蒸发与结晶设备

结晶过程的固-液平衡3

有着不同溶解特性的溶液，其应选择的结晶 方法也不同。


对正溶解特性溶液，用变温结晶方法； 对逆溶解特性溶液，用蒸发结晶法。
浓度-温度图1



饱和溶液——溶质的溶解量正好达到同 温度下溶液的饱和度，固液两相平衡的 溶液。 过饱和溶液——溶质溶解量高于同温度 下溶液的饱和度的溶液。 过饱和度——过饱和溶液的溶质浓度和 同温度下溶质溶解度的差值。过饱和度 是结晶操作的推动力。
升膜蒸发器2


升膜蒸发器适用于浓度低、粘度低的热 敏性物料的浓缩，也适用于发泡型强的 物料。 原料不预热，则进入加热管后，溶液所 获得的热量有大部分先用于对原料升温， 蒸汽量少，薄膜液层不能形成，传热效 果极差。
爬膜1


爬膜——当加热管内，蒸汽占据了整根 管子的中部空间时，液体只能分布于管 壁，形成环状液膜，并在上升蒸汽带动 下上行。 爬膜的形成与传热温度差和传热强度有 直接关系。

浓度-温度图4

三个区



稳定区——溶解度曲线以下区域，溶液未达 饱和，无结晶的可能性。 介稳区——溶解度曲线和超溶解度曲线之间 ，溶液不自发产生晶核，但人为加入晶核后 ，晶核会长大。 不稳区——超溶解度曲线以上区域，溶液可 自发生成晶核，且晶核长大。
浓度-温度图5

在非稳区进行结晶操作，生成的晶核数 量多，易获得极细晶体。所以，结晶时 ，应控制在介稳区内进行。


减压操作条件，溶液沸点低，在加热蒸汽温 度相同情况下，传热温度差增大，可减小蒸 发器的传热面积； 适用于热敏性物料； 为二次蒸汽热量再利用提供条件，可采用多 效蒸发。且操作温度低，热损失小。
概述3

单效蒸发——整个蒸发操作只用一台蒸
发器，溶液汽化后生成的二次蒸汽直接 送入冷凝器冷凝，不再利用其冷凝潜热。 多效蒸发——蒸发操作中，多台蒸发器 的串联操作。即前一台（也称效）蒸发 器产生的二次蒸汽送入下一效蒸发器的 加热室，作为下一效的加热蒸汽。利用 了二次蒸汽的冷凝潜热，故更经济。

在结晶器内，晶体和器壁、搅拌桨、挡板接 触都容易导致接触成核。

初级成核，晶核生成量多、且对过饱和 度极其敏感，多产生细晶。所以，尽量 采取次级成核。
浓度-温度图2

一份完全纯净的溶液，在没有任何的扰 动、没有任何刺激情况下，可通过缓慢 降温而变成过饱和溶液。
过饱和溶液的过饱度超过一定限度后， 溶液内将自发形成晶核。

浓度-温度图3

超溶解度曲线——溶液处于过饱和，且 溶解度超过了一定限度，使得溶液内部 可开始自发形成晶核的溶解度曲线。
将溶解度曲线、超溶解度曲线画于同一 个图中，形成浓度-温度图。
离心薄膜式蒸发器1

成膜机理：利用旋转的转鼓产生的离心力场，
将原料液分布成向外流动的液膜。

基本结构和工作：主体为杯形转鼓，内部叠
放多组梯形离心碟，每组离心碟由两片不同锥 形的、上下底都是空的碟片和套环组成，两碟 片之间的空间为加热夹套，加热蒸汽由空心轴 送入经分配管路进入此夹套。
离心薄膜式蒸发器2


一般用筛分法测定。 是晶体产品的重要质量指标。
结晶操作的特点



能从杂质含量极高的悬浮液和熔融液中提取出 纯净的产品； 操作温度低，能耗少，基本无“三废”产生， 有利于环保； 产品包装、运输、使用、贮存都极其方便。 过程设计传热、传质，也有表面反应过程，影 响因素众多。
结晶过程的固-液平衡1

未经预热的原料液，管内一大段用于预热， 溶液呈自然对流传热状态（如上图a、b示）。
爬膜2



预热稍好的原料液，进入加热管后，生成较多 气泡，且气泡结合形成较大的气泡，甚至为柱 状气泡，混合流体处在强烈的湍流状态。（如 c、d所示） 当产生的气相量多时，蒸汽占据管的中部，可 形成爬膜。 当传热强度极高，气流量多上行蒸汽流速高， 在管内形成带有雾沫的喷雾流，环状液逐渐变 薄，出现液膜局部干壁、结疤、结焦等不正常 现象。（如f、g、h所示）
结晶动力学——成核4


