工业结晶-第四章-成核与成长-精品文档46页
工业结晶过程与设备
杂质：改变晶体和溶液之间界面的滞留层 特性，影响溶质长入晶体、改变晶体外形 、因杂质吸附导致的晶体生长缓慢；
搅拌：加速晶体生长、加速晶核的生成； 温度：促进表面化学反应速度的提高，增
加结晶速度；
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34
提高晶体质量的方法
过饱和曲线受搅 拌、搅拌强度、 晶种、晶种大小 和多少、冷却速 度的快慢等因素 的影响。
21
稳定区和亚稳定区
在温度-溶解度关系图中，SS曲线下方为稳定区，在 该区域任意一点溶液均是稳定的；
而在SS曲线和TT曲线之间的区域为亚稳定区，此刻 如不采取一定的手段（如加入晶核），溶液可长时 间保持稳定；
L （AmBn+L）
A+L
B+L
A+ AmBn
AmBn+B
A AmBn
B
4.溶剂化合物熔化为异组成 液相的物系固液相图
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18
晶型转变型
L L+ αB
－
A+L
L+ βB －
A+ β－B
A
B
L
A+L
B+L
A+ α－B
A+ β－B
A
B
5.晶型转变温度高于低共熔点 6.晶型转变温度低于低共熔点
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（2）蒸发结晶：除去一部分溶剂，使溶液在常 压或减压下蒸发浓缩而达到过饱和。
由于晶胞参数不同，可决定晶体分为七种晶系。
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5
七种 晶系
14种 晶格
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第四章-成核与成长
晶体成长
• 成核作为新晶体的形成，完成相的分离过程。 • 溶质分子从过饱和溶液中沉积在晶核表面，使晶体长 大，此过程叫晶体的成长。 • 晶体的成核与成长过程决定产品的尺寸分布。 • 晶体的成长条件和成长速率对最后产品的纯度和晶形 都有很大影响。 • 了解晶体的成长理论和晶体成长过程的测量技术在工 业结晶过程的开发过程中是致关重要和非常有用的。
⑧温度差（Ts-T1）＝T1max为在此冷却速率下的最大过饱和度温度差 (可转换为浓度差)
⑨这个实验可用不同的冷却温度重复试验,得到不同Tmax—r的关系 ⑩这种实验也可以在冷却时放入几个大晶体进行实验
• 因此在最大的过饱和点,成核速率表示为 dT dc* r 1 B ( )r1 dt dT dc* 最大过饱和浓度为 c ( )Tmax dT 如果成核速率用指数函数表示 因此
成核动力学
• 二次成核是一个非常复杂的现象，到现在为止此 现象还没有完全理解，因此还没有一个一般的理 论来预算晶体的成核速率。一般来说，一个体系 的成核速率是靠实验手段来测量。大家发现用指 数方程可以描述其变化规律即
B KN cn
B—成核速率，No./m3· s 这一方程仅适用于吸收表面层机理其成核速率与 悬浮密度无关
• 温度对成核的影响尚不清楚，实验发现现有的 系统温度升高会加速成核，有的系统反之或者 没有影响 • 设备的强度越硬，成核越大 • 晶体越硬，成核越少 • 颗粒的尺寸越大，越易形成二次晶核
接触成核模型
• 成核速率B0表达为以下三个参数的乘积
B0 =(Et)(F1)(F2)
式中 Et表示碰撞时对晶体的能量传递速率； F1表示对晶体传递的每单位能量所形成的粒子数； F2表示可以转变为晶核的粒子所占的份数 • Et为碰撞能量E（L）与碰撞频率ω（L）的乘积在全晶 体粒度范围内的积分
30第4章 晶体形核与生长
《材料成形基本原理》(3Ed-2016)
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课件编制: 上篇 祖方遒 李萌盛
下篇 陈文琳
合肥工业大学
普通高等教育“十二五”国家级规划教材
《材料成形基本原理》（第3版）
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凝固----?
