溶液結(jié)晶的方法、結(jié)晶器結(jié)構(gòu)與工作原理

溶液結(jié)晶的方法、結(jié)晶器結(jié)構(gòu)與工作原理根據(jù)析出固體的方式不同，可將結(jié)晶分為溶液結(jié)晶、熔融結(jié)晶、升華結(jié)晶和沉淀結(jié)晶等多種類型。工業(yè)上使用上最為廣泛的是溶液結(jié)晶，采用降溫或移除溶劑的方法使溶液達到過飽和狀態(tài)，析出溶質(zhì)作為產(chǎn)品。此外，也可按照操作是否連續(xù)，將結(jié)晶操作分為間歇式和連續(xù)式，或按有無攪拌裝置分為攪拌式和無攪拌式等。一、溶液結(jié)晶的方法溶液結(jié)晶是指晶體從溶液中析出的過程。溶液結(jié)晶的基本條件是溶液的過飽和，一般經(jīng)過以下過程：不飽和溶液、飽和溶液、過飽和溶液、晶核的形成、晶體生長。1、冷卻法冷卻法也稱降溫法，它是通過冷卻降溫使溶液達到過飽和的方法。冷卻結(jié)晶基本上不除去溶劑，靠移去溶液的熱量以降低溫度，使溶液達到過飽和狀態(tài)，從而進行結(jié)晶。這種方法適用于溶解度隨溫度降低而顯著下降的情況。冷卻又分為自然冷卻、間壁冷卻和直接接觸冷卻。自然冷卻法是使溶液在大氣中冷卻結(jié)晶，其設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作均最簡單，但冷卻速率慢、生產(chǎn)能力低且難于控制晶體質(zhì)量。間壁冷卻法是工業(yè)上廣為采用的結(jié)晶方法，靠夾套或管壁間接傳熱冷卻結(jié)晶，這種方式消耗能量少，應(yīng)用較廣泛，但冷卻傳熱速率較低，冷卻壁面上常有晶體析出，在器壁上形成晶垢或晶疤，影響冷卻效果。直接接觸冷卻器以空氣或制冷劑直接與溶液接觸冷卻。這種方法克服了間壁冷卻的缺點，傳熱效率高，沒有結(jié)疤問題，但設(shè)備體積龐大；采用這種操作必須注意的是選用的冷卻介質(zhì)不能與結(jié)晶母液中的溶劑互溶或者雖互溶但應(yīng)易于分離，而且對結(jié)晶產(chǎn)品無污染。2、蒸發(fā)法蒸發(fā)法是靠去除部分溶劑來達到溶液過飽和狀態(tài)而進行結(jié)晶的方法，適用于溶解度隨溫度變化不大的情況。蒸發(fā)結(jié)晶消耗的能量較多，并且也存在著加熱面容易結(jié)垢的問題，但對可以回收溶劑的結(jié)晶過程還是合算的。蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備常在真空度不高的減壓下操作，目的在于降低操作溫度，以利于熱敏性產(chǎn)品的穩(wěn)定，并減少熱能損耗。3、真空冷卻法真空冷卻法又稱閃蒸冷卻結(jié)晶法。它是溶劑在真空條件下閃蒸蒸發(fā)而使溶液絕熱冷卻的結(jié)晶法。實質(zhì)上是將冷卻和蒸發(fā)兩種方法結(jié)合起來，同時進行。此法適用于隨著溫度的升高，溶解度以中等速率增大的物質(zhì)，如硫酸銨、氯化鉀等。此法主體設(shè)備簡單、無換熱壁面、晶疤少、檢修時間可較長，設(shè)備的防腐蝕問題也容易解決，為大規(guī)模結(jié)晶生產(chǎn)中首選的方法。4、鹽析法鹽析法是通過向溶液中加入某種物質(zhì)降低溶質(zhì)在溶劑中的溶解度，以建立過飽和度進行結(jié)晶的方法。所加入的物質(zhì)被稱為鹽析劑或沉淀劑，要求其能與原來的溶劑互溶，但不能溶解要結(jié)晶的物質(zhì)，且要求加入的物質(zhì)和原溶劑要易于分離。之所以稱為鹽析法是由于氯化鈉是最常見的添加劑，如在聯(lián)合制堿法中，向低溫氯化銨溶液中加入氯化鈉，可使溶液中的氯化銨結(jié)晶出來。水、醇和酮等也可作添加劑使某些溶液產(chǎn)生鹽析結(jié)晶，有時也稱溶析結(jié)晶。鹽析法工藝簡單、操作方便，適用于熱敏性物料的結(jié)晶和藥物結(jié)晶；缺點是常需要設(shè)置回收設(shè)備來處理結(jié)晶母液，以回收溶劑和鹽析劑。5、反應(yīng)結(jié)晶反應(yīng)結(jié)晶是利用氣體與液體或液體與液體之間的化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)溶解度小的產(chǎn)物，這種情況是反應(yīng)過程與結(jié)晶過程結(jié)合進行的，隨著反應(yīng)的進行，反應(yīng)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。