移到溶劑冷凝單元。但是隨著批量干燥循環(huán)繼續(xù)，更干粒子需要干燥氣體中更少的溶劑來維持適當(dāng)平衡驅(qū)動力。到冷凝單元的更高的氣體流量利用冷凝熱由更少溶劑平衡，從而保持低溫冷凝器的制冷需求相對不變。通過使用上文所述的優(yōu)化氣體控制策略，分流氣流的比例可利用干燥時間來操縱且被控制以給出最佳流體床干燥率和回收溶劑的成本。如先前所述，實現(xiàn)了流化氣體要求通常高于氣體干燥要求，更高的氣體流率不僅造成固體磨耗，細(xì)粒損失，也使得操作氣體再流通系統(tǒng)的成本更高。因此能在“膨脹床”模式而不是完全“流化床”模式運行此干燥系統(tǒng)。 完全流化床將使得氣體的氣體向上曳力超過粒子的表觀重量的力。通過在流化床內(nèi)固體粒子的強力混合，在流化床內(nèi)形成氣體“泡”和“通道”。由于干燥工藝遠(yuǎn)比體積(bulk)混合工藝更緩慢，操作此干燥工藝的優(yōu)選模式是作為膨脹床或部分膨脹床來運行該系統(tǒng)，其中， 固體上升且均勻地膨脹，而不會在床內(nèi)有湍流氣泡和通道。這允許使用更低的流化氣體且因此減小氣體處置和溶劑回收設(shè)備容量。所公開的批量流化床干燥系統(tǒng)與新工藝氣體流動和控制策略一起通常是有效的， 其中流化氣體的速度超過將粒子以至少30%懸浮于流化狀態(tài)所需的最小流化速度。在流化床干燥工藝的后面的階段或規(guī)程期間減小到溶劑回收和再循環(huán)回路內(nèi)的流出物流傾向于提高液態(tài)氮或其它液化惰性流化氣體的使用效率。同樣，減少到溶劑回收和再循環(huán)回路內(nèi)的流出物流也減小了干燥器預(yù)先進入的熱負(fù)荷和與預(yù)加熱惰性流化氣體或流入氣體的相關(guān)聯(lián)的成本中的某些。在溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路中流出物流動的增強的冷卻是本系統(tǒng)和工藝控制策略的重要方面。如在下文的實例中所述，為了便于從流出流移除溶劑，在溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路中的流出流在待移除的溶劑主要是‘自由溶劑’時在規(guī)程1與規(guī)程2期間被迅速地冷卻到第一設(shè)置點溫度(Tsp2)。在規(guī)程1和/或規(guī)程2期間達成的典型設(shè)置點溫度(Tsp2)可取決于溶劑低至-10°C至_20°C。用于冷卻進來的流出流的裝置優(yōu)選地包括一個或多個熱交換器，其中在熱交換器中的冷卻流包括自液態(tài)氮源的流。也可采用其它冷卻裝置。但是，隨著流化床干燥工藝進展，當(dāng)待移除的溶劑主要是“截留的溶劑”時，有利地進一步冷卻溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路中的流出流到更低的設(shè)置點溫度(Tsp3)。在規(guī)程3期間達成的典型設(shè)置點溫度(Tsp3)可取決于工藝條件和待提取的溶劑低至_50°C或更低。在溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路中流出流的這種增強的冷卻優(yōu)選地需要額外液態(tài)氮或可能甚至多級冷卻工藝。同樣，具體冷卻機制和裝置在很大程度上取決于具體工藝條件、待移除的溶劑和產(chǎn)物干燥要求?，F(xiàn)轉(zhuǎn)至圖2，示出了基于惰性氣體的批量流化床干燥器系統(tǒng)的替代實施例的示意圖。圖2的實施例與圖1的實施例的不同在于給出了替代溶劑移除子系統(tǒng)。如同參考圖1 所公開的實施例，該替代實施例還結(jié)合直接再循環(huán)環(huán)路或回路利用溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路或回路以及所公開的工藝氣體流動和上文所述的控制策略。圖2所示的批量流化床系統(tǒng)110包括流化床容器120，流化床容器120適于包含批量的含濕溶劑的產(chǎn)物122。諸如氮氣的惰性流化氣體IM經(jīng)由進入回路沈供應(yīng)到流化床容器20。