分離工程第九章

分離工程第九章第一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)結(jié)晶一、結(jié)晶過程的實(shí)質(zhì)飽和溶液：溶液的濃度等于溶質(zhì)的溶解度，則該溶液稱為飽和溶液。溶質(zhì)從溶液中結(jié)晶析出是一個(gè)新相形成的過程。這一過程不僅包括溶質(zhì)分子凝聚成固體，并包括這些分子有規(guī)則的排列在一定的晶格中。這種有規(guī)則的排列和表面分子化學(xué)鍵力的變化有關(guān)，因此結(jié)晶過程又是一個(gè)表面化學(xué)反應(yīng)過程。過飽和度：用過飽和溶液的濃度與飽和溶液的濃度比表示第二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

結(jié)晶包括三個(gè)過程：形成飽和溶液晶核形成晶體生長第三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日二、過飽和溶液的形成1將熱飽和溶液冷卻

適用于溶解度隨溫度降低而顯著減小的場合2將部分溶劑蒸發(fā)（等溫結(jié)晶）

適用于溶解度隨溫度變化不顯著的場合3化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶加入反應(yīng)劑或調(diào)解pH產(chǎn)生新物質(zhì)，當(dāng)其濃度超過它的溶解度時(shí)，就有結(jié)晶析出4鹽析結(jié)晶

加一種物質(zhì)與溶液中，以使溶質(zhì)的溶解度降低，形成過飽和溶液而結(jié)晶第五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日三、晶核的形成

晶核的形成可以簡單的定義為一個(gè)新的晶粒的形成。在一定的過飽和度下存在臨界晶體半徑rc，半徑大于rc的晶體生長，而半徑小于rc的晶體溶解消失。理論上通常將半徑為rc的結(jié)晶微粒定義為晶核，而將半徑小于rc的結(jié)晶微粒成為胚種。晶核的產(chǎn)生根據(jù)成核機(jī)理不同可分為初級(jí)成核和二次成核，其中初級(jí)成核又分為均相成核和非均相成核。第六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日1.初級(jí)成核初級(jí)成核是過飽和溶液中的自發(fā)成核現(xiàn)象。機(jī)理：胚種及溶質(zhì)分子相互碰撞。均相成核：當(dāng)晶核形成發(fā)生在沒有外來表面的均相溶液中的初級(jí)成核現(xiàn)象。非均相成核：當(dāng)晶核形成發(fā)生在有外來表面的溶液中的初級(jí)成核現(xiàn)象。第七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2.二次成核向介穩(wěn)態(tài)過飽和溶液中加入晶種，就會(huì)有新的晶核產(chǎn)生，這種成核現(xiàn)象為二次成核。機(jī)理：尚不清楚。一般認(rèn)為：在有晶體存在的懸浮液中，附著在晶體上的微小晶體或會(huì)合分子受到流體流動(dòng)的剪切作用，以及晶體之間的相互碰撞和晶體與器壁的相會(huì)碰撞而脫離晶體，形成新的晶核。工業(yè)結(jié)晶的成核現(xiàn)象通常為二次成核。第八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日3.影響成核的因素過飽和度對(duì)成核速度的影響從圖可知：圖中實(shí)線表示當(dāng)過飽和度超過某一值時(shí)，成核速度增加很快。但實(shí)際上成核速度是按圖中虛線進(jìn)行的，在某一過飽和度時(shí)有最大的成核速度。然后隨著過飽和度的增加，成核速度下降。這是因?yàn)檎扯鹊挠绊?，?dāng)粘度大時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)減慢，成核受阻。

第九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日溫度對(duì)成核速度的影響溫度升高時(shí)，成核速度也升高。但溫度升高時(shí)，過飽和度降低，所以溫度對(duì)成核速度的影響要以溫度與過飽和度相互消長速度來決定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，一般成核速度隨溫度上升，達(dá)到最大值后，溫度再升高，成核速度反而下降。第十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日離子種類對(duì)結(jié)晶的影響對(duì)于無機(jī)物陽離子或陰離子的化合價(jià)增加，就愈不易成核；而在相同的化合價(jià)下，含結(jié)晶水越多，就越不易成核。對(duì)于有機(jī)物一般結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，分子量越大，成核速度就越慢。例如過飽和度很高的蔗糖溶液，可長時(shí)間保持而不析出。第十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日晶種對(duì)結(jié)晶的影響加晶種能誘導(dǎo)結(jié)晶。晶種可以是同種物質(zhì)或相同晶型的物質(zhì)，有時(shí)惰性的無定形物質(zhì)也可作為結(jié)晶中心，例如塵埃。(a)不加晶種的溶液迅速冷卻一直達(dá)到不穩(wěn)定區(qū)，于是有大量晶核析出。(b)加晶種，溶液緩慢冷卻，溫度進(jìn)行控制，以使系統(tǒng)始終處于介穩(wěn)區(qū)中，不能自動(dòng)成核。這樣能得到均勻的、一定大小的晶體。第十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日四、晶體的生長

