结晶技术原理ppt课件.ppt

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1、第十一章结 晶,一、概述,基本情况：结晶是一种历史悠久的分离技术，5000年前中国人的祖先已开始利用结晶原理制造食盐。目前结晶技术广泛应用于化学工业，在氨基酸、有机酸和抗生素等生物产物的生产过程中也已成为重要的分离纯化手段，可以认为，大多数固体产品都是以结晶的形式出售的。因此，在产品的制造过程中一般都要利用结晶技术。结晶理论是通过无机盐的结晶现象研究发展起来的，但其基本原理也适用于生物产物的结晶。但生物产物结晶的研究历史较短，基础数据的积累较少，目前仍是重要的研究课题。,特点,(1) 选择性高：只有同类分子或离子才能排列成晶体 (2) 纯度高：通过结晶，溶液中大部分的杂质会留在母液中，再通过过

2、滤、洗涤，可以得到纯度较高的晶体。 (3) 设备简单，操作方便(4) 影响因素多,二、基本概念,1、结晶（Cystallization）：是从液相或气相生成形状一定、分子（或原子、离子）有规则排列的晶体的现象。结晶可以人液相或气相中生成，但工业结晶操作主要以液体原料为对象。显然，结晶是新相生成的过程，是利用溶质之间溶解度的差别进行分离纯化的一种扩散分离操作，这一点与沉淀的生成原理是一致的。两者的区别在于：结晶是内部结构的质点元（原子、分子、离子）作三维有序规则排列、形状一定的固体粒子，而沉淀则是无规则排列的、无定形粒子。结晶的形成需在严密控制的操作条件下进行，因此，结晶的纯度远高于沉淀。,2、

3、晶体：,是内部结构中的质点（原子、离子、分子）作规律排列的固态物体。结晶多面体：,漂亮的钻石,3、晶面、晶棱,三、晶体性质,（1）自范性（2）各向异性（3）均匀性,四、结晶的基本原理,溶液的饱和与溶解度过饱和度饱和溶液：当溶液中溶质浓度等于该溶质在同等条件下的饱和溶解度时，该溶液称为饱和溶液； 过饱和溶液：溶质浓度超过饱和溶解度时，该溶液称之为过饱和溶液； 溶质只有在过饱和溶液中才能析出；要使溶质从溶液中结晶出来，必有设法产生一定的过饱和度作为推动力。,1、饱和曲线与过饱和曲线,冷却蒸发过程,上图分析,A 稳定区： 不饱和区，没有结晶的可能。B、C 介稳区或亚稳区：在此区域内，如果不采取措施，

4、溶液可以长时间保持稳定，如遇到某种刺激，则会有结晶析出。另外，此区不会自发产生晶核，但如已有晶核，则晶核长大而吸收溶质，直至浓度回落到饱和线上。介稳区又细分为两个区第一介稳区：加入晶种（结晶过程中加入的促进结晶的晶体），结晶会生长，但不产新晶核第二介稳区：加入晶种结晶会生长，同时有新晶核产生,D 不稳区：是自发成核区域，溶液不稳定，瞬时出现大量微小晶核，发生晶核泛滥。上述三个区域，稳定区内，溶液牌不饱和状态，没有结晶；不稳区内，晶核形成的速度较大，因此产生的结晶量大，晶粒小，质量难以控制；介稳区内，晶核的形成速率较慢，生产中常采用加入晶种的方法，并把溶液浓度控制在介稳区内的养晶区，让晶体慢慢长

5、大。,上图分析,过饱和曲线,与溶解度曲线不同，溶解度曲线是恒定的，而过饱和曲线的位置不是固定的。对于一定的系统，它的位置至少和三个因素有关：（1）产生过饱和度的速度（冷却和蒸发速度）（2）加晶种的情况；（3）机械搅拌的强度。冷却或蒸发的速度越慢，晶种越小，机械搅拌越激烈，则过饱和曲线越向溶解度曲线靠近。在生产中应尽量控制各种条件，使曲线1和2之间有一个比较宽的区域，便于结晶操作的控制。,2、结晶过程的实质,（1）结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出，形成新相的过程。（2）这一过程不仅包括溶质分子凝聚成固体，还包括这些分子有规律地排列在一定晶格中，这一过程与表面分子化学键力变化有关；因此，结晶过程

