1、Chapter 9Chapter 9結結 晶晶CrystallizationCrystallizationu9.1概述u9.2結晶的原理u9.3結晶的步驟與操作u9.4結晶的類型u9.5結晶的應用9.1 概述概述9.1.1結晶的概念結晶的概念u溶液中的溶質在一定條件下，因分子有規則的排列而結合成晶體，晶體的化學成分均一，具有各種對稱的晶體，其特征為離子和分子在空間晶格的結點上呈規則的排列u固體有結晶和無定形兩種狀態u結晶：析出速度慢，溶質分子有足夠時間進行排列，粒子排列有規則u無定形固體：析出速度快，粒子排列無規則-沉析9.1.2 結晶操作的特點結晶操作的特點u只有同類分子或離子才能排列成晶體

2、，因此結晶過程有良好的選擇性。u通過結晶，溶液中大部分的雜質會留在母液中，再通過過濾、洗滌，可以得到純度較高的晶體。u結晶過程具有成本低、設備簡單、操作方便，廣泛應用于氨基酸、有機酸、抗生素、維生素、核酸等產品的精制。溶液的飽和度與過飽和度溶液的飽和度與過飽和度u將一種溶質放入一種溶劑中，由于分子的熱運動，必然發生兩個過程：固體的溶解，即溶質分子擴散進入液體內部；物質的沉積，即溶質分子從液體中擴散到固體表面進行沉積。在一定的溫度和壓力下，當兩擴散過程達到動態平衡時，達飽和溶液，溶質的溶解度(solubility)最大，稱飽和濃度(saturated concentration) u飽和溶液：當

3、溶液中溶質濃度等于該溶質在同等條件下的飽和溶解度時，該溶液稱為飽和溶液；u過飽和溶液：溶質濃度超過飽和溶解度時，該溶液稱之為過飽和溶液；u溶質只有在過飽和溶液中才能析出；u溶質溶解度與溫度、溶質分散度（晶體大小）有關。9.2 結晶的原理結晶的原理 溫度與溶解度的關系溫度與溶解度的關系u由于物質在溶解時要吸收熱量、結晶時要放出結晶熱。因此，結晶也是一個質量與能量的傳遞過程，它與體系溫度的關系十分密切。u溶解度與溫度的關系可以用飽和曲線和過飽和曲線表示飽和曲線和過飽和曲線飽和曲線和過飽和曲線穩定區和亞穩定區穩定區和亞穩定區u在溫度-溶解度關系圖中，SS曲線下方為穩定區，在該區域任意一點溶液均是穩定

4、的；u而在SS曲線和TT曲線之間的區域為亞穩定區，此刻如不采取一定的手段（如加入晶核），溶液可長時間保持穩定；u加入晶核后，溶質在晶核周圍聚集、排列，溶質濃度降低，并降至SS線；u介于飽和溶解度曲線和過飽和溶解度曲線之間的區域，可以進一步劃分刺激結晶區和養晶區不穩定區不穩定區u在TT曲線的上半部的區域稱為不穩定區，在該區域任意一點溶液均能自發形成結晶，溶液中溶質濃度迅速降低至SS線（飽和）；u晶體生長速度快，晶體尚未長大，溶質濃度便降至飽和溶解度，此時已形成大量的細小結晶，晶體質量差；u因此，工業生產中通常采用加入晶種，并將溶質濃度控制在養晶區，以利于大而整齊的晶體形成。結晶過程的實質結晶過程

5、的實質u結晶是指溶質自動從過飽和溶液中析出，形成新相的過程。u這一過程不僅包括溶質分子凝聚成固體，還包括這些分子有規律地排列在一定晶格中，這一過程與表面分子化學鍵力變化有關；u因此，結晶過程是一個表面化學反應過程表面化學反應過程。晶體的形成晶體的形成u形成新相（固體）需要一定的表面自由能。因此，溶液濃度達到飽和溶解度時，晶體尚不能析出，只有當溶質濃度超過飽和溶解度后，才可能有晶體析出。u首先形成晶核，由Kelvin公式，微小的晶核具有較大的溶解度。實質上，在飽和溶液中，晶核是處于一種形成溶解再形成的動態平衡之中，只有達到一定的過飽和度以后，晶核才能夠穩定存在。影響溶液過飽和度的因素影響溶液過飽

