中國(guó)藥科大學(xué)高等制藥分離工程9結(jié)晶

1、第十章 結(jié)晶Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ,10．1 概述 結(jié)晶過程：固體物質(zhì)以晶體狀態(tài)從蒸汽、溶液或熔融物中析出的過程。工業(yè)結(jié)晶技術(shù)作為高效的提純、凈化與控制固體特定物理形態(tài)的手段。,晶漿：在結(jié)晶器中結(jié)晶出來的晶體和剩余的溶液(或熔液)所構(gòu)成的混懸物。母液：去除懸浮液中的晶體后剩下的溶液(或熔液)。,結(jié)晶過程中，含有雜質(zhì)的母液(或熔液)會(huì)以表面粘附和晶間包藏的方式夾帶在固體產(chǎn)品中。需用適當(dāng)?shù)娜軇?duì)固體進(jìn)行洗滌 。,結(jié)晶過程

2、的特點(diǎn),1) 能從雜質(zhì)含量相當(dāng)多的溶液或多組分的熔融混合物中形成純凈的晶體。有時(shí)用其他方法難以分離的混合物系，采用結(jié)晶分離更為有效。如同分異構(gòu)體混合物、共沸物系、熱敏性物系等。 2) 固體產(chǎn)品有特定的晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)(如晶形、粒度分布等)。 3) 能量消耗少，操作溫度低，對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求不高，三廢排放少，有利于環(huán)境保護(hù)。 4) 結(jié)晶產(chǎn)品包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存或使用都很方便。,一、晶體結(jié)構(gòu)與特性,結(jié)晶過程有四類：溶液結(jié)晶、熔融結(jié)晶

3、、沉淀結(jié)晶和升華結(jié)晶。晶體:內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)元作三維有序規(guī)則排列的固態(tài)物質(zhì)。晶體的自范性：如果晶體生長(zhǎng)環(huán)境良好，則可形成有規(guī)則的結(jié)晶多面體（晶面）。晶體具有自發(fā)地生長(zhǎng)成為結(jié)晶多面體的可能的性質(zhì)，即晶體以平面作為與周圍介質(zhì)的分界面。,晶體的均勻性：晶體中每一宏觀質(zhì)點(diǎn)的物理性質(zhì)和化學(xué)組成以及內(nèi)部晶格都相同的特性。晶體的這個(gè)特性保證了工業(yè)生產(chǎn)中晶體產(chǎn)品的高純度。,一、晶體結(jié)構(gòu)與特性,各向異性：晶體的幾何特性及物理效應(yīng)常隨方向的不同而表現(xiàn)

4、出數(shù)量上的差異的性質(zhì)。,晶格：構(gòu)成晶體的微觀質(zhì)點(diǎn)在空間中按三維空間點(diǎn)陣規(guī)律排列，各質(zhì)點(diǎn)間在力的作用下，使質(zhì)點(diǎn)得以維持在固定的平衡位置，彼此之間保持一定距離的結(jié)構(gòu)。,晶形：晶體的宏觀外部形狀，它受結(jié)晶條件或所處的物理環(huán)境的影響比較大，對(duì)于同一種物質(zhì)，即使基本晶系不變，晶形也可能不同，如六方晶體，它可以是短粗形、細(xì)長(zhǎng)形或帶有六角的薄片狀，甚至旱多棱針狀。,七種晶系,晶體按其晶格結(jié)構(gòu)可分為七種晶系,二、晶體的粒度分布,晶體粒度分布：不同粒度的

5、晶體質(zhì)量(或粒子數(shù)目)與粒度的分布關(guān)系，它是晶體產(chǎn)品的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)?？捎煤Y分法(或粒度儀)進(jìn)行測(cè)定，篩分結(jié)果標(biāo)繪為篩下累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)與篩孔尺寸的關(guān)系曲線，并可換算為累積粒子數(shù)及粒數(shù)密度與粒度的關(guān)系曲線，簡(jiǎn)便的方法是以中間粒度和變異系數(shù)來描述粒度分布。,中間粒度(medium size，MS)：篩下累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％時(shí)對(duì)應(yīng)的篩孔尺寸值。,粒度分布曲線,二、晶體的粒度分布,變異系數(shù)(coefficient of variation，

