结晶过程的相平衡、介稳区与动力学.pptx

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1、第十章第十章 结晶结晶101 概述概述 结晶过程：结晶过程：固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物中析出的过程。工业结晶技术作为高效或熔融物中析出的过程。工业结晶技术作为高效的提纯、净化与控制固体特定物理形态的手段。的提纯、净化与控制固体特定物理形态的手段。晶晶浆浆：在在结结晶晶器器中中结结晶晶出出来来的的晶晶体体和和剩剩余余的的溶溶液液(或熔液或熔液)所构成的混悬物。所构成的混悬物。母液母液：去除悬浮液中的晶体后剩下的溶液：去除悬浮液中的晶体后剩下的溶液(或熔液或熔液)。结晶过程中，含有杂质的母液结晶过程中，含有杂质的母液(或熔液或熔液)会以表面粘附会以表面粘附

2、和晶间包藏的方式夹带在固体产品中。需用适当的溶剂和晶间包藏的方式夹带在固体产品中。需用适当的溶剂对固体进行洗涤对固体进行洗涤。结晶过程的特点结晶过程的特点 1)能能从从杂杂质质含含量量相相当当多多的的溶溶液液或或多多组组分分的的熔熔融融混混合合物物中中形形成成纯纯净净的的晶晶体体。有有时时用用其其他他方方法法难难以以分分离离的的混混合合物物系系，采采用用结结晶晶分分离离更更为为有有效效。如如同同分异构体混合物、共沸物系、热敏性物系等。分异构体混合物、共沸物系、热敏性物系等。2)固固体体产产品品有有特特定定的的晶晶体体结结构构和和形形态态(如如晶晶形形、粒度分布等粒度分布等)。3)能能量量消消耗

3、耗少少，操操作作温温度度低低，对对设设备备材材质质要要求求不不高，三废排放少，有利于环境保护。高，三废排放少，有利于环境保护。4)结晶产品包装、运输、储存或使用都很方便。结晶产品包装、运输、储存或使用都很方便。一、晶体一、晶体结构与特性结构与特性 结结晶晶过过程程有有四四类类：溶溶液液结结晶晶、熔熔融融结结晶晶、沉沉淀淀结晶和升华结晶。结晶和升华结晶。晶晶体体:内内部部结结构构中中的的质质点点元元作作三三维维有有序序规规则则排排列列的固态物质。的固态物质。晶晶体体的的自自范范性性：如如果果晶晶体体生生长长环环境境良良好好，则则可可形形成成有有规规则则的的结结晶晶多多面面体体（晶晶面面）。晶晶体

4、体具具有有自自发发地地生生长长成成为为结结晶晶多多面面体体的的可可能能的的性性质质，即即晶晶体体以平面作为与周围介质的分界面。以平面作为与周围介质的分界面。晶体的均匀性晶体的均匀性：晶体中每一宏观质点的物理性质：晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成以及内部晶格都相同的特性。晶体的这和化学组成以及内部晶格都相同的特性。晶体的这个特性保证了工业生产中晶体产品的高纯度。个特性保证了工业生产中晶体产品的高纯度。一、晶体一、晶体结构与特性结构与特性各各向向异异性性：晶晶体体的的几几何何特特性性及及物物理理效效应应常常随随方方向向的的不同而表现出数量上的差异的性质。不同而表现出数量上的差异的性质。晶晶格

5、格：构构成成晶晶体体的的微微观观质质点点在在空空间间中中按按三三维维空空间间点点阵阵规规律律排排列列，各各质质点点间间在在力力的的作作用用下下，使使质质点点得得以以维维持持在在固固定定的的平平衡衡位位置置，彼彼此此之之间间保保持持一一定定距距离离的结构的结构。晶晶形形：晶晶体体的的宏宏观观外外部部形形状状，它它受受结结晶晶条条件件或或所所处处的的物物理理环环境境的的影影响响比比较较大大，对对于于同同一一种种物物质质，即即使使基基本本晶晶系系不不变变，晶晶形形也也可可能能不不同同，如如六六方方晶晶体体，它它可可以以是是短短粗粗形形、细细长长形形或或带带有有六六角角的的薄薄片片状状，甚甚至至旱旱多

6、多棱棱针状。针状。七种晶系七种晶系晶体按其晶格结构可分为七种晶系晶体按其晶格结构可分为七种晶系 二、晶体的粒度分布二、晶体的粒度分布 晶体粒度分布晶体粒度分布：不同粒度的晶体质量：不同粒度的晶体质量(或粒子数目或粒子数目)与粒度的分布关系，它是晶体产品的一个重要质量与粒度的分布关系，它是晶体产品的一个重要质量指标。指标。可用筛分法可用筛分法(或粒度仪或粒度仪)进行测定，筛分结果标绘进行测定，筛分结果标绘为为筛下累积质量分数与筛孔尺寸筛下累积质量分数与筛孔尺寸的关系曲线，并可的关系曲线，并可换算为换算为累积粒子数及粒数密度与粒度累积粒子数及粒数密度与粒度的关系曲线，的关系曲线，简便的方法是以中间

