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1、第九章 结晶,a：金刚石 b: 石墨 c: 六角金刚石 d, e, f: 足球烯 g, h: 石墨烯,一、概述 结晶：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的提纯、净化与控制固体特定物理形态的手段,晶浆：在结晶器中结晶出来的晶体和剩余的溶液(或熔液)所构成的混悬物。 母液：去除悬浮液中的晶体后剩下的溶液(或熔液)。,结晶过程中，含有杂质的母液(或熔液)会以表面粘附和晶间包藏的方式夹带在固体产品中。用适当的溶剂对固体进行洗涤 。,第一节 基本概念,结晶过程的特点,1) 选择性高，能从杂质含量相当多的溶液或多组分的熔融混合物中直接分离获得高纯或超纯的晶体制品。 2
2、) 适用于难以分离的混合物系，采用结晶分离更为有效。如同分异构体混合物、共沸物系、热敏性物系等。 3) 能量消耗少，操作温度低。 4) 对设备材质要求不高，三废排放少，有利于环境保护。,一、晶体结构与特性,结晶过程：溶液结晶、熔融结晶、沉淀结晶和升华结晶。 晶体:内部结构中的质点元作三维有序规则排列的固态物质。,均匀性：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。晶体的这个特性保证了工业生产中晶体产品的高纯度。 各向异性：晶体的几何特性及物理效应常随方向的不同而表现出数量上的差异的性质。,晶格：构成晶体的微观质点在晶体所占有的空间中按三维空间点阵规律排列，各质点间在力的作用
3、下，使质点得以维持在固定的平衡位置，彼此之间保持一定距离的结构。,晶形：晶体的宏观外部形状，它受结晶条件或所处的物理环境的影响比较大，对于同一种物质，即使基本晶系不变，晶形也可能不同，如六方晶体，它可以是短粗形、细长形或带有六角的薄片状，甚至旱多棱针状。,七种晶系,晶体按其晶格结构可分为七种晶系,一、 溶解度 溶解度：一定温度下，溶质在溶剂中的最大溶解能力。溶解度的单位有：kg溶质/kg溶剂，克/升溶液、摩尔升溶液、摩尔分数等。 液固平衡: 任何固体物质与其溶液相接触时，当溶液尚未饱和，则固体溶解；当溶液恰好达到饱和，则固体溶解与析出的量相等，此时固体与其溶液已达到相平衡。因此，溶解度习惯上称
4、为饱和浓度或平衡浓度，其对应的溶液称为饱和溶液。 溶解度的影响因素：溶质及溶剂的性质、温度及压强。,溶解度曲线:溶解度对温度之间的关系曲线。,正溶解度特性,逆溶解度特性,溶解度数据是结晶操作的重要依据，可以大体计算晶体产量。,饱和溶液：浓度恰好等于溶质的溶解度，即达到固液相平衡时的溶液。,过饱和溶液：含有超过饱和量的溶质的溶液。,过饱和度：同一温度下，过饱和溶液与饱和溶液的浓度差。溶液的过饱和度是结晶过程的推动力。,将饱和溶液缓慢降将至一定温度后，就可以得到过饱和溶液。但超过一定限度后，澄清的过饱和溶液就会开始自发析出晶核，该浓度界限所连成的曲线称为超溶解度曲线。,相对过饱和度：过饱和度与对应
5、温度下的饱和度之比。,C：过饱和溶液浓度 C*：饱和溶液浓度,溶液的过饱和与介稳区,溶液的过饱和与超溶解度曲线,正溶解度特性的溶解度曲线,超溶解度曲线,结晶过程应尽量控制在介稳区内进行，以得到平均粒度较大的结晶产品，避免产生过多晶核而影响最终产品的粒度。,稳定区不可能进行结晶,介稳区不会自发地产生晶核。,不稳区能自发产生晶核 。,例：KNO3在水中的溶解度，20时为0.304kg/kg， 100时为2.470kg/kg。若将1000kg，100的KNO3在水饱和溶液冷却 降温至20，计算理论上可以析出的晶体质量。,一、结晶操作的性能指标,晶体产品的纯度:结晶操作一般要求较高的纯度，纯度越高，产
