大学精品课件：第8章 结晶技术.ppt

1、2023-3-112023-3-12简述水蒸气蒸馏原理？简述水蒸气蒸馏原理？水蒸气蒸馏的优点和缺点？水蒸气蒸馏的优点和缺点？水蒸气蒸馏的应用？水蒸气蒸馏的应用？简述分子蒸馏原理？简述分子蒸馏原理？分子蒸馏应满足的条件：分子蒸馏应满足的条件：分子蒸馏时分子由液相主体至冷凝面上冷凝分子蒸馏时分子由液相主体至冷凝面上冷凝的过程需经历四个步骤的过程需经历四个步骤？2023-3-131.分子蒸馏属于（分子蒸馏属于（）。（）。（A）共沸精馏共沸精馏（B）反应精馏（反应精馏（C）非平衡分离（）非平衡分离（D）平衡分）平衡分离离 2.控制分子蒸馏速度的主要因素为（控制分子蒸馏速度的主要因素为（）。（）。（A）

2、内扩散内扩散 （B）自由蒸发）自由蒸发 （C）飞射）飞射 （D）冷凝冷凝 3.水蒸气蒸馏属于（水蒸气蒸馏属于（）。（）。（A）共沸蒸馏）共沸蒸馏（B）萃取蒸馏萃取蒸馏（C）连续蒸馏（）连续蒸馏（D）间歇蒸馏）间歇蒸馏 2023-3-14结晶在制药工业中的应用非常广泛，为数众多的化工、结晶在制药工业中的应用非常广泛，为数众多的化工、医药产品及中间体的最终分离或提纯都是应用结晶方医药产品及中间体的最终分离或提纯都是应用结晶方法进行的，并且形成晶态物质的最终产品，所以结晶法进行的，并且形成晶态物质的最终产品，所以结晶过程又是直接影响产品质量的重要环节之一。过程又是直接影响产品质量的重要环节之一。医药

3、产品中医药产品中85%以上属固体制品，其最终生产工序都以上属固体制品，其最终生产工序都是结晶单元操作，因此需要使用各种形式结晶装置。是结晶单元操作，因此需要使用各种形式结晶装置。在很多情况下，如沸点相近的物质、共沸物以及对热在很多情况下，如沸点相近的物质、共沸物以及对热敏感的物质都不适于采用精馏法分离，利用它们的凝敏感的物质都不适于采用精馏法分离，利用它们的凝固点一般差别较大的性质，可采用结晶法。固点一般差别较大的性质，可采用结晶法。2023-3-15结晶结晶：内部结构的质点元（原子、分子、离子）作三维有序：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。规则排列、

4、形状一定的固体粒子。沉淀沉淀：无规则排列的、无定型粒子。：无规则排列的、无定型粒子。结晶的形成需在严格控制的条件下进行，因此结晶的纯度远结晶的形成需在严格控制的条件下进行，因此结晶的纯度远高于沉淀。高于沉淀。2023-3-16能从杂质含量相当多的溶液或多组分的熔融混合物能从杂质含量相当多的溶液或多组分的熔融混合物中形成纯净的晶体。有时用其他方法难以分离的混中形成纯净的晶体。有时用其他方法难以分离的混合物系，用结晶分离更为有效。如同分异构体混合合物系，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。物、共沸物系、热敏性物系等。固体产品有特定的晶体结构和形态固体产品有特定的晶体结构

5、和形态(如晶形、粒度如晶形、粒度分布等分布等)。能量消耗少，操作温度低，对设备材质要求不高，能量消耗少，操作温度低，对设备材质要求不高，三废排放少，有利于环境保护。三废排放少，有利于环境保护。结晶产品包装、运输、储存或使用都很方便。结晶产品包装、运输、储存或使用都很方便。2023-3-17按结晶相变分类：溶液结晶、熔融结晶、沉淀结晶和按结晶相变分类：溶液结晶、熔融结晶、沉淀结晶和升华结晶。萃取结晶、反应结晶、加合结晶升华结晶。萃取结晶、反应结晶、加合结晶2023-3-18晶体内部中的质点元作三维有序规则排列的固态物质。晶体内部中的质点元作三维有序规则排列的固态物质。晶体的自范性晶体的自范性：如

6、晶体生长环境良好，则可形成有规则：如晶体生长环境良好，则可形成有规则的结晶多面体（晶面）。晶体具有自发地生长成为结晶的结晶多面体（晶面）。晶体具有自发地生长成为结晶多面体的可能的性质，即晶体以平面作为与周围介质的多面体的可能的性质，即晶体以平面作为与周围介质的分界面。分界面。晶体的均匀性晶体的均匀性：晶体中每一宏观质点的物理性质和化学：晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成及内部晶格都有相同的特性。晶体的这个特性保证组成及内部晶格都有相同的特性。晶体的这个特性保证了工业生产中晶体产品的高纯度。一般来说，了工业生产中晶体产品的高纯度。一般来说，晶型整齐晶型整齐和色泽洁白的固体产品具有较高的纯度和

