詳細說明

蒸發結晶器操作及其應用

結晶操作特性

結晶是在過飽和溶液中生成新相的過程，涉及固液相平衡。對特定的目標產物及物系，需通過實驗確定合適的結晶操作條件，滿足結晶產品質量要求，提高結晶生產能力，降低過程成本。

結晶操作中的問題

1．過飽和度 增大溶液過飽和度可提高成核速率和生長速率，有利于提高結晶生產能力。

過飽和度過大會出現問題：

1） 成核速率過快，產生大量微小晶體，結晶難以長大；

2） 結晶生長速率過快，影響結晶質量；

3） 結晶器壁容易產生晶垢。

存在過飽和度，可保證在較高成核和生長速率的同時，不影響結晶的質量。在不易產生晶垢的過飽和度下進行。

2．溫度

溫度的不同，生成的晶形和結晶水會發生改變，溫度一般控制在較小的溫度范圍內。冷卻結晶時，若降溫速度過快，溶液很快達到較高的過飽和度，生成大量微小晶體，影響結晶產品的質量。溫度控制在飽和溫度與過飽和溫度之間。

蒸發結晶時，蒸發速度過快，則溶液的過飽度較大，生成微小晶體，附著在結晶表面，影響結晶產品的質量。蒸發速度應與結晶生長速率相適應，保持溶液的過飽和度一定。工業結晶操作常采用真空絕熱蒸發，不設外部循環加熱裝置，蒸發室內溫度較低，可防止過飽和度的劇烈變化。

3．攪拌與混合

增大攪拌速度可提高成核和生長速率，攪拌速度過快會造成晶體的剪切破碎，影響結晶產品質量。為獲得較好的混合狀態，同時避免結晶的破碎，可采用氣提式混合方式，或利用直徑或葉片較大的攪拌槳，降低槳的轉速。

4．溶劑與pH值

結晶操作采用的溶劑和pH值應使目標溶質的溶解度較低，以提高結晶的收率。溶劑和pH值對晶形有影響。如普魯卡因青霉素在水溶液中的結晶為方形晶體，在醋酸丁酯中的結晶為長棒狀。在設計結晶操作前需實驗確定使結晶晶形較好的溶劑和pH值。

5.晶種

向處于介穩區的過飽和溶液中添加顆粒均勻的晶種。對于溶液粘度較高的物系，晶核很難產生，而在高過飽度下，一旦產生晶核，就會同時出現大量晶核，容易發生聚晶現象，產品質量不易控制。

高粘度物系必須用在介穩區內添加晶種的操作方法。

6．晶漿濃度

晶漿濃度越高，單位體積結晶器中結晶表面積越大，結晶生長速率越快，有利于提高結晶生產速度(產量)。但晶漿濃度過高時，懸浮液的流動性差，混合操作困難。

晶漿濃度應在操作條件允許的范圍內取值。在間歇操作中，晶種的添加量應根據最終結晶產品的大小，滿足晶漿濃度的高效生產要求。

7．循環流速

用外部循環式結晶器時，循環流速的設定要合理。

提高循環流速

1）有利于消除設備內的過飽和度分布，使設備內的結晶成核速率及生長速率分布均勻；

2）可增大固液表面傳質系數，提高結晶生長速率；

3）提高換熱效率，抑制換熱器表面晶垢的生成；

循環流速過高會造成結晶的磨損破碎。循環流速應在無結晶磨損破碎的范圍內取較大的值。如果結晶器具備結晶分級功能，循環流速也不宜過高，應保證分級功能的正常發揮。

8．結晶系統的晶垢

結晶器壁及循環系統中產生晶垢，影響結晶過程效率。

防止晶垢或除去晶垢方法：

1）壁內表面采用有機涂料，保持壁面光滑，防止在器壁上的二維成核現象的發生；

2）提高結晶系統中流體流速，使流速分布均勻，消除低流速區；

3）若外循環液體為過飽和溶液，使其中不含有晶種；

4）采用夾套保溫方式防止壁面附近過飽和度過高；

5）增設晶垢鏟除裝置，定期添加溶劑溶解產生的晶垢；

6）蒸發室壁面極易產生晶垢，可采用噴淋溶劑的方式溶解晶垢。

9．共存雜質的影響

1）結晶的對象是多組分物系，要選擇性結晶目標產物。

2）如果共存雜質的濃度較低，一般對目標產物的結晶無明顯影響。但如果在結晶操作中雜質含量不斷升高(如采用蒸發式結晶操作時)，雜質的積累會嚴重影響目標產物結晶的純度。

3）結晶操作中需要控制雜質的含量，往往在結晶系統中增設除雜設備。離子交換柱或廢液排放。