化工原理-结晶原理、方法、设备
结晶原理与结晶器讲座
三、等电点结晶
等电点结晶：利用溶质在溶液中的溶
解度随溶液pH值的变化而变化，在等 电点溶解度最小的原理，通过控制溶液 的pH值，在等电点将溶质从溶液中结 晶的方法。
1、以6-APA（6-Aminopenicillanic Acid） 为例：
NH2 O
S
CH3
CH3
COOH
6-APA
工业制备方法：霉法裂解青霉素G钾盐
CH2-
HO
CH2-
CH3-(CH2)6-
化学名称
2-戊烯基青霉素 3-戊烯基青霉素
戊基青霉素
苄基青霉素
对羟基苄基青霉素 庚基青霉素
青霉素结晶的特点：
结晶过程的特点：青霉素的溶解特性，决定了 青霉素必须采用真空蒸发结晶，由于青霉素在水 和丁醇中溶解度随温度变化很小，而只随关键组 分-水分含量的变化而变化，所以，控制结晶器 内水分的含量，是提高结晶收率的关键。 结晶介稳区的特点：青霉素的介稳区宽度，相 对来说比较窄，而工业结晶中，为了避免初级非 均相成核，必须采取在介稳区内结晶，所以，
溶液中生长出来的6-APA晶体一般是薄片状，以 {020}晶面为主。实验表明，产品晶习的控制因素 是{002}晶面与{101}晶面分别在{001}和{100} 方向的相对生长速度以及{020}晶面和{101}晶面 分别在{010}和{100}方向的相对生长速度。
晶面相对生长速度RFV (Relative Face Velocity)
3）苯乙酸对6-APA晶习的影响
20%
40%
Fig.12 The effect of PAA on the crystal habit of 6-APA
2、以阿莫西林为例：
分子结构式：
化学工程中的结晶技术
化学工程中的结晶技术一、结晶技术的定义与意义结晶技术是化学工程领域的一种重要分离和纯化技术，通过控制溶液中溶质的过饱和度，使其在一定条件下结晶沉淀出来，从而实现溶质的分离和纯化。
结晶技术在化学工业、药品生产、食品工业等领域具有广泛的应用，对于提高产品质量和生产效率具有重要意义。
二、结晶过程的基本原理1.过饱和度：溶液中溶质的浓度超过其在特定温度和压力下饱和溶解度时，称为过饱和溶液。
过饱和溶液中的溶质容易形成晶体。
2.成核：过饱和溶液中的溶质分子在适当的条件下，开始聚集并形成微小的晶体核。
3.晶体生长：溶液中的溶质分子不断向晶体核上吸附，使晶体核逐渐长大，形成完整的晶体。
4.晶体分离：通过控制溶液的温度、浓度、搅拌速度等条件，使晶体在一定时间内达到所需的尺寸和纯度，然后将晶体与溶液分离。
三、结晶技术的分类及应用1.冷却结晶：通过降低溶液的温度，使溶质过饱和并结晶沉淀。
适用于溶解度随温度变化较大的物质。
2.蒸发结晶：通过蒸发溶液中的溶剂，使溶质过饱和并结晶沉淀。
适用于溶解度随温度变化不大的物质。
3.盐析结晶：通过加入适当的盐类，降低溶液中溶质的溶解度，使其结晶沉淀。
适用于蛋白质、酶等生物大分子的分离和纯化。
4.超滤结晶：利用超滤膜对溶液中溶质的选择性透过作用，使溶质在膜表面结晶沉淀。
适用于高分子物质的分离和纯化。
四、结晶操作的影响因素1.温度：温度对溶质的溶解度有显著影响，通过控制温度可以调节溶质的过饱和度，从而控制结晶过程。
2.浓度：溶液中溶质的浓度越高，过饱和度越大，结晶速度越快。
3.搅拌速度：搅拌可以增加溶质与溶剂的混合程度，有利于晶体的均匀生长。
但过快的搅拌速度可能导致晶体形态的不规则。
4.溶剂选择：溶剂的性质会影响溶质的溶解度和结晶速度，选择合适的溶剂可以提高结晶效率。
五、结晶技术的展望随着科学技术的不断发展，结晶技术在化学工程中的应用越来越广泛。
未来的结晶技术将更加注重绿色环保、节能高效，通过新型材料、智能控制系统等先进技术，实现结晶过程的优化和自动化，进一步提高产品质量和生产效率。
连续结晶器原理
连续结晶器原理连续结晶器原理是指一种用于生产结晶产品的设备，它通过一系列连续的工艺步骤，使溶液中的溶质逐渐结晶沉淀，最终得到纯净的结晶产品。
这种设备在化工、制药、食品等领域广泛应用，能有效提高生产效率，降低能耗，保证产品质量。
连续结晶器原理的第一步是溶液的饱和。
当溶质在溶剂中达到一定浓度时，溶液就会处于饱和状态，这时候溶质开始结晶。
为了加快结晶速度，通常会通过控制温度、搅拌速度等条件来提高饱和度。
接着，溶液会进入连续结晶器中的结晶槽，这里的结晶槽通常是一个长而窄的通道，可以让溶液在其中流动。
在结晶槽中，溶质会逐渐结晶沉淀，形成晶体。
这些晶体会随着溶液的流动逐渐向下移动。
随后，晶体会进入连续结晶器中的分离区。
在这里，晶体会被分离出来，而未结晶的溶液会继续向前流动。
通过这种连续的分离过程，可以不断提取出纯净的结晶产品，同时保持溶液的稳定。
分离出的晶体会经过干燥和包装等步骤，最终成为可以投入市场销售的成品。
通过连续结晶器原理，可以实现大规模、连续生产，并且保证产品的质量稳定。
连续结晶器原理的优点在于可以实现自动化生产，不需要人工干预太多。
同时，由于连续结晶过程中溶液的饱和度和流动速度可以进行精确控制，因此可以得到更纯净、更均匀的结晶产品。