7、粒度和变异系数来描述粒度分简便的方法是以中间粒度和变异系数来描述粒度分布。布。中间粒度中间粒度(medium size，MS)：筛下累计质量分数：筛下累计质量分数为为50时对应的筛孔尺寸值。时对应的筛孔尺寸值。粒度分布曲线二、晶体的粒度分布二、晶体的粒度分布变异系数变异系数(coefficient of variation，cv)：统计量，：统计量，与与Gaussian分布的标准偏差相关。分布的标准偏差相关。rm%为筛下累积质量分数为为筛下累积质量分数为m的筛孔尺寸。的筛孔尺寸。对于一种晶体样品，对于一种晶体样品，MS越大，越大，平均粒度平均粒度大，大，CV值越小，粒度分布越均匀值越小，粒度分

8、布越均匀。10.2 结晶过程的相平衡及介稳区结晶过程的相平衡及介稳区 一、一、溶解度溶解度 液液固固平平衡衡:任任何何固固体体物物质质与与其其溶溶液液相相接接触触时时，当当溶溶液液尚尚未未饱饱和和，则则固固体体溶溶解解；当当溶溶液液恰恰好好达达到到饱饱和和，则则固固体体溶溶解解与与析析出出的的量量相相等等，此此时时固固体体与与其其溶液已达到相平衡。溶液已达到相平衡。溶溶解解度度：固固液液相相平平衡衡时时，单单位位质质量量的的溶溶剂剂所所能能溶溶解解的的固固体体的的质质量量。溶溶解解度度的的其其他他单单位位有有：克克/升升溶液、摩尔升溶液、摩尔分数等。溶液、摩尔升溶液、摩尔分数等。溶溶解解度度的

9、的影影响响因因素素：溶溶质质及及溶溶剂剂的的性性质质、温温度度及压强。及压强。几种物质在水中的溶解度曲线溶解度曲线溶解度曲线特性特性溶解度曲线溶解度曲线:溶解度对温度之间的关系曲线。溶解度对温度之间的关系曲线。正溶解度特性：正溶解度特性：溶解度随温度的升高而增加，在溶解度随温度的升高而增加，在溶解过程中需要吸收热量的特性。溶解过程中需要吸收热量的特性。L L一维生素一维生素C C、L L一精氨酸一精氨酸 逆溶解度特性：逆溶解度特性：物质的溶解度随温度升高反而下物质的溶解度随温度升高反而下降，在溶解过程中放出热量的特性降，在溶解过程中放出热量的特性。Na2SO4 有一些形成水合物的物质，在其溶解

10、度曲线上有一些形成水合物的物质，在其溶解度曲线上有折点，对应存在不同水分子数的水合物之间的有折点，对应存在不同水分子数的水合物之间的变态点变态点。L一精氨酸一精氨酸、46OC。溶解度曲线溶解度曲线特性特性溶溶解解度度随随温温度度变变化化较较大大的的物物质质冷冷却却结结晶晶方方法法分分离离；溶溶解解度度随随温温度度变变化化较较小小的的物物质质蒸蒸发发结结晶晶法分离。法分离。二、二、两组分物系的固液相图特征两组分物系的固液相图特征一一定定压压力力下下，在在温温度度和和浓浓度度坐坐标标系系中中两两组组分分物物系系的的固固液液相相图图可可分分为为四四类类。反反映映两两组组分分物物系系的的固固液液相相平

11、衡关系。平衡关系。双组分低共熔物系固液相图1低共熔型低共熔型曲线曲线AE和和BE为不同组为不同组成混合物的固液平衡线。成混合物的固液平衡线。低共熔点：低共熔点：点点E的温度，的温度，该点物系完全固化。该点物系完全固化。对于低共熔物系，只对于低共熔物系，只要通过结晶即可得到要通过结晶即可得到纯物质。纯物质。双组分固体溶液物系固液相图2固体溶液型固体溶液型 液相结晶线：液相结晶线：混合物开混合物开始结晶的温度与平衡液始结晶的温度与平衡液相组成之间的关系曲线。相组成之间的关系曲线。固相熔化线：固相熔化线：混合物混合物开始熔融的温度与固开始熔融的温度与固相组成之间的关系曲相组成之间的关系曲线。线。对固

12、体溶液物系，必须经对固体溶液物系，必须经过多级固液平衡才能达到过多级固液平衡才能达到所要求的产品纯度。所要求的产品纯度。溶剂化合物熔化为同组成液相的物系固液相图溶剂化合物熔化为同组成液相的物系固液相图3化合物形成型化合物形成型 对于双组分物系，可能对于双组分物系，可能生成一种或多种溶剂化生成一种或多种溶剂化合物。合物。CaCl2一一H2OCaCl26H2O 固相溶剂化合物能与固相溶剂化合物能与同样组成的液相建立同样组成的液相建立平衡关系平衡关系 多晶型的双组分低共熔型物系固液相图多晶型的双组分低共熔型物系固液相图4晶型转变型晶型转变型三、三、沉淀过程的溶度积原理沉淀过程的溶度积原理 溶度积溶度

13、积Kc:Kc:表示电解质在溶液中溶解度的大小。表示电解质在溶液中溶解度的大小。电解质在溶液中存在着解离平衡电解质在溶液中存在着解离平衡 若理想溶液且达到溶解平衡时，则有若理想溶液且达到溶解平衡时，则有 分别为阳离子和阴离子的浓度。分别为阳离子和阴离子的浓度。溶度积的大小与电解质和溶剂的类型有关。溶度积的大小与电解质和溶剂的类型有关。同离子效应同离子效应：增加溶液中电解质的正离子（或负离：增加溶液中电解质的正离子（或负离子）浓度，会导致电解质溶解度的下降的现象。子）浓度，会导致电解质溶解度的下降的现象。四、溶液的过饱和与介稳区四、溶液的过饱和与介稳区 饱饱和和溶溶液液：浓浓度度恰恰好好等等于于溶