如同先前的實施例，監(jiān)視流化床容器20中的條件，包括壓力、氣體流率、溫度等，并將這些條件饋送到系統(tǒng)控制器(未圖示)來操作控制系統(tǒng)110的各種方面，其在下文中被更詳細(xì)地描述。到流化床容器120的進入回路1 包括通風(fēng)口 128，其對流化床容器120中的壓力做出響應(yīng)；加熱元件130，其適于加熱進入回路126中的惰性流化氣體IM到規(guī)定的溫度設(shè)置點(Tspi)。經(jīng)由泵142離開流化床容器120的流出物140為惰性流化氣體，其中夾帶了溶劑的一部分。在離開流化床容器120時，流出物140由控制閥144分流到兩個單獨回路內(nèi)。第一回路為溶劑回收和再循環(huán)回路112，其將流出物的一部分140A發(fā)送至溶劑回收工藝或子系統(tǒng)150且隨后使被處理的或清潔的流出物152返回到進入回路126。第二回路為直接再循環(huán)回路114，其將含溶劑的氣體或流出物的其余部分140B直接發(fā)送到流化床容器120上游的進入回路126。如同先前所述的實施例，分別流到直接再循環(huán)回路14和溶劑回收和再循環(huán)回路12的流出物140B、140A的相對百分比在操作上由基于微處理器的控制器(未圖示)響應(yīng)于流化床系統(tǒng)110中的各種測量參數(shù)和在流化床容器120中進行的工藝階段而控制。圖2所示的溶劑回收子系統(tǒng)150優(yōu)選地包括多級冷卻和溶劑回收工藝。圖示的溶劑回收子系統(tǒng)150包括三級冷卻方案，包括第一豎直熱交換器152和第二豎直熱交換器 153，它們都冷卻含溶劑的流出流140A。圖示系統(tǒng)還包括插置于兩個豎直熱交換器之間的鹽水冷卻器157，其通過操作以進一步冷卻含溶劑的流出流140A且便于溶劑移除。然后完全冷卻的流出流IM被引導(dǎo)至冷凝單元155，在冷凝單元155中移除額外溶劑。隨著溶劑從被冷卻的流出流巧4冷凝出來，清潔的或被處理的流出流156與任何補充氣體158 —起作為冷卻源再循環(huán)到豎直熱交換器152、153，且隨后到進入回路126。如圖所示，此替代實施例使用工藝鹽水和液態(tài)氮的組合來純化且冷卻流出物的一部分。雖然與多級冷卻和純化工藝相關(guān)聯(lián)的資本成本可預(yù)見地更高，但氮氣總體利用和總操作成本可取決于工藝鹽水溶液的可用性而潛在地降低。圖3和圖4描繪了分別關(guān)于圖1圖2所示和所述的流化床系統(tǒng)的實施例的更詳細(xì)的工藝流程和設(shè)備圖。實例
考慮使用流化床干燥器的上述實施例的假設(shè)實例。舉例而言，如果關(guān)注大約IOOkg含給定量溶劑(包括‘自由溶劑’和‘截留溶劑’)的濕產(chǎn)物的批量干燥，有可能計算或估計總產(chǎn)物干燥時間。在此假設(shè)實例中，選定惰性流化介質(zhì)為來自液態(tài)氮源的高純度氮氣，且流化氣體流率為大約2. 40m7sec (即，3. 12kg/sec)。選擇進入流化床干燥器的流化氣體溫度為大約 30°C。待干燥的批量產(chǎn)物為大約IOOkg的含15kg溶劑(例如丙酮)的濕產(chǎn)物，包括大約 12kg的‘自由溶劑’和3kg的‘截留溶劑’。
由于在流化床容器中的熱損失和由于流化床容器內(nèi)丙酮蒸發(fā)造成的冷卻效果， 離開流化床容器的流出物的估計溫度為大約^°c。在^°c，氮氣的理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)為大約 0. 48，而丙酮的理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)為大約0. 52，且丙酮流率為大約3. 38kg/秒。在所得流出物中的溶劑的實時濃度(例如，丙酮)低于飽和點。估計此流出流的等效飽和溫度為大約5°C，其中隊的理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)為大約0. 