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结晶技术的发展及应用现状*

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综述专论 SCIENCE&TECHNOLOGY化工科技, IN CHEMI20C13A,L2 1I(N5D)U:5S3T ̄5RY8 结晶技术的发展及应用现状* 刘文婷,顾丽莉一,万红焱,代文阳,郭晓涛 (昆明理工大学化学工程学院,云南昆明65O5OO) 摘要:作者以2种重要的结晶方法及工艺流程为主线,综述了近几年来结晶技术的发展和应用现 状;通过具体实例的比较,呈现了各技术的相对优势及存在的问题;并探讨了该领域的发展趋势。 关键词:结晶;发展;应用 中图分类号:TQ 028.4 文献标识码:A 文章编号:1008—0511(2013)05 0053—06 化工分离是化学工程的重要组成部分,包含 条件下将溶剂和过量溶质搅拌混合,经长时间溶 很多种传统分离方法和新型分离方法。结晶作为 解趋于平衡后,通过各种方法测定清液中溶质浓 一种传统的分离方法,具有低能耗、高选择性等优 度,或是测定未溶固体质量反求饱和溶液中溶质 势,一些新型结晶方法在此基础上得到了发展。 浓度。静态法耗时长,样品和试剂用量大。但设 作者着眼于探讨结晶过程的基本原理,比较传统 备简单,容易操作。动态法是逐渐改变条件(如温 和新型方法各自的优势,通过具体实例说明结晶 度,溶剂量)使原来的固体溶解,测定从固液两相 技术未来的发展趋势。 转变为单一液相相变时刻的物性变化来确定溶解 度,比如差热分析法、激光法等。动态法测量速度 1结晶过程原理 快,样品耗量少。 结晶是物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融 物中析出的过程,化学工业中最常采用的结晶技 术为溶液结晶和熔融结晶。 溶液结晶根据待分离物质之间溶解度的不同 ● 而实现物质结晶分离。若溶解度随温度变化敏 \ 感,则选择变温结晶法分离;若溶解度随温度变化 缓慢,则选择蒸发结晶工艺。工业结晶过程要尽 量控制在介稳区内结晶,以保证得到平均粒度大 的结晶产品。 介稳区指的是溶解度与超溶解度之间的区 t rc 域。超溶解度定义为某一温度下,物质在一定溶 图1介稳区示意图 剂组成下能自发成核时的浓度。溶解度曲线与超 溶解度曲线将溶液浓度一温度相图分割为3个区 熔融结晶是根据待分离物质之间凝固点不同 域,分别为稳定区、介稳区和不稳区,见图1。 而实现物质结晶分离的过程。采用冷却的方法产 现有的测量溶解度和结晶介稳区的方法主要 生过饱和度。熔融结晶通常是为了分离与纯化某 一有静态法和动态法。静态法指恒定温度、组成等 物质,特别是提取超纯物质。在采用熔融结晶 分离时,由于受到固液相平衡的,使得工艺更 收稿日期:2013—为复杂,一般应采用多级分离设备进行分离。 作者简介:刘文婷(1990一),女,天津人,昆明理工大学在 06 16 读硕士,主要从事天然产物的分离与提纯。 1.1 影响结晶的主要因素[1 **通讯联系人。 影响结晶和生长动力学的最关键的热力学因 *基金项目:国家自然科学基金资助项目(20966004)。 素是过饱和度和界面张力。结晶过程通常包括2 个结晶机理:均相成核和非均相成核,后者占主导 地位。而界面张力的存在则表明了不同的晶体表 实现废水零排放和循环利用。 