卫宏远--现代工业结晶技术基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,内 容,基本,概念,结晶,过程的相平衡及介稳区,结晶,过程的动力学,结晶：固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物中析出的过程,生活健康需要,产品,质量的高要求,结晶在化工,医药,食品工业中的应用广泛,1.,基本概念,结晶过程具有如下特点,:,能从杂质含量相当多的溶液或多组分的熔融混合物中形成纯净的晶体。对于许多使用其它方法难以分离的混合物系，例如同分异构体混合物、共沸物系、热敏性物系等，采用结晶分离往往更为有效；,结晶过程可赋予固体产品以特定的晶体结构和形态（如晶形、粒度分布、堆密度等）；,能量消耗少，操作温度低，对设备材质要求不高，一般亦很少有“三废”排放，有利于环境保护；,结晶产品包装、运输、贮存或使用都很方便。,1.1,晶体结构与特性,晶体是内部结构中的质点元,(,原子，离子，分子,),作三维有序规则排列的固态物质,晶面,自范性,晶体的均匀性,结晶多面体,保证晶体产品的高纯度,各向异性,晶形,(Shape),：外观形状,晶型,(Polymorph),：按内部结构隶属晶系,晶习,(Habit),：晶形与生长环境的关系,重要名词,:,1.2,晶体的粒度分布,（,Crystal Size Distribution,CSD,）,指不同粒度的晶体质量,(,或粒子数目,),与粒度的分布关系,粒数密度，,n,质量,密度，,m,累计粒子数，,N,累计质量，,M,“,变异系数,”,（,Coefficient of Variation,，,C.V.,）为一统计量，与,Gaussian,分布的标准偏差相关，定义式为：,对于一个晶体样品,:,M.S,.,越大，表示其平均粒度大,;,C.V.,值越小，表明其粒度分布越均匀。,粒度分布一般,以中间粒度和变异系数来描述：,“,中间粒度,”,（,Medium Size,M.S.,）定义为筛下累计质量百分率为,50%,时对应的筛孔尺寸值,1.3,结晶过程及其在制药中的重要性,结晶过程可分为四大类,:,溶液结晶、熔融结晶、沉淀结晶、升华结晶,结晶过程步骤：,过饱和度,产品粒度分布和纯度,成核,生长,纯度,(,或生化活性、效价、吸光值、澄清度,),固体形态指标,：,晶形,晶型,堆密度,或比容,结晶度,晶体的粒度分布（主粒度与,CV,值）,固体结晶产品的质量指标：,2.1,溶解度,固体与其溶液相达到固液相平衡时，单位质量的溶剂所能溶解的固体的量，称为固体在溶剂中的溶解度,溶解度的大小取决于溶质及溶剂的性质、温度及压强等,根据溶解度随温度的变化特征，可将,结晶,物系分为不同的类型,：,正溶解度特性：（大，中，小），溶解吸热,逆溶解度特性,：溶解放热,2,.,结晶过程的相平衡及介稳区,温度，,溶解度，,g/100gH,2,O,L-,维生素,C,L-,苏氨酸,L-,异亮氨酸,Na,2,SO,4,Na,2,SO,4,10H,2,O,L-,精氨酸,C*=A+B,q,+C,q,2,+,log,x,*=,a,+,b,/T(1+logT),溶解度特征决定结晶方法的选择：对于溶解度随温度变化较大的物系，适用冷却结晶方法；对于溶解度随温度变化较小或具有逆溶解度特性的物系，适用蒸发结晶法分离。,根据在不同温度下的溶解度数据还可计算出结晶过程的理论产量,2.2,两组分物系的固液相图特征,双组分低共熔物系固液相图,C,D,D,双组分固体溶液物系固液相图,D,C,D,温度,L(,液相,),A+D(,固相,),E,A,D,B,D+B(,固相,),L+A,L+D,L+D,B,的浓度,溶剂化合物熔化为同组成液相的物系固液相图,温度,B,的浓度,L(,液相,),A+D(,固相,),E,A,D,B,D+B(,固相,),L+A,L+D,L+B,C,溶剂化合物熔化为异组成液相的物系固液相图,温度,B,的浓度,L(,液相,),A+B,(),(,固相,),E,A,B,L+A,L+B,(),L+B,(),晶型转变温度高于低共熔点,L+B,温度,B,的浓度,L(,液相,),E,A,B,L+A,L+B,(),A+B,(),(,固相,),A+B,(),(,固相,),晶型转变温度低于低共熔点,存在多晶型的双组分低共熔型物系固液相图,2.3,沉淀过程的溶度积原理,电解质在溶剂中溶解度的大小可用溶度积来表示,X,x,Y,y,x,X,y,+,+,y,Y,x-,X,y,+,x,Y,x-,y,=,Kc,=,常数,增加溶液中电解质的正离子或负离子浓度，会导致电解质溶解度的下降，这种现象称为,“,同离子效应,”,2.4,溶液的过饱和与介稳区,饱和溶液 