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结晶技术
 

结晶是一个重要的化工过程,是物质提纯的主要手段之一。众多化工、医药产品及中间产品都是以晶体形态出现的,结晶往往是大规模生产它们的最好又最经济的方法。

结晶过程是一个复杂的传热、传质过程。在溶液和晶体并存的悬浮液中,溶液中的溶质分子向晶体转移(结晶),同时晶体的分子也在向溶液扩散(溶解)。在未饱和溶液中溶解速度大于结晶速度,从宏观上看这个过程就是溶解;在过饱和溶液中结晶速度大于溶解速度,从宏观上看这个过程就是结晶。所以,结晶的前提是溶液必须有一定的过饱和度。

连续结晶器和间歇结晶器相比具有以下优点:

连续结晶具有收率高、能耗低、母液少、产品质量好、自动化程度高、设备占地面积小及操作人员少等优点。由于连续结晶器具有较高的生产效率,一套连续结晶器往往可以取代数套乃至数十套间歇结晶器,相应配套设备的数量也大大减少。对于医药产品的结晶,由于连续结晶器都是全密闭的,结晶器可以布置在GMP车间的外面,而仅将离心机、烘干和包装布置在GMP车间的里面,这将极大地减少GMP车间的面积,从而降低整个工程的投资。

连续结晶器可以方便地和机械压缩泵组合,在低温下进行蒸发结晶,不但不需要蒸汽,而且无需冷冻水。节能的同时也避免了庞大的冷冻机投资。过饱和度是结晶的一个重要参数。

根据大量试验的结果证实,溶液的过饱和与结晶的关系可用上图1表示;图中的AB 线为普通的溶解度曲线,CD 线代表溶液过饱和而能自发地产生晶核的浓度曲线( 超溶解度曲线),它与溶解度曲线大致平行。这两根曲线将浓度——温度图分割为三个区城。在 AB 曲线以下是稳定区,在此区中溶液尚未达到饱和,因此没有结晶的可能。AB 线以上为过饱和溶液区,此区又分为两部分:在 AB 与 CD 线之间称为介稳区,在这个区域中,不会自发地产生晶核,但如果溶液中已加了晶种, 这些晶种就会长大。 CD 线以上是不稳区,在此区域中,溶液能自发地产生晶核。若原始浓度为 E 的洁净溶液在没有溶剂损失的情况下冷却到 F 点,溶液刚好达到饱和,但不能结晶,因为它还缺乏作推动力的过饱和度。从F 点继续冷却到 G 点的一段期间,溶液经过介稳区,虽已处于过饱和状态,但仍不能自发地产生晶核。只有冷却到 G点后,溶液中才能自发地产生晶核,越深入不稳区(例如达到 H 点),自发产生的晶核也越多。由此可见,超溶解度曲线及介稳区、不稳区这些概念对于结晶过程有重要意义。把溶液中的溶剂蒸发一部分,也能使溶液达到过饱和状态,图中 EF ’ G’线代表此恒温蒸发过程。在工业结晶中往合并使用冷却和蒸发,此过程可由 EG’’线代表。

晶体成长的速率与过饱 和度的关系如上图2所示。当然,结晶器出来的最终的晶体的尺寸不仅仅与晶体成长的速率相关,还与成核速率、耗散速率等有关。成核速率也与过饱和度相关,且受过饱和度影响要较成长速率受其影响来的大,从下图3我们可以看出来。

结晶成核模型有两种,一个是初级均相成核, 即溶液在不含外来物体时自发产生晶核; 一个是二次成核,即溶液中已有溶质晶体存在的条件下形成晶核的现象。晶体与晶体,晶体与叶轮接触是二次成核的重要成因。然而,结晶器能量的输入对二次结晶也有影响。输入功率越大,晶粒越小。

结合结晶的一些特性,我们可以说低的成核速率可以产生大的单一的晶体。如上图4所示:

在两个结晶器内,过饱和度相同。成核速率为5 的产生了5 个2g 的晶块,而成核速率为40 的则产生了40 个250mg的晶块。大部分结晶器需要产生大的单一的晶体,这是因为这样可以提高晶体的纯度、操作特性和可售性。

为此我们应:

1、控制结晶器内的过饱和度处于介稳区内。

2、选择合适的过饱和度使晶核生长的速率最大。

3、优化结晶器的混合能量的输入。

混合对过饱和度和晶核的形成有重要的影响,它是结晶器设计的基础。上图4为一真空强制循环结晶器。原料液从状态1进入结晶器与结晶器内的状态3 的溶液相混合变成状态2,经过泵的输送到达状态4,进入了介稳定区。这个过程产生的过饱和度被晶体的生长所消耗而到达状态3,这样就完成了一个循环。如果在一个周期里过饱和度没有完全消耗则下一周期将会进一步饱和,一段时间后,整个周期将远离甚至高于介稳区,这将对晶体增长和成核产生不利影响,因此,为过饱和的液体提供足够多的混合机会以及足够的结晶表面是非常重要的。否则,晶粒形状将遭受破坏。上述过程可由以下两个公式表示。

在一个循环周期里,晶体成长的速率(dm/dt) 取决于过饱和液体的消耗速率,晶体的表面积(A)及过饱和液体的过饱和度(△C)。 二次成核量(B0)取决于混合能量、悬浮密度以及液体的过饱和度。


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