凝固是物质由液相转变为固相的过程。
凝固是液态成形技术的核心问题，也牵涉到许多基础学科和应
固相表面曲率k>0，引起熔点降低。 曲率越大（晶粒半径r越小），物质熔点温度越低。
当系统的外界压力升高时，物质熔点必然随着升高。当系 统的压力高于一个大气压时，则物质熔点将会比其在正常大 气压下的熔点要高。通常，压力改变时，熔点温度的改变很 小，约为10-2 oC/大气压。
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第一节 凝固热力学
第二节 均质形核
第三节 非均质形核
第四节 晶体长大
晶体形核及生长示例
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《材料成形基本原理》（第3版）
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第一节 凝固热力学
一、 液-固相变驱动力
二. 曲率、压力对物质熔点的影响
三、 溶质平衡分配系数（K0）
m
(1
T Tm
)
GV H m (Tm T ) H m T
Tm
Tm
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《材二料.成形基曲本率原理、》压（第力3版对）物质熔点的国影家响级精品课程
由于表面张力σ的存在，固相曲率k引起固 相内部压力增高，这产生附加自由能：
工业结晶过程提纲
工业结晶过程提纲Industrial Crystallization一、工业结晶概论Chapter 1 Overview of Industrial Crystallization二、成核Chapter 2 Nucleation三、晶体生长Chapter 3 Crystal Growth四、粒数衡算概念Chapter 4 Population Balance Concept五、混合悬浮混合产品排出结晶器：一种理想方式Chapter 5 Mixed Suspension Mixed Product Removal Crystallizer-An Idealized Configuration六、粒数影响因素Chapter 6 Population Functions七、结晶动力学推导Chapter 7 Derivation of Crystallization Kinetics八、结晶过程中的物理传递现象Chapter 8 Physical Transport Phenomena in Crystallization九、结晶系统取样和分析Chapter 9 Sampling and Analyzing Crystallizing Systems十、结晶器设计中基本原理的应用Chapter 10 The Use of Fundamental Principles in Crystallizer Design十一、设计用的结晶动力学：小型实验的结晶动力学用于结晶器设计Chapter 11 Design Oriented Crystallization Kinetics Obtained in Small Scale Experiments for Crystallization Design 十二、间歇结晶器设计Chapter 12 Design of Batch Crystallizers十三、连续搅拌槽式结晶器设计Chapter 13 Design of Continuous Stirred Tank Crystallizer 十四、强制循环蒸发结晶器设计Chapter 14 Design of Forced Circulation Evaporation Crystallizers十五、晶浆处理：结晶器－离心机－干燥器组成的系统分析Chapter 15 Slurry Handling: An Analysis of the System Crystallizer-Centrifuge-Dryer参考书目References:1．Mullin, J. W., Crystallisation, 2nd ed.. Butterworths, London, 1972. TQ026.5/YM1中译本：胡维杰、宁桂玲等编译，《结晶过程》。
工业结晶
工业结晶1. 引言结晶过程是一个复杂的相间质量与能量传递过程，其推动力主要来自于结晶多相体系在热力学上的非平衡特性[1,2]。
结晶体系的固液相平衡数据不仅是选择结晶精制过程溶剂体系和结晶方式的依据，而且是决定结晶过程最大生产能力和理论收率的关键因素，因此，结晶热力学研究是整个结晶过程研究和工艺优化的基础。
2. 溶解度和介稳区液固平衡（LSE）亦常称固液平衡，它分为两类，一是固体在溶剂中的溶解度，其特点是固体与溶剂的熔点迥异，一般以溶解度表示；二是熔点比较接近物质间的熔化平衡，无所谓溶剂，也不存在溶解度的概念[3]。
一般情况下，溶质与溶剂的熔点相差悬殊，所以通常意义下讨论的影响结晶过程的热力学问题就是第一种情况---溶解度。
2.1 溶解度固液相平衡的主要数据是固体在液体中的溶解度。
准确的溶解度数据在结晶过程的开发、设计和操作中是极为重要的。
众所周知，溶解度是指一定的温度和压力下，在100g溶剂中所能溶解溶质最大的克数。
常压下，溶解度曲线是随温度变化的一条特定的曲线。
这是常识性的知识，这里不再赘述。
2.2 介稳区介稳区（MetasTab. zone）指的是溶解度与超溶解度之间的区域。
超溶解度定义为某一温度下，物质在一定溶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-温度相图分割为三个区域，分别为稳定区、介稳区和不稳区。
典型的溶液介稳区示意图如图1所示。
Mullin、丁绪淮等指出，一个特定的物系，只有一条明确的溶解度曲线，而超溶解度曲线的位置却要受很多因素的影响，例如有无搅拌，搅拌强度，有无晶种，晶种的大小多少，杂质的存在，超声波，电磁场等，所以超溶解度是一簇曲线[4-6]。
冷却或蒸发结晶溶析结晶图1介稳区示意图Fig. 1 Schematic diagram of metastable zone介稳区理论对结晶过程控制至关重要，在一个结晶过程中，当过饱和度超过介稳区进入不稳区时，溶液中就会自发成核，为了使产品具有较高的纯度和理想的粒度分布，通常将结晶过程控制在介稳区内进行。
第四章-成核与成长.