78，而丙酮的理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)為是大約0. 22，且丙酮流率為大約0. 88kg/秒。因此，在^°C，估計在流出物中的丙酮的相對飽和度等于0. 88/3. 88或大約沈％。在溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路中，進入該環(huán)路的含溶劑的氣體為大約26%飽和且在與離開流化床容器的流出物大約相同的溫度或大約^°C。為了便于移除丙酮溶劑，使用豎直熱交換器來冷卻該流且離開豎直熱交換器的含溶劑的氣流的溫度規(guī)定為大約-10°c的設(shè)置點溫度(Tsp2)。使用被冷卻、純化的流與來自液態(tài)氮源的補充氮氣一起來實現(xiàn)這種冷卻。在再回收環(huán)路中大約-10°C的此設(shè)置點溫度(Tsp2),含溶劑的氣流維持在大約 0. 90的隊理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)而丙酮的理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)為大約0. 10且在設(shè)置點溫度的丙酮流率為大約0. 35kg/秒。如果在規(guī)程1和規(guī)程2操作模式期間，流出物平均大約10%被引導(dǎo)通過溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路，估計有效溶劑(丙酮)移除率為大約W.^kg/s-O. 35kg/s]*(10%)或大約 0. 053kg/seco在此移除率，經(jīng)由冷凝移除大約12kg溶劑(丙酮)所需的時間為持續(xù)穩(wěn)態(tài)流動的大約903秒或大約15分鐘，假定保守的25%冷凝液俘獲效率。25%冷凝液俘獲效率是基于75%的溶劑(丙酮)作為薄霧離開的估計。應(yīng)當(dāng)指出的是在此實例中在溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路中的熱交換器、冷凝器和其它設(shè)備的大小僅需要處置流出物流的10%。根據(jù)本氣體工藝流動和控制策略，當(dāng)留在產(chǎn)物中的溶劑基本上為保留在構(gòu)成產(chǎn)物的粒子孔隙內(nèi)的“截留溶劑”時，被引導(dǎo)至溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路的流出物的百分比在規(guī)程 3操作模式期間減小。在本假設(shè)實例中，大約3kg的截留溶劑包含于IOOKg產(chǎn)物中或大致為大約3%。假定平衡丙酮蒸氣壓力為在大約30°C的飽和水平的3%，驅(qū)動力為惰性流化氣體的97%。在大約30°C，丙酮蒸氣壓力為大約觀8. 8mmHg或大約0. 38摩爾分?jǐn)?shù)，且平衡溶劑蒸氣壓力為大約[(3%)*(0. 38)]或大約0.0114，其為在大約-;34°C的丙酮飽和惰性流化氣體的摩爾分?jǐn)?shù)當(dāng)量。在0. 0114摩爾分?jǐn)?shù)的重量分?jǐn)?shù)為大約97. 65%氮氣和2. 35%的丙酮， 且丙酮的相對應(yīng)的質(zhì)量流量為大約0. 075kg/seco為了在流化床干燥操作的規(guī)程3期間便于移除丙酮溶劑的更困難的任務(wù)，使用豎直熱交換器(一個或多個)來冷卻含溶劑的再循環(huán)流，且離開豎直熱交換器的含溶劑的氣流溫度規(guī)定在大約_40°C的很低的設(shè)置點溫度(Tsp3)。使用來自液態(tài)氮源的很低溫度的氮氣實現(xiàn)規(guī)程3期間含溶劑的流出流的這種增強的冷卻。在大約-40°C，重量分?jǐn)?shù)為大約98. 5%氮氣和1. 5%的丙酮，且丙酮的相對應(yīng)的質(zhì)量流量為大約0. 048kg/seco如果在規(guī)程3操作模式期間，流出物平均僅大約5%被引導(dǎo)通過溶劑回收和再循環(huán)環(huán)路，估計有效溶劑(丙酮)移除率為大約W. 075 kg/s - 0.048 kg/ s] * [5%]或大約0.013^g/sec。