次级成核——在已有晶核的过饱和溶液 中继续形成新晶核的过程。包括：剪应 力成核和接触成核。 剪应力成核——过饱和溶液中，快速运 动的溶液扫过晶体，滞流流动层的剪应 力将晶体表面附着的碎粒扫落而成为新 的晶核。
结晶动力学——成核5

接触成核——过饱和溶液内的晶体因为 和固体表面接触而导致晶体破碎形成新 的晶核。
刮板式蒸发器1


成膜机理：利用旋转的刮板、在离心力和重力 作用下，使液体形成沿加热面下行的薄膜流动。 基本结构和工作：主体为空心圆筒，外设夹套， 夹套内通加热蒸汽。原料液经送料管流入由主 轴带动旋转的分配盘，被甩出后到达圆筒内壁 面，旋转的刮板刮带、重力、离心力作用使液 体形成薄膜。下行液膜受热蒸发，二次蒸汽上 行从二次蒸汽管排出；液膜下行被间隔分布的 刮板继续翻动更新而浓缩，底部出完成液。
蒸发与结晶
蒸发器、结晶器
概述1

蒸发处理的是溶质不挥发的溶液。将
溶液加热到沸腾，使溶剂汽化，从而将 溶质浓度予以提高。目的是获得浓缩液、 浸膏或回收溶剂。


蒸发过程中，所用的热源是饱和水蒸气，一 般称其为加热蒸汽； 溶剂汽化后，所生成的蒸汽称为二次蒸汽。
概述2

中药产品通常为具有生物活性的物质， 对温度敏感，属热敏性物料，故常采用 真空蒸发（也称减压蒸发、减压浓缩）。

晶体的自范性——晶体在成长过程中， 都是以晶面作为分界面，而与外界接触 。
晶体的特性2

晶体的均匀性——晶体的各宏观质点的 物理性质、化学特性，以及晶体每一宏 观质点的晶格结构都是相同的。

晶体的均匀性保证结晶操作可以获得高纯度 产品。

晶体的各向异性——晶体的物理特性和 晶格数量在不同方向上存在数量的差异 。
降膜蒸发器2

适用于浓度、粘度较高的物料的浓缩。
升-降膜式蒸发器

结构和工作：在一个加热室内安装两组
加热管，一组作升膜蒸发操作，一组作 降膜蒸发操作。经预热后的原料液进入 加热管，先升膜后降膜蒸发。


符合两种蒸发器对物料性质的要求； 有效降低设备的高度； 气液混合物状态进入降膜段，有利于降膜段 的液体均匀分布，也加速物料的湍动，可提 高降膜蒸发段的传热系数。

液体沿加热管壁形成的液膜与蒸发的二 次蒸汽流向相同，由下而上流动。 成膜和工作过程：该种蒸发器，溶液需要
先预热到沸点或接近沸点，送入加热管后， 溶液受热生成大量高速上行二次蒸汽对液体 产生强烈向上拉拽，而使液体形成薄膜上行， 气液混合物沿切向进入分离器，浓缩液从分 离室底部排出，二次蒸汽进入冷凝器或下一 效。

薄膜蒸发器1

对于热敏性物料，即使采用了减压蒸发， 但受热时间长，仍然对物料会产生影响。 所以，为了缩短加热时间，并达到所要 求的蒸发浓缩量，普遍应用的是膜蒸发。 膜蒸发——溶液以薄膜液层流动的方式流
经加热表面，在极短的时间内（几秒到十几 秒）受热升温、汽化、浓缩。传热效果最好。
升膜蒸发器1
套管式升膜蒸发器

加热管管径、管长要选择合适，一般在25— 80mm，长径比L/D为100—300，这样才能使 加热面供应足够成膜的气速。所以，管径越 大，管子应越长，但长管加热器结构比较复 杂，所以采用套管来缩短管长。

溶液在套管环隙流动，小管内和大管外 流过的都是加热蒸汽，换热面为内、外 管子面积总和，在较短的管长情况下， 可提供足够的传热量，产生大量蒸汽。
刮板式蒸发器2


当浓缩比较大时，加热蒸发室长度较大， 夹套可设计成分段加热区，即采用不同 的加热温度来蒸发液料。 圆筒直径一般不宜过大，因此时将加大 转动轴传递的力矩，增加功耗。直径也 不宜过小，否则，既减少了加热面积， 也使蒸发空间不够，蒸汽流速过高，雾 沫夹带量太大。一般300—500mm为好。
结晶动力学——成核2

溶液成核的方式有两种：初级成核和次级成 核。

初级成核：在没有晶核的溶液中自发产 生晶核的过程。它分为均相初级成核和 非均相初级成核。
结晶动力学——成核3


均相初级成核——纯净的溶液因为过饱 和度较大，进入了非稳区，而自发生成 晶核。 非均相初级成核——过饱和溶液中不可 避免地会出现杂质，如大气中带入的颗 粒杂质和人为加入的晶种，对成核有诱 导作用。因杂质诱导作用而使得非均相 过饱和溶液中出现的成核现象。

