结晶设备.ppt

2020 1 6 1 第四章蒸发与结晶设备 第二节结晶设备 2020 1 6 2 内容提要一 概述 一 定义与分类 二 结晶操作的优点二 过饱和溶液的形成 一 溶解度与饱和曲线 二 过饱和现象 三 过饱和溶液的形成 四 过饱和溶液的形成方法的选择 三 结晶机理与动力学 一 晶核的形成与晶体的生长 二 结晶速率 三 影响结晶速率的因素四 结晶方法与设备 一 结晶操作方法 二 结晶工艺在微生物工程中的应用 三 结晶设备的分类与选择思考题 2020 1 6 3 内容提要 本章介绍了结晶的定义和分类 结晶操作的特点 晶体的结构与分类 溶液的饱和与过饱和现象 讨论了结晶机理与动力学 介绍了结晶方法与设备 对结晶过程进行物料衡算和热量衡算 2020 1 6 4 一 概述 一 定义与分类由蒸汽 溶液或熔融物中析出固态晶体的过程称为结晶 结晶在工业生产中主要用于实现混合物的分离 根据析出固体的原因不同 可将结晶操作分为溶液结晶 熔融结晶 升华结晶 反应沉淀 盐析等多种类型 2020 1 6 5 溶液结晶 采用降温或浓缩的方法使溶液达到过饱和状态 析出溶质 以大规模地制取固体产品的方法 工业上使用最广泛的是溶液结晶 本章主要讨论溶液结晶的操作过程 2020 1 6 6 二 结晶操作的优点1 具有高度的选择性 2 适合于高熔点混合物 相对挥发度小的物系 共沸物 热敏性物质等难分离物系的分离 3 能耗较低 4 所用的设备简单 操作方便 5 晶体还具有能传递和储运 易流动与包装等工业特性 并使产品的销售较好 2020 1 6 7 二 过饱和溶液的形成 一 溶解度与饱和曲线饱和曲线又称为溶解度曲线 它表示某种物质的溶解度随温度的变化 见图中的曲线a 多数物质的溶解度随温度升高而增大 少数物质则相反 或在不同的温度区域有不同的变化趋向 通常以饱和浓度作为在该条件下物质溶解度的量度 2020 1 6 8 饱和曲线与过饱和曲线 2020 1 6 9 2020 1 6 10 二 过饱和现象 当溶液浓度大于溶解度时 称为过饱和溶液 这时的溶液浓度与溶解度之差为过饱和度 过饱和浓度和温度的关系可用过饱和曲线描述 如图1中的虚线c所示 表示溶液开始产生晶核的极限浓度曲线称为超溶解度曲线 图中的b为超溶解度曲线 2020 1 6 11 在特定的温度下 过饱和现象可以按下面的方法表述 过饱和度 c 过饱和度比S 相对过饱和度 式中c c 分别为溶液浓度 溶解度 饱和浓度 kmol m3 2020 1 6 12 三 过饱和溶液的形成1 直接冷却法 假设溶解度随温度的增加而增加 直接降低溶液温度 达到过饱和状态 溶质结晶析出 此亦称为冷却结晶 这就是在图中直线eg所代表的过程 2 蒸发浓缩法 溶剂的蒸发以除去部分溶剂 这就是在图中直线ef所代表的过程 3 化学反应或添加盐类的方法 4 解析法 在溶液中加入一种非溶剂 抗溶剂 可与原始溶剂互溶 而溶质在混合溶剂中的溶解度降低 2020 1 6 13 四 过饱和溶液的形成方法的选择显然 溶解度曲线的形状是选择 两种操作方法的重要依据 具有陡峭的溶解度曲线的物系选用降温 即eg线 的方法较为有利 而溶解度与温度关系不大的体系则适宜用浓缩 ef线 的方法 工业生产上 除了单独使用上述各法外 还常将上述几种方法合并使用 强化过饱和程度 2020 1 6 14 三 结晶机理与动力学 一 晶核的形成与晶体的生长溶质从溶液中结晶出来 需经历两个阶段 即晶核的生成 成核 和晶体的成长 1 成核成核的机理有三种 初级均相成核 初级非均相成核 二次成核 2020 1 6 15 初级均相成核是指溶液在较高过饱和度下自发生成晶核的过程 初级非均相成核则是溶液在外来物的诱导下生成晶核的过程 它可以在较低的过饱和度下发生 二次成核是含有晶体的溶液在晶体相互碰撞或晶体与搅拌桨 或器壁 碰撞时所产生的微小晶体的诱导下发生的 一般工业结晶主要采用二次成核 2020 1 6 16 2 晶体成长溶质质点会在晶核上继续一层层排列上去而形成晶粒 并且使晶粒不断增大 这就是晶体的成长 晶体成长的传质过程主要有两步 第一步是溶质从溶液主体向晶体表面扩散传递 它以浓度差为推动力 第二步是溶质在晶体表面上附着并沿表面移动至合适位置 按某种几何规律构成晶格 并放出结晶热 2020 1 6 17 