6、和度的因素u飽和曲線是固定的u不飽和曲線受攪拌、攪拌強度、晶種、晶種大小和多少、冷卻速度的快慢等因素的影響結晶與溶解度之間的關系結晶與溶解度之間的關系u晶體產量取決于溶液與固體之間的溶解析出平衡；u固體溶質加入未飽和溶液溶解；u固體溶質加入飽和溶液平衡（Vs=Vd）u固體溶質加入過飽和溶液晶體析出凱爾文凱爾文（Kelvin）公式公式)11(2ln1212rrRTMccC2-小晶體的溶解度； C1-普通晶體的溶解度-晶體與溶液間的表面張力；-晶體密度2-小晶體的半徑； 1-普通晶體半徑 R-氣體常數； T-絕對溫度9.3 結晶的步驟與操作結晶的步驟與操作u過飽和溶液的形成u晶核的形成u晶體生長u

7、其中，溶液達到過飽和狀態是結晶的前提；過飽和度是結晶的推動力。9.3.1 結晶的步驟結晶的步驟u熱飽和溶液冷卻（等溶劑結晶）適用于溶解度隨溫度升高而增加的體系；同時，溶解度隨溫度變化的幅度要適中；自然冷卻、間壁冷卻（冷卻劑與溶液隔開）、直接接觸冷卻（在溶液中通入冷卻劑）9.3.2 結晶的操作結晶的操作 1)過飽和溶液的形成過飽和溶液的形成 u部分溶劑蒸發法（等溫結晶法）適用于溶解度隨溫度降低變化不大的體系，或隨溫度升高溶解度降低的體系；加壓、減壓或常壓蒸餾u真空蒸發冷卻法使溶劑在真空下迅速蒸發，并結合絕熱冷卻，是結合冷卻和部分溶劑蒸發兩種方法的一種結晶方法。設備簡單、操作穩定u化學反應結晶加入

8、反應劑產生新物質，當該新物質的溶解度超過飽和溶解度時，即有晶體析出；其方法的實質是利用化學反應，對待結晶的物質進行修飾，一方面可以調節其溶解特性，同時也可以進行適當的保護；鹽析法鹽析法u常用的沉淀劑：固體氯化鈉、甲醇、乙醇、丙酮 2) 晶核的形成晶核的形成u(1) 初級成核:過飽和溶液中的自發成核現象 a 均相成核：沒有外來表面的均相溶液中 b 非均相成核：外來表面的溶液中u(2) 二次成核：向介穩態過飽和溶液中加入晶種，會有新晶核產生 機理: 附著在晶體表面的微小晶體受到剪切作用， 或碰撞而脫離晶體，形成新的晶核。u晶核的形成是一個新相產生的過程，需要消耗一定的能量才能形成固液界面；u結晶過

9、程中，體系總的自由能變化分為兩部分，即：表面過剩吉布斯自由能（Gs）和體積過剩吉布斯自由能（ Gv）u晶核的形成必須滿足：G= Gs+ Gv0，阻礙晶核形成； Gv0臨界半徑與成核功臨界半徑與成核功u假定晶核形狀為球形，半徑為r，則Gv=4/3(r3 Gv)；若以代表液固界面的表面張力，則Gs= A=4 r2 ；u因此，在恒溫、恒壓條件下，形成一個半徑為r的晶核，其總吉布斯自由能的變化為：G=4 r2(+(r/3) Gv)Gv形成單位體積晶體的吉布斯自由能變化臨界半徑（臨界半徑（rc）u臨界晶核半徑是指G為最大值時的晶核半徑；ur0，晶核不能自動形成；urrc 時， Gv占優勢，故G0，晶核可