7、较少的杂质。和色泽洁白的固体产品具有较高的纯度和较少的杂质。晶体的晶型、色泽、粒度大小取决于结晶的工艺过程晶体的晶型、色泽、粒度大小取决于结晶的工艺过程。2023-3-19各向异性各向异性：晶体的几何特性及物理效应常随方向的不：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（针状、六角形）。同而表现出数量上的差异的性质（针状、六角形）。晶格晶格：构成晶体的微观质点（分子、原子、离子）在：构成晶体的微观质点（分子、原子、离子）在晶体所占有的空间中按三维空间点阵规律排列，各质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下，使质点得以维持在固定的平衡位点间在力的作用

8、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。置，彼此之间保持一定距离的结构。晶形（晶习）晶形（晶习）：晶体的宏观外部形状，受结晶条件或：晶体的宏观外部形状，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，甚至呈可以是短粗形、细长形或带有六角的薄片状，甚至呈多棱针状。多棱针状。同一种物质可由多种晶形。同一种物质可由多种晶形。2023-3-110晶体粒度分布晶体粒度分布：不同粒度的晶体质量：不

9、同粒度的晶体质量(或粒子数目或粒子数目)与粒与粒度的分布关系，它是晶体产品的一个重要质量指标。度的分布关系，它是晶体产品的一个重要质量指标。可用筛分法可用筛分法(或粒度仪或粒度仪)进行测定进行测定，筛分结果标绘为筛下，筛分结果标绘为筛下累积质量分数与筛孔尺寸的关系曲线，并可换算为累累积质量分数与筛孔尺寸的关系曲线，并可换算为累积粒子数及粒数密度与粒度的关系曲线，简便的方法积粒子数及粒数密度与粒度的关系曲线，简便的方法是以中间粒度和变异系数来描述粒度分布。是以中间粒度和变异系数来描述粒度分布。中间粒度中间粒度(medium size，MS)：筛下累计质量分数为：筛下累计质量分数为50时对应的筛孔

10、尺寸值。时对应的筛孔尺寸值。2023-3-111变异系数变异系数：统计量，与：统计量，与GaussianGaussian分布的标准偏差相关。分布的标准偏差相关。%50%16%842)(100rrrCVr rm m%为筛下累积质量分数为为筛下累积质量分数为m m的筛孔尺寸。的筛孔尺寸。2023-3-112结晶过程结晶过程：固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融：固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物中析出的过程。工业结晶技术是高效的提纯、净化物中析出的过程。工业结晶技术是高效的提纯、净化与控制固体特定物理形态的主要手段。与控制固体特定物理形态的主要手段。晶浆晶浆：在结晶器中结晶出来的晶体和剩余的溶

11、液：在结晶器中结晶出来的晶体和剩余的溶液(或或熔液熔液)所构成的混悬物。通常需要用所构成的混悬物。通常需要用搅拌器搅拌器或其他方或其他方法把晶浆中的晶体悬浮在液相中，以促进结晶过程。法把晶浆中的晶体悬浮在液相中，以促进结晶过程。母液母液：去除悬浮液中的晶体后剩下的溶液：去除悬浮液中的晶体后剩下的溶液(或熔液或熔液)，母液中的杂质含量较高母液中的杂质含量较高。2023-3-113若干颗晶体聚结在一起时称为若干颗晶体聚结在一起时称为细小晶细小晶体聚结成簇的机会较少。体聚结成簇的机会较少。在结晶时进行适度的在结晶时进行适度的（搅（搅拌器形状和搅拌速度），可减少晶簇形成的机会拌器形状和搅拌速度），可减

12、少晶簇形成的机会。母液粘附在晶粒上或包在晶簇中的现象称为母液粘附在晶粒上或包在晶簇中的现象称为包藏包藏，使以后的洗涤结晶时发生困难，从而降低产品的纯度。使以后的洗涤结晶时发生困难，从而降低产品的纯度。大而粒度一致的晶体比起小而粒度参差不齐的晶体，它大而粒度一致的晶体比起小而粒度参差不齐的晶体，它们所挟带的母液较少而且洗涤比较容易。们所挟带的母液较少而且洗涤比较容易。必须用适当的溶剂对过滤后的晶体进行洗涤必须用适当的溶剂对过滤后的晶体进行洗涤，以尽量除去粘附母液所带来的杂质。以尽量除去粘附母液所带来的杂质。由此可见，在结晶过程中产品粒度及粒度分布对产品纯由此可见，在结晶过程中产品粒度及粒度分布对

13、产品纯度有很大影响。度有很大影响。2023-3-114：物质结晶时若有水合作用，则所得晶体中含：物质结晶时若有水合作用，则所得晶体中含有一定数量的水分子，这种水分子叫做有一定数量的水分子，这种水分子叫做。结晶水的含量多少不仅影响着晶体形状，而且也影响结晶水的含量多少不仅影响着晶体形状，而且也影响着晶体的性质（例如可增大在某种溶剂中的溶解度）。着晶体的性质（例如可增大在某种溶剂中的溶解度）。结晶水不易通过干燥的方法除去，只能通过溶剂置换结晶水不易通过干燥的方法除去，只能通过溶剂置换或强制脱水的方法去除或强制脱水的方法去除。游离水可用干燥的方法除去。游离水可用干燥的方法除去。结晶水有时可以提高晶体

