第十二章

結晶

12.1概述

結晶過程：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)結晶技術作為高效的提純、凈化與控制固體特定物理形態(tài)的手段

晶漿：在結晶器中結晶出來的晶體和剩余的溶液(或熔液)所構成的混懸物。母液：去除懸浮液中的晶體后剩下的溶液(或熔液)。結晶過程中，含有雜質(zhì)的母液(或熔液)會以表面粘附和晶間包藏的方式夾帶在固體產(chǎn)品中。用適當?shù)娜軇腆w進行洗滌。結晶過程的特點：

1)能從雜質(zhì)含量相當多的溶液或多組分的熔融混合物中形成純凈的晶體。而用其他方法難以分離的混合物系，采用結晶分離更為有效。如同分異構體混合物、共沸物系、熱敏性物系等。

2)固體產(chǎn)品有特定的晶體結構和形態(tài)(如晶形、粒度分布等)。

3)能量消耗少，操作溫度低，對設備材質(zhì)要求不高，三廢排放少，有利于環(huán)境保護。

4)結晶產(chǎn)品包裝、運輸、儲存或使用都很方便。一、晶體結構與特性

結晶過程有四類：溶液結晶、熔融結晶、沉淀結晶和升華結晶。晶體:內(nèi)部結構中的質(zhì)點元作三維有序規(guī)則排列的固態(tài)物質(zhì)。晶體的自范性：如果晶體生長環(huán)境良好，則可形成有規(guī)則的結晶多面體（晶面）。晶體具有自發(fā)地生長成為結晶多面體的可能性的性質(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)點的物理性質(zhì)和化學組成以及內(nèi)部晶格都相同的特性。晶體的這個特性保證了工業(yè)生產(chǎn)中晶體產(chǎn)品的高純度。

七種晶系晶體按其晶格結構可分為七種晶系

二、晶體的粒度分布

晶體粒度分布：不同粒度的晶體質(zhì)量(或粒子數(shù)目)與粒度的分布關系，它是晶體產(chǎn)品的一個重要質(zhì)量指標。可用篩分法(或粒度儀)進行測定，篩分結果標繪為篩下累積質(zhì)量分數(shù)與篩孔尺寸的關系曲線，并可換算為累積粒子數(shù)及粒數(shù)密度與粒度的關系曲線，簡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(mediumsize，MS)：篩下累計質(zhì)量分數(shù)為50％時對應的篩孔尺寸值。

粒度分布曲線二、晶體的粒度分布變異系數(shù)(coefficientofvariation，cv)：為一統(tǒng)計量，與Gaussian分布的標準偏差相關。

rm%為篩下累積質(zhì)量分數(shù)為m％的篩孔尺寸。

對于一種晶體樣品，MS越大，→平均粒度大，CV值越小，粒度分布越均勻。

幾種物質(zhì)在水中的溶解度曲線溶解度曲線特性溶解度隨溫度變化較大的物質(zhì)→冷卻結晶方法分離；溶解度隨溫度變化較小的物質(zhì)→蒸發(fā)結晶法分離。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系。雙組分固體溶液物系固液相圖2．固體溶液型

液相結晶線：混合物開始結晶的溫度與平衡液相組成之間的關系曲線。固相熔化線：混合物開始熔融的溫度與固相組成之間的關系曲線。

對固體溶液物系，必須經(jīng)過多級固液平衡才能達到所要求的產(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

固相溶劑化合物能與同樣組成的液相建立平衡關系

多晶型的雙組分低共熔型物系固液相圖4．晶型轉變型三、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

若理想溶液且達到溶解平衡時，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。

同離子效應：增加溶液中電解質(zhì)的正離子（或負離子）濃度，會導致電解質(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，即達到固液相平衡時的溶液。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晶過程的推動力。

將一個完全純凈的溶液在不受任何擾動(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開始自發(fā)析出晶核。

11.3結晶過程的動力學1．初級成核：在沒有晶體存在的條件下自發(fā)產(chǎn)生晶核的過程。初級成核分為非均相和均相初級成核。均相初級成核：潔凈的過飽和溶液進入介穩(wěn)區(qū)時，還不能自發(fā)地產(chǎn)生晶核，只有進入不穩(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。均相初級成核速率：A→指前因子；Vm→摩爾體積；k→Boltzmann常數(shù)；T→絕對溫度；σ→表面張力。