此外，连续结晶器还可以有效减少废液和废料的产生，降低生产成本，对环境友好。
然而，连续结晶器也存在一些挑战和局限性。
比如，不同溶质的结晶条件可能有所不同，需要根据具体情况进行调整。
另外，连续结晶器的设备投资和运行成本也较高，需要在生产规模和产品要求之间进行权衡。
总的来说，连续结晶器原理是一种高效、稳定的结晶生产技术，对提高生产效率、保证产品质量具有重要意义。
随着工业技术的不断发展，连续结晶器将会在更多领域得到广泛应用，为生产制造业的发展带来新的机遇和挑战。
结晶原理及操作演示教学
结晶原理及操作1、定义：利用被提纯物质与杂质在同一种溶剂中溶解性能的显著差异，而将它们分离的操作称为重结晶。
从自然界提取或通过有机化学反应合成得到的固体有机化合物，常常含有少量的杂质，除去杂质最有效的方法就是用适当的溶剂进行重结晶，它是提纯固体有机物最常用的方法。
大多数的固体有机物在溶剂中的溶解度随着温度的升高而增大，随温度的降低而减小，重结晶就是利用这个原理，使有机物在热溶剂中溶解，制成接近饱和的热溶液，趁热过滤，除去不溶性（在溶剂中溶解度很小）的杂质，再将溶液冷却，让有机物重新结晶析出，与可溶于冷溶剂（在溶剂中的溶解度很大）的杂质分离，这就是重结晶操作，经过一次或多次重结晶操作，可以大大提高固体有机物的纯度。
重结晶的一般过程为：选择合适的溶剂→溶解固体有机物制热饱和溶液→热滤、脱色除去杂质→冷却、析出晶体→抽滤→洗涤→干燥。
2、基本操作：（1）选择溶剂：选择适合的溶剂是重结晶的关键之一，适宜的溶剂必须符合以下几个条件：a、与被提纯的有机物不起化学反应；b、被提纯的有机物在该溶剂中的溶解度随温度变化显著，在热溶剂中溶解度大，在冷溶剂中溶解度小；c、杂质的溶解度很大（被提纯物成晶体析出时，杂质仍留在母液中）或很小（被提纯物溶解在溶剂中而杂质不溶，借热滤除去）；d、溶剂的沸点适中，沸点过低，被提纯物在其中溶解度变化不大；过高时，附着于晶体表面的溶剂难以经干燥除去；e、价廉易得、毒性低、容易回收。
选择溶剂时应根据“相似相溶”原理，溶质一般易溶于与其结构相似的溶剂中。
极性溶剂溶解极性固体，非极性溶剂溶解非极性固体。
具体选择可通过查阅有关化学手册，也可以通过实验来确定。
（2）固体溶解：待提纯固体有机物的溶解一般在锥形瓶或圆底烧瓶等细口容器中进行，一般不在烧杯等广口容器中进行，因为在锥形瓶中瓶口较小，溶剂不易挥发，又便于振荡。
溶解时先将待提纯的固体有机物放入锥形瓶中，加入比理论计算量略少的溶剂（因为含有杂质，溶解时需要的溶剂量少些），加热至微沸，振荡，若有固体未溶解，再加入少量溶剂，继续加热振荡，至瓶中固体不再溶解（当含有不溶性杂质时，添加足够量的溶剂杂质依然不溶。
结晶工艺知识点总结
结晶工艺知识点总结一、结晶工艺的概念及应用范围结晶工艺是一种将溶液中的溶质以结晶形态分离并纯化的工艺方法。
它是一种重要的化工生产工艺，广泛应用于化工、药物、食品、化肥等行业中。
通过结晶工艺，可以得到高纯度的产品，提高产品的质量和附加值。
二、结晶工艺的基本原理1. 溶解与饱和度结晶工艺的基本原理是通过溶解和结晶两个过程来实现溶质的分离和纯化。
首先，将溶质溶解于溶剂中，形成溶液。
当溶液中溶质的溶解度达到一定程度时，即为饱和状态。
此时，如果溶液中有合适的结晶核，就可以发生结晶过程。
2. 结晶过程结晶过程通常分为核形成、晶体生长和晶体分离三个阶段。
在饱和溶液中，当有足够的孤立的溶质分子聚集到一定程度时，即形成结晶核。
随着结晶核的不断生长，最终形成完整的晶体。
然后通过晶体分离的方法，将晶体与母液分离，得到纯净的晶体产品。
三、结晶工艺的影响因素及控制方法1. 温度温度是影响结晶工艺的关键因素之一。
通常来说，降低温度有利于溶质的结晶，但过低的温度也可能导致结晶速度过慢。
因此，需要根据具体溶质的溶解度-温度曲线，选择合适的结晶温度。
2. 饱和度控制溶液的饱和度是实现结晶的重要手段之一。
通常通过调整溶剂的添加量或者升温蒸发的方式来增加溶液的饱和度，从而促进结晶的发生。
3. 搅拌速度适当的搅拌速度有利于维持溶液的均匀性，促进结晶核的形成和晶体的生长。
过大或过小的搅拌速度都可能影响结晶的效果。
4. 晶种晶种是一种对结晶过程具有促进作用的晶体物种，对结晶的速度和质量有一定的影响。
在实际生产中，通过添加适量的晶种来引发结晶过程。
5. 结晶器结晶过程通常需要借助结晶器来提供合适的结晶条件，包括温度、压力、搅拌速度等。
结晶器的设计和选择对结晶效果有重要的影响。
四、结晶工艺的常见方法1. 真空结晶真空结晶是一种利用真空蒸馏的方法来实现结晶的工艺。
通过降低溶液的沸点，从而提高溶质的饱和度，促进结晶的发生。
2. 晶种结晶晶种结晶是一种通过添加适量的晶种来引发结晶过程的方法。
结晶的原理方法及其应用
结晶的原理方法及其应用一、结晶的原理方法结晶是指物质从溶液或气体中逐渐变为晶体的过程。
结晶是固体物质中的原子、离子或分子按照一定的有序排列形成晶体的过程。
结晶的原理方法主要包括以下几种：1. 溶剂结晶溶剂结晶是指通过加入适当的溶剂，使溶质在溶液中逐渐形成晶体。
一般来说，溶剂结晶的方法包括过饱和溶液结晶、蒸发结晶和冷却结晶等。