6、cv)：統(tǒng)計(jì)量，與Gaussian分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差相關(guān)。,rm%為篩下累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為m％的篩孔尺寸。,對(duì)于一種晶體樣品，MS越大，→平均粒度大，CV值越小，粒度分布越均勻。,10.2 結(jié)晶過程的相平衡及介穩(wěn)區(qū),一、 溶解度 液固平衡:任何固體物質(zhì)與其溶液相接觸時(shí)，當(dāng)溶液尚未飽和，則固體溶解；當(dāng)溶液恰好達(dá)到飽和，則固體溶解與析出的量相等，此時(shí)固體與其溶液已達(dá)到相平衡。 溶解度：固液相平衡時(shí)，單位質(zhì)量的溶劑所能溶解的固體的質(zhì)量。溶解度

7、的其他單位有：克/升溶液、摩爾／升溶液、摩爾分?jǐn)?shù)等。 溶解度的影響因素：溶質(zhì)及溶劑的性質(zhì)、溫度及壓強(qiáng)。,幾種物質(zhì)在水中的溶解度曲線,溶解度曲線特性,溶解度曲線:溶解度對(duì)溫度之間的關(guān)系曲線。,正溶解度特性：溶解度隨溫度的升高而增加，在溶解過程中需要吸收熱量的特性。L一維生素C、L一精氨酸,逆溶解度特性：物質(zhì)的溶解度隨溫度升高反而下降，在溶解過程中放出熱量的特性 。Na2SO4,有一些形成水合物的物質(zhì)，在其溶解度曲線上有折點(diǎn)，對(duì)應(yīng)存在不

8、同水分子數(shù)的水合物之間的變態(tài)點(diǎn) 。L一精氨酸 、46OC 。,溶解度曲線特性,溶解度隨溫度變化較大的物質(zhì)→冷卻結(jié)晶方法分離；溶解度隨溫度變化較小的物質(zhì)→蒸發(fā)結(jié)晶法分離。,二、兩組分物系的固液相圖特征一定壓力下，在溫度和濃度坐標(biāo)系中兩組分物系的固液相圖可分為四類。反映兩組分物系的固液相平衡關(guān)系。,雙組分低共熔物系固液相圖,1．低共熔型曲線AE和BE為不同組成混合物的固液平衡線。,低共熔點(diǎn)：點(diǎn)E的溫度，該點(diǎn)物系完全固化。,對(duì)于低共熔物系

9、，只要通過結(jié)晶即可得到純物質(zhì)。,雙組分固體溶液物系固液相圖,2．固體溶液型,液相結(jié)晶線：混合物開始結(jié)晶的溫度與平衡液相組成之間的關(guān)系曲線。,固相熔化線：混合物開始熔融的溫度與固相組成之間的關(guān)系曲線。,對(duì)固體溶液物系，必須經(jīng)過多級(jí)固液平衡才能達(dá)到所要求的產(chǎn)品純度。,溶劑化合物熔化為同組成液相的物系固液相圖,3．化合物形成型,對(duì)于雙組分物系，可能生成一種或多種溶劑化合物。,CaCl2一H2O—CaCl2·6H2O,固相溶劑化合物能

10、與同樣組成的液相建立平衡關(guān)系,多晶型的雙組分低共熔型物系固液相圖,4．晶型轉(zhuǎn)變型,三、沉淀過程的溶度積原理,溶度積Kc:表示電解質(zhì)在溶液中溶解度的大小。電解質(zhì)在溶液中存在著解離平衡,若理想溶液且達(dá)到溶解平衡時(shí)，則有,分別為陽離子和陰離子的濃度。,溶度積的大小與電解質(zhì)和溶劑的類型有關(guān)。,同離子效應(yīng)：增加溶液中電解質(zhì)的正離子（或負(fù)離子）濃度，會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)溶解度的下降的現(xiàn)象。,四、溶液的過飽和與介穩(wěn)區(qū),飽和溶液：濃度恰好等于溶質(zhì)的溶解度，即達(dá)

11、到固液相平衡時(shí)的溶液。,過飽和溶液：含有超過飽和量的溶質(zhì)的溶液。,過飽和度：同一溫度下，過飽和溶液與飽和溶液的濃度差。溶液的過飽和度是結(jié)晶過程的推動(dòng)力。,將一個(gè)完全純凈的溶液在不受任何擾動(dòng)(無攪拌，無振蕩)及任何刺激(無超聲波等作用)的條件下，緩慢降溫，就可以得到過飽和溶液。但超過一定限度后，澄清的過飽和溶液就會(huì)開始自發(fā)析出晶核。,四、溶液的過飽和與介穩(wěn)區(qū),溶液的過飽和與超溶解度曲線,正溶解度特性的溶解度曲線,超溶解度曲線,,結(jié)晶過程應(yīng)