比飽和度11.3結晶過程的動力學初級成核過程中晶核的臨界粒徑與過飽和度間有關

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，小于此值的粒子則會溶解消失。

非均相初級成核：在工業(yè)結晶器中發(fā)生均相初級成核的機會比較少，實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)粒子對初級成核過程有誘導作用，非均相成核可在比均相成核更低的過飽和度下發(fā)生。11.3結晶過程的動力學接觸成核：當晶體與其他固體物接觸時所產(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行能量很低的接觸，就會產(chǎn)生大量的微粒。在工業(yè)結晶器中，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。接觸成核的幾率往大于剪應力成核。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、攪拌槳的材質(zhì)等。描述二次成核速率經(jīng)驗表達式：

0<h≤4、

0.5<I≤3、

0.4<j≤2

N為攪拌強度，如轉速或攪拌槳葉端線速；MT→懸浮液密度；G→晶體的生長速率

11.3結晶過程的動力學二、結晶生長動力學1．晶體生長機理在過飽和溶液中已有晶體形成（加入晶種）后，以過飽和度為推動力，溶質(zhì)質(zhì)點會繼續(xù)一層層地在晶體表面有序排列，晶體將長大的過程。晶體生長過程有三步：1）待結晶溶質(zhì)借擴散作用穿過靠近晶體表面的靜止液層，從溶液中轉移至晶體表面。2）到達晶體表面的溶質(zhì)嵌人晶面，使晶體長大，同時放出結晶熱。3）放出來的結晶熱傳導至溶液中。

11.3結晶過程的動力學3．結晶物理環(huán)境對晶體生長過程的影響

環(huán)境條件的改變會導致最終結晶產(chǎn)品的外觀形態(tài)和晶型的改變，原因是不同的環(huán)境條件對晶體各個晶面生長速率的影響不同。

結晶過程中，晶面生長速率的影響因素有兩類，

1)晶體內(nèi)部單元對晶面的各種應力；它是由晶體內(nèi)部結構決定的，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、界面分子對周圍環(huán)境中分子的作用力等。在實驗和生產(chǎn)中較易改變和控制的。最有效和簡便的手段是改變?nèi)軇┗蛲Y晶母液中加入某些特定的添加劑。11.4溶液結晶過程與設備

一.溶液結晶過程

溶液結晶:晶體從過飽和的溶液中析出的過程。

溶液結晶類型:冷卻結晶法、蒸發(fā)結晶法、真空冷卻結晶法、鹽析(溶析)結晶法、反應結晶法。

1.冷卻結晶:通過冷卻降溫使溶液變成過飽和，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。11.4溶液結晶過程與設備冷卻結晶方法：自然冷卻、間壁換熱冷卻和直接接觸冷卻。

自然冷卻法：將熱的結晶溶液置于的結晶釜中，靠大氣自然冷卻而降溫結晶。特點:產(chǎn)品純度較低，粒度分布不均，易發(fā)生結塊現(xiàn)象。

設備所占空間大，容積生產(chǎn)能力較低。但結晶過程設備造價低。

外循環(huán)式結晶器傳熱系數(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。11.4溶液結晶過程與設備外循環(huán)式間壁冷卻結晶器直接接觸冷卻結晶：通過冷卻介質(zhì)與熱母液的直接混合而達到冷卻結晶的過程。冷卻介質(zhì)有空氣、與結晶溶液不互溶的碳氫化合物和專用的液態(tài)冷凍劑。