6、是一个表面化学反应过程。,3、晶体的形成,形成新相（固体）需要一定的表面自由能。因此，溶液浓度达到饱和溶解度时，晶体尚不能析出，只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出。首先形成晶核（晶核是过饱和溶液中初始生成的微小晶粒，是晶体成长过程必不可少的核心。），微小的晶核具有较大的溶解度。实质上，在饱和溶液中，晶核是处于一种形成溶解再形成的动态平衡之中，只有达到一定的过饱和度以后，晶核才能够稳定存在,4、结晶过程：,(1) 过饱和溶液的形成(2) 晶核生成(3) 晶体的生长其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。 推动力：c=c-c 其中 c过饱和溶液的浓度 c饱和溶液

7、的浓度,过饱和溶液的形成方法,(1) 冷却（等溶剂结晶） ：适用于溶解度随温度升高而增加的体系；同时，溶解度随温度变化的幅度要适中； (2) 溶剂蒸发（等温结晶法） ：适用于溶解度随温度降低变化不大的体系，或随温度升高溶解度降低的体系； (3) 改变溶剂性质(4) 化学反应产生低溶解度物质：加入反应剂产生新物质，当该新物质的溶解度超过饱和溶解度时，即有晶体析出；,5、晶体纯度,为什么晶体是很纯的？晶体是化学均一的固体，但结晶溶液中的杂质却通常是相当多的，结晶时，溶液中溶质因其溶解度与杂质的溶解度不同，溶质结晶而杂质留在溶液中，因而互相分离，或两者的溶解度虽相差不大，但晶格不同，彼此“格格不入”

8、而互相分离，所以原始溶液中虽含杂质，结晶出来的晶体却非常纯洁。因此，结晶是生产纯固体，告别是小分子产品最有效的方法之一。,纯度影响因素,（1）母液在晶体表面的吸藏（2）形成晶簇，包藏母液（3）晶习：一定环境中，晶体的外部形态。晶习是各晶面以不同的速率生长，从而形成不同外形的晶体，这种习性及最终形成的晶体外形。,五、晶核的形成,晶核是过饱和溶液中初始生成的微小晶粒，是晶体成长过程必不可少的核心。,1、形成方式,(1) 初级成核：过饱和溶液中的自发成核现象，在没有晶体存在的过饱和溶液中自发产生晶核的过程。a 均相成核：在介稳区内，洁净的过饱和溶液还不能自发地产生晶核。只有进入不稳区后，晶核才能自发

9、地产生。这种在均相过饱和溶液中自发产生晶核的过程称为均相初级成核。 b 非均相成核：如果溶液中混入外来固体杂质粒子，如空气中的灰尘或其它人为引入的固体粒子，则这些杂质粒子对初级成核有诱导作用。这种在非均相过饱和溶液(在此非均相指溶液中混入了固体杂质颗粒)自发产生晶核的过程称为非均相初级成核。,形成方式,(2) 二次成核：在有晶体存在的过饱和溶液中进行的，称为二级成核或次级成核。在过饱和溶液成核之前加入晶种诱导晶核生成，或者在已有晶体析出的溶液中再进一步成核均属于二级成核。应予指出，初级成核的速率要比二级成核速率大得多，而且对过饱和度变化非常敏感，故其成核速率很难控制。因此，除了超细粒子制造外，