12、盡量控制在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，以得到平均粒度較大的結(jié)晶產(chǎn)品，避免產(chǎn)生過多晶核而影響最終產(chǎn)品的粒度。,穩(wěn)定區(qū)不可能進(jìn)行結(jié)晶,,介穩(wěn)區(qū)不會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生晶核。,不穩(wěn)區(qū)能自發(fā)產(chǎn)生晶核 。,10.3 結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué),一、結(jié)晶成核動(dòng)力學(xué),晶核:過飽和溶液中新生成的微小晶體粒子，是晶體生長(zhǎng)過程的核心。晶核的大小粗估為數(shù)十納米至幾微米。,晶胚:在晶核形成之初，快速運(yùn)動(dòng)的溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)相互碰撞結(jié)合成的線體單元，線體單元增大到一定限度后粒子。晶胚極不穩(wěn)定 。,晶胚生長(zhǎng)

13、到足夠大，能與溶液建立熱力學(xué)平衡時(shí)稱之為晶核。,成核方式可分為初級(jí)成核和二次成核兩類。,10.3 結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué),1．初級(jí)成核：在沒有晶體存在的條件下自發(fā)產(chǎn)生晶核的過程。初級(jí)成核分為非均相和均相初級(jí)成核。均相初級(jí)成核：潔凈的過飽和溶液進(jìn)入介穩(wěn)區(qū)時(shí)，還不能自發(fā)地產(chǎn)生晶核，只有進(jìn)入不穩(wěn)區(qū)后，溶液才能自發(fā)地產(chǎn)生晶核。這種在均相過飽和溶液中自發(fā)產(chǎn)生晶核的過程。均相初級(jí)成核速率：,A→指前因子；Vm→摩爾體積；k→Boltzmann常數(shù)；

14、 T→絕對(duì)溫度；σ→表面張力。,比飽和度,,10.3 結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué),初級(jí)成核過程中晶核的臨界粒徑與過飽和度間有關(guān),在過飽和溶液中，只有大于臨界粒徑的晶核才能生存并繼續(xù)生長(zhǎng)，小于此值的粒子則會(huì)溶解消失。,非均相初級(jí)成核：在工業(yè)結(jié)晶器中發(fā)生均相初級(jí)成核的機(jī)會(huì)比較少，實(shí)際上溶液中有外來固體物質(zhì)顆粒，如大氣中的灰塵或其他人為引入的固體粒子，在非均相過飽和溶液中自發(fā)產(chǎn)生晶核的過程。這些外來雜質(zhì)粒子對(duì)初級(jí)成核過程有誘導(dǎo)作用，非均相成核可在比

15、均相成核更低的過飽和度下發(fā)生。,10.3 結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué),初級(jí)成核速率與過飽和度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：,Kp→速率常數(shù)；△c→過飽和度；a→成核指數(shù),一般a>2。,初級(jí)成核速率較大，對(duì)過飽和度變化非常敏感，很難將其控制在一定的水平。除了超細(xì)粒子制造外，一般結(jié)晶過程都要盡量避免初級(jí)成核的發(fā)生。,2．二次成核：在已有晶體的條件下產(chǎn)生晶核的過程。二次成核的機(jī)理主要有流體剪應(yīng)力成核和接觸成核。,剪應(yīng)力成核：當(dāng)過飽和溶液以較大的流速流過正在生長(zhǎng)中

16、的晶體表面時(shí)，在流體邊界層存在的剪應(yīng)力能將一些附著于晶體之上的粒子掃落，而成為新的晶核。,10.3 結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué),接觸成核：當(dāng)晶體與其他固體物接觸時(shí)所產(chǎn)生的晶體表面的碎粒。在過飽和溶液中，晶體只要與固體物進(jìn)行能量很低的接觸，就會(huì)產(chǎn)生大量的微粒。在工業(yè)結(jié)晶器中，晶體與攪拌槳、器壁間的碰撞，以及晶體與晶體之間的碰撞都有可能發(fā)生接觸成核。接觸成核的幾率往往大于剪應(yīng)力成核。,二次成核速率的影響因素:溫度、過飽和度、晶體的粒度與硬度、攪拌