冷卻介質(zhì)可能對結晶產(chǎn)品產(chǎn)生污染，選用的冷卻介質(zhì)不能與結晶母液中的溶劑互溶或者雖互溶但應易于分離。

11.4溶液結晶過程與設備11.4溶液結晶過程與設備2.蒸發(fā)結晶:使溶液在常壓或減壓下蒸發(fā)濃縮而達到過飽和的結晶過程。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。11.4溶液結晶過程與設備3.真空絕熱冷卻結晶：使溶劑在真空下閃急蒸發(fā)而使溶液絕熱冷卻的結晶法。適用于具有正溶解度特性而溶解度隨溫度的變化率中等的物系。操作原理：把熱濃溶液送入絕熱保溫的密閉結晶器中，器內(nèi)維持較高的真空度，由于對應的溶液沸點低于原料液溫度，溶液閃急蒸發(fā)而絕熱冷卻到與器內(nèi)壓強相對應的平衡溫度。溶液通過蒸發(fā)濃縮及冷卻兩種效應來產(chǎn)生過飽和度。11.4溶液結晶過程與設備4.鹽析(溶析)結晶鹽析(溶析)結晶：向溶液中加入某些物質(zhì)，以降低溶質(zhì)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，使母液中的氯化銨盡可能多地結晶出來，以提高結晶收率。11.4溶液結晶過程與設備溶析結晶：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物質(zhì)從可溶于水的有機溶劑中結晶出來，此時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溶劑(如低碳醇、酮、酰胺類等)的方法使產(chǎn)物結晶出來。特點：結晶溫度較低，對熱敏性物質(zhì)的結晶有利；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；與冷卻法結合，可提高結晶收率。需要回收設備來處理結晶母液，以回收溶劑和鹽析劑。11.4溶液結晶過程與設備5．反應結晶氣體與液體或液體與液體之間發(fā)生化學反應以產(chǎn)生固體沉淀，固體的析出是由于反應產(chǎn)物在液相中的濃度超過了飽和濃度或構成產(chǎn)物的各離子的濃度超過了溶度積的結果。

反應結晶過程可分為反應和結晶兩步，隨著反應的進行，反應產(chǎn)物的濃度增大并達到過飽和，在溶液中產(chǎn)生晶核并逐漸長大為較大的晶體顆粒。

反應結晶產(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，如將反應試劑適當稀釋或適當延長沉淀時間。

11.5結晶操作及其應用

一、結晶操作特性結晶是在過飽和溶液中生成新相的過程，涉及固液相平衡。對特定的目標產(chǎn)物及物系，需通過實驗確定合適的結晶操作條件，滿足結晶產(chǎn)品質(zhì)量要求，提高結晶生產(chǎn)能力，降低過程成本。結晶操作中的問題。1．過飽和度增大溶液過飽和度可提高成核速率和生長速率，有利于提高結晶生產(chǎn)能力。11.5結晶操作及其應用過飽和度過大會出現(xiàn)問題：1）

成核速率過快，產(chǎn)生大量微小晶體，結晶難以長大；2）

結晶生長速率過快，影響結晶質(zhì)量；3）

結晶器壁容易產(chǎn)生晶垢。存在最大過飽和度，可保證在較高成核和生長速率的同時，不影響結晶的質(zhì)量。在不易產(chǎn)生晶垢的過飽和度下進行。

11.5結晶操作及其應用2．溫度溫度的不同，生成的晶形和結晶水會發(fā)生改變，溫度一般控制在較小的溫度范圍內(nèi)。冷卻結晶時，若降溫速度過快，溶液很快達到較高的過飽和度，生成大量微小晶體，影響結晶產(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)結晶時，蒸發(fā)速度過快，則溶液的過飽度較大，生成微小晶體，附著在結晶表面，影響結晶產(chǎn)品的質(zhì)量。蒸發(fā)速度應與結晶生長速率相適應，保持溶液的過飽和度一定。工業(yè)結晶操作常采用真空絕熱蒸發(fā)，不設外部循環(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。11.5結晶操作及其應用3．攪拌與混合增大攪拌速度可提高成核和生長速率，攪拌速度過快會造成晶體的剪切破碎，影響結晶產(chǎn)品質(zhì)量。為獲得較好的混合狀態(tài)，同時避免結晶的破碎，可采用氣提式混合方式，或利用直徑或葉片較大的攪拌槳，降低槳的轉速。11.5結晶操作及其應用4．溶劑與pH值結晶操作采用的溶劑和pH值應使目標溶質(zhì)的溶解度較低，以提高結晶的收率。溶劑和pH值對晶形有影響。如普魯卡因青霉素在水溶液中的結晶為方形晶體，在醋酸丁酯中的結晶為長棒狀。在設計結晶操作前需實驗確定使結晶晶形較好的溶劑和pH值。11.5結晶操作及其應用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，就會同時出現(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。

11.5結晶操作及其應用6．晶漿濃度晶漿濃度越高，單位體積結晶器中結晶表面積越大，結晶生長速率越快，有利于提高結晶生產(chǎn)速度(產(chǎn)量)。但晶漿濃度過高時，懸浮液的流動性差，混合操作困難。晶漿濃度應在操作條件允許的范圍內(nèi)取最大值。在間歇操作中，晶種的添加量應根據(jù)最終結晶產(chǎn)品的大小，滿足晶漿濃度最大的高效生產(chǎn)要求。

11.5結晶操作及其應用7．