14、在人体的溶解性，增加吸收结晶水有时可以提高晶体在人体的溶解性，增加吸收能力，因此有时不必除去。能力，因此有时不必除去。2023-3-115当在有机溶剂中结晶时，有时可以形成当在有机溶剂中结晶时，有时可以形成“。最常见的是容易形成氢键的溶剂：甲醇、乙醇、丙酮最常见的是容易形成氢键的溶剂：甲醇、乙醇、丙酮DMF等。这部分结晶溶剂对人体有害，应尽量避免。等。这部分结晶溶剂对人体有害，应尽量避免。苯、氯仿等不会形成结晶溶剂，他们在结晶中是以游离苯、氯仿等不会形成结晶溶剂，他们在结晶中是以游离的形式存在的，对身体有害，必须除去。的形式存在的，对身体有害，必须除去。结晶溶剂常用结晶溶剂常用“强制干燥强制干

15、燥”的方法处理的方法处理。（。（）真空下加入硫酸或五氧化二磷等脱水剂进行干燥。真空下加入硫酸或五氧化二磷等脱水剂进行干燥。2023-3-116决定药品药效及生理活性的因素，取决于药物的分子决定药品药效及生理活性的因素，取决于药物的分子结构、分子排列、物理状态（晶形、晶格参数、晶体结构、分子排列、物理状态（晶形、晶格参数、晶体粒度分布）。粒度分布）。对于同一种药物，即使分子结构相同，若其微观及宏对于同一种药物，即使分子结构相同，若其微观及宏观形态不同，则药效或毒性显著不同。有的药品一旦观形态不同，则药效或毒性显著不同。有的药品一旦改变晶形，对于病人甚至可能由良药变为不利于健康改变晶形，对于病人甚

16、至可能由良药变为不利于健康的毒药。的毒药。药物结晶绝不是一种药物结晶绝不是一种简单的分离或提纯手段简单的分离或提纯手段，而是制，而是制备具有备具有医药活性医药活性及及特定固体形态特定固体形态药物的一个不可缺少药物的一个不可缺少的关键手段的关键手段。2023-3-117医药对于医药对于晶形晶形和和固体形态固体形态的严格要求，赋予了的严格要求，赋予了医医药结晶过程不同于一般工业结晶过程的特点，药结晶过程不同于一般工业结晶过程的特点，它它对于结晶工艺过程及结晶器的构型提出了异常严对于结晶工艺过程及结晶器的构型提出了异常严格的要求：格的要求：只有在只有在特定的结晶工艺条件特定的结晶工艺条件及特定的物理

17、场环境及特定的物理场环境下，才能生产出特定晶形的医药产品；下，才能生产出特定晶形的医药产品；只有只有特定结构的结晶器特定结构的结晶器，才能保证在特定的流体，才能保证在特定的流体力学条件下生产出的医药产品具有所要求的晶体力学条件下生产出的医药产品具有所要求的晶体状态与粒度分布。状态与粒度分布。对溶剂残留的限度有相当高的要求。对溶剂残留的限度有相当高的要求。2023-3-1182023-3-119液固平衡液固平衡：任何固体物质与其溶液相接触时，当溶液尚：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

18、相等，此时固体与其溶液已达到相平衡。解与析出的量相等，此时固体与其溶液已达到相平衡。溶解度溶解度：固液相平衡时，单位质量的溶剂所能溶解的固：固液相平衡时，单位质量的溶剂所能溶解的固体的质量。溶解度的其他单位有：克体的质量。溶解度的其他单位有：克/升溶液、摩尔升升溶液、摩尔升溶液、摩尔分数等。溶液、摩尔分数等。溶解度的影响因素：溶质及溶剂的性质、温度及压强。溶解度的影响因素：溶质及溶剂的性质、温度及压强。8.2.1 溶解度溶解度2023-3-120溶解度曲线：溶解度曲线：溶解度与温度之间的关系曲线。一类为溶解度与温度之间的关系曲线。一类为光滑的曲线或直线，一类为有转变点的曲线。光滑的曲线或直线，

19、一类为有转变点的曲线。转变点转变点表示了无水溶质与有结晶水的溶质间的过渡。表示了无水溶质与有结晶水的溶质间的过渡。思考：怎样制备含结晶水的结晶？思考：怎样制备含结晶水的结晶？2023-3-121正溶解度特性正溶解度特性：溶解度随温度的升高而增加，在溶解过程：溶解度随温度的升高而增加，在溶解过程中需要吸收热量的特性。中需要吸收热量的特性。L-维生素维生素C、L-精氨酸。精氨酸。逆溶解度特性逆溶解度特性：物质的溶解度随温度升高反而下降，在溶：物质的溶解度随温度升高反而下降，在溶解过程中放出热量的特性解过程中放出热量的特性。Na2SO4有一些形成水合物的物质，在其溶解度曲线上有折点，对有一些形成水合