在此移除速率和50%冷凝液俘獲效率，經(jīng)由冷凝移除最終 3kg溶劑(丙酮)所需的時間為持續(xù)穩(wěn)態(tài)流動74分鐘。因此，估計干燥產(chǎn)物的總循環(huán)時間小于90分鐘(例如規(guī)程1/2的15分鐘干燥時間加上規(guī)程3的大約74分鐘的干燥時間)。實驗進行實驗以展示合并了溶劑回收的分流再循環(huán)環(huán)路的效果。流化床干燥器中的干燥性能為干燥溫度、干燥時間和通過流化床干燥器的流量的函數(shù)。在具有上述分流溶劑回收布置的情況下和無上述分流溶劑回收布置的情況下進行若干比較實驗。如表1所示，在完成 2小時干燥循環(huán)后最終產(chǎn)物的品質(zhì)由樣品干燥粉末中的殘留水分含量表示。干燥溫度和轉(zhuǎn)移到溶劑回收回路的流量的百分比被改變以評估這些參數(shù)對于流化床干燥工藝的效果。3號測試運行描繪了基線流化床干燥工藝，其用于2. 5kg的Al2O3粉末在水(500克水)中的樣品產(chǎn)物在75°C的干燥溫度干燥2小時且通過流化床干燥器的流率為每分鐘17 立方英尺。被表達為干燥粉末中水的重量百分比的殘留水分水平在無溶劑(水)回收的情況下為0. 56。比較而言，1號和2號測試運行描繪了相同材料在75°C干燥2小時且通過流化床干燥器的流率為每分鐘17立方英尺但37. 6%的再循環(huán)流轉(zhuǎn)移到溶劑回收工藝。在1 號和2號測試運行中，在最終干燥產(chǎn)物中的殘留水分與3號測試運行的殘留水分相當(dāng)，但來自兩個運行總共回收水668. 4克(BP,67%)。同樣，6號測試運行描繪了基線流化床干燥工藝，其用于2. 5kg的Al2O3粉末在水 (500克水)中的樣品產(chǎn)物在50°C的干燥溫度干燥2小時且通過流化床干燥器的流率為每分鐘17立方英尺。被表達為干燥粉末中水的重量百分比的殘留水分水平在無溶劑(水) 回收的情況下為0. 91。比較而言，4號和5號測試運行描繪了相同2. 5kg材料在50°C干燥 2小時且通過流化床干燥器的惰性運行流率為每分鐘17立方英尺但35%與36%之間的再循環(huán)流轉(zhuǎn)移到溶劑回收工藝。在4號和5號測試運行中，在最終干燥產(chǎn)物中的殘留水分比6 號測試運行的殘留水分稍高，并且組合4號和5號測試運行回收水300. 2克(即，30)。測試運行4、5和6的殘留水分的更高水平預(yù)期是由于更低的干燥溫度造成。而且，由于測試運行為惰性運行，注意到較低水平的溶劑回收。同樣，在類似于4號和5號測試運行的條件下進行7號和8號測試運行，除了溶劑回收階段中的冷卻顯著不同，導(dǎo)致更高的溶劑回收。在7號和8號測試運行中，采用在不銹鋼盤管中使用液態(tài)氮的間接冷卻，與液態(tài)氮直接噴射到再循環(huán)流內(nèi)的4號和5號測試運行中的直接冷卻相比。在類似于7號和8號測試運行的條件下進行9號、10號、11號、12號、13號和14號測試運行，除了再循環(huán)流的較低的百分比被轉(zhuǎn)移到溶劑回收回路。具體而言，9號和10號測試運行僅轉(zhuǎn)移12. 4%的再循環(huán)流，而11號和12號測試運行僅轉(zhuǎn)移20. 0%的再循環(huán)流。13 號和14號測試運行并不轉(zhuǎn)移再循環(huán)流的部分到回收回路。較低的流動轉(zhuǎn)移導(dǎo)致略微更高的殘留水分含量或在2小時干燥運行結(jié)束時更低的干燥水平。同樣，由于間接冷卻技術(shù)，注意到更高的溶劑回收百分比。9號至14號測試運行的數(shù)據(jù)展示了需要維持分流回收流動的特定比例以便達成或?qū)崿F(xiàn)對于條件具體設(shè)置的規(guī)定干燥水平。
權(quán)利要求