•过饱和溶液结晶是指在溶液中溶质的溶解度已经达到最大值，再进一步降低溶液的温度或增加溶质的浓度，就会导致溶质通过结晶形成晶体。
•蒸发结晶是指将溶液置于开放容器中，通过蒸发溶剂来充分饱和溶液，使溶质逐渐结晶。
•冷却结晶是指通过将溶液置于低温环境中，使溶质逐渐结晶。
2. 气相结晶气相结晶是指物质从气体状态逐渐转变为晶体状态的过程。
这种结晶方法主要包括物理气相淀积和化学气相淀积两种。
•物理气相淀积是指在一定的温度和压力条件下，气体的溶质通过高能粒子的撞击使其逐渐形成晶体。
•化学气相淀积是指通过化学反应使气体的溶质发生化学变化，从而形成晶体。
3. 摇床结晶摇床结晶是指通过将溶液放置在摇床上，利用摇床的摇动使溶质逐渐结晶。
这种结晶方法主要适用于微量溶质的结晶过程。
二、结晶的应用结晶作为一种固体物质的制备方法，广泛应用于众多领域。
以下列举了结晶的几个主要应用：1. 制药领域在药物的制备过程中，结晶是一种常用的分离和纯化方法。
通过结晶，可以将溶液中的杂质去除，获得高纯度的药物晶体。
2. 材料科学领域在材料科学领域，结晶被广泛应用于金属、陶瓷、半导体等材料的制备过程中。
通过控制结晶的条件，可以改变材料的晶体结构和物理性质。
3. 化工领域在化工生产过程中，结晶是一种常用的分离和纯化方法。
通过结晶，可以将溶液中的目标物质分离出来，获得高纯度的产品。
4. 生物领域在生物领域中，结晶被广泛应用于蛋白质、核酸等生物大分子的制备和纯化过程中。
通过结晶，可以获得高纯度的生物大分子晶体，为后续的结构和功能研究提供基础。
化工结晶过程原理及应用叶铁林
化工结晶过程原理及应用叶铁林一、化工结晶过程原理1. 溶解度和溶液饱和溶解度是指在一定温度和压力下，溶质在溶剂中达到平衡时，所能溶解的最大量。
当溶质在溶剂中达到溶解度时，溶液就称为饱和溶液。
在饱和溶液中，溶液中的溶质分子和离子处于动态平衡，即在单位时间内有溶质溶解和析出的速率相等。
2. 结晶核的形成结晶核是结晶过程的起始点，其形成是一个热力学和动力学过程。
通常情况下，结晶核的形成需要克服形核的能量障碍。
在溶液中，形核的能量是晶体表面吸附和溶质溶解的自由能之和。
当晶核形成后，其表面吸附能趋于稳定，晶核会继续生长，生成更大的结晶颗粒。
3. 结晶粒的长大结晶粒的长大是指结晶核在溶液中吸收溶质分子或离子，逐渐形成更大的结晶颗粒。
结晶粒的长大通常是一个动力学过程，其速率和结晶度取决于溶液中的物理化学条件，如温度、浓度、搅拌速率等。
在结晶粒的长大过程中，溶质会从溶液中逐渐减少，直至溶液中的溶质全部转移到晶体中为止。
4. 结晶物质的分离在结晶过程中，结晶物质会逐渐沉淀或析出到溶液中，最终形成纯净的晶体产物。
为了获得高纯度的结晶产物，通常需要采用适当的结晶条件和操作控制手段，如控制结晶温度、冷却速率、搅拌速率等，以提高结晶物质的纯度和晶体的完整性。
二、化工结晶过程应用1. 药物制造在药物制造过程中，结晶是一种重要的分离和纯化技术。
通过结晶技术，可以从生产中得到的粗品提取出目标产品，并实现对药物的纯化和分离。
结晶技术还可以控制药物的晶型和晶体形态，从而影响药物的物理化学性质和生物利用度。
2. 精细化学品生产在精细化学品生产过程中，结晶技术也被广泛应用。
通过结晶技术，可以将混合物中的各种化学成分分离提纯，获得高纯度的化学品产品。
结晶技术还可以控制产品的颗粒大小和形状，以满足不同客户的需求。
3. 矿产提纯在矿产提纯过程中，结晶技术也扮演着重要角色。
通过结晶技术，可以从矿石中提取出目标金属成分，实现对矿产的分离和纯化。
结晶的原理和方法
结晶crystallization从液态（溶液或熔融物）或气态原料中析出晶体物质，是一种属于热、质传递过程的单元操作。
从熔融体析出晶体的过程用于单晶制备，从气体析出晶体的过程用于真空镀膜，而化工生产中常遇到的是从溶液中析出晶体。
根据液固平衡的特点，结晶操作不仅能够从溶液中取得固体溶质，而且能够实现溶质与杂质的分离，借以提高产品的纯度。
早在5000多年前，人们已开始利用太阳能蒸浓海水制取食盐。
现在结晶已发展成为从不纯的溶液里制取纯净固体产品的经济而有效的操作。
许多化工产品（如染料、涂料、医药品及各种盐类等）都可用结晶法制取，得到的晶体产品不仅有一定纯度，而且外形美观，便于包装、运输、贮存和应用。
原理溶质从溶液中析出的过程，可分为晶核生成（成核）和晶体生长两个阶段，两个阶段的推动力都是溶液的过饱和度（溶液中溶质的浓度超过其饱和溶解度之值）。
晶核的生成有三种形式：即初级均相成核、初级非均相成核及二次成核。
在高过饱和度下，溶液自发地生成晶核的过程，称为初级均相成核；溶液在外来物（如大气中的微尘）的诱导下生成晶核的过程，称为初级非均相成核；而在含有溶质晶体的溶液中的成核过程，称为二次成核。
二次成核也属于非均相成核过程，它是在晶体之间或晶体与其他固体（器壁、搅拌器等）碰撞时所产生的微小晶粒的诱导下发生的。
对结晶操作的要求是制取纯净而又有一定粒度分布的晶体。
晶体产品的粒度及其分布，主要取决于晶核生成速率(单位时间内单位体积溶液中产生的晶核数)、晶体生长速率（单位时间内晶体某线性尺寸的增加量）及晶体在结晶器中的平均停留时间。