17、槳的材質(zhì)等。描述二次成核速率經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式：,0<h≤4、 0.5<I≤3、 0.4<j≤2,n為攪拌強(qiáng)度，如轉(zhuǎn)速或攪拌槳葉端線速；?→懸浮液密度；G→晶體的生長(zhǎng)速率,10.3 結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué),二、結(jié)晶生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)1．晶體生長(zhǎng)機(jī)理 在過飽和溶液中已有晶體形成（加入晶種）后，以過飽和度為推動(dòng)力，溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)一層層地在晶體表面有序排列，晶體將長(zhǎng)大的過程。,晶體生長(zhǎng)過程有三步：1）待結(jié)晶溶質(zhì)借擴(kuò)散作用穿過靠近晶體表面

18、的靜止液層，從溶液中轉(zhuǎn)移至晶體表面。2）到達(dá)晶體表面的溶質(zhì)嵌人晶面，使晶體長(zhǎng)大，同時(shí)放出結(jié)晶熱。3）放出來的結(jié)晶熱傳導(dǎo)至溶液中。,10.3 結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué),2．結(jié)晶生長(zhǎng)速率,大多數(shù)溶液結(jié)晶時(shí),晶體生長(zhǎng)過程為溶質(zhì)擴(kuò)散控制，晶體的生長(zhǎng)速率G為：,kg→生長(zhǎng)速率常數(shù),對(duì)溶質(zhì)擴(kuò)散與表面反應(yīng)共同控制的結(jié)晶生長(zhǎng)過程，其生長(zhǎng)速率常用經(jīng)驗(yàn)公式估算。,Kg→晶體總生長(zhǎng)速率常數(shù),Kg,與物系的性質(zhì)、溫度、攪拌等因素有關(guān)。,g→生長(zhǎng)指數(shù),,10.3

19、 結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué),△L定律:大多數(shù)物系，懸浮于過飽和溶液中的幾何相似的同種晶體都以相同的速率生長(zhǎng)，即晶體的生長(zhǎng)速率與原晶粒的初始粒度無關(guān)。 但某些物系，晶體生長(zhǎng)速率不服從△L定律，而是與粒度的大小相關(guān),如鉀礬水溶液。,結(jié)晶生長(zhǎng)分散現(xiàn)象:在同一過飽和度下，相同粒度的同種晶體卻以不同的速率生長(zhǎng)的現(xiàn)象。晶核的生長(zhǎng)常常呈現(xiàn)這種行為，因此在超微粒子的生產(chǎn)中要注意它的影響。,10.3 結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué),3．結(jié)晶物理環(huán)境對(duì)晶體生長(zhǎng)過程的影響,

20、環(huán)境條件的改變會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)晶產(chǎn)品的外觀形態(tài)和晶型的改變，原因是不同的環(huán)境條件對(duì)晶體各個(gè)晶面生長(zhǎng)速率的影響不同。,結(jié)晶過程中，晶面生長(zhǎng)速率的影響因素有兩類，,1)晶體內(nèi)部單元對(duì)晶面的各種應(yīng)力；它是由晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，一般不易改變。2)晶面與周圍環(huán)境的各種作用，如界面粘度、界面張力、表面能、界面分子對(duì)周圍環(huán)境中分子的作用力等。在實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中較易改變和控制的。最有效和簡(jiǎn)便的手段是改變?nèi)軇┗蛲Y(jié)晶母液中加入某些特定的添加劑。,10．4

21、溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,一.溶液結(jié)晶過程 溶液結(jié)晶:晶體從過飽和的溶液中析出的過程。 溶液結(jié)晶類型:冷卻結(jié)晶法、蒸發(fā)結(jié)晶法、真空冷卻結(jié)晶法、鹽析(溶析)結(jié)晶法、反應(yīng)結(jié)晶法。 1.冷卻結(jié)晶:溶液通過冷卻降溫變成過飽和，基本上不去除溶劑過程。適用于溶解度隨溫度的降低而顯著下降的物系。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,冷卻結(jié)晶方法：自然冷卻、間壁換熱冷卻和直接接觸冷卻。,自然冷卻法：將熱的結(jié)晶溶液置于的結(jié)晶釜中，靠大氣自然冷卻而降溫結(jié)晶

22、。特點(diǎn):產(chǎn)品純度較低，粒度分布不均，易發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象。,設(shè)備所占空間大，容積生產(chǎn)能力較低。但結(jié)晶過程設(shè)備造價(jià)低。,間壁換熱冷卻結(jié)晶：典型的內(nèi)循環(huán)式，冷卻量由夾套換熱器傳遞。換熱面積的較小，換熱量不大。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,內(nèi)循環(huán)式間壁冷卻結(jié)晶器,外循環(huán)式結(jié)晶器傳熱系數(shù)較大，換熱面積可變，但必須選用合適的循環(huán)泵，以避免懸浮晶體的磨損破碎。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,外循環(huán)式間壁冷卻結(jié)晶器,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備