10、一般结晶过程都要尽量避免发生初级成核，而应以二级成核作为晶核的主要来源。,2、二次成核,受已存在的宏观晶体的影响而形成晶核的现象，称为二次成核。是晶核的主要来源。两种机理：（1）液体剪应力成核：由于过饱和液体与正在成长的晶体之间的相对运动，液体边界层和晶体表面的速度差，在晶体表面产生的剪切力，将附着于晶体之上的微粒子扫落，而成为新的晶核。 （2）接触成核（碰撞成核）：指当晶体之间或晶体与其它固体物接触时，晶体表面的破碎成为新的晶核。在结晶器中晶体与搅拌桨叶、器壁或挡板之间的碰撞、晶体与晶体之间的碰撞都有可能产生接触成核。主要由搅拌强度有关。被认为是获得晶核最简单，最好的方法。,接触成核,优点：

11、动力学级数较低，即溶液过饱和度对成核影响较小。在低过饱和度下进行，能得到优质结晶产品。产生晶核所需要的能量非常低，被碰撞的晶体不会造成宏观上的磨损。 4种方式：(1)晶体与搅拌螺旋桨间的碰撞；(2)湍流下晶体与结晶器壁间的碰撞；(3)湍流下晶体与晶体的碰撞；(4)沉降速度不同，晶体与晶体的碰撞。以第一种为主。,影响接触成核的因素,（1）过饱和度的影响（2）碰撞能量E的影响：碰撞的能量E越大产生的晶粒数越多。（3）螺旋桨的影响：螺旋浆对接触成核的影响最大，主要体现在它的转速和桨叶端速度上。为了避免产生过量的晶核，螺旋桨总是在适宜的低转速下运行。另外螺旋桨的材质对成核也有一定的影响。软的桨叶吸收了

12、大部分的碰撞能量，使晶核生成量大幅度减小（聚乙烯桨叶与不锈钢桨叶相比，晶核的生成量相差4倍以上，也有晶核的生成与材质无关的报道）。一般情况下，低转速时，桨叶材质的影响要突出些。（4）晶体粒度的影响：同一温度下，小粒子较大粒子具有更大表面能，这一差别使得微小晶体的溶解度高于粒度大的晶体。如果溶液中大小晶粒同时存在，则微小晶粒溶解而大晶粒生长，直至小晶粒完全消失。因此存在一个临界粒度值。晶体的粒度只有大于此临界值，才能成为可以继续长大的稳定的晶核。接触成核中晶核生成量与晶体粒度有着密切的关系。粒度小于某最小值的晶体，其单个晶体的成核速率接近于零。粒度增大，接触的频率和碰撞的能量增大，单个晶体的成核

13、速率增大。超过某一最大值后，接触的频率降低，成核的速率下降。当晶粒大于某一界限时，晶粒不再参与循环而沉降在结晶器的底部。,控制成核现象的措施,维持稳定的过饱和度限制晶体的生长速率尽可能减低晶体的机械碰撞能量及几率对溶液进行加热、过滤等预处理使符合要求的晶粒得以及时排出将含有过量细晶母液取出后细消后送回结晶器调节pH值或加入具选择性的添加剂以改变成核速率,六、杂质对晶体生长速率的影响,浓度仅为10-6mg/L量级或者更低，即可显著地影响结晶行为，其中包括对溶解度、介稳区宽度、晶体成核及成长速率、晶习及粒度分布的影响等。杂质对结晶行为的影响是复杂的，目前尚没有公认的普遍规律。 途径有以下几点：（1

14、）通过改变溶液的结构或平衡饱和浓度，改变晶体与溶液之间的界面上液层的特性，影响溶质长入晶面。（2）杂质本身在晶面上吸附，产生阻挡作用。（3）如晶格有相似之处，杂质有可能长入晶体内。,七、结晶操作,连续结晶分批结晶但我国目前仍以分批为主,1、分批结晶的步骤,结晶器的清洁加料到结晶器中产生过饱和度成核与晶体生长晶体的排除,操作方式,分批结晶优、缺点,优点：生产出指定纯度，粒度分布及晶形的产品缺点：成本高， 操作和产品质量稳定性差。,2、连续结晶,特点：较好地使用劳动力设备寿命长多变的生产能力晶体粒度及分布可控较好的冷却与加热装置产品稳定并使损耗减少到最小,方式,（1）细晶消除（2）产品粒度分级排料