20、物的物质，在其溶解度曲线上有折点，对应存在不同水分子数的水合物之间的变态点应存在不同水分子数的水合物之间的变态点。L-精氨酸精氨酸、46。溶解度随温度变化较大的物质：冷却结晶方法；溶解度随温度变化较大的物质：冷却结晶方法；溶解度随温度变化较小的物质：蒸发结晶法。溶解度随温度变化较小的物质：蒸发结晶法。逆溶解度曲线的物质如何结晶？逆溶解度曲线的物质如何结晶？降温溶解，升温结晶降温溶解，升温结晶2023-3-122饱和溶液饱和溶液：浓度恰好等于溶质的溶解度，即达到固液相平衡：浓度恰好等于溶质的溶解度，即达到固液相平衡时的溶液；时的溶液；过饱和溶液过饱和溶液：含有超过饱和量的溶质的溶液。：含有超过饱

21、和量的溶质的溶液。：同一温度下，过饱和溶液与饱和溶液的浓度差。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溶液的过饱和度是结晶过程的推动力。表示方法：浓度推动表示方法：浓度推动力力C、过饱和度比、过饱和度比S 和相对过饱和度和相对过饱和度。2023-3-123溶质从溶液中结晶出来取决于固体与其溶液之间的平衡关溶质从溶液中结晶出来取决于固体与其溶液之间的平衡关系。系。任何固体物质与其溶液相接触时，如溶液还未达到饱和，任何固体物质与其溶液相接触时，如溶液还未达到饱和，则固体溶解；则固体溶解；如溶液已过饱和，则该物质在溶液中如溶液已过饱和，则该物质在溶液中超过饱和量超过

22、饱和量的那一部的那一部分分迟早迟早要从溶液中析出；要从溶液中析出；如果溶液恰好达到饱和，则既没有固体溶解也没有溶质从如果溶液恰好达到饱和，则既没有固体溶解也没有溶质从溶液中析出。此时，固体与它的溶液处于相平衡状态。溶液中析出。此时，固体与它的溶液处于相平衡状态。要想使固体溶质结晶出来，必须首先设法使溶液变成过饱要想使固体溶质结晶出来，必须首先设法使溶液变成过饱和溶液，即设法产生一定的过饱和度作为推动力。和溶液，即设法产生一定的过饱和度作为推动力。2023-3-124溶解度曲线和超溶解度曲线划分为溶解度曲线和超溶解度曲线划分为3 个区域，分别是稳定区、个区域，分别是稳定区、介稳区和不稳区。介稳区

23、和不稳区。根据溶液内溶质根据溶液内溶质是否会自发成核是否会自发成核，过饱和的状态可以分为介，过饱和的状态可以分为介稳态和不稳态，其分界线就是超溶解度曲线，超溶解度曲线稳态和不稳态，其分界线就是超溶解度曲线，超溶解度曲线和溶解度曲线之间的区域称为介稳区。和溶解度曲线之间的区域称为介稳区。介稳区宽度越大就说明该结晶物系的过饱和溶液越稳定介稳区宽度越大就说明该结晶物系的过饱和溶液越稳定。2023-3-125对于一个特定的物系，在一定压力下的溶解度曲线是固定的，对于一个特定的物系，在一定压力下的溶解度曲线是固定的，是由物系的物理化学特征所决定的；是由物系的物理化学特征所决定的；一个物质在不同的条件下可

24、能会有不同的超溶解度曲线，其一个物质在不同的条件下可能会有不同的超溶解度曲线，其相应的介稳区宽度也会有所不同。相应的介稳区宽度也会有所不同。超溶解度曲线不仅与化学性质、溶剂的性质以及温度有关；超溶解度曲线不仅与化学性质、溶剂的性质以及温度有关；还受器壁性质、物理场和杂质、还受器壁性质、物理场和杂质、搅拌的强度、搅拌方式、是搅拌的强度、搅拌方式、是否有晶种、晶种大小与多少以及过饱和度产生的速率等诸多否有晶种、晶种大小与多少以及过饱和度产生的速率等诸多因素的影响。因素的影响。冷却或蒸发的速度越慢，晶种越小，机械搅冷却或蒸发的速度越慢，晶种越小，机械搅拌越慢，则过饱和曲线越远离溶解度曲线拌越慢，则过

25、饱和曲线越远离溶解度曲线。生产中应尽量控。生产中应尽量控制各种条件，使介稳区较宽，便于结晶操作的控制。制各种条件，使介稳区较宽，便于结晶操作的控制。2023-3-126当超越超溶解度时，体系过饱和度越高，则以均相成核当超越超溶解度时，体系过饱和度越高，则以均相成核为主，随着过饱和度的下降，则有可能继而以非均相成为主，随着过饱和度的下降，则有可能继而以非均相成核或二次成核为主。核或二次成核为主。：溶液呈不饱和状态，没有结晶；：溶液呈不饱和状态，没有结晶；：能够自发产生晶核，且晶核形成的速度较大，：能够自发产生晶核，且晶核形成的速度较大，产生的结晶量大，晶粒小，质量难以控制；产生的结晶量大，晶粒小

