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關(guān)于工業(yè)結(jié)晶技術(shù)

作者： 2016年01月21日 來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 瀏覽量：
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結(jié)晶過(guò)程的應(yīng)用已有悠久歷史，它是大規(guī)模生產(chǎn)蔗糖、食鹽、尿素等物質(zhì)目前公認(rèn)的最好工業(yè)方法。作為一種精制提純的方法，結(jié)晶設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，操作不復(fù)雜，所以亦被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料等生產(chǎn)中。尤其是近

　　結(jié)晶過(guò)程的應(yīng)用已有悠久歷史，它是大規(guī)模生產(chǎn)蔗糖、食鹽、尿素等物質(zhì)目前公認(rèn)的最好工業(yè)方法。作為一種精制提純的方法，結(jié)晶設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，操作不復(fù)雜，所以亦被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料等生產(chǎn)中。尤其是近代液固分離與固體輸送技術(shù)的發(fā)展，更有利于結(jié)晶法在更大范圍中被采用。作為一種分離技術(shù)與精餾方法相比較，結(jié)晶法又有獨(dú)到之處。在很多情況下，如沸點(diǎn)相近的物質(zhì)、共沸物以及對(duì)熱敏感的物質(zhì)都不適于采用精餾法分離，利用它們的凝固點(diǎn)一般差別較大的性質(zhì)，可采用結(jié)晶法。從節(jié)能角度分析，因?qū)τ谝欢ㄎ镔|(zhì)其熔融潛熱較蒸發(fā)潛熱小得多，能耗也較合理。

 

　　新型工業(yè)結(jié)晶技術(shù)是跨學(xué)科的分離與生產(chǎn)技術(shù)，20年來(lái)在國(guó)際上取得了突出的進(jìn)展。不僅傳統(tǒng)工業(yè)結(jié)晶操作技術(shù)與設(shè)備在不斷更新，而且新興行業(yè)，如生物工程與生命科學(xué)、材料工業(yè)、催化劑制造、能源與環(huán)境、信息與通訊、電子行業(yè)也都離不開(kāi)新型的結(jié)晶技術(shù)。工業(yè)結(jié)晶作為跨世紀(jì)發(fā)展的化工技術(shù)，將成為21世紀(jì)高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)手段之一。

 

　　結(jié)晶是固體物質(zhì)以晶體狀態(tài)從蒸汽、溶液或熔融物質(zhì)中析出的過(guò)程。在工業(yè)上最常遇到的是溶液結(jié)晶。盡管結(jié)晶應(yīng)用很廣泛，其理論發(fā)展還很不成熟。近年來(lái)工業(yè)結(jié)晶技術(shù)的推廣，新領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用理論的研究，在國(guó)際上異常活躍。在國(guó)內(nèi)，隨著石油化工、精細(xì)化工及生化、醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)結(jié)晶新技術(shù)提出了迫切的要求，和我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的形勢(shì)和需求相比，工業(yè)結(jié)晶新技術(shù)的開(kāi)發(fā)與推廣速度還急待提高，我國(guó)工業(yè)結(jié)晶界進(jìn)入結(jié)晶工程階段也指日可待。工業(yè)結(jié)晶的新技術(shù)主要集中在熔融結(jié)晶，反應(yīng)沉淀結(jié)晶以及溶液結(jié)晶方面；在國(guó)際上，國(guó)際結(jié)晶發(fā)展的新動(dòng)向是用熔融結(jié)晶提取高純有機(jī)物質(zhì)，由反應(yīng)沉淀結(jié)晶制取生物化學(xué)物質(zhì)(包括醫(yī)藥)、超微粒子及功能晶體。為了開(kāi)發(fā)結(jié)晶粒子的設(shè)計(jì)，在機(jī)理研究方面，近期又側(cè)重改變分子排列，以達(dá)到不同晶型的探索。

工業(yè)結(jié)晶技術(shù)的分類

　　由于結(jié)晶過(guò)程的多樣性，到目前為止未見(jiàn)到嚴(yán)格的統(tǒng)一的分類方法。一般按結(jié)晶相變的特征，工業(yè)結(jié)晶主要可分為溶液結(jié)晶、熔融液結(jié)晶和蒸汽直接結(jié)晶三大類。如果按結(jié)晶技術(shù)而論，可分為一般結(jié)晶與再結(jié)晶兩大方面。作為制備方法，常應(yīng)用一般結(jié)晶（包括間歇的或連續(xù)的結(jié)晶，單級(jí)和多級(jí)結(jié)晶）即可。作為一種分離提純的方法，即由一較復(fù)雜的混合物中分離出純組份，僅依靠一般的方案不行，常常使用再結(jié)晶技術(shù)，按一定方案由溶液中或熔融液中多次重復(fù)結(jié)晶步驟，當(dāng)重復(fù)步驟足夠多時(shí)，可以達(dá)到必要的分離純度。按分離的要求再結(jié)晶方案已被提出很多種，大致分為簡(jiǎn)單的再結(jié)晶與分步結(jié)晶兩類。分步結(jié)晶技術(shù)，尤其是塔式分步結(jié)晶技術(shù)受到近代研究者們的重視。