各种成核的最大过饱和度
均相成核最大过饱和度 浓 度 非均相成核最大过饱和度 二次成核最大过饱和度
溶解度
温度
二次成核的影响因素
• 二次成核主要包括三个过程 – 从固体上（或接近于固体表面）的二次晶核 的产生 – 晶核从晶体表面上分离 – 晶核的成长 • 二次成核的影响因素 – 过饱和度 – 冷却（蒸发）速率 – 搅拌强度 – 杂质
16 3v 2 Gcr 3( KT ln S )2
c是分子团的尺寸为r的浓度，因此，较小的溶解较多的成长至临界尺寸 rc，这时新晶体诞生 成核速率
16 3v 2 B0 A exp[ 2 3 ] 2 3K T (ln S )
此过程的连续发生直到一个临界尺寸，基于此机 理的成核速率可以表示为
接触成核主要考虑三种接触成核： —结晶器与晶体 —晶体与晶体 —晶体与搅拌桨
• 流体剪切力成核理论（Fluid shear） 当晶体运动于流体中，剪切力存在与晶体表面。 如果晶体是树状晶体，在流体的剪切力的作用 下，会形成晶体碎片而成为晶核。 • 杂质浓度梯度理论 此理论假设在晶体的存在下，溶液中分子的排 列更有秩序。因此增加晶体表面溶液层的过饱 和度，在此高过饱和度层中易形成晶核，因此 增加成核的概率。
浓 度
最大过饱和溶液曲线
饱和溶液曲线
温度 T
冷却结晶过程溶液浓度的变化
成核的类型
均相成核 （Homogeneous） 初级成核 （Primary） 非均相成核 （Heterogeneous）
二次成核 （Secondary） 最初尘粒的繁殖 多晶体破碎 晶体的微观侵蚀 针状或树状晶体 的晶核繁殖
流体剪切力
• 在一定的杂质的存在下，成核所需的能量会大大降低。 非均相成核一般发生在相对较低的过饱和度下，此情 况下的自由能减少依赖于固相的接触角
工业结晶
杂质存在部位、存在机理及降低与除去措施
冷 却 面 晶 层 固液 溶 界面 液
杂质存在机理
高过冷度下快 速成核导致的 杂质包藏
结晶中降低杂 质的措施
① 控制过冷度 和成核速度 ② 加晶种 ③ 诱导成核 控制晶层生长 速度 尽量使晶层表 面光滑
辅助提纯措施
发汗
晶层生长过快 导致的杂质包 藏 母液粘附
发汗
B
B+L
D
D+L
E’
固相(A+D)
固相(D+B)
固相(D+B)
固相(A+D)
B的浓度
化合物熔化为同组成液相的物系
B的浓度 化合物熔化为异组成液相的物系
3、固体溶液型物系
液相 x y x q 温 度 p y
B
液相
B
o
A
温 度 A
q
o
p
固相(A+B) B的浓度
固相(A+B) B的浓度
b.具有最低熔点的固体溶液物系 qo po
L(液相) 温 度
B L+B
A L+A
E L+B(β )
A+B(α ) (固相)
A+B(β )(固相)
A+B(β )(固相) B的浓度
B的浓度
晶型转变温度高于低共熔点
晶型转变温度低于低共熔点
6、双组分有机物系中各种相图所占比例
7%
54% 25%
二、三组分物系固液相图特征
1、低共熔型物系
液相 C′ B′ F E D O C 固相 A 温 度
制药工业中通过反应结晶制取固体医药产品的例子很多，例 如盐酸普鲁卡因与青霉素 G钾反应结晶生产普鲁卡因青霉素，青 霉素G钾盐与N,N’-二苄基乙二胺二醋酸反应结晶生产苄星青霉素 等。通常化学反应速率比较快，溶液容易进入不稳区而产生过多 晶核，因此反应结晶所生产的固体粒子一般较小。要想制取足够 大的固体粒子，必须将反应试剂高度稀释，并且反应结晶时间要 充分的长。