14、溶质质的的溶溶解解度度，即即达达到固液相平衡时的溶液。到固液相平衡时的溶液。过饱和溶液过饱和溶液：含有超过饱和量的溶质的溶液。：含有超过饱和量的溶质的溶液。过饱和度过饱和度：同一温度下，过饱和溶液与饱和溶同一温度下，过饱和溶液与饱和溶液的浓度差液的浓度差。溶液的过饱和度是结晶过程的推动。溶液的过饱和度是结晶过程的推动力。力。将一个完全纯净的溶液在不受任何扰动将一个完全纯净的溶液在不受任何扰动(无搅拌，无搅拌，无振荡无振荡)及任何刺激及任何刺激(无超声波等作用无超声波等作用)的条件下，缓的条件下，缓慢降温，就可以得到过饱和溶液。但超过一定限度慢降温，就可以得到过饱和溶液。但超过一定限度后，澄清的

15、过饱和溶液就会开始自发析出晶核。后，澄清的过饱和溶液就会开始自发析出晶核。四、溶液的过饱和与介稳区四、溶液的过饱和与介稳区溶液的过饱和与超溶解度曲线溶液的过饱和与超溶解度曲线正溶解度特性的正溶解度特性的溶解度曲线溶解度曲线 超溶解度曲线超溶解度曲线 结晶过程应尽量控制在介稳区内进行结晶过程应尽量控制在介稳区内进行，以得到平均以得到平均粒度较大的结晶产品粒度较大的结晶产品，避免产生过多晶核而影响最，避免产生过多晶核而影响最终产品的粒度。终产品的粒度。稳定区不可能进行结晶稳定区不可能进行结晶介稳区介稳区不会自发地不会自发地产生晶核。产生晶核。不稳区不稳区能自发产生能自发产生晶核晶核。10.3 结晶

16、结晶过程的动力学过程的动力学 一、一、结晶成核动力学结晶成核动力学晶核晶核:过饱和溶液中新生成的微小晶体粒子，是晶体过饱和溶液中新生成的微小晶体粒子，是晶体生长过程的核心。生长过程的核心。晶核的大小粗估为数十纳米至几微米。晶核的大小粗估为数十纳米至几微米。晶胚晶胚:在晶核形成之初，快速运动的溶质质点相互碰在晶核形成之初，快速运动的溶质质点相互碰撞结合成的线体单元，线体单元增大到一定限度后粒子。撞结合成的线体单元，线体单元增大到一定限度后粒子。晶胚极不稳定晶胚极不稳定。晶胚晶胚生长到足够大，能与溶液建立热力学平衡时称生长到足够大，能与溶液建立热力学平衡时称之为之为晶核。晶核。成核方式可分为初级成

17、核和二次成核两类。成核方式可分为初级成核和二次成核两类。10.3 结晶结晶过程的动力学过程的动力学1初初级级成成核核：在在没没有有晶晶体体存存在在的的条条件件下下自自发发产产生生晶核的过程。初级成核分为非均相和均相初级成核。晶核的过程。初级成核分为非均相和均相初级成核。均均相相初初级级成成核核：洁洁净净的的过过饱饱和和溶溶液液进进入入介介稳稳区区时时，还还不不能能自自发发地地产产生生晶晶核核，只只有有进进入入不不稳稳区区后后，溶溶液液才才能能自自发发地地产产生生晶晶核核。这这种种在在均均相相过过饱饱和和溶溶液液中中自自发产生晶核的过程。发产生晶核的过程。均相初级成核速率：均相初级成核速率：A指

18、指前前因因子子；Vm摩摩尔尔体体积积；kBoltzmann常常数数；T绝对温度；绝对温度；表面张力。表面张力。比饱和度比饱和度10.3 结晶结晶过程的动力学过程的动力学初级成核过程中晶核的初级成核过程中晶核的临界粒径临界粒径与过饱和度间有关与过饱和度间有关 在过饱和溶液中，只有大于临界粒径的晶核才能生存在过饱和溶液中，只有大于临界粒径的晶核才能生存并继续生长，小于此值的粒子则会溶解消失。并继续生长，小于此值的粒子则会溶解消失。非非均均相相初初级级成成核核：在在工工业业结结晶晶器器中中发发生生均均相相初初级级成成核核的的机机会会比比较较少少，实实际际上上溶溶液液中中有有外外来来固固体体物物质质颗

19、颗粒粒，如如大大气气中中的的灰灰尘尘或或其其他他人人为为引引入入的的固固体体粒粒子子，在在非非均均相相过过饱饱和和溶溶液液中中自自发发产产生生晶晶核核的的过过程程。这这些些外外来来杂杂质质粒粒子子对对初初级级成成核核过过程程有有诱诱导导作作用用，非非均均相相成成核核可可在在比比均相成核更低的过饱和度下发生。均相成核更低的过饱和度下发生。10.3 结晶结晶过程的动力学过程的动力学初级成核速率与过饱和度的经验关联式：初级成核速率与过饱和度的经验关联式：Kp速率常数；速率常数；c过饱和度；过饱和度；a成核指数成核指数,一般一般a2。初初级级成成核核速速率率较较大大，对对过过饱饱和和度度变变化化非非常