6、品附加值越大。工业结晶过程中，影响结晶纯度的因素主要有母液、晶体粒度、晶簇、杂质等。,母液：母液中含有较多的杂质，处理不净，易降低产品的纯度，晶浆分离后，利用纯溶剂进行洗涤，以除去残留于空隙间的母液及杂质。 晶体粒度：粒度大而均匀的晶粒母液夹带量小，且易于过滤和洗涤。 晶簇：晶簇容易包藏母液，因此操作时可适当加以搅拌。 色素：添加适量的活性炭，脱去溶液中的色素等杂质。,实际生产中，通常需要进行重结晶。,第二节 结晶操作与控制,晶体的产量:晶体的产量取决于溶液的初始浓度和结晶后母液的浓度，而后者由操作的终了温度所决定。,随温度变化敏感的物系结晶，操作温度降低，溶解度减小，母液浓度降低，因此产量可
7、以提高。然而，温度降低，杂质的溶解度也随之降低，杂质的析出量也相应增大，导致晶体纯度的下降。 此外，低温也将引起母液稠度的增加，导致微细晶粒的大量涌现，易造成晶体粒度分布的不均。 为提高产量，通常对结晶后的母液进行回收再利用，即实现母液的循环套用，可提高溶质的析出量。,二、结晶过程,晶核: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。晶核的大小粗估为数十纳米至几微米。,晶胚: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。晶胚极不稳定 。晶胚生长到足够大，能与溶液建立热力学平衡时称之为晶核。,成核方式可分为初级成核和二次成核两类。,初级成核：
8、在没有晶体存在的条件下自发产生晶核的过程。,二次成核：在已有晶体的条件下产生晶核的过程，在工业结晶中，二次成核过程为晶核的主要来源。,晶体生长机理 在过饱和溶液中已有晶体形成（加入晶种）后，以过饱和度为推动力，溶质质点会继续一层层地在晶体表面有序排列，晶体将长大的过程。,晶体生长过程有两步： 1）第一步，待结晶溶质由溶液主体向晶体表面的转移扩散过程； 2）第二步，溶质由晶体表面嵌入晶面的表面反应过程。,三、结晶方式 晶体从过饱和的溶液中析出的过程，同一物质采用不同的结晶方式，可以获得完全不同的晶形，并影响晶体的其它品质。常用的结晶方式有： 自然结晶: 在没有搅拌和外加晶种的条件下，过饱和溶液自
9、然生成晶体的方式称为自然结晶。 自然结晶获得的晶体颗粒较大，表面积较小，不易潮解，一般适用于熔点低、有潮解性的晶体产品。 搅拌结晶: 可以使晶体均匀、松散、不易潮解，适用于熔点较高、潮解性较低的产品。 外加晶种结晶: 在物料的溶液中添加某种晶种使其结晶的过程，添加晶种需要注意选择合适的温度。,四、结晶操作方式 根据生产的要求和特点，结晶操作分为连续、半连续和间歇式三种操作方式。 连续结晶操作: 产量大、成本低、劳动强度低、母液利用率高；缺点：易结垢，晶体平均粒度小、操作波动性大，控制要求高。适用于产量大，附加值较低的产品处理。 间歇结晶操作: 条件易控制、便于对设备的批间清洗，有效防止产品的批
10、间污染。缺点：生产成本相对较高、生产重复性较差。适合小批量、高纯度、高附加值的精细药物中间体的生产。 半连续结晶: 为连续结晶和间歇结晶的组合，同时具有两者的优点。 一般料液处理量100kg/h的结晶，多选用间歇结晶操作；对于处理量20m3/h，宜选用连续操作。,五、结晶操作控制 连续结晶的控制：一般采取“过饱和度控制”和“细晶消除”措施。 过饱和度是结晶过程严格控制的参数，其值一般维持在介稳区范围内。可以提高晶体的粒度及其分布指标。 “细晶消除”，通常在结晶装置的内部设置一澄清区，当晶浆向上涌动时，粒度较大的晶体可直接沉至容器的主体继续生长，而细晶随晶浆一起由澄清区的上部溢出，重新溶解后再循
11、环至容器主体结晶。,2.间歇结晶的控制：一般采取添加晶种的措施来控制成核的速率。可消除爆发式的初级成核，同时体系的二次成核也可得到有效抑制，从而可以获得粒度相对较大而且分布均匀的晶体产品。 另外，工业上还可以通过重结晶的方法获得粒度大而均匀的晶体产品。 重结晶：溶解-过滤-结晶-分离,结晶操作控制,1、过饱和度 溶液的过饱和度是结晶过程的推动力， 直接影响结晶速率和晶体质量； 固体产品的内在质量（如纯度）与其外观性状（如晶形、粒度等）密切相关。一般，晶形整齐和色泽洁白的固体产品，具有较高纯度。,结晶是在过饱和溶液中生成新相的过程，涉及固液相平衡。对特定的目标产物及物系，需通过实验确定合适的结晶