溶液的过饱和度，与晶核生成速率和晶体生长速率都有关系，因而对结晶产品的粒度及其分布有重要影响。
在低过饱和度的溶液中，晶体生长速率与晶核生成速率之比值较大（见图），因而所得晶体较大，晶形也较完整，但结晶速率很慢。
在工业结晶器内，过饱和度通常控制在介稳区内，此时结晶器具有较高的生产能力，又可得到一定大小的晶体产品。
工业结晶方法简介
一、工业结晶方法简介什么是结晶？在一定的温度下，一种可溶性的溶质在某种溶剂中的溶解度是一定的，并且不同温度下溶解度不同，一般来说温度升高，溶解度增大。
当降低溶液温度或减少溶剂量时，溶质将以固体形态从溶液中析出，这一过程叫做结晶。
工业生产中常用的结晶操作方法大致分为六种：1、冷却结晶：通过降低溶液的温度使溶液达到过饱和而结晶。
适用于溶解度随温度降低而显著减小的盐类结晶操作。
2、蒸发结晶：将溶剂部分汽化，使溶液达到过饱和而结晶。
这是最早采用的一种结晶方法。
适用于溶解度随温度升高而变化不大的盐类结晶操作，例如食盐的生产。
3、真空结晶：使热溶液在真空状态下绝热蒸发，除去一部分溶剂，使部分热量以汽化热的型式被带走，降低溶液温度，实际上是同时用冷却和蒸发结晶方法，使溶液达到过饱和而结晶。
这种方法适用于中等溶解度的盐类和有机酸，例如硫酸铵、己二酸等。
4、喷雾结晶；5、盐析结晶；6、升华结晶；根椐结晶的方法，可将常用的结晶器分为四大类：冷却型结晶器、蒸发型结晶器、真空蒸发冷却结晶器和盐析结晶器。
我们采用的精己二酸结晶器，典型的卧式真空多级闪蒸结晶器CMSMPR（Continuous Mixed-Suspension Mixed-Product Removal Crystallizer），具有全混悬浮，全混出料，连续结晶，不宜结垢，处理量大的特点。
二、结晶原理晶体从溶液中析出一般可分为三个阶段：过饱和溶液的形成、晶核的生成和晶体的成长阶段。
过饱和溶液析出过量的溶质产生晶核，然后晶核长大形成宏观的晶体。
晶体成长过程是溶质的扩散过程和表面反应过程串联的联合过程。
表面反应过程的速率一般较快，所以扩散过程是晶体成长速率的控制步骤。
通常，晶体成长速率随溶液的过饱和度或过冷度的增加而增大。
在结晶操作中，晶核的生成和晶体的成长同时进行。
这两个过程的速率的大小，对结晶的效果和产品的质量有很大的影响。
三、晶体成核过程对产品质量影响机理分析晶体的成核速率是决定晶体产品粒度分布的首要动力学因素。
结晶原理、方法、设备
这些方法在特定情况下使用，可 以根据不同物质的性质和分离要 求选择合适的方法。
03
结晶设备
冷却结晶设备
冷却结晶器
通过降低溶液温度，使溶质达到 饱和并析出晶体。适用于溶解度 随温度降低而显著减少的物质。
冷冻结晶器
利用冷冻剂将溶液冷却到冰点以 下，以析出晶体。适用于热敏性 物质或高价值物质的结晶。
05
结论与展望
当前研究进展与成果
结晶原理的深入理解
随着科研的深入，人们对结晶的原理有了更深入的理解，如对晶体 生长的动力学、结晶过程中的相变等关键问题有了更明确的认识。
新型结晶方法的开发
研究者们不断探索和开发新型的结晶方法，如冷冻结晶、反溶剂结 晶等，以满足不同应用场景的需求。
先进结晶设备的研制
离子交换结晶器
利用离子交换剂将溶液中的离子吸附并释放，使溶质析出晶体。适用于含有特 定离子的物质。
其他结晶设备
筛网结晶器
通过在筛网上形成过饱和溶液，使溶质在筛网表面析出晶体。适用于易于在固体 表面结晶的物质。
搅拌结晶器
通过搅拌使溶液中的溶质在固体表面或悬浮液中析出晶体。适用于需要较长结晶 时间和较大结晶粒度的物质。
降低而显著减小的物质。
盐析结晶
通过加入盐类使溶质析出结晶 的方法，适用于蛋白质、酶等
生物大分子的分离纯化。
萃取结晶
通过溶剂萃取使溶质在另一种 不相溶溶剂中析出结晶的方法 ，常用于分离和纯化有机物。
结晶设备
01
02
03
结晶器
用于进行结晶操作的设备， 根据需要可选择不同的结 晶器类型，如搅拌式结晶 器、流化床结晶器等。
蒸发结晶设备
蒸发结晶器
通过加热溶液使溶剂蒸发，使溶质达 到饱和并析出晶体。适用于溶解度随 温度升高而增加或随温度变化不大的 物质。
结晶现象的原理与发生步骤
引言概述结晶现象是物质在一定条件下由液体或气体转变为固体的过程。
对于许多科学领域而言，了解结晶的原理和发生步骤是至关重要的，因为结晶现象广泛应用于化学、材料科学、地球科学等领域。
本文将深入探讨结晶现象的原理和发生步骤，希望读者能够更加理解这一现象。
正文内容一、原理1.结晶的定义和基本概念结晶是一种物质由无序状态变为有序结构的过程。
在结晶中，原子、分子或离子按照一定的规律排列，形成晶粒。
2.结晶的热力学基础结晶的发生需要克服固体与液体之间的能量差，即自由能差。
当自由能差为负时，结晶就能发生。
3.结晶的动力学过程结晶的动力学过程指的是物质从高能量状态转变为低能量状态的过程。
这个过程涉及到核化、生长和形态发生等多个步骤。
4.结晶的驱动力驱动结晶过程的因素有很多，如温度、溶剂性质、溶质浓度、杂质等。