二 结晶速率结晶速率包括成核速率和晶体成长速率 1 成核速率是指单位时间 单位体积溶液中产生的晶核数目 即式中N 单位体积晶浆中的晶核数 c 过饱和度 m 晶核生成级数 K核 成核的速率常数 2020 1 6 18 2 晶体的成长速率是指单位时间内晶体平均粒度L的增加量 即式中L 晶体的平均粒度 m n 晶体成长级数 K长 晶体成长速率常数 通常m大于2 n在l至2之间 2020 1 6 19 由以上两式相比可得由于m n大于零 从上式看出 当过饱和度 c较大时 晶核生成较快而晶体成长较慢 有利于生产颗粒小 颗粒数目多的结晶产品 当过饱和度 c较小时 晶核生成较慢而晶体成长较快 有利于生产大颗粒的结晶产品 2020 1 6 20 三 影响结晶速率的因素 1 过饱和度的影响 温度和浓度都直接影响到溶液的过饱和度 过饱和度的大小影响晶体的成长速率 又对晶习 粒度 晶粒数量 粒度分布产生影响 2 粘度的影响 溶液粘度大 流动性差 溶质向晶体表面的质量传递主要靠分子扩散作用 结果会使晶体长成形状特殊的骸晶 3 密度的影响 在重力场的作用下 溶液的局部密度差会造成溶液的涡流 如果这种涡流在晶体周围分布不均 结果会使晶体生长成形状歪曲的歪晶 2020 1 6 21 4 位置的影响 当晶体的某些晶面遇到其它晶体或容器壁面时 就会使这些晶面无法成长 形成歪晶 5 搅拌的影响 搅拌强度大会使介稳区变窄 二次成核速率增加 晶体粒度变细 温和而又均匀的搅拌 则是获得粗颗粒结晶的重要条件 同时 当扩散阻力为控制因素时 加强搅拌会促进晶体的成长 2020 1 6 22 四 结晶方法与设备 一 结晶操作方法结晶方法可分为一次结晶 重结晶和分级结晶 结晶方法主要包含两个步骤 造成溶液过饱和并控制过饱和 从母液中分出成长达预期大小的晶体物料 确定结晶方法应在节约成本的前提下 要求晶体收率高 晶体大小分布合宜 晶形适当 2020 1 6 23 二 结晶工艺在微生物工程中的应用 1 柠檬酸的生产 将真空蒸发设备出来的二次浓缩液送至结晶工序 将溶液冷却并加入晶种 在不断搅拌下继续慢慢冷却 结晶 然后在离心机中分离出晶体 并用少量冷水洗涤 最后得到含水量为2 3 的晶体 再送去干燥处理 2020 1 6 24 2 谷氨酸的生产 可用阳离子交换树脂 如732 来提取吸附谷氨酸发酵液中的谷氨酸阳离子 并可用热碱洗脱下来 冷却后加盐酸调pH值至3 0 3 2进行结晶 再用离心机分离即可得谷氨酸结晶 3 抗生素的精制 抗生素的精制常用的结晶方法有 改变温度结晶 利用等电点结晶 加成盐剂结晶 加入不同溶剂结晶等 2020 1 6 25 三 结晶设备的分类与选择 1 结晶设备的分类 按操作方式可分为分批 间歇 式和连续式 分批结晶操作的最主要优点是能生产出指定纯度 粒度分布及晶形合格的产品 其缺点是操作成本较高 操作和产品质量的稳定性较差 当结晶的生产规模达到一定水平后 往往必须采用连续结晶 按建立过饱和方法的不同可分为冷却结晶器 蒸发结晶器 真空结晶器 其中冷却结晶器又可分为自然循环冷却结晶器和强制循环冷却结晶器 后者又分为搅拌式 旋转刮板式和强制循环泵式 2020 1 6 26 搅拌式冷却结晶器 如立式结晶箱卧式结晶箱外循环搅拌式冷却结晶器搅拌釜可装有冷却夹套或内螺旋管 在夹套或内螺旋管中通入冷却剂以移走热量 釜内搅拌以促进传热和传质速率 使釜内溶液温度和浓度均匀 同时使晶体悬浮 与溶液均匀接触 有利于晶体各晶面均匀成长 这种结晶器既可连续操作又可间歇操作 采用不同的搅拌速度可制得不同的产品粒度 经验表明 制备大颗粒结晶采用间歇式操作较好 制备小颗粒结晶则可采用连续式操作 2020 1 6 27 立式结晶箱 2020 1 6 28 卧式结晶箱 2020 1 6 29 外循环搅拌式冷却结晶器 2020 1 6 30 奥斯陆蒸发结晶器 2020 1 6 31 真空煮晶锅 2020 1 6 32 2 结晶设备的选择 对于溶解度随温度降低而大幅度降低的物系可选用冷却结晶器或真空结晶器 而对于溶解度随温度降低而降低很小 不变或少量上升的物系则可选择蒸发结晶器 要考虑结晶产品的形状 粒度及粒度分布的要求 要想获得颗粒较大而且均匀的晶体 可选用具有粒度分级作用的结晶器 结晶器的选择还须考虑设备投资费用和操作费用的大小 以及