晶核一形成，立即開始長成晶體。晶體的大小決定于晶體生長速度與晶核生成速度的對(duì)比關(guān)系。晶體生長速度大大超過晶核的生成速度，過飽和度主要用來使晶體成長，可得到粗大而有規(guī)則的晶體；反之，則過飽和度主要用來生成新的晶核，所得的晶核顆粒參差不齊，晶體細(xì)小，甚至成無定形態(tài)。第十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

表述晶體的生長的機(jī)理很多，以擴(kuò)散理論最常用，認(rèn)為晶體生長過程由擴(kuò)散和表面化學(xué)反應(yīng)組成。分子擴(kuò)散過程：溶質(zhì)從溶液主體向擴(kuò)散通過一層液膜，進(jìn)入晶體表面；表面化學(xué)反應(yīng)：固-液界面上溶液中的物質(zhì)與晶體表面上的物質(zhì)結(jié)合或沉積，形成一定大小的規(guī)則晶體。第十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日促進(jìn)晶體生長的手段促進(jìn)晶體生長的手段攪拌升溫增高飽和度攪拌：攪拌促進(jìn)擴(kuò)散，并防止晶體聚結(jié)。一般可通過由弱到強(qiáng)的攪拌試驗(yàn)，以求一適宜的攪拌速度，使晶體顆粒最大。升溫：有利于擴(kuò)散和表面化學(xué)反應(yīng)，使結(jié)晶速度增快。升溫能降低粘度，有利于得到均勻晶體。增高飽和度：可增大結(jié)晶速度，但飽和度過高，會(huì)使溶液粘度增加，而影響結(jié)晶速度。第十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日五、提高晶體質(zhì)量的途徑晶體的質(zhì)量指晶體的大小，性狀(均勻度)和純度控制途徑：1晶體的大小2晶體的形狀3晶體的純度4晶體的結(jié)塊5重結(jié)晶第十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日六、結(jié)晶器

選擇的依據(jù)：目標(biāo)產(chǎn)物的溶解度曲線而定。工業(yè)結(jié)晶設(shè)備冷卻式蒸發(fā)式常壓真空第十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日冷卻結(jié)晶器分為攪拌槽式和Howard結(jié)晶器。攪拌槽式有夾套冷卻式、外部循環(huán)冷卻式和槽內(nèi)蛇管冷卻式。攪拌槽結(jié)晶器結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備造價(jià)低。Howard潔凈器也是夾套冷卻式結(jié)晶器，但結(jié)晶器主體呈錐形結(jié)構(gòu)。Howard結(jié)晶器是一種結(jié)晶分級(jí)型連續(xù)結(jié)晶器。由于采用夾套冷卻，結(jié)晶器的容積較小，適用于小規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。第十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

攪拌槽加套冷卻式外部循環(huán)冷卻式第十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日Howard結(jié)晶器Howard結(jié)晶器第二十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日蒸發(fā)結(jié)晶器由結(jié)晶器主體、蒸發(fā)室和外部加熱器構(gòu)成。Krystal-Oslo結(jié)晶器溶液經(jīng)外部循環(huán)加熱后送入蒸發(fā)室蒸發(fā)濃縮，達(dá)到過飽和狀態(tài)，通過中心導(dǎo)管下降到結(jié)晶生長槽中，在結(jié)晶生長槽中，流體向上流動(dòng)的同時(shí)結(jié)晶不斷生長，大顆粒結(jié)晶發(fā)生沉降，從底部排出產(chǎn)品晶漿。因此，Krystal-Oslo結(jié)晶器也具備結(jié)晶分級(jí)能力。第二十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第二十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日DTB結(jié)晶器DTB結(jié)晶器內(nèi)設(shè)導(dǎo)流管和鐘罩形擋板，導(dǎo)流管內(nèi)又設(shè)有螺旋漿，驅(qū)動(dòng)流體向上流動(dòng)進(jìn)入蒸發(fā)室。特點(diǎn)：由于結(jié)晶器內(nèi)設(shè)置了導(dǎo)流筒和高效攪拌循環(huán)漿，形成內(nèi)循環(huán)通道，內(nèi)循環(huán)效率高，過飽和度均勻，并且較低。因此，漿液密度可達(dá)30-40%的水平，生產(chǎn)強(qiáng)度高，可生產(chǎn)大顆粒結(jié)晶產(chǎn)品。第二十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第二十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日DP結(jié)晶器DP結(jié)晶即雙螺旋漿結(jié)晶器，是對(duì)DTB結(jié)晶器的改良。由于是雙螺旋漿驅(qū)動(dòng)流體內(nèi)循環(huán)，所以在低轉(zhuǎn)速下即可獲得較好的攪拌循環(huán)效果，功耗較DTB結(jié)晶器低，有利于降低結(jié)晶的機(jī)械破碎。但DP結(jié)晶器的缺點(diǎn)是大螺旋漿要求動(dòng)平衡性能好、精度高，制造復(fù)雜。第二十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第二十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日干燥：利用熱能出去目標(biāo)產(chǎn)物的濃縮懸浮或結(jié)晶（沉淀）產(chǎn)品中濕分（水分或有機(jī)溶劑）的單元操作，通常是生物產(chǎn)物成品化前的最后下游加工過程。干燥中的注意事項(xiàng)：