20、常敏敏感感，很很难难将将其其控控制制在在一一定定的的水水平平。除除了了超超细细粒粒子子制制造造外外，一一般般结结晶过程都要尽量避免初级成核的发生。晶过程都要尽量避免初级成核的发生。2二二次次成成核核：在在已已有有晶晶体体的的条条件件下下产产生生晶晶核核的的过过程程。二次成核的机理主要有流体剪应力成核和接触成核。二次成核的机理主要有流体剪应力成核和接触成核。剪剪应应力力成成核核：当当过过饱饱和和溶溶液液以以较较大大的的流流速速流流过过正正在在生生长长中中的的晶晶体体表表面面时时，在在流流体体边边界界层层存存在在的的剪剪应应力力能能将将一一些些附附着于晶体之上的粒子扫落，而成为新的晶核。着于晶体之

21、上的粒子扫落，而成为新的晶核。10.3 结晶结晶过程的动力学过程的动力学接接触触成成核核：当当晶晶体体与与其其他他固固体体物物接接触触时时所所产产生生的的晶晶体体表表面面的的碎碎粒粒。在在过过饱饱和和溶溶液液中中，晶晶体体只只要要与与固固体体物物进进行行能能量量很低的接触，就会产生大量的微粒。很低的接触，就会产生大量的微粒。在在工工业业结结晶晶器器中中，晶晶体体与与搅搅拌拌桨桨、器器壁壁间间的的碰碰撞撞，以以及及晶体与晶体之间的碰撞都有可能发生接触成核。晶体与晶体之间的碰撞都有可能发生接触成核。接触成核的几率往往大于剪应力成核接触成核的几率往往大于剪应力成核。二二次次成成核核速速率率的的影影响

22、响因因素素:温温度度、过过饱饱和和度度、晶晶体体的的粒粒度度与硬度、搅拌桨的材质等。与硬度、搅拌桨的材质等。描述二次成核速率经验表达式：描述二次成核速率经验表达式：0h4、0.5I3、0.4j2 n为搅拌强度，如转速或搅拌桨叶端线速；为搅拌强度，如转速或搅拌桨叶端线速；悬浮液悬浮液密度；密度；G晶体的生长速率晶体的生长速率 10.3 结晶结晶过程的动力学过程的动力学二、二、结晶生长动力学结晶生长动力学1晶体生长机理晶体生长机理 在在过过饱饱和和溶溶液液中中已已有有晶晶体体形形成成（加加入入晶晶种种）后后，以以过过饱饱和和度度为为推推动动力力，溶溶质质质质点点会会继继续续一一层层层层地地在在晶晶

23、体体表表面面有有序排列，晶体将长大的过程。序排列，晶体将长大的过程。晶体生长过程有三步晶体生长过程有三步：1）待待结结晶晶溶溶质质借借扩扩散散作作用用穿穿过过靠靠近近晶晶体体表表面面的的静静止止液液层，从溶液中转移至晶体表面。层，从溶液中转移至晶体表面。2）到到达达晶晶体体表表面面的的溶溶质质嵌嵌人人晶晶面面，使使晶晶体体长长大大，同同时时放出结晶热。放出结晶热。3 3）放出来的结晶热传导至溶液中。）放出来的结晶热传导至溶液中。10.3 结晶结晶过程的动力学过程的动力学2结晶生长速率结晶生长速率 大多数溶液结晶时大多数溶液结晶时,晶体生长过程为溶质扩散控制，晶体生长过程为溶质扩散控制，晶体的生

24、长速率晶体的生长速率G为：为：kg生长速率常数生长速率常数 对溶质扩散与表面反应共同控制的结晶生长过程，对溶质扩散与表面反应共同控制的结晶生长过程，其生长速率常用经验公式估算。其生长速率常用经验公式估算。Kg晶体总生长速率常数晶体总生长速率常数 Kg与物系的性质、温度、搅拌等因素有关。与物系的性质、温度、搅拌等因素有关。g生长指数生长指数 10.3 结晶结晶过程的动力学过程的动力学L定定律律:大大多多数数物物系系，悬悬浮浮于于过过饱饱和和溶溶液液中中的的几几何何相相似似的的同同种种晶晶体体都都以以相相同同的的速速率率生生长长，即即晶晶体体的的生长速率与原晶粒的初始粒度无关。生长速率与原晶粒的初

25、始粒度无关。但但某某些些物物系系，晶晶体体生生长长速速率率不不服服从从L定定律律，而而是与粒度的大小相关是与粒度的大小相关,如钾矾水溶液。如钾矾水溶液。结晶生长分散现象结晶生长分散现象:在同一过饱和度下，相同粒度在同一过饱和度下，相同粒度的同种晶体却以不同的速率生长的现象。晶核的生长的同种晶体却以不同的速率生长的现象。晶核的生长常常呈现这种行为，因此在超微粒子的生产中要注意常常呈现这种行为，因此在超微粒子的生产中要注意它的影响。它的影响。10.3 结晶结晶过程的动力学过程的动力学3结晶物理环境对晶体生长过程的影响结晶物理环境对晶体生长过程的影响 环境条件的改变会导致最终结晶产品的环境条件的改变