盐析结晶指向带结晶的溶液中加入某些物 面可以有不同的生长速率,甚至生成非球面晶体。 影响结晶过程的最关键因素为成核速率和生 长速率。溶剂、杂质以及添加剂的作用仍需要进 一步研究。 1 2晶核及晶体成长 当介质达到过饱和状态后,溶液中便产生细 小晶粒(称为晶核)。晶核的形成是晶体生长过程 质,它可较大程度地降低溶质在溶剂中的溶解度 导致结晶。张罡等l_7 利用盐析结晶法制取 钾,使钾的结晶率达到8o ,比以往不添加 盐析剂的方法提高了约3O 。 反应结晶则是通过气体或液体之间进行化学 反应而沉淀出固体产品的过程。只要仔细控制过 程产生的过饱和度,就可以把反应沉淀过程变为 必不可少的核心。在过饱和溶液中,溶质质点在 过饱和度推动力的作用下,向晶核或加人的晶种 运动。并在其表面有序堆积,使晶核或晶种不断长 大形成晶体。一旦晶核形成后,晶体的生长速度 必然成为结晶操作的控制阶段。利用PAT (process analytical technology)可以监控晶体产 品的尺寸、形状以及结晶形态 一。 2结晶过程的种类 随着结晶方法的不同,工艺及设备也各不相 同。 2 1溶液结晶 冷却结晶所得产品纯度不高,设备造价低。 操作分为间接换热冷却结晶和直接接触冷却结 晶。前者的缺点是冷却表面结垢,导致换热效率 下降。通常对结晶器壳程和管程的流体进行强烈 的再循环,以减少热阻l2]。后者依靠结晶母液与 冷却介质直接混合制冷。应注意的是,结晶产品 不应被冷却介质污染,母液中溶剂与冷却介质应 不互溶或易于分离。文献[ 指出,直接接触时的 传热系数比间接接触时大1 000倍。吴梨等 通 过煮沸再冷却的方法提取纯化枇杷叶中的熊果 酸,经过5次重结晶,熊果酸纯度达到95.3 A0。 冷冻结晶法又称溶剂分级分离法,该方法利 用低温下不同脂肪酸或脂肪酸盐在有机溶剂中溶 解度不同来进行分离纯化。一般以丙酮、正已烷、 乙醚、甲醇、乙醇等为溶剂。衣丹,林学政等 利 用冷冻结晶法提高共轭亚油酸中2个主要异构体 在产品中的比例,使得比例高达12.28:1。 蒸发结晶通过蒸发除去一部分溶剂,使结晶 母液在加压、常压或减压下加热蒸发浓缩而产生 过饱和度。此法消耗的热能多,加热面易结垢。 故蒸发结晶常在减压下进行,目的在于降低操作 温度,减小热能损耗。杨超松等[6 采用蒸发结晶 技术深度处理含汞废水,脱盐率为97。5 ,氯离 子脱除率为97 ,对汞的脱除也有一定效果,可 反应结晶过程。由于反应过程高选择性的特点, 常用于某些香料产品的分离提纯。孟献梁等l_8 利 用反应结晶提纯L一苯丙氨酸粗产品,在最佳工艺 条件下,产品收率达85 以上,纯度达98 以上。 天津大学[9 自主开发了颗粒状过碳酸钠结晶技 术,碳酸钠和过氧化氢在一定复合稳定剂和盐析 剂存在的条件下进行加和反应,产物呈致密的颗 粒状结晶,已取得小试研究成果。 2.2熔融结晶 熔融结晶的工业化流程一般有动态熔融结晶 和静态熔融结晶工艺2类[1 。三级动态熔融结 晶工艺流程见图2,并联静态结晶器组成的典型 流程见图3。 E1~E2一换热器;E3一动态结晶器;Tl—T4一中间储罐; T5一收集罐;T6一冷介质储罐;T7一热介质储罐;P1~P5一泵 图2动态熔融结晶工艺 E1~E3一静态结晶器:T1一原料和汗液贮罐 T2一残液罐:T3一产品贮罐;P1~P6一泵 图3静态熔融结晶工艺 第5期 刘文婷。等.结晶技术的发展及应用现状 ・ 55 ・ 孙少文等[1。。