溶质在溶液中，溶解能力的大小用溶解度来 表示。


溶解度——单位质量溶剂中所溶解的溶 质的量。 溶解度曲线——溶质的溶解度随温度的 变化曲线。
结晶过程的固-液平衡2
正溶解特性——一些溶质的溶解度随温度 升高而增大，溶解时需吸收热量。 逆溶解特性——温度升高时，溶质的溶解 度下降，会释放出热量。 变态点——有些水合物的溶解，当高于或 低于某一温度时，水合物结晶出来的产 品水分子数量不同。该温度对应点。
晶浆和母液


晶浆——由所形成的晶体和剩余液相共 同构成的混悬液； 母液——将晶浆中固体产品取出，剩余 的液相。

含有杂质的母液经常以黏附和晶间包藏的形 式混入晶体产品中，对所获得的固体，一般 选用适当的溶剂对其清晰，以除去晶体中所 黏附或包藏的杂质。
结晶的分类

结晶分为：溶液结晶、熔融结晶、升华 结晶、沉淀结晶。

概述4


蒸发器有直接加热式和间接加热式，常 用为后者。 间接加热式蒸发器的组成，有两个基本 部分：


加热室——溶液在此受热，沸腾汽化，二次 蒸汽脱离液面。 分离室——二次蒸汽中夹带有液滴、液沫， 在此空间内除去蒸汽中的液滴、液沫。
概述5

结晶——物质以固体的晶体形态从蒸汽、
溶液或熔融物中析出。应用最广泛的是 溶液结晶，藉此，获得纯净的固体物质。 蒸发时，溶质没有相变。但结晶时，通 过将过饱和溶液冷却、蒸发，或投入晶 种使溶质结晶析出，有相态变化。
图示，对E点的溶液示出了三种结晶途径 ：降温结晶、蒸发结晶、真空蒸发结晶 。

结晶动力学——成核1

晶核是结晶过程中必不可少的核心。在 结晶之初，溶液溶质质点相互碰撞形成小线 体单元，线体单元成长到一定限度成为晶胚 ，晶胚不稳定，可能重新分解为线体单元或 溶质质点，也可能继续长大而成为晶核。

只有能和溶液达到热力学平衡的晶胚才 为晶核。晶核尺寸一般为几十纳米到几 微米。

溶质从溶液中结晶出来要经历两个步骤：

结晶设备2

晶核成长：晶核长大。
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溶液达到过饱和浓度是结晶的必要条件。 所以，结晶首先要制成过饱和溶液，然 后把过饱和状态破坏，使晶体析出。
过饱和度对两个过程的影响


过饱和度影响着成核和晶体长大的 速率； 也影响晶体的粒度分布。

所以，过饱和度对结晶过程影响极大。
晶体的特性3

晶格——形成晶体的基本单元质点在空 间规则排列，各质点间有力的作用，彼 此平衡，保持一定的距离。

晶体按照晶格结构分成7个晶系：立方晶系 、四方晶系、六方晶系、单斜晶系、三斜晶 系、立方晶系、三方晶系。

晶习——晶体的外形结构。
晶体的特性4

晶体的粒度分布——不同粒度的晶体质 量和粒度之间的关系。
降膜蒸发器1

溶液送入加热管的顶端，在液体分布器 或分配头的作用以及重力作用下，以薄 薄液层形态流过加热管的表面，也在下 行二次蒸汽带动下，下行。


管端液体分布器有：螺旋沟槽圆柱体、锥体 式、双层布液板式、管端齿缝等。 消除了由静压而引起的有效传热温度差损失 问题，蒸发器的压降较小，在低温差下有较 高的传热速率，宜用于多效蒸发系统。


若结晶和其他单元操作结合，则有：萃取结 晶、盐析结晶、加合结晶、乳化结晶； 反应结晶：结晶和化学反应结合。
晶体的特性1

结晶的过程是形成晶体的内部单元质点 （分子、离子或原子）在空间结构上有序规 则排列的过程。在成长环境良好情况下，晶 体都能自发长成为多面体（结晶多面体）。 结晶多面体的各外表面称为晶面。

基本结构和工作（续）：原料液经送
料管和送料喷嘴喷至每一夹套的下方碟 片，离心成膜、往外流动，而被浓缩， 二次蒸汽汇集经除沫后由二次蒸汽排出， 浓缩液汇集后被真空管吸出，加热夹套 内加热蒸汽冷凝后的冷凝水经冷凝水排 出管排走。
结晶设备1

结晶：溶质从溶液中以晶体状态析出的
过程。

是所有固体药物精制时必不可少的操作； 能使产品高度纯净、颗粒整齐、晶莹美观， 便于包装、贮存和是使用。 成核：生成微小的晶粒作为结晶的核心（晶 核）。