23、,外循環(huán)式間壁冷卻結(jié)晶器2,間壁換熱冷卻結(jié)晶過程的主要困難：在冷卻表面上常會(huì)有晶體結(jié)出，稱為晶疤或晶垢，使冷卻效果下降。,直接接觸冷卻結(jié)晶：通過冷卻介質(zhì)與熱母液的直接混合而達(dá)到冷卻結(jié)晶的過程。冷卻介質(zhì)有空氣、與結(jié)晶溶液不互溶的碳?xì)浠衔锖蛯Ｓ玫囊簯B(tài)冷凍劑。 冷卻介質(zhì)可能對(duì)結(jié)晶產(chǎn)品產(chǎn)生污染，選用的冷卻介質(zhì)不能與結(jié)晶母液中的溶劑互溶或者雖互溶但應(yīng)易于分離。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,2.蒸發(fā)結(jié)

24、晶:使溶液在常壓或減壓下蒸發(fā)濃縮而達(dá)到過飽和的結(jié)晶過程。適用于溶解度隨溫度降低而變化不大或具有逆溶解度特性的物系。對(duì)晶體的粒度不能有效的加以控制。消耗的熱能較多，加熱面問題也給操作帶來困難。 蒸發(fā)結(jié)晶器常在真空度不高的減壓下操作。降低操作溫度，以利于熱敏性產(chǎn)品的穩(wěn)定，并減少熱能損耗。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,3.真空絕熱冷卻結(jié)晶：使溶劑在真空下閃急蒸發(fā)而使溶液絕熱冷卻的結(jié)晶法。適用于具有正溶解度特性而溶解度隨溫度的變

25、化率中等的物系。,操作原理：把熱濃溶液送入絕熱保溫的密閉結(jié)晶器中，器內(nèi)維持較高的真空度，由于對(duì)應(yīng)的溶液沸點(diǎn)低于原料液溫度，溶液閃急蒸發(fā)而絕熱冷卻到與器內(nèi)壓強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的平衡溫度。溶液通過蒸發(fā)濃縮及冷卻兩種效應(yīng)來產(chǎn)生過飽和度。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,特點(diǎn)：主體設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，無換熱面，操作比較穩(wěn)定，不存在晶垢妨礙傳熱的問題。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,4.鹽析(溶析)結(jié)晶鹽析(溶析)結(jié)晶：向溶液中加入某些物質(zhì)，以降低溶質(zhì)

26、在原溶劑中的溶解度，產(chǎn)生過飽和度的方法。鹽析劑的要求：能溶解于原溶液中的溶劑，但不（很少）溶解被結(jié)晶的溶質(zhì)，而且溶劑與鹽析劑的混合物易于分離(用蒸餾法)。NaCl是一種常用的鹽析劑，如在聯(lián)合制堿法中，向低溫的飽和氯化銨母液中加入NaCl，利用同離子效應(yīng)，使母液中的氯化銨盡可能多地結(jié)晶出來，以提高結(jié)晶收率。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,溶析結(jié)晶：向溶液中加入其他的溶劑使溶質(zhì)析出的過程。如使不溶于水的有機(jī)物質(zhì)從可溶于水的有機(jī)溶劑中

27、結(jié)晶出來，此時(shí)加入酌量的水于溶液中。制藥行業(yè)中，常向含有醫(yī)藥物質(zhì)的水溶液中加入某些有機(jī)溶劑(如低碳醇、酮、酰胺類等)的方法使產(chǎn)物結(jié)晶出來。特點(diǎn)：結(jié)晶溫度較低，對(duì)熱敏性物質(zhì)的結(jié)晶有利；一般雜質(zhì)在溶劑與鹽析劑的混合物中有較高的溶解度，以利于提高產(chǎn)品的純度；與冷卻法結(jié)合，可提高結(jié)晶收率。需要回收設(shè)備來處理結(jié)晶母液，以回收溶劑和鹽析劑。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,5．反應(yīng)結(jié)晶 氣體與液體或液體與液體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生固體沉淀