第四章 固相析出分离技术(二)
图4-4 温度对成核速度的影响
成核速度与溶质种类有关。
对于无机盐类，有下列经验规则：阳离子或阴离 子的化合价越大，越不容易成核；在相同化合 价下，含结晶水越多，越不容易成核。对于有 机物质，一般结构越复杂，相对分子质量越大， 成核速度就越慢。 例如，过饱和度很高的蔗糖溶液，可保持长时间 不析出。
）晶核的诱导
（2真正自动成核的机会很少，加晶种能诱导结晶。 晶种可以是同种物质或相同晶形的物质，有时惰性 的无定形物质也可作为结晶的中心，如尘埃也能导 致结晶。
添加晶种诱导晶核形成的常用方法如下： ①如有现成晶体，可取少量研碎后，加入少量溶剂， 离心除去大的颗粒，再稀释至一定浓度（稍稍过饱 和），使悬浮液中具有很多小的晶核，然后倒进待 结晶的溶液中，用玻璃棒轻轻搅拌，放置一段时间 后即有结晶析出。
对于大多数生化小分子来说，水、乙醇、甲醇、丙 酮、氯仿、乙酸乙酯、异丙醇、丁醇、乙醚、N-甲 基甲酰胺等溶剂使用较多。尤其是乙醇，既具亲水 性，又具亲脂性，而且价格便宜、安全无毒，所以 应用较广。 至于蛋白质、酶和核酸等大分子，使用较多的是硫 酸铵溶液、氯化钠溶液、磷酸缓冲液、Tris缓冲液 和丙酮、乙醇等。
5.温度 从生物活性物质的稳定性而言，一般要求在较低 的温度下结晶，这样不容易变性失活。另外，低 温可使溶质溶解度降低而有利于溶质的饱和，还 可避免细菌繁殖。所以生化物质的结晶温度多控 制在0-20℃，对富含有机溶剂的结晶体系则要求 更低的温度。但也有某些酶，如猪糜胰蛋白酶， 需要在稍高的温度（25℃）下才能较好地析出晶 体。另外，温度过低时，有时由于黏度大会使结 晶生成变慢，可在低温时析出结晶后适当升温。 通过降温促使结晶时，如果降温快，则结晶颗粒 小；降温慢，则结晶颗粒大。
工业结晶-第四章-成核与成长
基本概念
• 晶体的成长速率可以用很多种方法来定义，在文献中也同 时（或交替）使用，因此了解它们的定义和关系也是非常 有用的。 • 线性成长速率：在晶体的某个方向上随时间的变化。单位： 长度/时间 – 这种表示方法并不充足，因为不同的晶面会有不同的 成长速率，但能表示出你所感兴趣的方向的尺寸变化， 同时能给出所感兴趣的很多信息。因此，线性成长速 率是晶体成长速率最基本的表示方法。 • 注意：严格上讲晶体的线性成长速率是某一晶面的法向成 长速率，与晶面相关。
• 初级成核是在没有晶体表面的 情况下发生 • 二次成核包括在具有晶体表面 的情况下发生 • 非均相成核是由于外界表面引 起
均相成核
• 在给定的温度下,在过饱和溶液中溶液的平均温度是一个常 数.然而局部的溶液浓度有波动，在微观的区域内可能属于 一个数量级或称为分子团块。 • 经典的成核理论（Volmer）假设分子团块的形成遵循附加 机理 a + a=a2 a2 + a=a3 a3 + a=a4 a2 + a2=a4 ………… ac-m+ am=ac
B KN cn
dc* dc* ( )r1 K N (( ) Tmax ) n dT dT dc* ln(r1 ) ln K N n ln(Tmax ) (n 1)( ) dT
用测量的冷却速率r1与最大过饱和度Tmax和溶解度数据,我们可以得到成核 速率级数n和常数KN