 

　　研究產(chǎn)生過(guò)飽和度的方法有很多種，如冷卻結(jié)晶法、蒸發(fā)法、萃取法、反應(yīng)法等。下面主要按相變特征對(duì)工業(yè)結(jié)晶進(jìn)行分類討論，同時(shí)參考其它方面的特點(diǎn)?！?/FONT>

1、溶液結(jié)晶

　　溶液結(jié)晶主要分為六種基本類型，見(jiàn)表1。

　　

　　但對(duì)于結(jié)晶物質(zhì)又習(xí)慣按其溶解度曲線分類，大致可分為三種類型，見(jiàn)表2。對(duì)于不同類型的物質(zhì)，適于運(yùn)用不同類型的結(jié)晶形式。對(duì)于表2中第1類，其溶解度隨溫度變化較大，適于冷卻結(jié)晶。第2類物質(zhì)其溶解度隨溫度變化較小適于蒸發(fā)結(jié)晶。至于溶解度隨溫度變化的速度介于上兩類之間的物質(zhì)，適于采用真空結(jié)晶方法。類似于蔗糖的那些剩余溶解度較高的情況可結(jié)合采用上三種形式的結(jié)晶過(guò)程。表2中的第3類物質(zhì)其溶解度隨溫度的增加而降低，可以采用蒸發(fā)溶劑的方法結(jié)晶，但要注意避免溶液與加熱面之間大的溫差。

　　

 

　　在工業(yè)上，運(yùn)用氣體或液體之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)沉淀出固體結(jié)晶產(chǎn)品來(lái)制備的化學(xué)物質(zhì)很多。一般借助于放出的反應(yīng)熱來(lái)驅(qū)趕體系中的溶劑。這種方法稱為反應(yīng)結(jié)晶法。特別在產(chǎn)生有回收價(jià)值的廢氣的工業(yè)中可用此法。例如由焦炭爐廢氣中回收NH3，就應(yīng)用NH3與H2SO4反應(yīng)結(jié)晶產(chǎn)生(NH4)2SO4的方法。

 

　　在其它沉淀結(jié)晶方法中又有鹽析結(jié)晶、萃取結(jié)晶、乳化結(jié)晶、加合結(jié)晶不同的路線。鹽析結(jié)晶的特點(diǎn)是往溶液中添加某些物質(zhì)，它可較大程度地降低溶質(zhì)在溶劑中的溶解度致使結(jié)晶。水析結(jié)晶也屬于這個(gè)范疇，只要控制加水量，就可由與水共溶的有機(jī)溶劑中分離其中某種溶質(zhì)。欲分離碳?xì)洚悩?gòu)體或沸點(diǎn)相近的混合物時(shí)，還可考慮采用萃取結(jié)晶法。它的特點(diǎn)是往二元體系中加入第三組份來(lái)改變其固一液相平衡曲線，然后選用再結(jié)晶方案達(dá)到兩個(gè)組份的分離。例如用此法可分離間位、對(duì)位甲酚混合物以及間位、對(duì)位二甲苯混合物等用一般結(jié)晶法無(wú)法分離的體系。

 

　　在溶液結(jié)晶中還應(yīng)特別注意的是在實(shí)際結(jié)晶溶液中，除了主要的溶質(zhì)和溶劑外，還有一種或更多種的其它雜質(zhì)和附加物質(zhì)存在。它們的存在影響主要結(jié)晶物質(zhì)的溶解度曲線。所以在實(shí)際結(jié)晶過(guò)程中，必須考慮雜質(zhì)或其它共存物質(zhì)對(duì)溶解度曲線的影響，以決定采用何種結(jié)晶方法，或加何種添加物改變?nèi)芙舛?，提高產(chǎn)率。

2、熔融液結(jié)晶

　　冷卻結(jié)晶也是熔融液結(jié)晶的一種主要類型，例如用于苯凈化的Newton Chailibers過(guò)程就是一個(gè)直接冷卻過(guò)程，它將不純的苯直接與一冷凍鹽水混合，得到的懸浮液再離心分離出苯的結(jié)晶及鹽水與母液的混合物，靜置后可分離出母液與鹽水。如可用于蔡精制的Proabd精制器及前述的Brodie凈化器也都屬于冷卻結(jié)晶器。逆流分步結(jié)晶是熔融液結(jié)晶中很有發(fā)展前途的一種類型。

 

　　噴射結(jié)晶類似于噴霧干燥過(guò)程，是很濃的溶液的溶質(zhì)和熔融體固化的一種方式。嚴(yán)格地說(shuō)噴射固化的固體并不一定能形成很好的晶體結(jié)構(gòu)，而其固體形狀很大程度上取決于噴口的形狀。高聚物熔融紡絲牽伸過(guò)程也形成部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)，廣義地說(shuō)也屬于這種類型。

 