1生物產(chǎn)物多為熱敏性物質(zhì)，干燥過程中必須嚴(yán)格控制操作溫度和時(shí)間。

2干燥必須在潔凈的環(huán)境中進(jìn)行，選用的干燥設(shè)備必須滿足無菌操作的要求。第二節(jié)干燥第二十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

干燥操作通過向濕料提供熱能促使水分蒸發(fā)，蒸發(fā)的水汽由氣流帶走或真空泵抽出，從而達(dá)到物料減濕進(jìn)而干燥的目的。因此，干燥是傳熱和傳質(zhì)的復(fù)合過程，傳熱推動(dòng)力是溫度差，而傳質(zhì)推動(dòng)力是物料表面的飽和蒸汽壓與氣流中水汽分壓之差。干燥操作傳導(dǎo)干燥對(duì)流干燥輻射干燥介電加熱干燥第二十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日載熱體（如空氣、水蒸氣、煙道氣等）不與濕物料直接接觸，而是通過導(dǎo)熱介質(zhì)（如不銹鋼）以傳導(dǎo)的方式傳給濕物料。傳導(dǎo)干燥（間接加熱）第二十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日載熱體以對(duì)流方式與濕物料顆粒（或液滴）直接接觸，向濕物料對(duì)流傳熱，對(duì)流干燥的載熱體同時(shí)是載濕體。對(duì)流干燥（直接加熱）第三十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日濕度：濕空氣中水汽的質(zhì)量與濕空氣中干空氣的質(zhì)量比。Mw和Mg分別為水汽和空氣的相對(duì)分子量，nw和ng分別為水汽及空氣的物質(zhì)的量pt濕空氣的總壓，p

水汽分壓，ps飽和蒸汽壓相對(duì)濕度：空氣中水汽分壓與飽和蒸汽壓之比第三十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日干球溫度：在濕空氣中用普通溫度計(jì)測得的溫度是濕空氣的真實(shí)溫度。濕球溫度：當(dāng)濕空氣高速度(>5m/s)通過濕紗布表面時(shí)，如果空氣的相對(duì)濕度小于100%，由于濕紗布中水分的蒸發(fā)需要潛熱，使水溫下降。水溫的下降使?jié)窨諝馀c紗布表面之間產(chǎn)生溫差，向濕紗布傳熱。當(dāng)溫度下降到一定程度，傳熱速率與水分蒸發(fā)所需的傳熱速率相等時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)，溫度不再下降，此時(shí)濕球溫度計(jì)的讀數(shù)即為濕球溫度。第三十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日非結(jié)合水：較大孔隙中的水分和吸附水分一樣，與相同溫度下的純水的飽和蒸氣壓相同，容易蒸發(fā)，稱為非結(jié)合水。表面吸附水分屬于非結(jié)合水。結(jié)合水：存在于很小毛細(xì)管中的水分和胞內(nèi)水分的蒸氣壓較相同溫度下純水的飽和蒸氣壓低，較難蒸發(fā)，稱為結(jié)合水。第三十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日干燥設(shè)備盤架干燥器盤架干燥器是外壁絕熱的廂形干燥設(shè)備，又稱廂式干燥器。主要用于抗生素、氨基酸、酶產(chǎn)品的干燥。該操作多為間歇操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，處理量小。第三十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日冷凍干燥器也是一種廂式干燥器。主要用于熱敏性非常強(qiáng)的生物物質(zhì)，如蛋白質(zhì)類生理活性物質(zhì)、抗生素、果蔬等?；蚬こ痰鞍最愃幬镏饕谜婵绽鋬龈稍?。第三十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日傳送帶式干燥器傳送帶式干燥器是一種熱傳導(dǎo)式干燥設(shè)備，可在常壓或真空下操作?？蛇B續(xù)化操作，設(shè)備密閉性好，不易受微生物污染，可用于氨基酸、維生素、抗生素、糖和酶類的干燥。第三十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日轉(zhuǎn)筒干燥器是一種熱空氣與物料顆粒直接接觸的對(duì)流干燥設(shè)備，可用于糖類的干燥。第三十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日氣流干燥器氣流干燥器主要由預(yù)熱器，干燥管和旋風(fēng)分離器構(gòu)成。氣流干燥器處理量大，干燥速度快，可用于淀粉、葡萄糖、氨基酸和抗生素等物質(zhì)的干燥。第三十八頁，共四十頁，編輯