现代分离技术综述

现代分离技术综述

结晶分离技术的原理与应用

朱正，董子豪

常州大学华院131

摘要:概述了结晶分离技术的原理, 综述了冷却剂直接触冷却结晶、反应结

晶、蒸馏结晶耦合、氧化还原结晶液膜、萃取结晶、磁处理结晶等结晶分离方法。并且介绍了结晶分离新技术在一些领域的应用。

关键词:结晶；分离；工艺；应用

引言：溶液结晶在物质分离纯化过程中有着重要的作用, 随着工业的发展, 高效低

耗的结晶分离技术在石油、化工、生物技术及环境保护等领域的应用越来越广泛, 工业

结晶技术及其相关理论的研究亦被推向新的阶段, 国内外新型结晶技术及新型结晶器

的开发设计工作取得了较大进展。

1、结晶分离技术的原理

结晶分离过程为一同时进行的多相非均相传热与传质的复杂过程。多年来, 众多研

究者在结晶热力学、结晶成核、晶体生长动力学、结晶习性、晶体形态及杂质对结晶

过程的影响等方面进行了大量基础性研究并提出了描述结晶过程的理论

结晶是一个重要的化工过程, 溶质从溶液中结晶出来要经历两个步骤: 晶核生成和

晶体生长。晶核生成是在过饱和溶液中生成一定数量的晶核; 而在晶核的基础上成长为

晶体, 则为晶体生长。

2、结晶分离技术的分类

结晶分离技术近年来发展很快, 传统结晶法进一步得到发展与完善, 新型结晶技术

也正在工业上得到应用或推广。

（1）冷却剂直接接触冷却结晶法

直接接触冷却结晶概念的构想早在20 世纪70年代就有人提出, 但因为选择冷却剂

的困难使该技术一直难以获得工业应用。由于直接冷却结晶具有节能、无需设置换热

面、不会引起结疤、不会导致晶体破碎等特点, 因而近年来这一构想再次引起工业界的

兴趣。齐涛等[4] 研究了冷却剂酒精在高粘度高浓度的蔗糖水溶液中直接接触汽化传热

过程, 探讨了酒精汽化冷却法制取蔗糖的结晶成核过程。目前, 直接接触冷却结晶技术

还处在研究开发过程中。

（2）反应结晶法

反应结晶法作为传统结晶方法之一, 一直受到人们的重视。工业结晶方法一般可分为溶液结晶、熔融结晶、升华、沉淀等4 类。反应结晶或反应沉淀是沉淀的主要类型之一, 大多数情况下是藉助于化学反应产生难溶或不溶固相物质的过程。反应结晶过程是一个复杂的传热、传质过程, 在不同的物理化学环境下, 结晶过程的控制步骤可能改变, 反映出不同的结晶行为。

（3）蒸馏-结晶耦合法

蒸馏是一种常用的化工分离方法。一些易结晶物质的沸点相近, 但它们之间的熔点却相差很大。利用它们熔点差较大的特性, 开发一些新的分离方法是很有意义的, 这一方面可以解决操作过程的困难, 另一方面利用熔点差大的特点可以加强分离效果, 可以把蒸馏和熔融结晶这两种分离方法有机地结合在一起, 取长补短, 用来分离易结晶物质。潘筱菁等[6] 针对从生产乙烯的裂解渣油中提取工业萘的体系, 研究了蒸馏结晶耦合法的可行性。实验结果表明, 蒸馏结晶耦合法不仅能够有效地解决易结晶物质在分离过程中晶体析出而堵塞装置系统的问题, 而且可以提高产品的纯度, 加大传质推动力, 强化蒸馏过程。

4）氧化还原结晶液膜法

液膜分离技术是利用模拟生物膜的选择透过性特点来实现分离作用的, 具有快速、专一且条件温和等优点, 特别适合于低浓度物质的富集和回收。汤兵等[7] 建立了一个氧化还原结晶液膜体系提取金属铟, 即在液膜内水相中加入还原剂, 利用膜相的选择性迁移和还原剂的选择性还原实现湿法炼锌系统中微量铟的分离与还原, 可在液膜内水相中结晶直接得到金属单质铟。