26、会导致最终结晶产品的外观形外观形态和晶型态和晶型的改变，原因是不同的环境条件对晶体的改变，原因是不同的环境条件对晶体各个晶面生长速率的影响不同。各个晶面生长速率的影响不同。结晶过程中，晶面生长速率的影响因素有两类，结晶过程中，晶面生长速率的影响因素有两类，1)晶晶体体内内部部单单元元对对晶晶面面的的各各种种应应力力；它它是是由由晶晶体体内内部部结结构构决定的，一般不易改变。决定的，一般不易改变。2)晶晶面面与与周周围围环环境境的的各各种种作作用用，如如界界面面粘粘度度、界界面面张张力力、表表面面能能、界界面面分分子子对对周周围围环环境境中中分分子子的的作作用用力力等等。在在实实验验和生产中较易

27、改变和控制的。和生产中较易改变和控制的。最最有有效效和和简简便便的的手手段段是是改改变变溶溶剂剂或或往往结结晶晶母母液液中中加加入入某某些些特定的添加剂。特定的添加剂。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备一一.溶液结晶过程溶液结晶过程 溶液结晶溶液结晶:晶体从过饱和的溶液中析出的晶体从过饱和的溶液中析出的过程。过程。溶液结晶类型溶液结晶类型:冷却结晶法、蒸发结晶法、冷却结晶法、蒸发结晶法、真空冷却结晶法、盐析真空冷却结晶法、盐析(溶析溶析)结晶法、反应结晶法、反应结晶法。结晶法。1.冷却结晶冷却结晶:溶液通过冷却降温变成过饱溶液通过冷却降温变成过饱和，基本上不去除溶剂过程。和，基本上不

28、去除溶剂过程。适适用用于于溶溶解解度度随随温温度度的的降降低低而而显显著著下下降降的的物系。物系。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备冷却结晶方法冷却结晶方法：自然冷却、间壁换热冷却和直接接触冷却。：自然冷却、间壁换热冷却和直接接触冷却。自然冷却法自然冷却法：将热的结晶溶液置于的结晶釜中，靠大气自：将热的结晶溶液置于的结晶釜中，靠大气自然冷却而降温结晶。然冷却而降温结晶。特点特点:产品纯度较低，粒度分布不均，易发生结块现象产品纯度较低，粒度分布不均，易发生结块现象。设备所占空间大，容积生产能力较低。但结晶过程设设备所占空间大，容积生产能力较低。但结晶过程设备造价低。备造价低。间间壁壁换

29、换热热冷冷却却结结晶晶：典典型型的的内内循循环环式式，冷冷却却量量由由夹夹套套换换热热器传递。换热面积的较小，换热量不大。器传递。换热面积的较小，换热量不大。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备内循环式间壁冷却结晶器内循环式间壁冷却结晶器外循环式结晶器传热系数较大，换热面积可变，但必须外循环式结晶器传热系数较大，换热面积可变，但必须选用合适的循环泵，以避免悬浮晶体的磨损破碎。选用合适的循环泵，以避免悬浮晶体的磨损破碎。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备外循环式间壁冷却结晶器104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备外循环式间壁冷却结晶器2间间壁壁换换热热冷冷却却结结晶晶过程

30、的主要困难：过程的主要困难：在在冷冷却却表表面面上上常常会会有有晶晶体体结结出出，称称为为晶晶疤疤或或晶晶垢垢，使使冷冷却效果下降。却效果下降。直接接触冷却结晶直接接触冷却结晶：通过冷却介质与热母液的直接混合而达到通过冷却介质与热母液的直接混合而达到冷却结晶的过程。冷却结晶的过程。冷却介质有空气、与结晶溶液不互溶的碳冷却介质有空气、与结晶溶液不互溶的碳氢化合物和专用的液态冷冻剂。氢化合物和专用的液态冷冻剂。冷却介质可能对结晶产品产生污染，选用冷却介质可能对结晶产品产生污染，选用的冷却介质不能与结晶母液中的溶剂互溶或的冷却介质不能与结晶母液中的溶剂互溶或者虽互溶但应易于分离。者虽互溶但应易于分离

31、。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备2.蒸蒸发发结结晶晶:使使溶溶液液在在常常压压或或减减压压下下蒸蒸发发浓缩而达到过饱和的结晶过程。浓缩而达到过饱和的结晶过程。适适用用于于溶溶解解度度随随温温度度降降低低而而变变化化不不大大或或具具有有逆逆溶溶解解度度特特性性的的物物系系。对对晶晶体体的的粒粒度度不不能能有有效效的的加加以以控控制制。消消耗耗的的热热能能较较多多，加热面问题也给操作带来困难。加热面问题也给操作带来困难。蒸蒸发发结结晶晶器器常常在在真真空空度度不不高高的的减减压压下下操操作作。降降低低操操作作温温度度，以以利利于于热热敏敏性