给出了熔融结晶工艺的选择方 法,即:经验法、精馏工艺优先、特殊基团物质优 先、凝固点在20~200℃优先、高纯度者优先、产 品和能量不浪费者优先。 2 2.1熔融结晶的操作条件 天津大学的贾春燕l11]等人在利用熔融结晶 法提纯芴时,分别从降温速率、结晶终温、升温速 率和发汗终温4个方面讨论了对结晶过程的影 响。结果表明:随降温速率减小,产品纯度先升高 后下降;随结晶终温升高,产品纯度升高,收率降 低;随升温速率增大,产品纯度降低,收率升高;随 发汗终温升高,产品纯度升高,收率降低。 2.2 2熔融结晶类型 分步结晶法通常由多级结晶操作组成,主要 步骤是装料、预冷却、结晶、排放、发汗、融化和排 料。其核心设备是结晶器,结晶器的性能和控制 方案是决定整个工艺装置l生能的关键。 分步结晶示意图见图4ElZ ̄。 图4分步结晶不意图 目前国内主要通过温度和换热量控制来对分 步结晶工艺进行控制。前者对控制系统精度要求 高,且结晶和发汗速率不宜有效控制;后者物料易 随时间波动,易降低产品的品质。王焕煜等人ll 提出二者连用,即采用换热量一温度控制法,既能 降低对系统精度的要求,又可提高装置生产的稳 定性。国内已有利用熔融分步结晶法制备高纯对 甲酚的工业装置,纯度高于99.5 。 悬浮结晶法有3种不同的设备和操作方法: 单(多)级分离结晶、末端加料塔式结晶和加 料塔式结晶。已经工业化的熔融结晶过程,大多 应用塔式结晶器,实现了由低共熔混合物或固体 溶液中分离出高纯度的产物,并避免经过多次重 复的结晶。熔融物系以液体形式进料,高纯度产 品以液体状态由塔中输出,固液交换的传热传质 过程全部在塔内进行。在塔内同时进行着重结 晶,逆流洗涤和发汗过程,从而达到分离提纯的目 的。在生产二酚基丙烷(BPA)时,过去常采用精 馏方法(热法),20世纪8O年代以后开始采用熔 融结晶法(冷法)。冷法与热法相比,工艺条件缓 和,操作方便,产品质量高,能耗低[1引。 逐步冻凝法指熔融物缓慢而定向地固化,无论 是低共熔物系或固体溶液物系,在缓慢凝固时,都 会发生杂质从固体界面排至液相的趋势,通过重复 的凝固和液体排除可产生很纯的晶体。主要设备 有单级分离结晶器和多级分离结晶器。多级操作, 重复次数越多,得到的产品纯度越高。对于沸点相 近物质或同分异构体的分离基本都采用此法。利 用此技术精制工业萘收率可达到93.1%o E”]。 3结晶技术的发展现状 3.1 物理场促进结晶技术发展 近年来,研究发现__1 ,声场、磁场等对晶体生 长也有重要的影响,在超声场作用下,结晶成核过 程可以在低饱和度下实现,所得晶核较其它方法 均匀、完整、光洁,晶粒尺寸范围分布较窄。方瑞 斌等[15]在超临界流体中使用超声技术进行重结 晶分离异构菲蒽,发现超声有强烈的催化成核 作用。 结晶分离技术近年来发展很快,除了传统的 冷却结晶、蒸发结晶、真空结晶等进一步得到发展 与完善外,新型结晶技术如等电点结晶,加压结 晶、萃取结晶等也都在工业上得已应用或正在 推广。 3.2结晶技术与其它分离技术的耦合 结晶与其它分离技术的耦合是结晶分离的发 展趋势 3 2.1精馏一结晶技术 对于一些沸点接近、熔点相差较大的有机物 质,单纯采用精馏方法,不仅耗能,且产品纯度也 ・ 6 ・ 第21卷 较低;单纯采用结晶工艺,需要多级结晶器,成本 高且效率低。二者结合,既可以简化生产工艺,提 酚的甲酚混合物原料液进行分离,最终收率大于 90 ,产品纯度大于99 。 