（5）萃取结晶法

萃取结晶技术作为分离沸点、挥发度等物性相近组分的有效方法及无机盐生产过程中节能的方法, 愈来愈受到广大化工研究者的重视, 经过30 多年的探索研究, 萃取结晶技术在很多体系的分离中得到应用。赵君民等[8] 对萃取结晶技术的设计和工艺作了探索, 提出在工业生产应用中的关键设计参数, 认为萃取结晶与其他过程联合, 可形成一种连续化完整的分离流程。

（6）磁处理结晶法

磁化技术( 根据磁性差) 是将物质进行磁场处理的一种技术, 该技术的应用已经渗透到各个领域。磁化分离是利用元素或组分磁敏感性的差异, 借助外磁场将物质进行磁场处理, 从而达到强化分离过程的一种新兴技术。随着强磁场、高梯度磁分离技术的问世, 磁分离技术的应用已经从分离强磁性大颗粒发展到去除弱磁性及反磁性的细小颗粒, 从最初的矿物分选、煤脱硫发展到工业水处理, 从磁性与非磁性元素的分离发展到抗磁性流体均相混合物组分间的分离。作为洁净、节能的新兴技术, 磁化分离将显示出诱人的开发前景[9] 。

（7）其他结晶方法

近年来, 研究者们除进一步完善传统结晶方法外, 仍在不断探索新的结晶方法, 如将冲击喷射结晶法应用到药粒制备工艺中, 物理场辅助结晶法的研究等。另外, 还有人研究了在结晶釜中加入结晶调节剂等添加剂以改善晶体性能、提高产品纯度的结晶方法。

3、结晶分离技术的应用

结晶分离技术在很多方面都有应用。以下介绍结晶分离技术在有机合成、香料分离等方面的应用。

（1）结晶分离技术在有机合成方面的应用

结晶分离技术主要用于有机物的分离与精制。如二甲苯、对二氯苯、对硝基甲苯、对硝基氯苯、一氯醋酸等的分离与纯化。

（2）结晶分离技术在香料生产中的应用

目前工业上采用溶液结晶法进行香料分离提纯的例子较多, 多以乙醇、丙酮等低级醇或酮为溶剂, 操作方法是在高温下按一定比例将香料粗品溶解于溶剂中, 然后在静置或搅拌下降温结晶, 最后过滤分离出固体并经干燥得香料精品。

熔融结晶技术的优势是产品纯度高, 操作能耗低, 但这些优势只有在原料纯度相对较高的条件下才能较好体现出来, 因此在利用熔融结晶技术对天然香料或合成香料进行提纯之前, 一般采用精馏技术进行粗分离例外，反应结晶技术、升华结晶耦合技术在香料生产中也有很多应用。总之，结晶分离技术是具有悠久历史的分离技术，但是，随着科学的发展进步，其也在快速的发展着。结晶分离技术将来会应用到更多方面

参考文献

1 、朱洪涛. 工业结晶分离技术研究新进展[J] . 石油化工, 1999, 28( 7) : 493- 498

2 、 Mullin I W. 结晶过程[M] 。大连: 大连理工大学出版社, 1991. 4

3 3 、张喜梅, 丘泰球, 李月花. 声场对溶液结晶过程动力学影响的研究[ J] . 化学通报, 1997( 1) : 44- 46

4 、齐涛, 刘春祥, 沈自求。酒精液滴在蔗糖溶液中汽化冷却传热及其结晶过程[J]。高校化学工程学报, 1997, 11( 3) : 37-43

5 、陆杰, 王静康。反应结晶( 沉淀) 研究进展[J]。化学工程, 1999, 27( 4) : 24-27

6 、潘筱菁, 周荣琪。蒸馏结晶耦合法的初步研究[J]。现代化工,1998, 18( 5) : 25- 27

7 、汤兵, 石太宏, 万印华等。氧化还原-结晶液膜法直接提取金属单质铟[J] . 稀有金属, 2000, 24( 1) : 6-12

8 、赵君民, 刘荣杰, 李慧. 萃取结晶过程的分析与设计[J] 。化工设计, 1997(2) : 12- 15

9 、柴诚敬, 贾绍义, 李宗堂等. 磁化技术在化工分离领域中的应用[J] 。化学工业与工程, 1999, 16( 4) : 245-249