32、性产产品品的的稳定，并减少热能损耗。稳定，并减少热能损耗。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备3.真真空空绝绝热热冷冷却却结结晶晶：使使溶溶剂剂在在真真空空下下闪闪急蒸发而使溶液绝热冷却的结晶法。急蒸发而使溶液绝热冷却的结晶法。适适用用于于具具有有正正溶溶解解度度特特性性而而溶溶解解度度随随温温度的变化率中等的物系。度的变化率中等的物系。操操作作原原理理：把把热热浓浓溶溶液液送送入入绝绝热热保保温温的的密密闭闭结结晶晶器器中中，器器内内维维持持较较高高的的真真空空度度，由由于于对对应应的的溶溶液液沸沸点点低低于于原原料料液液温温度度，溶溶液液闪闪急急蒸蒸发发而而绝绝热热冷冷却却到到与与

33、器器内内压压强强相相对对应应的的平平衡衡温度。温度。溶溶液液通通过过蒸蒸发发浓浓缩缩及及冷冷却却两两种种效效应应来来产产生生过饱和度。过饱和度。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备特点特点：主体设备结构相对简单，无换热面，：主体设备结构相对简单，无换热面，操作比较稳定，不存在晶垢妨碍传热的问操作比较稳定，不存在晶垢妨碍传热的问题。题。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备4.盐析盐析(溶析溶析)结晶结晶盐盐析析(溶溶析析)结结晶晶：向向溶溶液液中中加加入入某某些些物物质质，以以降降低低溶质在原溶剂中的溶解度，产生过饱和度的方法。溶质在原溶剂中的溶解度，产生过饱和度的方法。盐盐析析

34、剂剂的的要要求求：能能溶溶解解于于原原溶溶液液中中的的溶溶剂剂，但但不不（很很少少）溶溶解解被被结结晶晶的的溶溶质质，而而且且溶溶剂剂与与盐盐析析剂剂的的混混合物易于分离合物易于分离(用蒸馏法用蒸馏法)。NaCl是是一一种种常常用用的的盐盐析析剂剂，如如在在联联合合制制碱碱法法中中，向向低低温温的的饱饱和和氯氯化化铵铵母母液液中中加加入入NaCl，利利用用同同离离子子效效应应，使使母母液液中中的的氯氯化化铵铵尽尽可可能能多多地地结结晶晶出出来来，以以提提高高结结晶晶收率。收率。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备溶溶析析结结晶晶：向向溶溶液液中中加加入入其其他他的的溶溶剂剂使使溶溶质质

35、析析出出的的过程。过程。如如使使不不溶溶于于水水的的有有机机物物质质从从可可溶溶于于水水的的有有机机溶溶剂剂中中结结晶晶出出来来，此此时时加加入入酌酌量量的的水水于于溶溶液液中中。制制药药行行业业中中，常常向向含含有有医医药药物物质质的的水水溶溶液液中中加加入入某某些些有有机机溶溶剂剂(如如低低碳醇、酮、酰胺类等碳醇、酮、酰胺类等)的方法使产物结晶出来。的方法使产物结晶出来。特特点点：结结晶晶温温度度较较低低，对对热热敏敏性性物物质质的的结结晶晶有有利利；一一般般杂杂质质在在溶溶剂剂与与盐盐析析剂剂的的混混合合物物中中有有较较高高的的溶溶解解度度，以以利利于于提提高高产产品品的的纯纯度度；与与

36、冷冷却却法法结结合合，可可提提高高结结晶晶收率收率。需需要要回回收收设设备备来来处处理理结结晶晶母母液液，以以回回收收溶溶剂剂和和盐盐析析剂剂。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备5反应结晶反应结晶 气体与液体或液体与液体之间发生化学反应以产生气体与液体或液体与液体之间发生化学反应以产生固体沉淀，固体的析出是由于反应产物在液相中的浓度固体沉淀，固体的析出是由于反应产物在液相中的浓度超过了饱和浓度或构成产物的各离子的浓度超过了溶度超过了饱和浓度或构成产物的各离子的浓度超过了溶度积的结果。积的结果。反应结晶过程可分为反应和结晶两步，随着反应的反应结晶过程可分为反应和结晶两步，随着反应的进行

37、，反应产物的浓度增大并达到过饱和，在溶液中产进行，反应产物的浓度增大并达到过饱和，在溶液中产生晶核并逐渐长大为较大的晶体颗粒。生晶核并逐渐长大为较大的晶体颗粒。反应结晶产生的固体粒子一般较小。要想获得符合反应结晶产生的固体粒子一般较小。要想获得符合粒度分布要求的晶体产品，必须小心控制溶液的过饱和粒度分布要求的晶体产品，必须小心控制溶液的过饱和度，如将反应试剂适当稀释或适当延长沉淀时间。度，如将反应试剂适当稀释或适当延长沉淀时间。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备二、二、典型的溶液结晶器典型的溶液结晶器强强迫迫外外循循环环结结晶晶器器、流流化化床床结结晶晶器器、DTB结晶器等。结晶器等

38、。1强迫外循环结晶器强迫外循环结晶器结结晶晶器器可可用用于于间间接接冷冷却却法法、蒸蒸发发法法及及真真空冷却法结晶过程。空冷却法结晶过程。特特点点：生生产产能能力力很很大大，泵泵所所需需的的压压头头较较高高，循循环环晶晶浆浆中中晶晶体体与与叶叶轮轮之之间间的的接接触触成成核核速速率率较较高高。循循环环量量较较低低，产产品品平平均均粒粒度度较小较小，粒度分布较宽粒度分布较宽。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备2流化床型结晶器流化床型结晶器 特特点点：过过饱饱和和度度产产生生的的区区域域与与晶晶体体成成长长区区分分别别设设置置在在结结晶晶器器的的两两处处，循循环环液液中中基基本本上上不不

