結(jié)晶工藝的優(yōu)化控制研究

周海燕

摘 要：在食品生產(chǎn)、醫(yī)藥化工等行業(yè)中，結(jié)晶過程的應(yīng)用十分廣泛，小規(guī)模地生產(chǎn)高附加值精細(xì)化學(xué)品的應(yīng)用更為突出。物質(zhì)以晶體的狀態(tài)從蒸汽、溶液或熔融物中析出，所得的產(chǎn)品具有純度高、質(zhì)量高等優(yōu)勢。通過對(duì)結(jié)晶過程的優(yōu)化控制研究，對(duì)于晶體產(chǎn)量與質(zhì)量的提升具有重要價(jià)值。本文通過對(duì)影響結(jié)晶過程中的參數(shù)進(jìn)行了闡述，并且對(duì)結(jié)晶工藝的優(yōu)化控制進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：冷結(jié)晶;工藝;優(yōu)化控制

分離和純化最為基本的操作就是結(jié)晶，食品、化工等行業(yè)的應(yīng)用較為廣泛。尤其是在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展過程中，結(jié)晶在食品、醫(yī)藥等行業(yè)的需求越來越大，并且對(duì)晶體的粒度分布、形狀等質(zhì)量要求也在不斷增加。醫(yī)藥行業(yè)的生產(chǎn)過程對(duì)結(jié)晶操作的需求較高，且超過85%，而剩下的不用結(jié)晶操作的情況，形式為液態(tài)，存儲(chǔ)較為容易，穩(wěn)定性較高。在醫(yī)藥行業(yè)中，晶體的形態(tài)是活性藥物成分的主要形態(tài)?？梢钥闯?，市場前景較好。

1 工藝原理

結(jié)晶是傳質(zhì)、傳熱以及表面反應(yīng)同時(shí)發(fā)生的過程，對(duì)于晶體來說，有三個(gè)十分重要的過程，分別為過飽和溶液形成、成核、晶體生長。多相體系是結(jié)晶過程的推動(dòng)力，溶質(zhì)過飽和度良好。為達(dá)到飽和溶液，需要保持溶質(zhì)的溶解度與溶質(zhì)濃度相等，這樣就不會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象。溶解度平衡曲線十分重要，形成的基本條件為溫度的升高、溶析劑含量的變化。極限濃度曲線一般是結(jié)晶自發(fā)形成的，且需要確保溶液過飽和，也叫做超溶解度曲線。溶析劑添加速率、降溫速率等會(huì)對(duì)超溶解度曲線造成一定影響，但是溶解度曲線一般是保持固定不變的。所以確定的超溶解度曲線其實(shí)在一定程度上是不存在的。介穩(wěn)區(qū)是超溶解度曲線與超溶解度曲線中間的區(qū)域。晶體成核和生長為主導(dǎo)，造成這種現(xiàn)象的主要原因是結(jié)晶過程操作條件的改變，從而使得晶體也會(huì)存在較大的不同，比如尺寸和形狀就有所不同。

2 結(jié)晶方法

晶體的純度、形狀等都會(huì)在結(jié)晶過程過飽和度的變化下產(chǎn)生變化。冷卻、蒸發(fā)或溶析劑添加等過程會(huì)產(chǎn)生過飽和度，所以結(jié)晶的方法也會(huì)有所不同。冷卻結(jié)晶和溶析劑結(jié)晶是比較常見的結(jié)晶方法，過飽和度的產(chǎn)生是通過降低溫度產(chǎn)生的為冷卻結(jié)晶。溶液過飽和度會(huì)受到溫度降低速率的影響，晶體特性也會(huì)在變量的控制喜愛實(shí)現(xiàn)。溶析劑在冷卻結(jié)晶中并不會(huì)用到，且操作較為簡單，不會(huì)產(chǎn)生太多的費(fèi)用，不會(huì)對(duì)晶體純度造成影響。溶質(zhì)在溶劑中的析出，需要添加溶析劑，被叫做溶析劑結(jié)晶。在溶液中添加溶析劑，在溶解度降低下，溶質(zhì)會(huì)形成結(jié)晶，溶析劑也可以是多種的，這樣就會(huì)讓溶解度曲線變化更為劇烈，晶體形狀的產(chǎn)生也更加理想?？梢栽诘蜏叵逻M(jìn)行溶析劑結(jié)晶的操作，這種結(jié)晶方式多應(yīng)用于熱敏產(chǎn)品中，晶體多晶型的控制期間，溶析劑結(jié)晶發(fā)揮著重要作用。但是在實(shí)際應(yīng)用中，也發(fā)現(xiàn)溶析劑結(jié)晶并不完美，過飽和梯度在溶液中較高，影響晶體純度，且會(huì)產(chǎn)生較高的費(fèi)用。在概念上冷卻結(jié)晶與溶析劑結(jié)晶的過飽和度是相同的，也可以合理結(jié)合兩種結(jié)晶方法。但是也會(huì)有所變化，比如介穩(wěn)區(qū)的邊界就會(huì)出現(xiàn)變化，所以也會(huì)產(chǎn)生一定的差異，比如最佳操作曲線的形狀。