1.一種在流化床容器中流化批量的含溶劑的產(chǎn)物的方法，包括以下步驟(i)引導(dǎo)含惰性流化氣體的流入流通過所述容器以流化所述含溶劑的產(chǎn)物且產(chǎn)生其中夾帶了溶劑的惰性流化氣體的流出流；(ii)將所述夾帶溶劑的流出流的第一部分轉(zhuǎn)移到溶劑回收工藝以從所述夾帶溶劑的流出流的第一部分移除溶劑來形成清潔的流出流；(iii)再循環(huán)所述夾帶溶劑的流出流的第二部分到所述流入流；(iv)將所述清潔的流出流引導(dǎo)至所述流入流；(ν)向所述清潔的流出流或流入流提供惰性流化氣體的補充流；以及 (vi)重復(fù)步驟⑴至(ν)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述在流化床容器中流化批量的含溶劑的產(chǎn)物的方法還包括在流化床容器中干燥批量的含溶劑的產(chǎn)物的方法且所述重復(fù)步驟繼續(xù)直到干燥了所述批量的含溶劑的產(chǎn)物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，轉(zhuǎn)移到所述溶劑回收工藝的第一部分的量隨著批量干燥工藝進展而減少。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶劑回收工藝包括以下步驟最初冷卻所述夾帶溶劑的流出流的第一部分且隨后移除所述溶劑以形成所述清潔的流出流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述夾帶溶劑的流出流的第一部分的冷卻量隨著批量干燥工藝進展而增加。
6.一種流化床系統(tǒng)，包括流化床容器，其適于包含批量的含溶劑的產(chǎn)物； 流入回路，其適于供應(yīng)惰性流化氣體到所述流化床容器； 流出回路，其適于從所述流化床容器移除其中夾帶溶劑的惰性流化氣體； 第一再循環(huán)回路，其將流出回路聯(lián)接到溶劑回收子系統(tǒng)且所述溶劑回收子系統(tǒng)聯(lián)接到所述流入回路；第二再循環(huán)回路，其將所述流出回路直接聯(lián)接到所述流入回路； 流量控制閥，其安置于所述流出回路中且在操作上安置成響應(yīng)來自控制器的命令在所述第一再循環(huán)回路與所述第二在循環(huán)回路之間分配所述流出物；以及惰性流化氣體源，其聯(lián)接到所述第一再循環(huán)回路或流入回路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在操作上控制所述流量控制閥以隨著批量干燥工藝進展而減小通過第一再循環(huán)回路的流出物流量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述溶劑回收子系統(tǒng)還包括 冷卻單元，其降低所述第一再循環(huán)回路中的流出物流的溫度；以及冷凝單元，其適于從所述第一再循環(huán)回路中的流出物流移除溶劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在操作上控制惰性流化氣體源到所述第一再循環(huán)回路的流動以隨著所述批量干燥工藝進展而增加所述冷卻單元的冷卻容量。
全文摘要
本發(fā)明提供在批量流化床工藝中回收溶劑的系統(tǒng)和方法。所公開的流化床系統(tǒng)包括流化床容器，其保持批量的含溶劑的產(chǎn)物；進入回路，其供應(yīng)惰性流化氣體；流出回路，其適于移除含溶劑的惰性流化氣體；第一再循環(huán)回路，其將流出回路聯(lián)接到溶劑回收裝置；第二再循環(huán)回路，其將流出回路直接聯(lián)接到進入回路；以及，流量控制閥，其在操作上安置成基于流化床工藝的操作規(guī)程在第一再循環(huán)回路與第二再循環(huán)回路之間分配該流出物。所公開的實施例還包括液態(tài)氮源，其聯(lián)接到第二再回收回路以基于流化床工藝的操作規(guī)程來提供補充惰性氣體和流出物增強的冷卻。
文檔編號B01D53/00GK102307644SQ201080006490
公開日2012年1月4日 申請日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月3日
發(fā)明者南迪 A., 程 A., F. 比林罕 J. 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司