Bo ( px A)e
Gcr KT
A—指数前常数，理论值为1030核/cm3· s
• 从此方程可见，成核速率随过饱和度温度的升高而增加， 与晶体的表面能成反比。 • 在实际中均相成核是很难得到，因为任何溶液中都有杂质， 同时也具有结晶器的表面，搅拌桨等等
工业结晶-第四章-成核与成长
原料准备
根据结晶需求，选择合适的原 料，并进行预处理，如干燥、 粉碎等。
成核
通过控制温度、压力、搅拌等 条件，促使溶质分子在溶液中 形成晶核。
分离与干燥
将晶体从母液中分离出来，并 进行干燥处理。
结晶设备与操作
结晶器
用于溶液的制备和结晶过程的进行， 根据需要可选择不同的类型，如搅 拌结晶器、冷却结晶器等。
案例分析
以某药物生产为例，通过工业结 晶技术实现药物的纯化与分离，
提高药物质量和产量。
技术优势
工业结晶技术具有高效、节能、 环保等优点，能够满足不同领域
的需求。
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工业结晶-第四章-成核与 成长
• 成核理论 • 成长理论 • 成核与成长的关系 • 工业结晶技术
01
成核理论
成核定义
成核是指晶体生长的起始点，即晶体在液相中形 成晶核的过程。
成核过程需要克服能量障碍，因为新晶核的形成 需要打破液相的稳定性。
成核的发生通常需要一定的过饱和度，即溶质浓 度超过其溶解度。
03
成核与成长的关系
成核与晶体生长的相互作用
成核是晶体生长的起始阶段， 为晶体生长提供必要的结构基 础。
成核过程中产生的晶核数量、 大小和分布对晶体生长的速率 和晶体形态有重要影响。
晶体生长过程中，晶核可以作 为生长的起点，促使晶体不断 向外延伸和发展。
成核与晶体生长的调控
通过控制成核条件，如温度、压 力、浓度等，可以调控晶体生长
成核类型
01
02
03
初级成核
在纯净的溶液中自发形成 晶核的过程。
二级成核
在固体表面上形成晶核的 过程，通常发生在容器壁 或杂质颗粒表面。
07无机盐生产-结晶全解
19
20
第二节 溶液 （一）溶液溶解度曲线
溶解度：在一定温度、一定压力下溶质在溶剂 中的平衡含量。物质的溶解度与温度和压力 有关。
溶解度的单位：克/升溶液、摩尔／升溶液、 摩尔分数等。
液固平衡:任何固体物质与其溶液相接触时，当 溶液尚未饱和，则固体溶解；当溶液恰好达 到饱和，则固体溶解与析出的量相等，此时 固体与其溶液已达到相平衡。
➢溶质从溶液中结晶的推动力是一种浓度差， 称为溶液的过饱和度。
推动力：△c=c-c’ 其中 c——过饱和溶液的浓度
c‘——饱和溶液的浓度
29
溶液的过饱和与超溶解度曲线
超溶解度曲线 正溶解度特性的 溶解度曲线
不稳区能自发产生 晶核 。 介稳区不会自发地 产生晶核。 稳定区不可能进行结晶
30
温度-溶解度关系图四个区域
(1) 冷却（等溶剂结晶） ：适用于溶解度随温度升 高而增加的体系；同时，溶解度随温度变化的幅 度要适中；
(2) 溶剂蒸发（等温结晶法） ：适用于溶解度随温 度降低变化不大的体系，或随温度升高溶解度降 低的体系；
(3) 改变溶剂性质 (4) 化学反应产生低溶解度物质：加入反应剂产生新
物质，当该新物质的溶解度超过饱和溶解度时， 即有晶体析出；
均相成核：洁净的过饱和溶液进入介稳区时，还 不能自发地产生晶核，只有进入不稳区后，溶液才 能自发地产生晶核。这种在均相过饱和溶液中自发 产生晶核的过程。