28、，固體的析出是由于反應(yīng)產(chǎn)物在液相中的濃度超過了飽和濃度或構(gòu)成產(chǎn)物的各離子的濃度超過了溶度積的結(jié)果。 反應(yīng)結(jié)晶過程可分為反應(yīng)和結(jié)晶兩步，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物的濃度增大并達(dá)到過飽和，在溶液中產(chǎn)生晶核并逐漸長(zhǎng)大為較大的晶體顆粒。 反應(yīng)結(jié)晶產(chǎn)生的固體粒子一般較小。要想獲得符合粒度分布要求的晶體產(chǎn)品，必須小心控制溶液的過飽和度，如將反應(yīng)試劑適當(dāng)稀釋或適當(dāng)延長(zhǎng)沉淀時(shí)間。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,二、典型的溶液結(jié)晶器強(qiáng)迫外

29、循環(huán)結(jié)晶器、流化床結(jié)晶器、DTB結(jié)晶器等。1．強(qiáng)迫外循環(huán)結(jié)晶器結(jié)晶器可用于間接冷卻法、蒸發(fā)法及真空冷卻法結(jié)晶過程。特點(diǎn)：生產(chǎn)能力很大，泵所需的壓頭較高，循環(huán)晶漿中晶體與葉輪之間的接觸成核速率較高。循環(huán)量較低，產(chǎn)品平均粒度較小，粒度分布較寬。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,2．流化床型結(jié)晶器 特點(diǎn)：過飽和度產(chǎn)生的區(qū)域與晶體成長(zhǎng)區(qū)分別設(shè)置在結(jié)晶器的兩處，循環(huán)液中基本上不含晶粒，從而避免發(fā)生葉輪與晶體間的接觸成核現(xiàn)象，結(jié)晶室的粒度分

30、級(jí)作用，使這種結(jié)晶器所生產(chǎn)的晶體大而均勻。生產(chǎn)能力受到限制，必須限制液體的循環(huán)速度及懸浮密度，把結(jié)晶室中懸浮液的澄清界面限制在循環(huán)泵的入口以下，以防止母液中挾帶明顯數(shù)量的晶體。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,流化床型結(jié)晶器,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,流化床型結(jié)晶器,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,3. DTB型結(jié)晶器具有導(dǎo)流桶及擋板的結(jié)晶器的簡(jiǎn)稱。晶漿內(nèi)循環(huán)結(jié)晶器。 用于真空冷卻法、蒸發(fā)法、直接接觸冷凍法以及反應(yīng)結(jié)晶法等多

31、種結(jié)晶操作。 性能優(yōu)良，生產(chǎn)強(qiáng)度高，能產(chǎn)生粒度達(dá)600～1200μm的大粒結(jié)晶產(chǎn)品，器內(nèi)不易結(jié)晶疤。,10．4 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備,DTB型真空結(jié)晶器,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,一、結(jié)晶操作特性 結(jié)晶是在過飽和溶液中生成新相的過程，涉及固液相平衡。對(duì)特定的目標(biāo)產(chǎn)物及物系，需通過實(shí)驗(yàn)確定合適的結(jié)晶操作條件，滿足結(jié)晶產(chǎn)品質(zhì)量要求，提高結(jié)晶生產(chǎn)能力，降低過程成本。結(jié)晶操作中的問題。1．過飽和度 增大溶液過飽和度可提高成核

32、速率和生長(zhǎng)速率，有利于提高結(jié)晶生產(chǎn)能力。,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,過飽和度過大會(huì)出現(xiàn)問題：1） 成核速率過快，產(chǎn)生大量微小晶體，結(jié)晶難以長(zhǎng)大；2） 結(jié)晶生長(zhǎng)速率過快，影響結(jié)晶質(zhì)量；3） 結(jié)晶器壁容易產(chǎn)生晶垢。 存在最大過飽和度，可保證在較高成核和生長(zhǎng)速率的同時(shí)，不影響結(jié)晶的質(zhì)量。在不易產(chǎn)生晶垢的過飽和度下進(jìn)行。,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,2．溫度 溫度的不同，生成的晶形和結(jié)晶水會(huì)發(fā)生改

33、變，溫度一般控制在較小的溫度范圍內(nèi)。冷卻結(jié)晶時(shí)，若降溫速度過快，溶液很快達(dá)到較高的過飽和度，生成大量微小晶體，影響結(jié)晶產(chǎn)品的質(zhì)量。溫度最好控制在飽和溫度與過飽和溫度之間。蒸發(fā)結(jié)晶時(shí)，蒸發(fā)速度過快，則溶液的過飽度較大，生成微小晶體，附著在結(jié)晶表面，影響結(jié)晶產(chǎn)品的質(zhì)量。蒸發(fā)速度應(yīng)與結(jié)晶生長(zhǎng)速率相適應(yīng)，保持溶液的過飽和度一定。工業(yè)結(jié)晶操作常采用真空絕熱蒸發(fā)，不設(shè)外部循環(huán)加熱裝置，蒸發(fā)室內(nèi)溫度較低，可防止過飽和度的劇烈變化。,10．5 結(jié)晶