39、含含晶晶粒粒，从从而而避避免免发发生生叶叶轮轮与与晶晶体体间间的的接接触触成成核核现现象象，结结晶晶室室的的粒粒度度分分级级作作用用，使这种结晶器所生产的，使这种结晶器所生产的晶体大而均匀晶体大而均匀。生生产产能能力力受受到到限限制制，必必须须限限制制液液体体的的循循环环速速度度及及悬悬浮浮密密度度，把把结结晶晶室室中中悬悬浮浮液液的的澄澄清清界界面面限限制制在在循循环环泵泵的的入入口口以以下下，以以防防止母液中挟带明显数量的晶体。止母液中挟带明显数量的晶体。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备流化床型结晶器104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备流化床型结晶器104 溶液结晶过程

40、与设备溶液结晶过程与设备3.DTB型结晶器型结晶器具有导流桶及挡板的结晶器的简称。晶浆内具有导流桶及挡板的结晶器的简称。晶浆内循环结晶器。循环结晶器。用于真空冷却法、蒸发法、直接接触冷冻法用于真空冷却法、蒸发法、直接接触冷冻法以及反应结晶法等多种结晶操作。以及反应结晶法等多种结晶操作。性性能能优优良良，生生产产强强度度高高，能能产产生生粒粒度度达达6001200m的大粒结晶产品，器内不易结晶疤。的大粒结晶产品，器内不易结晶疤。104 溶液结晶过程与设备溶液结晶过程与设备DTB型真空结晶器105 结晶操作及其应用结晶操作及其应用 一、一、结晶操作特性结晶操作特性 结结晶晶是是在在过过饱饱和和溶溶

41、液液中中生生成成新新相相的的过过程程，涉涉及及固固液液相相平平衡衡。对对特特定定的的目目标标产产物物及及物物系系，需需通通过过实实验验确确定定合合适适的的结结晶晶操操作作条条件件，满满足足结结晶晶产产品品质质量量要要求求，提提高高结结晶晶生生产产能能力，降低过程成本。力，降低过程成本。结晶操作中的问题。结晶操作中的问题。1过过饱饱和和度度 增增大大溶溶液液过过饱饱和和度度可可提提高高成成核核速速率率和和生生长长速速率率，有有利利于于提提高高结结晶晶生生产能力。产能力。105 结晶操作及其应用结晶操作及其应用过饱和度过大会出现问题过饱和度过大会出现问题：1）成核速率过快，产生大量微小晶体，成核速

42、率过快，产生大量微小晶体，结晶难以长大；结晶难以长大；2）结晶生长速率过快，影响结晶质量；结晶生长速率过快，影响结晶质量；3）结晶器壁容易产生晶垢。结晶器壁容易产生晶垢。存在最大过饱和度，可保证在较高成核存在最大过饱和度，可保证在较高成核和生长速率的同时，不影响结晶的质量。和生长速率的同时，不影响结晶的质量。在不易产生晶垢的过饱和度下进行。在不易产生晶垢的过饱和度下进行。105 结晶操作及其应用结晶操作及其应用105 结晶操作及其应用结晶操作及其应用2温温度度 温温度度的的不不同同，生生成成的的晶晶形形和和结结晶晶水水会会发发生生改改变变，温温度度一一般般控控制制在在较较小小的的温温度度范范围

43、围内内。冷冷却却结结晶晶时时，若若降降温温速速度度过过快快，溶溶液液很很快快达达到到较较高高的的过过饱饱和和度度，生生成成大大量量微微小小晶晶体体，影影响响结结晶晶产产品品的的质质量量。温温度度最最好好控控制制在在饱和温度与过饱和温度之间饱和温度与过饱和温度之间。蒸蒸发发结结晶晶时时，蒸蒸发发速速度度过过快快，则则溶溶液液的的过过饱饱度度较较大大，生生成成微微小小晶晶体体，附附着着在在结结晶晶表表面面，影影响响结结晶晶产产品品的的质质量量。蒸蒸发发速速度度应应与与结结晶晶生生长长速速率率相相适适应应，保保持持溶溶液液的的过过饱饱和和度度一一定定。工工业业结结晶晶操操作作常常采采用用真真空空绝绝

44、热热蒸蒸发发，不不设设外外部部循循环环加加热热装装置置，蒸蒸发发室室内内温温度度较较低低，可可防防止止过过饱饱和和度度的的剧烈变化。剧烈变化。105 结晶操作及其应用结晶操作及其应用3搅拌与混合搅拌与混合增增大大搅搅拌拌速速度度可可提提高高成成核核和和生生长长速速率率，搅搅拌拌速速度度过过快快会会造造成成晶晶体体的的剪剪切切破破碎碎，影影响响结结晶晶产产品品质质量量。为为获获得得较较好好的的混混合合状状态态，同同时时避避免免结结晶晶的的破破碎碎，可可采采用用气气提提式式混混合合方方式式，或或利利用用直直径径或或叶叶片片较较大大的的搅搅拌拌桨桨，降低桨的转速。降低桨的转速。105 结晶操作及其应