不同的系统对这些因素的响应也大不相同。
5.结晶的种类结晶现象可分为物理结晶和化学结晶。
物理结晶是由于温度或浓度变化引起的，而化学结晶则是由于化学反应引起的。
二、发生步骤1.核化核化是结晶的第一步，指的是液体中出现起始晶核。
起始晶核的形成需要克服活化能的影响，活化能越低，核化速度越快。
2.生长晶核后，它们会通过吸收周围溶液中的溶质来增大尺寸，形成晶体的过程被称为生长。
生长速度受到温度、浓度、溶液饱和度等因素的影响。
3.晶体形态发生晶体形态发生是指晶体在生长过程中的形状改变。
形态发生的原因有很多，如溶剂对溶质的影响、晶体生长速度的变化等。
4.晶体合并晶体合并是指在结晶过程中，颗粒之间发生相互迁移和接触，形成更大晶体的过程。
合并的影响因素包括温度、浓度、晶体形态等。
5.晶体分散晶体分散是指结晶过程中，固体晶体颗粒由于能量分散、扩散等原因发生分离的过程。
晶体分散会导致空心晶体、多晶晶体等形成。
结尾总结结晶现象的原理与发生步骤是一个复杂且多变的过程。
通过了解结晶的原理，我们能够更好地理解和控制结晶现象，在化学工业和材料科学等领域有更广泛的应用。
化工原理-结晶(原理、工业方法、设备 )
内容提纲
一、结晶基本概念 二、工业结晶方法与设备 三、结晶过程的计算
一、结晶机理
1、结晶概述 2、结晶过程的特点
结晶原理
3、晶体及特性 4、相平衡与溶解度
5、晶体的形成过程
一、结晶机理
1.什么是结晶
所谓结晶是指物质以晶体的状态从溶液、熔融混合物或蒸气中析出的过 程称为结晶(crystallization)，结晶是生物化工生产中，获得纯固态物质
①内循环冷却式结晶器
内循环式冷却结晶器的构造如图所示，其冷却
原料液
剂与溶液通过结晶器的夹套进行热交换。
这种设备由于换热器的换热面积受结晶器的限 制，其换热量不大。
冷却剂
晶浆
②外循环冷却式结晶器 外循环式冷却结晶器的构造如 图所示，其冷却剂与溶液通过结晶 器外部的冷却器进行热交换。 这种设备的换热面积不受结晶 器的限制，传热系数较大，易实现 连续操作。
④对称性
由于晶体内部的微粒，在空间是按一定几何形
式进行有规律的排列，必然导致各种晶体都具有一 定的对称性。 在结晶操作中，我们常可依据晶体的形状及色
泽等外观粗略判断结晶产品的纯度。
NaCl晶体
例如：通过结晶得到的岩白菜素是白色疏松的针状结晶（干燥后会变成 粉末状晶体）。 又如：从天然材料中提取并通过结晶得到的
差及中等溶解度的物系。
4、盐析(溶析)结晶法
盐析(溶析)结晶：向溶液中加入某些物质，以降低溶质在原 溶剂中的溶解度，产生过饱和度的方法。 盐析剂的要求：能溶解于原溶液中的溶剂，但不（很少） 溶解被结晶的溶质，而且溶剂与盐析剂的混合物易于分 离(用蒸馏法)。 NaCl是一种常用的盐析剂，如在联合制碱法中，向 低温的饱和氯化铵母液中加入NaCl，利用同离子效应， 使母液中的氯化铵尽可能多地结晶出来，以提高结晶收 率。
化工原理下第五章-结晶
举例：立方晶系
a
a a
a
a a
a
a a
简单立方
体心立方
面心立方
1.3 晶习
晶习指的是晶体的外形。同一物质的晶体，用不同的方法 产生出来时，可能属于不同的晶系，即使同一晶系，外形 也可以完全不同。
第五章 结晶单元操作
结晶操作与化学工业
• 结晶是一个重要的化工单元操作：为数众多的化工产 品及中间体都是以晶体形态出现的，从相当不纯的溶 液中结晶出来的产品纯度高，外观漂亮。
• 结晶产品在包装、运输、贮存或使用都是很方便的， 此外，在能耗上，结晶常常比蒸馏或其他精制方法低 得多。
• 在医药工业中，85%以上的药物都是以结晶产品出现 的。产品的纯度、溶解速率、晶习等影响着药物的生 物利用度。
与其他状态相比，晶体具有最小内能
晶体在熔融过程中，熔点固定不变
等等
1.2 晶体的几何结构
晶格 构成晶体的微观质点在晶体所占的空间中按一定的几何规律 排列起来，这种质点排列的几何规律称为三维空间点阵，也称为空间晶 体格子。
晶胞 是描述晶体微观结构的基本单位。整块晶体可视作成千上万 个晶胞“无隙并置”地堆积而成。每个晶胞具有相同的边长和夹角。
第二节 溶解度与溶液的过饱和
2.1 溶解度
❖结晶过程的产量取决于固体与其溶液之间的平衡关系。 ❖溶质与其溶液之间的相平衡关系，通常是用溶质在溶剂 中的溶解度来表示。 ❖溶解度（饱和浓度）的表示方法通常有三种：
I: 质量(或摩尔) 溶质 / 质量(或摩尔) 溶剂
化工单元操作及设备第9章 结晶
影响晶核形成的因素
• 成核速率的大小、数量，取决于溶液的过饱和度、 温度、组成等因素，其中起重要作用的是溶液的 组成和晶体的结构特点。
• ⑴ 过饱和度的影响 ⑵ 机械作用的影响 ⑶ 组成 的影响
• 一般说来，对不加晶种的结晶过程①若溶液过饱 和度大，冷却速度快，强烈地搅拌，则晶核形成 的速度快，数量多，但晶粒小；②若过饱和度小， 使其静止不动和缓慢冷却，则晶核形成速度慢， 得到的晶体颗粒较大；③对于等量的结晶产物， 若晶核形成的速度大于晶体成长的速度，则产品 的晶体颗粒大而少，若此两速度相近时，则产品 的晶体颗粒大小参差不齐。