3 溶液結(jié)晶過程與設(shè)備

3.1 內(nèi)循環(huán)式結(jié)晶器

間壁換熱冷卻結(jié)晶器（如圖1所示）是一種典型的內(nèi)循環(huán)式，冷卻量由夾套換熱器傳遞。換熱的面積較小，換熱量不大。

3.2 外循環(huán)式結(jié)晶器

外循環(huán)式結(jié)晶器（如圖2所示）傳熱系數(shù)較大，換熱面積可變，但是合適的循環(huán)泵十分關(guān)鍵，這樣就能防止懸浮晶體的磨損破碎。

4 結(jié)晶技術(shù)的關(guān)鍵

4.1 結(jié)晶器的工藝控制

結(jié)晶過程中的關(guān)鍵在于控速分解和控速結(jié)晶。通過相圖分析我們可以更直接地了解結(jié)晶器的工藝控制的關(guān)鍵因素。以二元相圖為例，當(dāng)存在兩個(gè)組元時(shí)，成分也是變量，橫坐標(biāo)用線段表示成分，縱坐標(biāo)表示溫度。平面上以這時(shí)平衡狀態(tài)下存在的相來分隔。

4.2 晶體結(jié)構(gòu)和形貌控制

晶體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)控制不僅是工藝要求，在一定的程度上也是控制晶體純度的關(guān)鍵因素。一般對(duì)于晶體的結(jié)構(gòu)和形狀控制主要有兩種方法。首先，通過控制結(jié)晶的操作條件，控制結(jié)晶過程中不同的飽和狀態(tài)，同時(shí)結(jié)晶溫度對(duì)晶體的結(jié)構(gòu)和形貌也有一定的影響。還有可以通過加入溶劑調(diào)價(jià)及或者溶質(zhì)添加劑來控制晶體的形貌。

4.3 晶體尺寸和粒度分布控制

利用結(jié)晶法在生成晶核或者引入晶種后，會(huì)在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶操作，晶體生長會(huì)受到很多因素的影響，其中成核和溶解度曲線是兩個(gè)主要影響因素，這就使得間歇結(jié)晶成為主導(dǎo)方式，從而獲得的粒徑表現(xiàn)為直徑較大，且粒度分布集中且碎晶含量少的高質(zhì)量晶體。由于冷結(jié)晶法過程中存在多個(gè)目標(biāo)之間相互沖突的問題，因此可以以粒徑衡算方程為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)合成晶體顆粒較大且更為粒徑分布更為集中的目標(biāo)晶體顆粒。

4.4 晶體產(chǎn)品的純度控制

晶體本身的純度是很高的，但是在結(jié)晶過程中，晶體包覆和表面粘接母液而造成晶體中存在雜質(zhì)。雜質(zhì)的存在通常是由以下幾種原因造成的：①晶體的粒徑較小，固液分離不完全;②晶體的形狀不規(guī)則，造成分離困難;③包晶造成母液在晶體內(nèi);④晶體的聚并造成包晶現(xiàn)象。通過增大顆粒粒徑，減少顆粒的分布寬度，控制晶體的晶型以及晶體生長的速度來提高晶體產(chǎn)品的純度。在結(jié)晶過程，對(duì)雜質(zhì)的影響研究以宏觀研究為主，比如特定雜質(zhì)對(duì)晶體的數(shù)目、生長形態(tài)等的影響，但是在微觀方面，研究較少，尤其是晶體表面形貌、臺(tái)階生長速率等的研究較為少見。

5 總結(jié)

結(jié)晶是固體制造的關(guān)鍵步驟，隨著對(duì)結(jié)晶機(jī)理的不斷深入和結(jié)晶技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，人們對(duì)所需固體產(chǎn)品提出了更高的要求。本文針對(duì)結(jié)晶過程結(jié)晶機(jī)理復(fù)雜、生產(chǎn)的晶體質(zhì)量差等操作難度。深入研究了結(jié)晶過程中的優(yōu)化控制問題，對(duì)于提高晶體的產(chǎn)量、質(zhì)量，希望可以在本文的分析下，不斷提升結(jié)晶的綜合效益，為社會(huì)的發(fā)展提供支持，為人們的健康提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]李承寶.浮選法生產(chǎn)KCl工藝在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用[J].海湖鹽與化工（現(xiàn)《鹽科學(xué)與化工》），1998，27（2）：19-22.

[2]李偉，靳瑩皓，馬光明.正浮選法制備KCl工藝原理及關(guān)鍵控制[J].鹽業(yè)與化工（現(xiàn)《鹽科學(xué)與化工》），2012，41 （11）：27-28.

[3]關(guān)潤鐸.基于粒數(shù)衡算的結(jié)晶過程粒度分布預(yù)測與優(yōu)化[D].大連：大連理工大學(xué)，2017.