26、，质量难以控制；：不会自发产生晶核或晶核的形成速率较慢，：不会自发产生晶核或晶核的形成速率较慢，需加入需加入，并把溶液浓度控制在，并把溶液浓度控制在介稳区内的养晶介稳区内的养晶区区，让晶体慢慢长大，得到，让晶体慢慢长大，得到平均粒度较大平均粒度较大的结晶产品，的结晶产品，避免产生过多晶核而影响最终产品的粒度。避免产生过多晶核而影响最终产品的粒度。2023-3-1271.1.药物结晶的目的？药物结晶的目的？（1 1）获得某种具有药效的晶形；（）获得某种具有药效的晶形；（2 2）获得具有一定）获得具有一定粒度分布的晶体；（粒度分布的晶体；（3 3）提纯分离。）提纯分离。2.2.影响晶体纯度的因素？

27、影响晶体纯度的因素？（1 1）母液在晶体表面的吸藏；（）母液在晶体表面的吸藏；（2 2）形成晶簇，包藏）形成晶簇，包藏母液；（母液；（3 3）晶体外形残缺。）晶体外形残缺。3.3.超溶解度曲线与溶解度曲线的意义及用途？超溶解度曲线与溶解度曲线的意义及用途？4.4.结晶的推动力？结晶的推动力？2023-3-128第一介稳区：加入晶种结晶会生长，但不产新晶核第一介稳区：加入晶种结晶会生长，但不产新晶核第二介稳区：加入晶种结晶会生长，有新晶核产生第二介稳区：加入晶种结晶会生长，有新晶核产生2023-3-129 介稳区的测定介稳区的测定：介稳区的宽度数据对工业结晶操作的设计尤：介稳区的宽度数据对工业结

28、晶操作的设计尤为重要。介稳区全度的测定常常是结晶操作设计的第一步。为重要。介稳区全度的测定常常是结晶操作设计的第一步。在一定搅拌速度下缓慢冷却或蒸发不饱和溶液，在过在一定搅拌速度下缓慢冷却或蒸发不饱和溶液，在过饱和区域内检测晶核出现的过饱和温度或浓度。饱和区域内检测晶核出现的过饱和温度或浓度。2023-3-130初始状态初始状态E为的洁净液，若分别通过冷却法、蒸为的洁净液，若分别通过冷却法、蒸发法或真空绝热蒸发法进行结晶，所经途径为：发法或真空绝热蒸发法进行结晶，所经途径为：EFGH，EFG，EF”G”。2023-3-131)11(2ln2121rrRTMCCC2 小晶体的溶解度；小晶体的溶解

29、度；C1 普通晶体的溶解度；普通晶体的溶解度；晶体密度；晶体密度；M 晶体质量；晶体质量；晶体与溶液间的界面张力；晶体与溶液间的界面张力；r2 小晶体的半径；小晶体的半径；r1 普通晶体的半径；普通晶体的半径；（2）晶体物质的溶解度与其颗粒的半径大小的关系）晶体物质的溶解度与其颗粒的半径大小的关系(1)r2r1，则则C1C2，：，：半径较小的颗粒溶解度更大半径较小的颗粒溶解度更大。(2)r2接近无限大，相当于颗粒表面接近平面，溶解度接近接近无限大，相当于颗粒表面接近平面，溶解度接近饱和浓度：饱和浓度：过饱和度越大，颗粒直径越小过饱和度越大，颗粒直径越小。Kelvin公式公式2023-3-132

30、一个完整的结晶过程包括：一个完整的结晶过程包括：形成过饱和溶液形成过饱和溶液 晶核形成晶核形成 晶体生长。晶体生长。8.3.1 结晶过程分析：结晶过程分析：1.过饱和溶液的形成过饱和溶液的形成溶质从过饱和溶液中结晶出来，溶质从过饱和溶液中结晶出来，经历两个步骤经历两个步骤：产生晶核的过程称为晶核形成。产生晶核的过程称为晶核形成。晶核长大的过程称为晶体生长。晶核长大的过程称为晶体生长。2023-3-133由于过饱和度的大小直接影响着晶核形成过程和由于过饱和度的大小直接影响着晶核形成过程和晶体生长过程的快慢，而这两个过程的快慢又影晶体生长过程的快慢，而这两个过程的快慢又影响着结晶产品中晶体的粒度及

31、粒度分布，因此过响着结晶产品中晶体的粒度及粒度分布，因此过饱和度是考虑结晶问题时一个极其重要的因素。饱和度是考虑结晶问题时一个极其重要的因素。过饱和度越大，结晶推动力越大，结晶速率越大，过饱和度越大，结晶推动力越大，结晶速率越大，此时结晶颗粒数量多、晶粒细微；此时结晶颗粒数量多、晶粒细微；结晶速率缓慢而推动力不很大的情况，得到较少结晶速率缓慢而推动力不很大的情况，得到较少的颗粒数量和较大的晶粒。的颗粒数量和较大的晶粒。2023-3-134冷却法的结晶过程基本上不去除溶剂，而是使溶液冷冷却法的结晶过程基本上不去除溶剂，而是使溶液冷却降温，成为过饱和溶液。此法却降温，成为过饱和溶液。此法适用于溶解