含有过量细晶的母液取出送回结晶器前，要加热或稀释，使细晶溶解。
⑼ 母液温度不宜相差过大，避免过饱和度过大，晶核增多。 ⑽ 调节原料溶液的pH值或加入某些具有选择性的添加剂以改变成 核速率。
9.1.4 晶核的成长
• 晶体成长系指过饱和溶液 中的溶质质点在过饱和度 推动下，向晶核或晶种运 动并在其表面上有序排列， 使晶核或晶种微粒不断长 大的过程
图9-2 温度组成图
9.1.3 晶核的形成
• 溶质从溶液中结晶出来经历两个步骤，即 晶核（结晶的核心）形成和晶体成长。
• 晶核的形成过程可能是，在成核之初，溶 液中快速运动的溶质微粒（原子、离子或 分子）相互碰撞结合成线体单元，当线体 单元增长到一定程度后成为晶胚，晶胚进 一步长大即成为稳定的晶核。在这一过程 中，线体单元、晶胚都是不稳定的，有可 能继续长大，亦可能重新分解。
• ⑴ 过饱和度的影响 • ⑵ 温度的影响 • ⑶ 搅拌强度的影响 • ⑷ 冷却速度的影响 • ⑸ 杂质的影响 • ⑹ 晶种的影响
9.2 结晶方法 9.2.1 冷却结晶
通过降低温度创造过饱和条件进行结 晶的操作称为冷却结晶，此法基本上不去 除溶剂，故适用于溶解度随温度降低而显 著下降的物系，如KNO3、NaNO3 、MgSO4等 水溶液。
化工原理结晶PPT
— 有些物质的溶解度随温度的升高而增加，称为正溶解度，
— 有些物质的溶解度随温度的升高而降低，称为倒溶解度，
了解物质的溶解度特性有助于结晶方法的选 择，例如：
一些盐的溶解度曲线
100 90
80
70 60 50
40
30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
浓溶液
稀溶液
浓溶液
渗透
平衡
反渗透
几种膜的结构（断面电镜照片）
转相膜：表面层和支撑层由同种聚合物构成
聚酰胺转相膜
几种膜的结构（断面电镜照片）
非对称膜：是指在渗透方向上 结构不均匀的膜，由两层组成， 表层极薄，为微孔直径极小或 无孔的活性层（起分离作用）， 支撑层孔径较大，空隙率较高 （不起分离作用）。传质阻力 主要在极薄的表面层，其通量 比对称膜大很多。
冷却水 蒸汽喷射泵 蒸汽 冷 却 器 双 级 式 蒸 汽 喷 射 泵
出料口
循 环 管
进料口
其他分离过程
• 吸附
多孔性固体表面的分子或原子因受力不均而具有剩余 的表面能，当流体中的某些物质碰撞固体表面时，受到 这些不平衡力的作用就会停留在固体表面上。
• 膜分离
通过在膜两侧施加（或存在）一种或多种推动力， 使原料中的膜组分选择性地优先透过膜，从而达到混 合物分离，并实现产物提取、浓缩、纯化等目的的一 种新型分离过程。
a
a
a
a
a
简单立方
体心立方
面心立方
晶体的空间构成与形貌
立方体
(无媒晶剂)
八面体
(尿素为媒晶剂)
化工原理的知识点总结
化工原理的知识点总结一、物质的转化1. 化学反应原理化学反应是化工生产中最基本的过程之一，其原理是指通过物质之间的相互作用，原有物质的化学成分和结构发生变化，产生新的物质。
在化学反应中，往往会 Begingroup 产生热量、释放或者吸收气体以及溶解或析出固体物质。
常见的反应类型包括酸碱反应、氧化还原反应、置换反应、水解反应等。
2. 反应热力学反应热力学研究的是化学反应在不同途径下产生的能量变化规律。
反应热力学的主要内容包括热力学系统、热力学函数、热力学平衡、化学平衡等。
通过反应热力学的研究，可以预测化学反应的进行方向和速率，为化工生产提供重要的理论指导。
3. 反应动力学反应动力学研究的是化学反应速率随时间变化规律。
反应动力学的主要内容包括反应速率和反应速率常数的确定、反应速率方程和速率常数的推导等。
通过反应动力学的研究，可以基于反应速率的规律来设计和优化化工反应器，提高反应效率，减少能耗，降低生产成本。
二、传热传质1. 传热原理传热是指热量从高温物体传递到低温物体的过程。
传热原理主要包括热传导、对流传热和辐射传热三种方式。
热传导是指热量在固体物质内部传递的过程，对流传热是指热量通过流体介质传递的过程，而辐射传热是指热量通过辐射的方式传递的过程。
2. 传质原理传质是物质在空间内由高浓度区向低浓度区扩散的过程。
传质原理主要包括扩散、对流传质和表面传质。
扩散是指物质在固体、液体或气体中沿浓度梯度传输的现象，对流传质是指物质通过流体介质进行传送的过程，表面传质是指物质在表面上通过吸附和蒸发进行传递的过程。
三、流体力学1. 流体性质流体是一种无固定形态的物质，其主要特点包括不能承受剪切应力、易于流动和易于变形。
在化工过程中，流体的性质对设备设计和流体流动有重要影响。
流体的主要性质包括黏度、密度、表观黏度、流变性等。
2. 流体流动流体流动是指流体在管道或设备内部的运动过程。
流体的流动过程包括定常流动和非定常流动，同时还会受到雷诺数、流态、雷诺方程等因素的影响。
结晶原理、设备及结晶方法
N为搅拌强度，如转速或搅拌桨叶端线速；MT→悬浮 液密度；G→晶体的生长速率
10.3 结晶过程的动力学
二、结晶生长动力学 1．晶体生长机理 在过饱和溶液中已有晶体形成（加入晶种）后，以过 饱和度为推动力，溶质质点会继续一层层地在晶体表面有 序排列，晶体将长大的过程。