34、操作及其應(yīng)用,3．?dāng)嚢枧c混合增大攪拌速度可提高成核和生長(zhǎng)速率，攪拌速度過快會(huì)造成晶體的剪切破碎，影響結(jié)晶產(chǎn)品質(zhì)量。為獲得較好的混合狀態(tài)，同時(shí)避免結(jié)晶的破碎，可采用氣提式混合方式，或利用直徑或葉片較大的攪拌槳，降低槳的轉(zhuǎn)速。,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,4．溶劑與pH值結(jié)晶操作采用的溶劑和pH值應(yīng)使目標(biāo)溶質(zhì)的溶解度較低，以提高結(jié)晶的收率。溶劑和pH值對(duì)晶形有影響。如普魯卡因青霉素在水溶液中的結(jié)晶為方形晶體，在醋酸丁酯中的結(jié)晶為長(zhǎng)棒狀

35、。在設(shè)計(jì)結(jié)晶操作前需實(shí)驗(yàn)確定使結(jié)晶晶形較好的溶劑和pH值。,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,5.晶種向處于介穩(wěn)區(qū)的過飽和溶液中添加顆粒均勻的晶種。對(duì)于溶液粘度較高的物系，晶核很難產(chǎn)生，而在高過飽度下，一旦產(chǎn)生晶核，就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)大量晶核，容易發(fā)生聚晶現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量不易控制。高粘度物系必須用在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)添加晶種的操作方法。,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,6．晶漿濃度晶漿濃度越高，單位體積結(jié)晶器中結(jié)晶表面積越大，結(jié)晶生長(zhǎng)速率越快，有利于提高

36、結(jié)晶生產(chǎn)速度(產(chǎn)量)。但晶漿濃度過高時(shí)，懸浮液的流動(dòng)性差，混合操作困難。晶漿濃度應(yīng)在操作條件允許的范圍內(nèi)取最大值。在間歇操作中，晶種的添加量應(yīng)根據(jù)最終結(jié)晶產(chǎn)品的大小，滿足晶漿濃度最大的高效生產(chǎn)要求。,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,7．循環(huán)流速用外部循環(huán)式結(jié)晶器時(shí)，循環(huán)流速的設(shè)定要合理。提高循環(huán)流速1）有利于消除設(shè)備內(nèi)的過飽和度分布，使設(shè)備內(nèi)的結(jié)晶成核速率及生長(zhǎng)速率分布均勻；2）可增大固液表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)，提高結(jié)晶生長(zhǎng)速率；3）提

37、高換熱效率，抑制換熱器表面晶垢的生成；循環(huán)流速過高會(huì)造成結(jié)晶的磨損破碎。循環(huán)流速應(yīng)在無結(jié)晶磨損破碎的范圍內(nèi)取較大的值。如果結(jié)晶器具備結(jié)晶分級(jí)功能，循環(huán)流速也不宜過高，應(yīng)保證分級(jí)功能的正常發(fā)揮。,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,8．結(jié)晶系統(tǒng)的晶垢 結(jié)晶器壁及循環(huán)系統(tǒng)中產(chǎn)生晶垢，影響結(jié)晶過程效率。防止晶垢或除去晶垢方法：1）壁內(nèi)表面采用有機(jī)涂料，保持壁面光滑，防止在器壁上的二維成核現(xiàn)象的發(fā)生；2）提高結(jié)晶系統(tǒng)中流體流速，使流速分布均

38、勻，消除低流速區(qū)；3）若外循環(huán)液體為過飽和溶液，使其中不含有晶種；4）采用夾套保溫方式防止壁面附近過飽和度過高；5）增設(shè)晶垢鏟除裝置，定期添加溶劑溶解產(chǎn)生的晶垢；6）蒸發(fā)室壁面極易產(chǎn)生晶垢，可采用噴淋溶劑的方式溶解晶垢。,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,9．共存雜質(zhì)的影響結(jié)晶的對(duì)象是多組分物系，要選擇性結(jié)晶目標(biāo)產(chǎn)物。如果共存雜質(zhì)的濃度較低，一般對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)晶無明顯影響。但如果在結(jié)晶操作中雜質(zhì)含量不斷升高(如采用蒸發(fā)式結(jié)晶操作

