第五章 结晶单元操作,结晶操作与化学工业,结晶是一个重要的化工单元操作：为数众多的化工产品及中间体都是以晶体形态出现的，从相当不纯的溶液中结晶出来的产品纯度高，外观漂亮 结晶产品在包装、运输、贮存或使用都是很方便的，此外，在能耗上，结晶常常比蒸馏或其他精制方法低得多 在医药工业中，85%以上的药物都是以结晶产品出现的产品的纯度、溶解速率、晶习等影响着药物的生物利用度在完成一项成功的结晶单元操作设计之前，需要理解和掌握以下的内容： 可否形成晶体? 是溶剂化物还是无水物？ 晶型和晶体的性质 在研究条件下，晶体的溶解度如何？温度对溶解度的影响？杂质对溶解度的影响？超溶解度? 晶习 产品的粒度要求 成核速率与生长速率 晶体与溶液的密度、比热以及溶液的焓-浓度关系 如何分离晶体与母液？如何干燥？ 结块？添加剂？ 贮存与运输条件，等,因此，通过本章的学习，必须达到以下的要求： 晶体的概念 结晶的原理 常用的工业结晶方法与设备 结晶单元操作的设计,第一节 晶体的基本概念 第二节 溶解度与溶液的过饱和 第三节 成核与晶体生长 第四节 工业结晶方法与设备 第五节 结晶器的操作与控制 第六节 粒数衡算、物料衡算与热量衡算 第七节 结晶器的设计 第八节 结晶研究的当前动态,本章主要内容,第一节 晶体的基本概念,1.1 晶体的性状晶体是内部结构中的质点（原子、离子、分子）作规则排列的固态物体。
无定型则缺乏晶体结构或确定的分子排列晶体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类： 离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体晶体通常具有以下的基本性质： 自范性 — 晶体具有自发地生长成为晶体多面体的可能性，即晶体经常以平面作为与周围介质的分界面在理想条件下，生长过程中的晶体保持几何上的相似 各向异性 — 晶体的几何特性及物理效应一般说来常随着方向的不同而表现出数量上的差异均匀性 — 晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成都相同，晶体的这个特性保证了工业中的晶体产品能具有高的纯度 其他特性— 对称性与其他状态相比，晶体具有最小内能晶体在熔融过程中，熔点固定不变等等,晶格 构成晶体的微观质点在晶体所占的空间中按一定的几何规律排列起来，这种质点排列的几何规律称为三维空间点阵，也称为空间晶体格子 晶胞 是描述晶体微观结构的基本单位整块晶体可视作成千上万个晶胞“无隙并置”地堆积而成每个晶胞具有相同的边长和夹角1.2 晶体的几何结构,晶系 — 布拉维系,立方,四方,正交,单斜,三斜,三方,六方,,β,,,,β,γ,α,(1S, 1Bd, 1F),(1S, 1Bd),(1S, 1Bd, 1Bs, 1F),(1S, 1Bs),(1S),(1S),(1S),素晶胞和复晶胞,素晶胞是最小的晶胞，是不可能再小的晶胞（也叫“简单晶胞”，但需指出，此处的“简单”不是指晶胞内原子数少或者结构简单，而是相对于复晶胞而言的）。
复晶胞是素晶胞的多倍体，分体心晶胞（2倍体）、面心晶胞（4倍体）和底心晶胞（2倍体）三种体心晶胞―将晶胞的框架的顶角移到原晶胞的体心位置（晶胞内外原子的位置保持在原位不动！），若移位后的框架围拢的“新晶胞”里所有原子的位置与原晶胞里所有原子的位置一一对应地相等，就表明是体心晶胞，否则就不是体心晶胞 面心晶胞―将原晶胞框架的顶角平移原晶胞的任一面心位置得到的新晶胞与原晶胞无差别，则这种晶胞叫做面心晶胞 底心晶胞―当晶胞中的原子能发生如下平移：+（1/2，1/2，0），称为C底心； +（0，1/2，1/2），称为A底心；+（1/2，0，1/2），称为B底心简单立方,体心立方,面心立方,举例：立方晶系,晶习指的是晶体的外形同一物质的晶体，用不同的方法产生出来时，可能属于不同的晶系，即使同一晶系，外形也可以完全不同片状,棱柱,针状,1.3 晶习,生长速率 A=B=10 X C,生长速率 A=10 X B=10 X C,生长速率 A=B=C,八面体 (尿素为媒晶剂),立方体 (无媒晶剂),树枝状 (亚铁氰化物为媒晶剂),晶习影响：结块、包装、储存等 影响晶习的因素有：结晶温度、过饱和度、溶剂、添加剂、晶种、搅拌等。
1.4 晶体的粒度与形状因子,晶体的粒度可以用单一的尺寸来度量，任选两个特定的晶面，以L’ 代表这两个晶面之间的距离，于是晶体的体积及总面积可以写为： Vc = kv(L’)3 Ac = ka(L’)2 式中：Vc，Ac为晶体的体积及总表面积，kv， ka为体积形状因子及面积形状因子，取决于晶体的形状及所选的尺寸L’本节课后复习内容： （1）晶体的特征、点阵结构、晶胞、晶系、晶习等， （2）练习题：（A）选取边长为特征尺寸L’，计算正方体的面积形状因子和体积形状因子，（B）以直径为特征尺寸L’，计算圆球体的面积形状因子和体积形状因子，（C）设晶体产品为圆柱体，其直经与柱高相等，计算该晶体产品粒子的面积形状因子和体积形状因子第二节 溶解度与溶液的过饱和,2.1 溶解度,结晶过程的产量取决于固体与其溶液之间的平衡关系 溶质与其溶液之间的相平衡关系，通常是用溶质在溶剂中的溶解度来表示 溶解度（饱和浓度）的表示方法通常有三种：I: 质量(或摩尔) 溶质 / 质量(或摩尔) 溶剂II:质量(或摩尔) 溶质 / 质量(或摩尔) 溶液III:质量(或摩尔) 溶质 / 体积 溶液,溶解度的测定方法分为： 变温测定法 — 改变溶解度测定体系的温度; 等温测定法 —恒定溶解度测定体系的温度。