45、用结晶操作及其应用4溶剂与溶剂与pH值值结结晶晶操操作作采采用用的的溶溶剂剂和和pH值值应应使使目目标标溶溶质质的的溶溶解解度度较较低低，以以提提高高结结晶晶的的收收率率。溶溶剂剂和和pH值值对对晶晶形形有有影影响响。如如普普鲁鲁卡卡因因青青霉霉素素在在水水溶溶液液中中的的结结晶晶为为方方形形晶晶体体，在在醋醋酸酸丁丁酯酯中中的的结结晶晶为为长长棒棒状状。在在设设计计结结晶晶操操作作前前需需实实验验确确定定使使结结晶晶晶晶形形较较好好的的溶溶剂剂和和pH值。值。105 结晶操作及其应用结晶操作及其应用5.晶种晶种向处于介稳区的过饱和溶液中添加颗粒向处于介稳区的过饱和溶液中添加颗粒均匀的晶种。对

46、于溶液粘度较高的物系，均匀的晶种。对于溶液粘度较高的物系，晶核很难产生，而在高过饱度下，一旦产晶核很难产生，而在高过饱度下，一旦产生晶核，就会同时出现大量晶核，容易发生晶核，就会同时出现大量晶核，容易发生聚晶现象，产品质量不易控制。生聚晶现象，产品质量不易控制。高粘度物系必须用在介稳区内添加晶种高粘度物系必须用在介稳区内添加晶种的操作方法的操作方法。105 结晶操作及其应用结晶操作及其应用6晶浆浓度晶浆浓度晶浆浓度越高，单位体积结晶器中结晶晶浆浓度越高，单位体积结晶器中结晶表面积越大，结晶生长速率越快，有利于表面积越大，结晶生长速率越快，有利于提高结晶生产速度提高结晶生产速度(产量产量)。但晶

47、浆浓度过高。但晶浆浓度过高时，悬浮液的流动性差，混合操作困难。时，悬浮液的流动性差，混合操作困难。晶浆浓度应在操作条件允许的范围内取晶浆浓度应在操作条件允许的范围内取最大值。最大值。在间歇操作中，晶种的添加量应在间歇操作中，晶种的添加量应根据最终结晶产品的大小，满足晶浆浓度根据最终结晶产品的大小，满足晶浆浓度最大的高效生产要求。最大的高效生产要求。105 结晶操作及其应用结晶操作及其应用7循环流速循环流速用外部循环式结晶器时，循环流速的设定要合理。用外部循环式结晶器时，循环流速的设定要合理。提高循环流速提高循环流速1）有有利利于于消消除除设设备备内内的的过过饱饱和和度度分分布布，使使设设备备内

48、内的的结结晶成核速率及生长速率分布均匀；晶成核速率及生长速率分布均匀；2）可增大固液表面传质系数，提高结晶生长速率；）可增大固液表面传质系数，提高结晶生长速率；3）提高换热效率，抑制换热器表面晶垢的生成；）提高换热效率，抑制换热器表面晶垢的生成；循环流速过高会造成结晶的磨损破碎。循环流速过高会造成结晶的磨损破碎。循环流速应在循环流速应在无结晶磨损破碎的范围内取较大的值无结晶磨损破碎的范围内取较大的值。如果结晶器具备。如果结晶器具备结晶分级功能，循环流速也不宜过高，应保证分级功能结晶分级功能，循环流速也不宜过高，应保证分级功能的正常发挥。的正常发挥。105 结晶操作及其应用结晶操作及其应用8结晶

49、系统的晶垢结晶系统的晶垢 结晶器壁及循环系统中产生晶垢，影响结晶过程效率。结晶器壁及循环系统中产生晶垢，影响结晶过程效率。防止晶垢或除去晶垢方法防止晶垢或除去晶垢方法：1）壁壁内内表表面面采采用用有有机机涂涂料料，保保持持壁壁面面光光滑滑，防防止止在在器器壁上的二维成核现象的发生；壁上的二维成核现象的发生；2）提提高高结结晶晶系系统统中中流流体体流流速速，使使流流速速分分布布均均匀匀，消消除除低流速区；低流速区；3）若外循环液体为过饱和溶液，使其中不含有晶种；）若外循环液体为过饱和溶液，使其中不含有晶种；4）采用夹套保温方式防止壁面附近过饱和度过高；）采用夹套保温方式防止壁面附近过饱和度过高；

50、5）增设晶垢铲除装置，定期添加溶剂溶解产生的晶垢；）增设晶垢铲除装置，定期添加溶剂溶解产生的晶垢；6）蒸蒸发发室室壁壁面面极极易易产产生生晶晶垢垢，可可采采用用喷喷淋淋溶溶剂剂的的方方式式溶解晶垢。溶解晶垢。105 结晶操作及其应用结晶操作及其应用9共存杂质的影响共存杂质的影响结结晶晶的的对对象象是是多多组组分分物物系系，要要选选择择性性结结晶目标产物。晶目标产物。如如果果共共存存杂杂质质的的浓浓度度较较低低，一一般般对对目目标标产产物物的的结结晶晶无无明明显显影影响响。但但如如果果在在结结晶晶操操作作中中杂杂质质含含量量不不断断升升高高(如如采采用用蒸蒸发发式式结结晶晶操操作作时时)，杂杂质