结晶技术原理
结晶技术原理
Part.01
基本概念
·A、晶体:
是指内部结构中的质量(原子、离子、分子)作规则排列的固体物质。
·B、结晶：
是指溶质分子自动从过饱和溶液中析出，凝集成固体，并使这些分子有规律地排列在一定晶格中的过程。
·C、沉淀：
是指溶质分子自动从过饱和溶液中析出，得到的固体其构成单位排列是不规则无定型物质，析出过程称为沉淀。
Part.02
结晶过程与溶液之间的关系
·A、溶液恰好饱和，溶质即无溶解，也无结晶，即溶质与溶液处于平衡状态，此溶液称为饱和溶液。
·B、溶液末饱和，若添加固体，则固体溶解。
·C、溶液已过饱和，超过饱和点的溶质迟早要从溶液中沉淀出来。
最先析出的微小颗粒是以后的结晶中心，称为晶核。
微小的晶核具有较大的溶解度。因此，在饱和溶液中，晶核是要溶解的，只有达到一定过饱和度时，晶核才能存在，晶核形成后，靠扩散而继续成长为晶体叫晶体生长。
可见溶液达到过饱和状态是结晶前提，过饱和度是结晶推动力。
Part.03
饱和曲线与过饱和曲线
A、稳定区：
在稳定区的任意一点溶液都是稳定的，不管采取什么措施，都不会有结晶析出。
B、不稳定区：
任意一点溶液能立即自发结晶，在温度不变时，溶液浓度会自动降至AB线。
C、亚稳区：
在亚稳区的任意一点，如不采取措施，溶液也可以长时间保持稳定，如加入晶种，溶质会在晶种上长大，溶液的浓度随之下降到AB线。
亚稳区中各部分的稳定性并不一样，接近AB线的区域较稳定，而接近CD线的区域极易受刺激而结晶。
亚稳区的上半部称为刺激结晶区，下半部称为养晶区。
溶液需要在亚稳区或不稳区才能结晶，在不稳区结晶生成很快，来不及长大，浓度即降至溶解度。所以，形成大量细小晶体，对工业结晶不利。
为得到颗粒大而又整齐的晶体，通常需加入晶种并把溶液浓度控制在亚稳区的养晶区，让晶体缓慢长大，因为养晶区自发产生晶核的可能性很小。
Part.04
结晶过程
（1)过饱和溶液的形成
要想获得理想的晶体，就必须有过饱和溶液的形成。
在工业上制备过饱和溶液方法有：
热饱和溶液冷却、将部分溶剂蒸发、真空蒸发冷却等，所获得溶液的过饱和程度可用过饱和度表示。
过饱和度的大小会影响晶核的形成速度和晶体的长大速度，并最终影响晶体产品的粒度和粒度分布，是工业上考虑结晶问题的一个极其重要的因素。
(2)、起晶
糖液在达到一定过饱和度状态，开始有晶体生成称为起晶。
工业结晶中有三种不同的起晶方法：
·A、自然起晶法：
在一定温度下使溶液蒸发进入不稳区形成晶核。
·B、刺激起晶法：
将溶液蒸发至亚稳区后，将其加以冷却，进入不稳区，此时具有一定量的晶核形成，由于晶核析出使溶液浓度降低，随即将其控制在亚稳区的养晶区使晶体生长。
·C、晶种起晶法：
将溶液蒸发或冷却到亚稳区的较低浓度，投入一定量和一定大小的晶种，使溶液中的过饱和溶质在所加晶种的晶面上长大。慢冷却加晶种是起晶普遍采用的方法。
（3）二次晶核的形成：
它是指在溶液中已有溶质晶体存在的条件下，形成晶核的现象。
二次晶核的形成是由于，晶浆（晶体存在的结晶溶液称为晶浆）中已有的晶体颗粒与结晶罐内的搅拌螺旋桨或叶轮之间碰撞，产生大量碎片，其中较大的就是新的晶核。
晶种以外的晶核叫做伪晶，要尽力防止伪晶的生成。
（4）晶体的生长
A、待结晶溶质借扩散作用到达晶体表面。
B、溶质在适当晶格位置长入晶面。
C、晶体增大，放出结晶热。
杂质、搅拌、温度、过饱和度都会对晶体生长产生影响。
（5）、结晶操作
（1）、分批结晶(间歇结晶)
在间歇结晶罐里，将溶液状态控制在亚稳区内，向溶液中添加适量晶种，使被结晶的溶质只在晶体表面上生长，温和搅拌，使晶体较均匀地悬浮在整个溶液中，并尽量避免二次成核现象。
它的操作和设备较简单，但得到的晶体产品质量不均一。
（2）连续结晶
结晶是在搅拌槽式连续结晶器中进行，浓度恒定的糖浆连续加入结晶器内，与循环晶浆结合，在搅拌器作用下，通过水冷式循环管，受冷却的晶浆有晶体生长，长大的晶粒沉入槽底而卸出。