另外，還有通過改變壓力或控制pH以降低溶解度的加壓結(jié)晶和等電點結(jié)晶方法等。二、結(jié)晶器結(jié)晶器的類型很多，按溶液獲得飽和狀態(tài)的方法可分為冷卻結(jié)晶器和蒸發(fā)結(jié)晶器；按流動方式可分為混漿式結(jié)晶器、分級式結(jié)晶器、母液循環(huán)型結(jié)晶器和晶漿循環(huán)型結(jié)晶器；按有無攪拌分為攪拌式結(jié)晶器和無攪拌式結(jié)晶器；按操作方式可分為連續(xù)結(jié)晶器和間歇結(jié)晶器。1、冷卻結(jié)晶器（1）空氣冷卻式結(jié)晶器空氣冷卻式結(jié)晶器是一種最簡單的敞開式結(jié)晶槽，在大氣中冷卻，槽中溫度逐漸降低，同時會有少量溶劑汽化。由于操作是間歇的，冷卻又很緩慢，對于含有多結(jié)晶水的鹽類往往可以得到高質(zhì)量、較大的結(jié)晶。但占地面積大，生產(chǎn)能力低。（2）釜式結(jié)晶器冷卻結(jié)晶過程所需的冷量由夾套或外部換熱器供給，選用哪種形式的結(jié)晶器主要取決于對換熱量大小的需求。目前應(yīng)用較廣的有帶攪拌的內(nèi)循環(huán)式冷卻結(jié)晶器和外循環(huán)式冷卻結(jié)晶器。外循環(huán)式冷卻結(jié)晶器既可間歇操作，也可連續(xù)操作。若制作大顆粒結(jié)晶，宜采用間歇操作，而制備小顆粒結(jié)晶時，采用連續(xù)操作為好。外循環(huán)式操作可以強化結(jié)晶器內(nèi)的均勻混合與傳熱，具有冷卻換熱器面積大、傳熱速率大的優(yōu)點，有利于溶液過飽和度的控制，但必須選擇合適的循環(huán)泵，以避免懸浮顆粒晶體磨損破碎。2、蒸發(fā)結(jié)晶器（1）Krystal-Olso生長型蒸發(fā)結(jié)晶器Krystal-Olso生長型（強制循環(huán)型）蒸發(fā)結(jié)晶器，該結(jié)晶器由蒸發(fā)室和結(jié)晶室兩部分組成。蒸發(fā)室在上，結(jié)晶室在下，中間由一根中央降液管連接。結(jié)晶室的器身帶有一定的錐度，下部截面小，上部截面較大。原料液經(jīng)外部加熱器預(yù)熱之后，經(jīng)再循環(huán)管進入蒸發(fā)室迅速被蒸發(fā)，溶劑被抽走，溶液被降溫，使溶液迅速處在介穩(wěn)區(qū)，在結(jié)晶室內(nèi)析出晶體。粒度較大的晶體顆粒富集在結(jié)晶室底部，降液管中流出的溶液過飽和度也漸漸變小。當(dāng)溶液達到結(jié)晶室頂層時，已基本不含晶粒，過飽和度消耗殆盡，澄清的母液在結(jié)晶室頂部溢流進入循環(huán)管路。這種操作方式是典型的母液循環(huán)式，其優(yōu)點是循環(huán)液中基本不含晶體顆粒，從而避免發(fā)生泵的葉輪與晶粒之間的碰撞而造成的過多二次成核，加上結(jié)晶室的粒度分級作用，所產(chǎn)生的結(jié)晶產(chǎn)品顆粒大而均勻。該結(jié)晶器的缺點是操作彈性小，母液循環(huán)量受到了產(chǎn)品顆粒在飽和溶液中沉降速度的限制，且結(jié)晶器加熱管的內(nèi)壁面易形成晶垢而導(dǎo)致?lián)Q熱器的傳熱系數(shù)降低。（2）DTB型蒸發(fā)結(jié)晶器DTB型（又稱遮導(dǎo)型）蒸發(fā)結(jié)晶器。它可以與蒸發(fā)加熱器聯(lián)用，也可以把加熱器分開，結(jié)晶器作為真空蒸發(fā)制冷型結(jié)晶器使用，是目前采用最多的類型。它的特點是蒸發(fā)室內(nèi)有一個導(dǎo)流管，管內(nèi)裝有帶螺旋槳的攪拌器，它把帶有細小晶體的飽和溶液快速推升到蒸發(fā)表面，由于系統(tǒng)處在真空狀態(tài)，溶劑產(chǎn)生閃蒸而造成了輕度的過飽和度，然后過飽和溶液沿環(huán)形面積流向下部時釋放其過飽和度，使晶體得以長大。在器底部設(shè)有一個分級腿，取出的產(chǎn)品晶漿要先通過它，又與原料液混合，再經(jīng)中心導(dǎo)流管而循環(huán)。結(jié)晶長大到一定大小后沉淀在分級腿內(nèi)，同時對產(chǎn)品也進