15、（3）清母液溢流,（1）细晶消除,在工业结晶过程中，由于成核速率难以控制，使晶体数量过多，平均粒度过小，粒度分布过宽，而且还会使结晶收率降低。因此，在连续结晶操作中常采用“细晶消除”的方法，以减少晶体数量，达到提高晶体平均粒度，控制粒度分布，提高结晶收率的目的。常用的细晶消除方法是根据淘析原理，在结晶器内部或下部建立一个澄清区，晶浆在此区域内以很低的速度上流，由于粒度大小不同的晶体具有不同的沉降速度，当晶粒的沉降速度大于晶浆上流速度时，晶粒就会沉降下来，故较大的晶粒沉降下来，回到结晶器的主体部分，重新参与晶浆循环而继续长大，最后排出结晶器进入分级排料器。而较小晶粒则随流体上流从澄清区溢流而出，

16、进入细晶消除系统，采用加热或稀释的方法使细小晶粒溶解，然后经循环泵重新回到结晶器中。“细晶消除”有效地减少了晶核数量，从而提高了结晶产品的质量和收率。,（2）产品粒度分级排料,这种操作方法常被混合悬浮型连续结晶器所采用，以实现对晶体粒度分布的调节。含有晶体的混合液从结晶器中流出前，先使其流过一个分级排料器，分级排料器可以是淘析腿、旋液分离器或湿筛，它可将大小不同的晶粒分离，其中小于某一产品分级粒度的晶体被送回结晶器继续长大，达到产品分级粒度的晶体作为产品排出系统，因此分级排料装置是控制颗粒大小和粒度分布的关键。,（3）清母液溢流,清母液溢流是调节结晶器内晶浆密度的主要手段。从澄清区溢流出来的母

17、液中，总是含有一些小于某一粒度的细小晶粒，所以实际生产中并不存在真正的清母液，为了避免流失过多的固相产品组分，一般将溢流出的带细晶的母液先经旋液分离器或湿筛分离，然后将含较少细晶的液流排出结晶系统，含较多细晶的液流经细晶消除后循环使用。,3、常用的工业起晶方法,自然起晶法：溶剂蒸发进入不稳定区形成晶核、当产生一定量的晶种后，加入稀溶液使溶液浓度降至介稳区，新的晶种不再产生，溶质在晶种表面生长。刺激起晶法：将溶液蒸发至介稳区后，冷却，进入不稳定区，形成一定量的晶核，此时溶液的浓度会有所降低，进入并稳定在亚稳定的养晶区使晶体生长。晶种起晶法：将溶液蒸发后冷却至介稳区的较低浓度，加入一定量和一定大小

18、的晶种，使溶质在晶种表面生长。,4、影响晶体生长速度的因素,杂质：改变晶体和溶液之间界面的滞留层特性，影响溶质长入晶体、改变晶体外形、因杂质吸附导致的晶体生长缓慢；搅拌：加速晶体生长、加速晶核的生成；温度：促进表面化学反应速度的提高，增加结晶速度；,5、提高晶体质量的方法,晶体质量包括三个方面的内容：晶体大小形状纯度影响晶体大小的因素：温度、晶核质量、搅拌等影响晶体形状的因素：改变过饱和度、改变溶剂体系、杂质影响晶体纯度的因素：母液中的杂质、结晶速度、晶体粒度及粒度分布,八、重结晶,经过一次粗结晶后，得到的晶体通常会含有一定量的杂质。此时工业上常常需要采用重结晶的方式进行精制。重结晶是利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合适的溶剂再次结晶，以获得高纯度的晶体的操作。重结晶的操作过程（1）选择合适的溶剂；（2）将经过粗结晶的物质加入少量的热溶剂中，并使之溶解；（3）冷却使之再次结晶；（4）分离母液；（5）洗涤；,九、结晶设备,自学,本章完,