32、度随温度适用于溶解度随温度的降低而显著下降的物系的降低而显著下降的物系。例如：亚氨基二乙腈（除草剂草甘膦的重要中间体）例如：亚氨基二乙腈（除草剂草甘膦的重要中间体）水溶液中的溶解度随温度的升高而变大，在高于水溶液中的溶解度随温度的升高而变大，在高于45 的溶解度急剧增加。的溶解度急剧增加。根据亚氨基二乙腈在水溶液中的根据亚氨基二乙腈在水溶液中的溶解特性，选择冷却结晶操作方式比较合适。溶解特性，选择冷却结晶操作方式比较合适。2023-3-135冷却方法分为自然冷却、间壁冷却及直接接触冷却。冷却方法分为自然冷却、间壁冷却及直接接触冷却。自然冷却自然冷却：使溶液在大气中冷却而结晶，其设备构造及：使溶

33、液在大气中冷却而结晶，其设备构造及操作均较简单，但冷却徐缓，生产能力低，难于控制产操作均较简单，但冷却徐缓，生产能力低，难于控制产品质量，较大规模生产中已不被采用。品质量，较大规模生产中已不被采用。间壁冷却间壁冷却：广泛的工业结晶方法，消耗能量较少，但冷：广泛的工业结晶方法，消耗能量较少，但冷却传热面的传热系数较低，所允许采用的温差又小，故却传热面的传热系数较低，所允许采用的温差又小，故一般多用在产量较小的场合，或生产规模虽较大但其它一般多用在产量较小的场合，或生产规模虽较大但其它结晶方法不合算的场合结晶方法不合算的场合。间壁冷却法的主要困难在于冷却表面上常会有晶体结出，间壁冷却法的主要困难在

34、于冷却表面上常会有晶体结出，称为称为，使冷却效果下降，而从冷却面上清除，使冷却效果下降，而从冷却面上清除晶疤往往消耗较多的工时（晶疤往往消耗较多的工时（预防和消除？预防和消除？）。）。2023-3-1362023-3-137直接接触冷却法直接接触冷却法：包括以空气为冷却剂与溶液直：包括以空气为冷却剂与溶液直接接触冷却的方法，还有采用与溶液不互溶的碳接接触冷却的方法，还有采用与溶液不互溶的碳氢化合物为冷却剂使溶液与之直接接触而冷却的氢化合物为冷却剂使溶液与之直接接触而冷却的方法，以及近年来采用专用的液态冷冻剂如乙烯、方法，以及近年来采用专用的液态冷冻剂如乙烯、氟里昂等，使溶液与之直接接触而冷却，

35、在冷却氟里昂等，使溶液与之直接接触而冷却，在冷却过程中冷冻剂则气化的方法。过程中冷冻剂则气化的方法。直接接触冷却法有效地克服了间壁冷却的缺点，直接接触冷却法有效地克服了间壁冷却的缺点，但是采用这种操作时，冷却介质必须对结晶产品但是采用这种操作时，冷却介质必须对结晶产品不污染，不能与结晶溶液中的溶剂互溶（或者虽不污染，不能与结晶溶液中的溶剂互溶（或者虽不互溶但难于分离）。不互溶但难于分离）。2023-3-138蒸发法是去除一部分溶剂的结晶法，它使溶液在加压，蒸发法是去除一部分溶剂的结晶法，它使溶液在加压，常压或减压下加热蒸发而浓缩以达到过饱和。常压或减压下加热蒸发而浓缩以达到过饱和。适用于溶解度

36、随温度的降低而变化不大的物系或具有适用于溶解度随温度的降低而变化不大的物系或具有逆溶解度的物系。逆溶解度的物系。蒸发法结晶消耗的热能最多，加热面的结垢问题也会蒸发法结晶消耗的热能最多，加热面的结垢问题也会使操作遇到困难，故除了对这两类物系外，一般不常使操作遇到困难，故除了对这两类物系外，一般不常采用。为了节省热能，常由多个蒸发结晶器组成多效采用。为了节省热能，常由多个蒸发结晶器组成多效蒸发，使操作压力逐效降低，以便重复利用热能。蒸发，使操作压力逐效降低，以便重复利用热能。2023-3-139使溶剂在真空下闪急蒸发而绝热冷却，实质是以使溶剂在真空下闪急蒸发而绝热冷却，实质是以冷却及浓缩两种效应来

37、产生过饱和度。冷却及浓缩两种效应来产生过饱和度。所用的主体设备较简单，操作稳定。突出之处是所用的主体设备较简单，操作稳定。突出之处是器内无换热面，因而不存在晶垢妨碍传热而需经器内无换热面，因而不存在晶垢妨碍传热而需经常清理的问题，且设备的防腐蚀问题也比较容易常清理的问题，且设备的防腐蚀问题也比较容易解决。解决。真空冷却法的操作压力一般可低至真空冷却法的操作压力一般可低至 30mmHg 绝对绝对压，也有低至压，也有低至 3mmHg 绝对压的。绝对压的。2023-3-140真空的产生常采用多级蒸汽喷射泵及热力压缩真空的产生常采用多级蒸汽喷射泵及热力压缩机，其能量消耗远远高于不用真空的冷却法。机，其