10、以自動形成，并可以穩定生長；臨界成核功（臨界成核功（ G max）uG max相當于形成臨界大小晶核時，外界需消耗的功。sGG31max臨界成核功僅相當于形成臨界半徑晶核時表面吉布斯自由能的1/3，亦即形成晶核時增加的G s中有2/3為G v的降低所抵消晶核的成核速度晶核的成核速度u定義：單位時間內在單位體積溶液中生成新核的數目。u是決定結晶產品粒度分布的首要動力學因素；u成核速度大：導致細小晶體生成u因此，需要避免過量晶核的產生成核速度的近似公式成核速度的近似公式RTGkeB/maxB成核速度Gmax成核時臨界吉布斯自由能K常數nncckB)(Kn晶核形成速度常數c溶液中溶質的濃度C*飽和溶

11、液中溶質的濃度n成核過程中的動力學指數常用的工業起晶方法常用的工業起晶方法u自然起晶法：溶劑蒸發進入不穩定區形成晶核、當產生一定量的晶種后，加入稀溶液使溶液濃度降至亞穩定區，新的晶種不再產生，溶質在晶種表面生長。u刺激起晶法：將溶液蒸發至亞穩定區后，冷卻，進入不穩定區，形成一定量的晶核，此時溶液的濃度會有所降低，進入并穩定在亞穩定的養晶區使晶體生長。u晶種起晶法：將溶液蒸發后冷卻至亞穩定區的較低濃度，加入一定量和一定大小的晶種，使溶質在晶種表面生長。u該方法容易控制、所得晶體形狀大小均較理想，是一種常用的工業起晶方法。晶種控制晶種控制u晶種起晶法中采用的晶種直徑通常小于0.1mm；晶種加入量由

12、實際的溶質附著量以及晶種和產品尺寸決定)/(33pspsLLWW Ws，Wp晶種和產品的質量，kgLs，Lp晶種和產品的尺寸，mm3) 晶體的生長晶體的生長u是以濃度差推動力的擴散傳質和晶體表面反應（晶格排列）的兩步串連過程u晶體生長的擴散學說（1）溶質通過擴散作用穿過靠近晶體表面的一個滯流層，從溶液中轉移到晶體的表面；（2）到達晶體表面的溶質長入晶面，使晶體增大，同時放出結晶熱；（3）結晶熱傳遞回到溶液中；u根據以上擴散學說，溶質依靠分子擴散作用，穿過晶體表面的滯留層，到達晶體表面；此時擴散的推動力是液相主體的濃度與晶體表面濃度差；u而第二步溶質長入晶面，則是表面化學反應過程，此時反應的推動

13、力是晶體表面濃度與飽和濃度的差值晶體生長的擴散學說及速度晶體生長的擴散學說及速度擴散方程擴散方程)(idccAkdtdm)(*ccAkdtdmir擴散過程表面反應過程dtdm 質量傳遞速度Kd擴散傳質系數Kr表面反應速度常數C，Ci，C*分別為溶液主體濃度、溶液界面濃度、溶液飽和濃度u將以上二式合并，可以得到總的質量傳遞速度方程：*)(ccKAdtdmrdkkK111其中u當Kr很大時，K近似等于Kd，結晶過程由擴散速度控制；u反之Kd很大，K近似等于Kr，結晶過程由表面反應速度控制；u為了簡化方程的應用，可以假定晶體在各個方向的生長速率相同，這樣就可以任意選擇某一方向矢量的變化，來衡量晶體體

14、積的變化，公式就可以簡化為：Aml/6影響晶體生長速度的因素影響晶體生長速度的因素u雜質：改變晶體和溶液之間界面的滯留層特性，影響溶質長入晶體、改變晶體外形、因雜質吸附導致的晶體生長緩慢；u攪拌：加速晶體生長、加速晶核的生成；u溫度：促進表面化學反應速度的提高，增加結晶速度；晶體純度計算晶體純度計算ipEE /分離因素Ep結晶因素，晶體中P的量與其在濾液中的量的比值Ei結晶因素，晶體中雜質的量與其在濾液中的量的比值晶體大小分布晶體大小分布u晶體群體密度u結晶過程中產生的晶體大小不是均一的。因此，需要引入群體密度的概念來加以描述：dldNlNnl0limN單位體積中含有尺寸從0l的各種大小晶體的