晶体生长过程有三步： 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。
均相初级成核：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：
比饱和度
NP
A exp[
16 3Vm2
3k 3T 3 (ln S )2
]
S
C C* C*
A→指前因子；Vm→摩尔体积；k→Boltzmann常数； T→绝对温度；σ→表面张力。
几种物质在水中的溶解度曲线
溶解度曲线特性
溶解度曲线:溶解度对温度之间的关系曲线。
正溶解度特性：溶解度随温度的升高而增加，在 溶解过程中需要吸收热量的特性。L一维生素C、 L一精氨酸
逆溶解度特性：物质的溶解度随温度升高反而下 降，在溶解过程中放出热量的特性 。Na2SO4
有一些形成水合物的物质，在其溶解度曲线上 有折点，对应存在不同水分子数的水合物之间的 变态点 。L一精氨酸 、46OC 。
结晶过程的特点：
1) 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。而用其他方法难以分 离的混合物系，采用结晶分离更为有效。如同分 异构体混合物、共沸物系、热敏性物系等。
2) 固体产品有特定的晶体结构和形态(如晶形、 粒度分布等)。
3) 能量消耗少，操作温度低，对设备材质要求不 高，三废排放少，有利于环境保护。
结晶方法和结晶器-化工
• 6．升华结晶 • 固体物质不经过液态而直接变为气态的 现象称为升华。将升华后的气态冷凝， 便获得升华结晶的固体产品。 • 7．反应结晶法 • 有些气体与液体或液体与液体之间进行 化学反应，产生固体沉淀。这种情况实 际上是反应过程与结晶过程结合进行， 称为反应结晶法。
• 这两种速率的大小不仅影响到产品的外观质量， 还可能影响到产品本身的内部质量。例如：晶 体成长速率过快时，就有可能导致两个以上的 晶体彼此相连形成晶簇，从表面上看晶体颗粒 较大，而实际上，在晶体与晶体之间往往夹有 气态、液态或固态杂质，严重影响了产品的纯 度。在实际生产中，往往要求结晶产品既要有 颗粒大而均匀的外观质量，又要有较高的纯度， 这就必须从控制晶核形成速率与晶体成长速率 入手。 • 影响这两个速率的因素也就是影响结晶操作的 因素，其主要有以下几点。
• （2）溶解度曲线 • 以溶解度为纵坐标，以温度为横坐标， 标绘出溶解度随温度变化的关系曲线， 这条曲线称为溶解度曲线。某种物质的 溶解度曲线就是该物质的饱和溶液曲线。 各种物质的溶解度曲线可通过实验确定， 图10－1为某些常见盐在水中的溶解度 曲线。
• 从图10－1中可以看出，溶解度曲线有三种类型： • 第一类是曲线比较陡，表明这些物质的溶解度随 温度升高而明显增大，如KNO3、Al2（SO4）3等； • 第二类是曲线比较平坦，表明溶解度受温度的影 响并不显著，如NaCl、KCl等； • 第三类是溶解度曲线有折点，表明物质的组成有 所改变，如Na2SO4在305.5K以下为含10个结晶 水的盐，溶解度随温度的升高而增大，在305.5K 以上时则转变成了无水盐，溶解度随温度的升高 而缓慢下降。
• 2．蒸发法 • 蒸发法是使溶液在常压、加压或减压状 态下加热蒸发而浓缩，达到过饱和。这 种方法适用于当温度变化时溶解度变化 不大的物质。如NaCl的结晶就适用于这 种方法。但这种方法耗能较多，并且也 存在着加热面容易结垢的问题。为了节 省热能，常采用多效蒸发。
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在一定压强下，以物质的溶解度对温度 作图，得到的曲线称为溶解度曲线。
在结晶操作中，溶解度及溶解度曲线是 我们分离多组分溶液的理论依据。
CHENLI
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5.晶体的形成过程
•
⑴介质达 到过饱和
状态
晶体从溶液中形成，不论是通 过减少溶剂量还是通过降低温 度，首先须使其介质达到过饱 和状态。
CHENLI
金刚石及其晶体结构
6
②均匀性
由于在晶体的微观结构上是由许多排列完全相同的基本单位重复出现而 形成的，必然导致晶体各部分的宏观性质是完全均匀一致的。
例如：晶体的密度等。
ClCs+
CsCl 晶胞
CHale Waihona Puke ENLI7③各向异性
由于晶体中的内部质点在各个微观方向上的排列情况不同，必然导致其
在不同的方向上，物理性质有所差异。
导电率高
例如：石墨晶体，其各层平行方向上的导
电率是各层垂直方向上的 104 倍。
又如：云母，晶体在不同方向上，其 导热性质不同。
导电率低
K0.5-1(Al、Fe、Mg)2(SiAl)4O10(OH)2·nH2O 云母的化学式
CHENLI
8
④对称性
由于晶体内部的微粒，在空间是按一定几何形
式进行有规律的排列，必然导致各种晶体都具有一
物质的溶解度(solubility)来表述。即：
在一定的温度下，固体物质在100g溶剂里达到饱和状态时，所能溶解的