3.2 3膜结晶 高产品质量,又可以降低生产成本,减少环境污 染,在有机产品的分离中非常有发展前途 ],见 鞋■一 ] 【I=。¨= |; J=H- J 田 一 回 膜结晶是膜蒸馏与结晶2种分离技术的耦合 图5。 图5精馏与结晶耦合的多种万粟 由图5可见,精馏和结晶耦合可以有多种方 案,精馏塔和结晶器的先后顺序,相对位置等的选 择,Jovana Micovic等人提出了4个步骤法来确 定方案的选择l1 :首先确定可能存在的多种方 案;其次利用严谨的模型评估这些方案,对于未知 的模型参数可以通过改变来量化它们对过程的影 响;然后再耦合分离成立的前提下,确定未知的模 型参数;最后是优化方案,尽可能的降低成本。 叶青等ll。]利用减压精馏一熔融结晶耦合技术 分离提纯人造麝香,产品纯度达98 ,总收率达 到54 ,比原来单纯的精馏工艺提高了13 。 3 2 2离解萃取结晶技术 离解萃取结晶技术是一种新型的适用于分离 物性相近的组分特别是同分异构体与热敏物料的 有效方法,它是一种双相分离技术,根据混合物组 分间分配系数和离解常数的不同进行分离。该技 术主要包括萃取、反应、沉淀结晶3个步骤。基本 作用机理为: (B—C)+A一(A—C)+B (1) C为萃取剂,A和B形成竞争。可以根据分 配系数和离解常数不同合理选择萃取剂,使其有 选择性地与某种物质结合,而使生成的配合物难 溶于某种溶剂,而另外的物质易溶于该溶剂。当 配合物达到一定浓度时就可结晶析出。 曾凡礼等 ]利用该技术对含70 ~80 甲 过程。其原理是通过膜蒸馏来脱除溶液中的溶 剂,浓缩溶液,使溶液达到过饱和而结晶。Curcio 等[2。。将连续式膜结晶器用于NaC1溶液的结晶, 得到了典型的立方体晶型。膜结晶是一种较新型 的结晶技术,目前应用还不普遍,尤其是在国内, 还不能达到工业化,因此对于膜结晶的研究还有 很大的空间。 3 2 4鼓泡结晶技术 鼓泡结晶技术集中体现在鼓泡结晶器装置 上,可优化工艺,降低能耗。在气体鼓泡作用的同 时完成结晶过程,可增强传质传热。王志伟 发 现,在硝基甲苯的生产中,若简单地采用精馏塔分 离,其总投资约为鼓泡结晶器的5~6倍;且能耗 大,需要使用大量的中压蒸汽,而鼓泡结晶器不需 要高温蒸汽,仅需要可以循环利用的热水。 3 2 5超临界流体萃取结晶技术 超临界流体萃取结晶技术可提高萃取能力, 同时降低夹带剂污染的危害,是一种高效的分离 方法。合肥拓峰生物工程公司拥有一套自行研制 的超临界二氧化碳萃取结晶装置,在天然产物的 提取纯化及残留农药脱除方面成果显著[2 。张 爽l2列等利用此法对黄芩苷进行纯化,优选出最佳 工艺条件,使所得黄芩苷纯度高达94.1 。 超临界流体结晶可通过超临界流体反溶剂 SAS(Supercritical Fluid Anti—solvent)加以实现。 Yeo等 ]利用SAS制得了平均粒径小于5 m 的胰岛素微粒,证明SAS法适宜于制备小颗粒结 晶而达到分离目的。 3 2.6结晶技术之间的耦合 结晶技术之间的耦合也是十分有效的,如层 结晶技术和悬浮结晶技术的耦合。Ulrich等[舫] 将两者进行耦合,开发出了一种新型耦合熔融结 晶装置,它同时涵盖了传送带固化层结晶与悬浮 结晶2种技术,过程中结晶原料液经过造粒、发 汗、洗涤步骤,最终在洗涤塔中得到纯度和粒度都 较高的结晶产品。 第5期 刘文婷,等.