39、時(shí))，雜質(zhì)的積累會(huì)嚴(yán)重影響目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)晶的純度。結(jié)晶操作中需要控制雜質(zhì)的含量，往往在結(jié)晶系統(tǒng)中增設(shè)除雜設(shè)備。離子交換柱或廢液排放。,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,二、 應(yīng)用1．抗生素 2．氨基酸氨基酸是兩性電解質(zhì)，在等電點(diǎn)附近溶解度最小。等電點(diǎn)結(jié)晶法是分離純化氨基酸的主要單元操作。 3．光學(xué)拆分結(jié)晶法(1)優(yōu)先結(jié)晶法 和(2)復(fù)合體結(jié)晶法,10．5 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,dl苯丙氨酸復(fù)合物的法光學(xué)拆分,1 0．6 熔融結(jié)晶過程與

40、設(shè)備,熔融結(jié)晶:根據(jù)分離物質(zhì)之間的凝固點(diǎn)不同而實(shí)現(xiàn)結(jié)晶分離的過程。用于有機(jī)物的分離提純。一、熔融結(jié)晶的基本操作模式熔融結(jié)晶過程的三種基本操作模式。1）逐步冷凝法（定向結(jié)晶法）：在冷卻表面上從靜止的或熔融體滯流膜中沉析出結(jié)晶層。2）懸浮床結(jié)晶法：在有攪拌的容器中從熔融體中快速結(jié)晶析出晶體粒子，該粒子懸浮在熔融體之中，然后再經(jīng)純化、融化而作為產(chǎn)品排出。,1 0．6 熔融結(jié)晶過程與設(shè)備,3）區(qū)域熔煉法:使待純化的固體材料，順序局部加熱

41、，使熔融區(qū)從一端到另一端通過錠塊，以完成材料的純化或提高結(jié)晶度，改善材料的物理性質(zhì)。前兩種結(jié)晶方法用于有機(jī)物的分離與提純，第三種用于冶金材料精制或高分子材料的加工。 99.99％對(duì)二氯苯 、99.95％的對(duì)二甲苯 、和雙酚A,熔融與溶液結(jié)晶過程的比較,1 0.6 熔融結(jié)晶過程與設(shè)備,二、熔融結(jié)晶設(shè)備1．塔式結(jié)晶器 優(yōu)點(diǎn)是能在單一的設(shè)備中達(dá)到相當(dāng)于若干個(gè)分離級(jí)的分離效果，有較高生產(chǎn)能力。一個(gè)塔式結(jié)晶器有冷凝段、提純段及熔融段三

42、部分。 塔式結(jié)晶器操作原理與精餾塔相似，是在固液兩相之間進(jìn)行。,塔式結(jié)晶器,1 0.6 熔融結(jié)晶過程與設(shè)備,2．蘇爾壽MW B結(jié)晶器裝置的主體設(shè)備為立式列管換熱器式的結(jié)晶器。 結(jié)晶器適用于低共熔及固體溶液物系的分離，得到的產(chǎn)品純度非常高。,蘇爾壽MW B結(jié)晶器,1 0.6 熔融結(jié)晶過程與設(shè)備,3布朗迪提純器 由提純段、精制段及回收段組成，其中精制段及回收段水平放置，內(nèi)裝刮帶式輸送器。提純段垂直放置，內(nèi)裝緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)的攪拌器。,

43、布朗迪結(jié)晶裝置,10．7 其他結(jié)晶方法,其他的特殊結(jié)晶方法有升華結(jié)晶、沉淀結(jié)晶、噴射結(jié)晶、冰析結(jié)晶等。升華是指物質(zhì)直接從固態(tài)變成氣態(tài)的過程，反升華則是氣態(tài)物質(zhì)直接凝結(jié)為固態(tài)的過程。升華結(jié)晶過程包括這兩步，以實(shí)現(xiàn)把一個(gè)升華組分從含其他不升華組分的混合物中分離出來。碘、萘、樟腦等常采用這種方法進(jìn)行分離提純。,10．7 其他結(jié)晶方法,沉淀結(jié)晶包括反應(yīng)結(jié)晶和鹽析結(jié)晶兩個(gè)過程。反應(yīng)結(jié)晶過程產(chǎn)生過飽和度的方法是通過氣體或液體與液體之間的化學(xué)反