15、數目；連續結晶過程的晶群密度分布連續結晶過程的晶群密度分布u是分析連續結晶器操作過程的最佳近似法)exp(0VGQlnnrn晶群密度no l趨近于0時的晶群密度Q晶漿流出速率V結晶器有效裝液容積晶體大小晶體大小QVGlrD/3Q晶漿流出速率V結晶器有效裝液容積Gr晶體生長速度提高晶體質量的方法提高晶體質量的方法u晶體質量包括三個方面的內容：晶體大小、形狀和純度u影響晶體大小的因素：溫度、晶核質量、攪拌等u影響晶體形狀的因素：改變過飽和度、改變溶劑體系、雜質u影響晶體純度的因素：母液中的雜質、結晶速度、晶體粒度及粒度分布晶體結塊晶體結塊u晶體結塊是一種導致結晶產品品質劣化的現象，導致晶體結塊的主

16、要原因有：（1）結晶理論：由于某些原因造成晶體表面溶解并重結晶，使晶粒之間在接觸點上形成固體晶橋，呈現結塊現象；（2）毛細管吸附理論：由于晶體間或晶體內的毛細管結構，水分在晶體內擴散，導致部分晶體的溶解和移動，為晶粒間晶橋的形成提供飽和溶液，導致晶體結塊。重結晶重結晶u經過一次粗結晶后，得到的晶體通常會含有一定量的雜質。此時工業上常常需要采用重結晶的方式進行精制。u重結晶是利用雜質和結晶物質在不同溶劑和不同溫度下的溶解度不同，將晶體用合適的溶劑再次結晶，以獲得高純度的晶體的操作。重結晶的操作過程重結晶的操作過程u選擇合適的溶劑；u將經過粗結晶的物質加入少量的熱溶劑中，并使之溶解；u冷卻使之再次

17、結晶；u分離母液；u洗滌；結晶過程的預測與改善u產率：提高起始濃度，降低溶解度,u提高純度u 雜質的存在原因： a 母液帶入; b 雜質包埋; c 單晶中包含母液; d 雜質取代晶格分子u晶習： 一定環境中，結晶的外部形態。u晶體大小分布：改變成核和生長速度，控制過飽和度進程u過濾速度：大晶體與窄的粒徑分布過濾效果好u結垢：晶體沉積在容器中進行u多晶形現象9.4 結晶的類型u分類方法u分批結晶 步驟： (1) 結晶器的清潔 (2) 加料到結晶器中 (3) 產生過飽和度 (4) 成核與晶體生長 (5) 晶體的排除 優點：a生產出指定純度，粒度分布及晶形的產品 缺點： 成本高， 操作和產品質量穩定

18、性差。連續結晶u特點：u(1) 較好地使用勞動力u(2) 設備壽命長u(3) 多變的生產能力u(4) 晶體粒度及分布可控u(5) 較好的冷卻與加熱裝置u(6) 產品穩定并使損耗減少到最小結晶的應用結晶的應用u抗生素：抗生素：青霉素青霉素G鈉鹽和青鈉鹽和青霉素霉素G的普魯卡因鹽，脫致敏的普魯卡因鹽，脫致敏原的過程不能少。原的過程不能少。u氨基酸：氨基酸：味精等。味精等。結晶的應用結晶的應用u青霉素青霉素G的澄清發酵液的澄清發酵液pH=3.0）經乙酸丁酯萃取、水溶液（）經乙酸丁酯萃取、水溶液（pH值值約為約為7.0）反萃取和乙酸乙酯萃取后，向丁酯萃取液中加入醋酸鉀）反萃取和乙酸乙酯萃取后，向丁酯萃取液中加入醋酸鉀的乙醇溶液，即生成青霉素的乙醇溶液，即生成青霉素G鉀鹽。因青霉素鉀鹽。因青霉素G鉀鹽在乙酸丁酯鉀鹽在乙酸丁酯中溶解度很小，故從乙酸丁酯溶液中結晶析出。控制適當的操作中溶解度很小，故從乙酸丁酯溶液中結晶析出。控制適當的操