结晶技术的发展及应用现状 ・ 57 ・ 3.3其它结晶技术 布莱梅钢带传送结晶[25_是将待分离的熔融 原料在传送带的中上部位加入并部分结晶,固体 随传送带缓缓上行,由于温度的慢慢升高而得以 发汗提纯,未结晶的熔融液自然往下流动,随温度 的慢慢降低而逐渐结晶,最后只剩下富集杂质的 残液。整个过程包含多次固液平衡,既可得到高 纯产品,又可得到高产率,一般采用连续操作 方式。 造粒结晶是熔融的原料液先在低温的传送带 上造粒结晶,然后被送人悬浮结晶釜进行重结晶, 从釜中出来的粗产品再经过发汗或清洗而被进一 步提纯。该技术首先应用于含水及其它杂质的己 内酰胺的分离精制 。 把冷却介质直接导入熔融的原料液中,导入 的冷却介质可以是液化气体或其它惰性有机液 体,这种方法为直接接触冷却熔融结晶l2 。该技 术可大大增加接触面积,提高传热效果;且可避免 常规悬浮结晶器中的结垢问题。Mersmann等[2。] 分别采用空气、水和液化丁烷等冷却介质,对属低 共熔物系的月桂醇和正癸醇混合物进行了熔融结 晶,最终得到粒度较大的结晶产品。这种技术可 以是间歇操作或连续操作,工业放大容易,尤其适 用于低共熔有机物系的分离提纯。 3.3 1静态熔融结晶l_2 ] 静态熔融结晶器的结构类似于列管式换热 器,通过逐步降低壳程换热介质的温度,冷却物料 使其结晶,结晶结束后将未固化的低浓残液排出, 然后通过壳程介质缓慢加热粗晶体,使之发汗从 而进一步提纯。此法适用于结晶温度远高于或远 低于室温的物系的分离,尤其适用于桉叶油素的 分离。 3.3.2流化床结晶 流化床结晶技术,即利用诱导结晶原理和流 化床方法,在沉淀反应体系中加入粒状固体填料, 将要去除的物质结晶沉积在填料的表面上。技术 的核心是,在反应器底部填充合适的颗粒作为晶 种,废水从反应器底部射入,保持一定的流速,使 晶种处于流态化;投加沉淀剂,使去除对象处于不 产生均相成核的适度过饱和状态,反应生成的难 溶物在晶种上沉淀,形成非均相结晶;随着结晶过 程的进行,晶种不断增大加重,逐渐沉降到反应器 底部;定期释放出一定量的大颗粒沉淀物,同时补 充新的晶种,保持反应器连续运行。流化床结晶 技术得到的沉淀物含水率低,不需脱水和干化处 理。Aurora Garea等_2 ]运用流化床结晶工艺,以 Ca(OH) 作为沉淀药剂,对A1Fs生产过程所排 废水中的氟化物进行了回收利用,回收得到的 CaFz占废水中氟化物质量的65 ,相当于整个 A1F。生产过程中所需CaF 质量的5 9/5。 4结束语 结晶分离技术耗能低,过程可在低温下进行, 且少有废物排放,是一种符合可持续发展思想的 分离方法。最近几年来发展最快最成熟的是冷却 结晶以及熔融结晶,其它结晶方法还具有很大的 研究空问。早在2004年就有研究指出,未来在结 晶的研究领域,分子模拟、晶态预测、纳米级晶体 颗粒生产、传感器发展和专业流程开发在工业结 晶中将非常重要__2 ,至今这些仍尚处于探索阶 段,相关研究报道很少。结晶和其它分离方法耦 合仍将是分离研究的重点。此外,膜结晶的发展 空间还很大,无论是从理论还是应用上都有待于 进一步做研究。最后,结晶设备的研究仍然是今 后发展的重点,应趋于小型化,达到节能高效的 目的。 [参考文献] [1]Lawrence X Yu,Robert A Lionberger,Andre S Raw,et a1. 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