12、操作条件，满足结晶产品质量要求，提高结晶生产能力，降低过程成本。 结晶操作中的问题。,提高过饱和度，可提高结晶速率和收率。溶液黏度增大，杂质含量增加 ，可能会出现如下问题： 成核速率过快晶体细小； 结晶生长速率过快在晶体表面产生液泡结晶质量； 结晶器壁易产生晶垢影响结晶操作； 产品纯度降低。 因此，过饱和度与结晶速率、成核速率、晶体生长速率及结晶产品质量之间存在着一定的关系，应根据具体产品的质量要求，确定最适宜的过饱和度。,必须根据产品在粒度大小、分布、晶形以及纯度等方面的要求，选择合适的结晶条件，并严格控制结晶过程。,2温度 温度的不同，生成的晶形和结晶水会发生改变，温度一般控制在较小的温度
13、范围内。冷却结晶时，若降温速度过快，溶液很快达到较高的过饱和度，生成大量微小晶体，影响结晶产品的质量。温度最好控制在饱和温度与过饱和温度之间。 蒸发结晶时，蒸发速度过快，则溶液的过饱度较大，生成微小晶体，附着在结晶表面，影响结晶产品的质量。蒸发速度应与结晶生长速率相适应，保持溶液的过饱和度一定。工业结晶操作常采用真空绝热蒸发，不设外部循环加热装置，蒸发室内温度较低，可防止过饱和度的剧烈变化。,3搅拌与混合 增大搅拌速度可提高成核和生长速率，搅拌速度过快会造成晶体的剪切破碎，影响结晶产品质量。为获得较好的混合状态，同时避免结晶的破碎，可采用气提式混合方式，或利用直径或叶片较大的搅拌桨，降低桨的转
14、速。,4溶剂与pH值 结晶操作采用的溶剂和pH值应使目标溶质的溶解度较低，以提高结晶的收率。溶剂和pH值对晶形有影响。如普鲁卡因青霉素在水溶液中的结晶为方形晶体，在醋酸丁酯中的结晶为长棒状。在设计结晶操作前需实验确定使结晶晶形较好的溶剂和pH值。,5.晶种 向处于介稳区的过饱和溶液中添加颗粒均匀的晶种。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。 高粘度物系必须用在介稳区内添加晶种的操作方法。,较高的流速有利于过饱和度分布均匀，使结晶成核速率和生长速率分布均匀； 提高流速有利于提高热交换效率，抑制晶垢的产生； 流
15、速过高会造成晶体的磨损破碎。,6流速,提高晶浆浓度,促进溶液中溶质分子间的相互碰撞聚集，获得较高的结晶速率和结晶收率。但相应杂质的浓度及溶液黏度也增大，悬浮液的流动性降低，不利于结晶析出；也可能造成晶体细小，使结晶产品纯度较差，甚至形成无定形沉淀。 因此，晶浆浓度应在保证晶体质量的前提下尽可能取较大值。 对于生物大分子，通常选择3%5%的晶浆浓度比较适宜；对于小分子物质（如氨基酸类）则需要较高的晶浆浓度。,7晶浆浓度,8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。 防止晶垢或除去晶垢方法： 1）壁内表面采用有机涂料，保持壁面光滑，防止在器壁上的二维成核现象的发生； 2）提高
16、结晶系统中流体流速，使流速分布均匀，消除低流速区； 3）若外循环液体为过饱和溶液，使其中不含有晶种； 4）采用夹套保温方式防止壁面附近过饱和度过高； 5）增设晶垢铲除装置，定期添加溶剂溶解产生的晶垢； 6）蒸发室壁面极易产生晶垢，可采用喷淋溶剂的方式溶解晶垢。,9共存杂质的影响 结晶的对象是多组分物系，要选择性结晶目标产物。 如果共存杂质的浓度较低，一般对目标产物的结晶无明显影响。但如果在结晶操作中杂质含量不断升高(如采用蒸发式结晶操作时)，杂质的积累会严重影响目标产物结晶的纯度。 结晶操作中需要控制杂质的含量，往往在结晶系统中增设除杂设备。离子交换柱或废液排放。,其他结晶方法,其他的特殊结晶方法有升华结晶、沉淀结晶、喷射结晶、冰析结晶等。 升华是指物质直接从固态变成气态的过程，反升华则是气态物质直接凝结为固态的过程。升华结晶过程包括这两步，以实现把一个升华组分从含其他不升华组分的混合物中分离出来。碘、萘、樟脑等常采用这种方法进行分离提纯。,沉淀结晶包括反应结晶和盐析结晶两个过程。反应结晶过程产生过饱和度的方法是通过