又可分为： 溶解法 结晶法,干燥残渣测定法（Dry residue，也叫称重法） 分光光度法 化学分析法 密度法 黏度法 电导率测定法 折射率测定法，等,溶液浓度的测定,溶质的溶解度特征，既表现在溶解度的大小，也表现在溶解度随温度的变化： — 有些物质的溶解度随温度的升高而增加，称为正溶解 度， — 有些物质的溶解度随温度的升高而降低，称为倒溶解 度，了解物质的溶解度特性有助于结晶方法的选择，例如：,一些盐的溶解度曲线,Temperature ˚C,Solubility (g of salt in 100g H2O),氯化钠— 蒸发结晶，硝酸钾— 冷却结晶,曾经提出过不少的经验式，用于关联溶解度与温度的关系，其中最常用的是van’t Hoff 方程：ln x = (Hdiss/RT) + (Sdiss/R)式中，x 是饱和溶液中溶质的摩尔分数，T 为溶液的绝对温度，R 为气体常数， Hdiss 为溶解焓，Sdiss 为溶解熵2.2 溶液的过饱和,如果溶液含有超过饱和量的溶质，该溶液称为过饱和溶液 同一温度下，过饱和溶液与饱和溶液间的浓度差，称为过饱和度 过饱和度是结晶过程必不可少的推动力。
在稳定区（不饱和区）晶体的成核和生长不会产生，也就是，溶质溶解，不会从溶液中结晶出来; 在介稳区，自发成核不会产生，但当晶种存在时，二次成核、晶体的生长会发生; 在不稳定区，自发成核会产生如图中的ABCDE点A,E,B,C,D,介稳区宽度（ MSZW ）,超溶解度曲线和溶解度曲线大致平行 两者在之间的宽度，称为介稳区宽度（MSZW） 影响介稳区宽度的因素通常有：饱和温度,过饱和度产生速率，如降温速率,搅拌,溶液中杂质,溶液的历史,晶核的探测方法，等浓度差, ∆C∆C=C-C* 过饱和度比, SS=C/C* 相对过饱和度, σσ=S-1,式中，C 是过饱和溶液的浓度, C* 是在相同温度下溶质的溶解度过饱和度的表示法,过饱和度的产生,在化学工业、医药工业中，结晶操作的结晶过饱和度的产生方法有：冷却法• 溶质的溶解度与温度有较大的变化关系，如KNO3 蒸发法• 溶质的溶解度与温度有较小的或负的变化关系，如NaCl and Na2SO4.3. 抗溶剂法• 通过加入能降低溶解度的抗溶剂，如Na2CO3的抗溶剂结晶，在此结晶体系中， 乙二醇,一缩二乙二醇，或1,2-丙二醇等可加入其水溶液中，以降低溶解度，产生过饱和度。
Generation of Supersaturation,盐析法• 通过加入盐溶液，而降低溶解度和产生过饱和度，如蛋白质溶液中加入硫酸铵或氯化钠溶液 5. 化学反应法• 通过化学反应来产生过饱和度，如盐酸普鲁卡因+青霉素钾普鲁卡因青霉素 pH调节法• 通过溶液pH的调节来产生过饱和度，如大豆蛋白的分步结晶,Techniques for Generating Supersaturation,,A- cooling B- evaporation C- evaporation D- reaction,Q: Suggest a method to batch crystallize compounds A, B, C & D, whose solubility curves are shown above. Justify your choice.,Crystallization from Solution,Crystallization from solution can be thought of as a two-step process.,Nucleation is the first step. It is the phase separation, or “birth”, of new crystals. Crystal Growth is the second step. It is the growth of these crystals to larger sizes.,Nucleation,Initial stage of creating new crystals. Nucleation needs a larger driving force (or supersaturation) than the growth. Minute solid particles; seeds; small crystals Act as centers for crystal growth,Nucleation,The mechanisms of nucleation can be classified according to the following scheme.,Primary Nucleation,The mechanisms of primary nucleation mean that the nucleation takes place in the absence of crystals. When the solution is absolutely pure, nucleation is referred to as homogeneous nucleation. While in the presence of a foreign solid phase (e.g. dust, colloidal particles), nucleation is referred to as heterogeneous nucleation.,Mechanism of Homogeneous Nucleation,The classical theory of nucleation assumes that clusters are formed in solution by an addition mechanisma + a = a2a2 + a = a3a3 + a = a4a2 + a2 = a4………………ac-m + am = acThat continues until a critical size rc is reached.,The Rate of Homogeneous Nucleation,The rate of nucleus formation by this mechanism is given by an Arrhenius type of expression:,。