克数(g/100g溶剂)。
CHENLI
11
②溶解度曲线 溶解度不仅表述了溶解与结晶体系的固－液相平衡关系，同时也反映了
物质在溶剂中溶解能力的大小。对于固体物质溶解能力(溶解度)的大小，主 要由溶剂和溶质的本性所决定。
例如：
升温
氯化钠
（水溶液）
水蒸气
母液
蒸发
晶体
离心分离
洗涤
干燥 产品
（氯化钠）
3、真空冷却结晶法
真空冷却结晶法是在减压、低于正常沸点条件下，使溶液中溶剂部分气 化并使溶液获得过饱和度。
态物质的内部质点(如：原子、分子、离子)在三维空间成周期性重复排列的
固体，且具有长程有序。
⑵晶体的特性 由于晶体内部的质点在三维空间成周期性
重复排列，必然导致其有别于非晶体的一些性 质。 ①长程有序
所谓长程有序是指，晶体的内部质点(原 子、分子、离子)至少在微米级范围内是规则 排列。
石墨及其晶体结构
⑤对X射线的衍射性 由于晶体具有对称性且长程有序，使得晶体
能对X射线发生衍射（X射线衍射法常用于测定晶 体结构）。
X射线衍射图
⑥固定熔点 晶体具有固定熔点性，非晶体无固定熔点。在
生产中常通过测量固态物质的熔程，检验晶体产品
的纯度。
问题： 什么是熔程？
CHENLI
BQJ-22Ⅲ自动熔点仪10
4.相平衡与溶解度
形成过 程
⑵晶核的 形成
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必不可少 的核心。
⑶晶体的 生长
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 入晶种运动，并在其表面有序堆积， 使晶核或晶种不断长大形成晶体。
CHENLI
13
二、结晶方法
资料卡片
1.联碱法的主要化学原理
NH3 + H2O + CO2
NH4HCO3
NH4HCO3 + NaCl
NH4Cl + NaHCO3
2NaHCO3 加热 Na2CO3 + H2O + CO2
2.小氮肥生产工艺流程
CO2变换
脱碳
焦炭 (无烟煤)
空气 水蒸汽
半水煤气
造气
脱硫
压缩
合格原料气
H2，N2
铜洗
碱洗
⑴相平衡
我们知道，对于固－液相混合物，溶解与结晶是两个相反的过程。
溶液
液相
u结晶 u溶解
晶体
固相
在一定温度下，当溶解和结晶速率相等时(u溶解 = u结晶)，晶体的质量及
溶质的浓度不随时间的改变而改变，此时的溶液恰好处于饱和状态，此状态
就是固－液体系达到相平衡。
⑵溶解度
①溶解度 对于上述（溶解与结晶体系）固、液相间的相平衡关系，通常是用固体
NH3
(产品)
合成
CHENLI
侯德榜
1890.8.9－1974.8.26
侯德榜，博士，著 名科学家，中国科学院 技术委员会主任，学部 委员。
1
内容提纲
一、结晶原理 二、结晶方法 三、结晶设备
CHENLI
2
一、结晶原理
1、结晶概述
2、结晶过程的特点
结晶原理
3、晶体及特性
4、相平衡与溶解度
5、晶体的形成过程
（2） 固体产品有特定的晶体结构和形态(如晶形、 粒度分布等)。
（ 3 ） 能量消耗少，操作温度低，对设备材质要求 不高，三废排放少，有利于环境保护。
（ 4 ） 结晶产品包装、运输、储存或使用都很方便
。
CHENLI
5
3.晶体及其特性
⑴晶体 固态物质有晶体(crystal)和非晶体(non-crystal)之分。而晶体是指固
定的对称性。
在结晶操作中，我们常可依据晶体的形状及色
泽等外观粗略判断结晶产品的纯度。
NaCl晶体
例如：通过结晶得到的岩白菜素是白色疏松的针状结晶（干燥后会变成
粉末状晶体）。
又如：从天然材料中提取并通过结晶得到的 咖啡因是白色（丝光）六角棱柱状结晶（干燥后 会变成粉末状晶体）。
CHENLI
咖啡因晶体
9
溶液结晶 岩白菜素(晶体)
苯甲酸－萘(混熔物) 降温
苯甲酸(晶体)+ 混熔物
加热升华
降温
硫(固体)
硫(蒸气)
硫(结晶)
CHENLI
4
2、结晶过程的特点
（ 1 ） 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。而用其他方法难以分 离的混合物系，采用结晶分离更为有效。如同分 异构体混合物、共沸物系、热敏性物系等。
1、冷却结晶法
主要通过冷却使溶液获得过饱和度。冷却结晶法适用于溶解度随温度降
低而显著下降的物系。
例如：
母液
降温
谷氨酸钠
结晶
（水溶液）
晶体
离心分离
洗涤
干燥
产品
（谷氨酸钠）
降温
岩白菜素
结晶
（溶液）
母液 晶体
离心分离
洗涤
CHENLI
干燥
产品
（岩白菜素）
14
2、蒸发结晶法
蒸发结晶法是在常压、沸点条件下，使溶液中溶剂部分气化(蒸发)，使 溶液获得过饱和度。蒸发结晶法适用于溶解度随温度变化不大的物系。
CHENLI
3
一、结晶原理
1.什么是结晶
所谓结晶是指物质以晶体的状态从溶液、熔融混合物或蒸气中析出的过
程称为结晶(crystallization)，结晶是生物化工生产中，获得纯固态物质
的一种重要的分离方法，是传质分离过程的一种单元操作。
例如：
加热蒸发
岩白菜素(溶液)
岩白菜素(饱和液)
①降温
②蒸发溶剂