38、能量消耗远远高于不用真空的冷却法。在大型生产中常由多个真空冷却结晶器组成多在大型生产中常由多个真空冷却结晶器组成多级结晶器，使操作真空度逐级提高，以节约前级结晶器，使操作真空度逐级提高，以节约前级的喷射泵的能量消耗。级的喷射泵的能量消耗。近几年来遍及世界的能源危机使这种结晶方法近几年来遍及世界的能源危机使这种结晶方法的优势地位也受到威胁，人们在寻觅降低它的的优势地位也受到威胁，人们在寻觅降低它的能量消耗的措施，或考虑用直接接触冷却法取能量消耗的措施，或考虑用直接接触冷却法取代它的可能性。代它的可能性。2023-3-141：增加溶液中电解质的正离子浓度，会导致电解：增加溶液中电解质的正离子浓度，

39、会导致电解质溶解度的下降的现象。质溶解度的下降的现象。在某些医药产品的结晶过程中，经常利用在某些医药产品的结晶过程中，经常利用同离子效应来降低同离子效应来降低目的产物在溶液中的溶解度，以提高结晶收率目的产物在溶液中的溶解度，以提高结晶收率。大多数磺酸大多数磺酸基化合物均采用此方法分离。基化合物均采用此方法分离。电解质盐析剂离子的水合作用使溶液中自由水电解质盐析剂离子的水合作用使溶液中自由水分子数减小分子数减小,从而提高溶液中欲结晶物质在溶液中的有效浓从而提高溶液中欲结晶物质在溶液中的有效浓度，使欲结晶物质在溶液中结晶析出。度，使欲结晶物质在溶液中结晶析出。水对阳离子的溶剂化作用大于阴离子；盐析

40、剂与水结合愈强水对阳离子的溶剂化作用大于阴离子；盐析剂与水结合愈强烈，盐析效应愈强。阳离子半径愈小，电荷愈多，盐析效应烈，盐析效应愈强。阳离子半径愈小，电荷愈多，盐析效应愈强。愈强。ONaOOONa2023-3-142气体与液体或液体与液体之间发生化学反应以产生固气体与液体或液体与液体之间发生化学反应以产生固体沉淀，体沉淀，固体的析出是由于反应产物在液相中的浓度固体的析出是由于反应产物在液相中的浓度超过了饱和浓度的结果。超过了饱和浓度的结果。反应结晶过程可分为反应和结晶两步，随着反应的进反应结晶过程可分为反应和结晶两步，随着反应的进行，反应产物的浓度增大并达到过饱和，在溶液中产行，反应产物的浓

41、度增大并达到过饱和，在溶液中产生晶核并逐渐长大为晶体颗粒。生晶核并逐渐长大为晶体颗粒。反应结晶产生的固体粒子一般较小反应结晶产生的固体粒子一般较小。要想获得符合粒。要想获得符合粒度分布要求的晶体产品，必须小心控制溶液的过饱和度分布要求的晶体产品，必须小心控制溶液的过饱和度，如度，如2023-3-143晶核晶核：过饱和溶液中新生成的微小晶体粒子，是晶体生长过：过饱和溶液中新生成的微小晶体粒子，是晶体生长过程必不可少的核心。大小粗估为数十程必不可少的核心。大小粗估为数十nmnm至几至几umum。微小的晶核微小的晶核具有较大的溶解度，只有达到一定的过饱和度以后，晶核才具有较大的溶解度，只有达到一定的

42、过饱和度以后，晶核才能够稳定存在。能够稳定存在。晶胚晶胚：晶核形成之初，快速运动的溶质质点相互碰撞结合成：晶核形成之初，快速运动的溶质质点相互碰撞结合成线体单元，其增大到一定限度后形成的粒子。晶胚极不稳定，线体单元，其增大到一定限度后形成的粒子。晶胚极不稳定，可能继续长大，也可能重新分解为小线体或单个质点。可能继续长大，也可能重新分解为小线体或单个质点。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。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成核方式可分为初级成核和二次成核两类。2023-3-144初级成核初级成核：在没有晶体存在的条件下自

43、发产生晶核在没有晶体存在的条件下自发产生晶核的过程的过程。分为非均相和均相初级成核。分为非均相和均相初级成核。均相初级成核均相初级成核：洁净的过饱和溶液进入介稳区时，：洁净的过饱和溶液进入介稳区时，还不能自发地产生晶核，只有进入不稳区后，溶液还不能自发地产生晶核，只有进入不稳区后，溶液才能自发地产生晶核。这种才能自发地产生晶核。这种在均相过饱和溶液中自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发产生晶核的过程称为均相初级成核。2023-3-145均相初级成核速率均相初级成核速率：)(ln316exp23323STkVANmP*CCCS比饱和度比饱和度A：指前因子；：指前因子；Vm：摩