　　在國(guó)際上已工業(yè)化的熔融結(jié)晶裝置，目前分為復(fù)合式懸浮結(jié)晶型和逐步凍凝型。對(duì)比這兩類結(jié)晶裝置，前者較適合大規(guī)模萬(wàn)噸級(jí)生產(chǎn)，但它具有設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，放大難度高，應(yīng)用分離物系有局限性等缺點(diǎn)；后者雖然適用于中、小規(guī)模生產(chǎn)，但卻克服了其它的缺點(diǎn)?！　?/FONT>

3、蒸汽直接結(jié)晶

　　“升華”過(guò)程，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是指由固相直接變成蒸氣過(guò)程，但在工業(yè)應(yīng)用上也常常把固體直接變?yōu)檎魵庵苯幼優(yōu)楣滔噙@個(gè)過(guò)程也稱為升華過(guò)程，實(shí)際后一步是由蒸氣直接結(jié)晶的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程已在工業(yè)上應(yīng)用作某些物質(zhì)凈化的手段。這個(gè)過(guò)程由平衡曲線決定。圖中三相點(diǎn)的位置十分重要，若該點(diǎn)發(fā)生在高于大氣壓的地方，此固體在正常情況下不熔融，直接發(fā)生固態(tài)的氣化，再冷卻凝聚為固體。否則只能進(jìn)行擬升華過(guò)程，即“固體—液體—蒸氣—固體”過(guò)程。

 

　　這種升華過(guò)程一般分為三類：簡(jiǎn)單型、真空型及夾帶型。這三種類型的區(qū)別僅在于實(shí)現(xiàn)第一步“固體—蒸氣”的推動(dòng)力的不同。而由“蒸汽—固體”這一步靠冷卻而凝聚。

 

　　所謂夾帶型也稱載體型，即靠外加惰性氣體的吹入幫助完成固體氣化過(guò)程?！?/FONT>

4、沉淀（結(jié)晶）

　　這是一種不常見(jiàn)的工業(yè)結(jié)晶方法，但是在傳統(tǒng)的化肥、農(nóng)藥、試劑與醫(yī)藥生產(chǎn)中，沉淀是關(guān)鍵生產(chǎn)操作步驟之一。隨著近代精細(xì)化工、生物化工、制藥業(yè)、信息工程、特種涂料以及顏料行業(yè)的發(fā)展，不但對(duì)各種沉淀產(chǎn)品的需求量與日俱增,?而且對(duì)于沉淀的形態(tài)（包括微晶的晶形、結(jié)晶度與粒度分布）的要求愈來(lái)愈高。在國(guó)外已形成許多專利技術(shù)，如生產(chǎn)超細(xì)粉體沉淀技術(shù)、乳化液膜結(jié)晶技術(shù)提取貴重金屬、超細(xì)催化劑制造等。

 

　　新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展又刺激了研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)。近5年來(lái)，關(guān)于沉淀形態(tài)學(xué)、過(guò)程動(dòng)力學(xué)，特別是凝并、老化動(dòng)力學(xué)研究，攪拌作用下宏觀混合及微觀混合對(duì)于沉淀形態(tài)學(xué)的影響，以及顆粒形成的傳熱、傳質(zhì)的機(jī)理分析與工程學(xué)研究文章，在國(guó)際上競(jìng)相出現(xiàn)。因?yàn)閰^(qū)別于一般結(jié)晶過(guò)程，除了成核與成長(zhǎng)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)之外，在初級(jí)成核后的凝并與老化現(xiàn)象是決定最終結(jié)晶形態(tài)的關(guān)鍵因素，所以完成微細(xì)顆粒設(shè)計(jì)工程又比一般的大粒完整晶體復(fù)雜得多。而這一點(diǎn)又是沉淀研究的目標(biāo)，在這方面英國(guó)、日本學(xué)者近期實(shí)踐研究得較為細(xì)。

 

　　近20年來(lái)，新興工業(yè)結(jié)晶技術(shù)蓬勃發(fā)展。在技術(shù)先進(jìn)國(guó)家中已完成結(jié)晶裝置的更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的結(jié)晶技術(shù)已被新技術(shù)所取代；在諸多的高新產(chǎn)業(yè)中，新型結(jié)晶技術(shù)嶄露頭角，應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)展。科學(xué)界對(duì)結(jié)晶技術(shù)的繼續(xù)研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用推廣的熱忱始終不衰。

 

　　蒸發(fā)結(jié)晶是化工工藝中一個(gè)常用操作單元，常被應(yīng)用于食品、制藥、生物、環(huán)保、石油化工等多種領(lǐng)域。為了蒸發(fā)結(jié)晶行業(yè)更好、更快的發(fā)展，化工707精心籌備了《蒸發(fā)結(jié)晶內(nèi)參》，將為化工從業(yè)者提供精準(zhǔn)的參考依據(jù)?！墩舭l(fā)結(jié)晶內(nèi)參》分為四大版塊：技術(shù)知識(shí)、企業(yè)名錄、行業(yè)專家及項(xiàng)目案例。近期，《蒸發(fā)結(jié)晶內(nèi)參》將與大家見(jiàn)面，請(qǐng)需要領(lǐng)取內(nèi)參的七友聯(lián)系小七！

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