过饱和溶液 过饱和度,溶解度曲线 超溶解度曲线,G,3.1,结晶成核动力学,溶质质点,线体单元,晶胚,晶核,成核,初级成核,二次成核,在没有晶体存在的条件下自发产生,的,晶核,在已有晶体存在的条件下产生,的,晶核,非均相初级成核,均相初级成核,流体剪应力成核,接触成核,3.,结晶过程的动力学,初,级,成核,非均相初级成核,均相初级成核,洁净（均相）的过饱和溶液进入不稳,区后自发地产生的晶核,在非均相（存在外来固体,物,质颗粒）过,饱和溶液中自发产生的晶核,均相初级成核速率,初级成核的临界粒径,初级成核速率很快，对过饱度变化非常敏感，很难将它控制在一定的水平。因此，除了超细粒子制造外，一般工业结晶过程都要尽量避免初级成核的发生。,流体剪应力成核,接触成核,二次成核,当过饱和溶液以较大的流速流过正在生长中的晶体表面时，在流体边界层存在的剪应力能将一些附着于晶体之上的粒子扫落，而成为新的晶核,接触成核是指当晶体与其它固体物接触时所产生的晶体表面的碎粒,在过饱和溶液中，晶体只要与固体物作能量很低的接触，就会产生大量的微粒，这与晶体在干燥条件下的表现完全不同。人们还发现晶体被撞击后在表面会出现伤痕，但在过饱和溶液中，伤痕在很短的时间内会自动修复而消失。在工业结晶器中，晶体与搅拌浆、器壁或档板之间的碰撞，以及晶体与晶体之间的碰撞都有可能发生接触成核。,接触成核的几率往往大于剪应力成核。,影响二次成核速率的因素主要有温度、过饱和度、碰撞能量、晶体的粒度与硬度、搅拌桨的材质等。,常使用经验表达式来描述二次成核速率：,式中，,K,b,和,K,B,为成核动力学常数，主要是物性和温度的函数；,N,为表示搅拌强度的量，如转速或搅拌桨叶端线速；,M,T,为悬浮密度；,G,为晶体的生长速率；,j,，,h,及,i,为经验的动力学参数，这些参数的范围如下：,0,h,4,0.5,i,3,0.4,j,2,3.2,结晶生长动力学,晶体生长机理,据扩散学说，晶体生长过程可分为三步：,(1),待结晶溶质借扩散作用穿过靠近晶体表面,的静止液层，从溶液中转移至晶体表面；,(2),到达晶体表面的溶质嵌入晶面，,使晶体长大。同时放出结晶热；,(3),放出来的结晶热传导至溶液中。,扩散过程,表面反应,结晶过程的控制步骤一般是扩散过程或表面反应过程，主要取决于结晶过程的物理环境。,二维成核学说,溶质如何嵌入晶格的模式,当一个新粒子堆砌到晶面上时，可能性最大的位置应该是能量上最有利的位置，或者说形成键数最多的位置，如图中的处。第二个有利位置是晶体新生长层的前沿，如图中的处。最不利的堆砌位置是晶面上孤立的粒子位置，如图中的处。,在晶面上一个新的粒子层形成之始，粒子只有从最不利的位置开始堆砌。一旦有一个粒子长在了晶面上，其它粒子就会很容易地堆砌上去而形成整个粒子层。最先长到晶面上的粒子可认为是一个二维生长的核,结晶生长速率,大多数溶液结晶中晶体生长过程为溶质扩散控制,对于表面反应控制的晶体生长过程,对于溶质扩散与表面反应共同控制的结晶生长过程,结晶粒度无关生长：,L,定律,结晶粒度相关生长,结晶生长分散,3.3,结晶物理环境对晶体生长过程的影响,晶体根据宏观对称性仅归属于七个晶系的某一个，但在不同的结晶物理环境中却表现为不同的生长特性，环境条件的改变会导致最终结晶产品的外观形态甚至晶型的改变，其主要原因在于不同的环境条件对晶体各个晶面生长速率的影响不同,。,影响晶面生长速率的因素主要有两类：,一是晶体内部单元对晶面的各种应力；二是晶面与周围环境的各种作用,，如界面粘度、界面张力、表面能、界面分子对周围环境中分子的作用力等。,对于许多结晶物系，结晶母液中如果存在某些微量杂质（包括人为加入的某些添加剂），浓度仅为几十,ppm,或者更少，即可显著改变结晶行为，其中包括对溶解度、介稳区宽度、晶体成长速率、粒度分布及晶形等的改变。,添加剂：,在结晶过程中人为加入的能显著改善晶体生长行为的,微量物质,谢谢！,David.wei,022-27400287,