44、尔体积；：摩尔体积；k：Boltzmann常数；常数；T：绝对温度；：绝对温度；：表面张力。：表面张力。初级成核过程中晶核的初级成核过程中晶核的临界粒径临界粒径与过饱和度间有：与过饱和度间有：SkVdmcln2在过饱和溶液中，只有大于临界粒径的晶核才能生存并在过饱和溶液中，只有大于临界粒径的晶核才能生存并继续生长，小于此值的粒子则会溶解消失。继续生长，小于此值的粒子则会溶解消失。2023-3-146非均相初级成核非均相初级成核：在工业结晶器中发生均相初：在工业结晶器中发生均相初级成核的机会比较少，实际上溶液中有外来固体级成核的机会比较少，实际上溶液中有外来固体物质颗粒，如大气中的灰尘或其他人为

45、引入的固物质颗粒，如大气中的灰尘或其他人为引入的固体粒子，在非均相过饱和溶液中自发产生晶核的体粒子，在非均相过饱和溶液中自发产生晶核的过程。过程。这些外来杂质粒子对初级成核过程有诱导作用，这些外来杂质粒子对初级成核过程有诱导作用，在一定程度上降低了成核势垒，所以非均相成核在一定程度上降低了成核势垒，所以非均相成核可在比均相成核更低的过饱和度下发生。可在比均相成核更低的过饱和度下发生。2023-3-147初级成核速率与过饱和度的经验关联式：初级成核速率与过饱和度的经验关联式：apPcKNKp:速率常数速率常数;c:过饱和度；过饱和度；a:成核指数，一般成核指数，一般a2。Kp与与a的大小与具体结

46、晶物系和流体力学条件有关。的大小与具体结晶物系和流体力学条件有关。初级成核速率较大，对过饱和度变化非常敏感，很难初级成核速率较大，对过饱和度变化非常敏感，很难将其控制在一定的水平。除了超细粒子制造外，一般将其控制在一定的水平。除了超细粒子制造外，一般结晶过程都要尽量避免初级成核的发生。结晶过程都要尽量避免初级成核的发生。2023-3-148在已有晶体存在的条件下产生晶核的过程在已有晶体存在的条件下产生晶核的过程。二次。二次成核的机理主要有流体剪应力成核和接触成核。成核的机理主要有流体剪应力成核和接触成核。剪应力成核剪应力成核：当过饱和溶液以较大的流速流过正：当过饱和溶液以较大的流速流过正在生长

47、中的晶体表面时，在流体边界层存在的剪在生长中的晶体表面时，在流体边界层存在的剪应力能将一些附着于晶体之上的粒子扫落，而成应力能将一些附着于晶体之上的粒子扫落，而成为新的晶核。为新的晶核。2023-3-149当晶体与其他固体物接触时所产生的晶体表面上当晶体与其他固体物接触时所产生的晶体表面上的碎粒。在过饱和溶液中，晶体只要与固体物进的碎粒。在过饱和溶液中，晶体只要与固体物进行能量很低的接触，就会产生大量的微粒。这与行能量很低的接触，就会产生大量的微粒。这与晶体在干燥条件下的表现完全不同。晶体在干燥条件下的表现完全不同。晶体被撞击后在表面会出现伤痕，但在过饱和溶晶体被撞击后在表面会出现伤痕，但在过

48、饱和溶液中，伤痕会在很短的时间内自动修复而消失。液中，伤痕会在很短的时间内自动修复而消失。在工业结晶器中，晶体与搅拌桨、器壁间的碰撞，在工业结晶器中，晶体与搅拌桨、器壁间的碰撞，以及晶体与晶体之间的碰撞都有可能发生接触成以及晶体与晶体之间的碰撞都有可能发生接触成核。核。接触成核的几率往往大于剪应力成核接触成核的几率往往大于剪应力成核。2023-3-150过饱和度的影响：过饱和度的影响：产生的晶粒数产生的晶粒数N是过饱和度是过饱和度S的函数。的函数。碰撞能量的影响：碰撞能量的影响：能量越大，产生的晶粒数越多。能量越大，产生的晶粒数越多。螺旋桨的影响螺旋桨的影响：螺旋桨对接触成核的影响最大，：螺旋

49、桨对接触成核的影响最大，主要主要体现在它的转速和桨叶端速度上体现在它的转速和桨叶端速度上。为了避免产生过量。为了避免产生过量的晶核，螺旋桨总是在的晶核，螺旋桨总是在适宜的低转速下进行适宜的低转速下进行。另外螺。另外螺旋桨的旋桨的材质材质对成核也有一定的影响。软的桨叶吸收了对成核也有一定的影响。软的桨叶吸收了大部分的碰撞能量，使晶核生成量大幅度减小（聚乙大部分的碰撞能量，使晶核生成量大幅度减小（聚乙烯桨叶与不锈钢桨叶相比，晶核的生成量相差烯桨叶与不锈钢桨叶相比，晶核的生成量相差4倍以上，倍以上，也有晶核的生成与材质无关的报道）。一般情况下，也有晶核的生成与材质无关的报道）。一般情况下，低转速时，

50、桨叶材质的影响要突出些。低转速时，桨叶材质的影响要突出些。2023-3-151晶体粒度的影响晶体粒度的影响：在同一温度下，小粒子较大粒子具有更大表面能，这一差别在同一温度下，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完全消失。因此存在一个临界粒度值。晶体的粒度只有大于次临界值，才能成为可以继续长大的稳定的晶核。次临界值，才能成为可以继续长大的