均相初级成核速率：
NP
A exp[
16 3Vm2
3k 3T 3 (ln S )2
]
比饱和度
S
C C* C*
A→指前因子；Vm→摩尔体积；k→Boltzmann常数；
晶核的形成和成长PPT课件
液相中溶质原子部分混合：
CS keC0(1Lx)ke1
液相中溶质原子依靠扩散来混合：
CL(x)C011 k0k0ex pR D (x)
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有效分配系数：
ke 凝 边固 界S时 层L以 界外 面的 处液 固浓体 相度 (平 C的 CL)均 S浓度
ke
k0
G V 0 . H S H L T S V m S L 0
SVSLHST mHLT Lm m
G V L m T T L m m L m T T m m T
要 G V 使 0 . L , T m 0 m . T T m 0
即 Tm T
表示实际晶体温度总是低于理论结晶温度，必须过冷。
.
37
（2）对于光滑界面结构的晶体，其生长界 面以小平面台阶生长方式推进。小平面台 阶的扩展同样不能伸入到前方温度高于等 温线的液体中去，因此从宏观看液固相界 面似与等温线平行，但小平面与等温线呈 一定角度。 在负的温度梯度下，呈树枝状生长。 晶体生长界面一旦出现局部凸出生长，由 于前方液体具有更大的过冷度而使其生长 速度增加。在这种情况下，生长界面就不
G kG k23co4 sco3s
上页 下页
.
25
由此可得到下列结论：
（1）非均匀与均匀比 形， 核具 相有相同的临界 半径，随 T,rk和Gk均下降，有利形核。
23cosco3s
（2） 0 ，0
4
1，因此，
当 时 G ， k G k ，说明固体基底可视
为现成晶核。
当 0时 ,G k0，表明固体不起非均匀形
k0 (1k0)R/D
R凝固速度 D扩散系数 边界层厚度
第04章 凝固与结晶
第四章 凝固与结晶
第二节 形核
二、形核率
形核率(N)：单位时间在单位母体（液体）的体积内晶核的形 成数目称为形核率。
过冷度对形核率的影响 形核率决定于体系中出现结构达到临界尺寸的几率，也受原子 活动或迁移能力的影响。 Gk GA
N KV e
RT
e
RT
第二节 形核
三、非自发形核
如果形核不是在液体内部， 如附着在某些已存在的固体(液 体中存在的未熔高熔点杂质)， 例如在固体上形成球冠形，这时 可以利用附着区原液体和杂质的 界面能，特别是核心和杂质间可 能有小的界面能。这种依附在某 些已有的固体上形核称之为非自 发形核。
第二节 形核
三、非自发形核
1. 能量变化
2 3 cos cos3 G非 G均 4 d (G) 2
dr 0 可以得到 rk GV
令
2. 作用效果
1)过冷度 自发形核与非自发形核的临界半径相同，随着过冷 度的增加临界半径减小，形核率将明显上升。
第二节 形核
第二节
一、自发形核
形核
存在过冷的液体，依靠自身的原子运动可能形成晶核， 这种方式称为自发形核。
1. 能量变化
在一定的过冷度下，液体中若出 现一固态的晶体，该区域的能量将发 生变化，一方面一定体积的液体转变 为固体，体积自由能会下降，另一方 面增加了液－固相界面，增加了表面 自由能，因此总的吉布斯自由能变化 量为：