結(jié)晶我們生活中隨處可見，吃的糖，鹽都是結(jié)晶，今天主要是給大家普及一下結(jié)晶的知識，以及它的發(fā)展史。現(xiàn)代結(jié)晶器的發(fā)展反映了晶體生長和成核理論數(shù)學模型的進步，今天為大家?guī)斫?0年來國內(nèi)外工業(yè)結(jié)晶發(fā)展概況，以及一些主要的工業(yè)結(jié)晶方法，來吧上干貨!

　　發(fā)展歷史

　　十九世紀未二十世紀初的真空結(jié)晶器人多為臥式列管蒸發(fā)設(shè)備, 它由鑄鐵殼體、水平列管與管板以及結(jié)晶鹽濾器組成。結(jié)晶鹽濾器位于容器下部, 在溶劑蒸發(fā)過程中,晶粒沉積列濾器中。

　　當頂定操作期結(jié)束時, 結(jié)晶鹽濾器便可與結(jié)晶器主體分開, 液體經(jīng)底部篩網(wǎng)排去, 而晶粒則可通過側(cè)面出口排出。這種結(jié)晶器系蒸發(fā)式結(jié)品設(shè)備, 其循環(huán)過程平緩。

　　在蒸發(fā)過程中,晶粒經(jīng)過底部錐形漏斗沉積到下面的結(jié)晶鹽濾器內(nèi)。結(jié)晶鹽濾器的位置和操作有利于排除最粗的晶粒, 而使較細的晶粒再循環(huán), 讓其進一步生長。由于蒸發(fā)過程是在列管周圍發(fā)生的。因此在結(jié)晶器內(nèi)壁和列管之間總會出現(xiàn)大量晶粒沉積。所以結(jié)晶過程的應(yīng)用已有悠久歷史。

　　國內(nèi)外使用現(xiàn)狀

　　結(jié)晶是目前公認的最好工業(yè)方法。作為一種精制提純的方法，結(jié)晶設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡單，操作不復雜，所以亦被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料等生產(chǎn)中。

　　在很多情況下，如沸點相近的物質(zhì)、共沸物以及對熱敏感的物質(zhì)都不適于采用精餾法分離，利用它們的凝固點一般差別較大的性質(zhì)，可采用結(jié)晶法。從節(jié)能角度分析，因?qū)τ谝欢ㄎ镔|(zhì)其熔融潛熱較蒸發(fā)潛熱小得多，能耗也較合理。

　　結(jié)晶是固體物質(zhì)以晶體狀態(tài)從蒸汽、溶液或熔融物質(zhì)中析出的過程。

　　在工業(yè)上最常遇到的是溶液結(jié)晶。盡管結(jié)晶應(yīng)用很廣泛，其理論發(fā)展還很不成熟。近年來工業(yè)結(jié)晶技術(shù)的推廣，新領(lǐng)域的開發(fā)以及應(yīng)用理論的研究，在國際上異常活躍。

　　在國內(nèi)，隨著石油化工、精細化工及生化、醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展，對工業(yè)結(jié)晶新技術(shù)提出了迫切的要求，和我國經(jīng)濟迅速發(fā)展的形勢和需求相比，工業(yè)結(jié)晶新技術(shù)的開發(fā)與推廣速度還急待提高，我國工業(yè)結(jié)晶界進入結(jié)晶工程階段也指日可待。工業(yè)結(jié)晶的新技術(shù)主要集中在熔融結(jié)晶，反應(yīng)沉淀結(jié)晶以及溶液結(jié)晶方面;

　　在國際上，國際結(jié)晶發(fā)展的新動向是用熔融結(jié)晶提取高純有機物質(zhì)，由反應(yīng)沉淀結(jié)晶制取生物化學物質(zhì)(包括醫(yī)藥)、超微粒子及功能晶體。為了開發(fā)結(jié)晶粒子的設(shè)計，在機理研究方面，近期又側(cè)重改變分子排列，以達到不同晶型的探索。

　　工業(yè)結(jié)晶技術(shù)的分類及介紹

　　由于結(jié)晶過程的多樣性，到目前為止未見到嚴格的統(tǒng)一的分類方法。一般按結(jié)晶相變的特征，工業(yè)結(jié)晶主要可分為溶液結(jié)晶、熔融液結(jié)晶和蒸汽直接結(jié)晶三大類。

　　如果按結(jié)晶技術(shù)而論，可分為一般結(jié)晶與再結(jié)晶兩大方面。作為制備方法，常應(yīng)用一般結(jié)晶(包括間歇的或連續(xù)的結(jié)晶，單級和多級結(jié)晶)即可。

　　作為一種分離提純的方法，即由一較復雜的混合物中分離出純組份，僅依靠一般的方案不行，常常使用再結(jié)晶技術(shù)，按一定方案由溶液中或熔融液中多次重復結(jié)晶步驟，當重復步驟足夠多時，可以達到必要的分離純度。按分離的要求再結(jié)晶方案已被提出很多種，大致分為簡單的再結(jié)晶與分步結(jié)晶兩類。

　　下面主要按相變特征對工業(yè)結(jié)晶進行分類討論，同時參考其它方面的特點。

　　1.溶液結(jié)晶

　　溶液結(jié)晶主要分為六種基本類型：

　　(1)冷卻結(jié)晶：該方法通過降低溫度來產(chǎn)生過飽和度。

　　(2)蒸發(fā)結(jié)晶：該方法通過溶劑的蒸發(fā)來產(chǎn)生過飽和度。

　　(3)真空結(jié)晶：該方法通過溶劑的閃蒸與蒸發(fā)來產(chǎn)生過飽和度。

　　(4)反應(yīng)結(jié)晶：該方法由于放熱效應(yīng)移去溶劑產(chǎn)生過飽和度。

　　(5)其它沉淀結(jié)晶：該方法由于外加物質(zhì)以降低溶解度產(chǎn)生過飽和度。

　　(6)加壓結(jié)晶：該方法通過改變壓力，降低溶解度來產(chǎn)生過飽和度。

　　(7)等電點結(jié)晶：該方法通過控制pH值，降低溶解度來產(chǎn)生過飽和度。

　　2.但對于結(jié)晶物質(zhì)又習慣按其溶解度曲線分類，大致可分為三種類型。

　　(1) 溶解度曲線的形式類型l：物質(zhì)有KNO3、NaNO3、NH4NO3、CaSO4、糖等。

　　(2) 溶解度曲線的形式類型2：KCl、NaCl、(NH4)2SO2、K2SO4、對苯二甲酸等。

　　(3) 溶解度曲線的形式類型3：Na2SO4、ZnRO4·H2O、CaSO4、MgSO4·H2O、FeSO·H2O4等。

　　對于不同類型的物質(zhì)，適于運用不同類型的結(jié)晶形式。對于上面分類第1類，其溶解度隨溫度變化較大，適于冷卻結(jié)晶。第2類物質(zhì)其溶解度隨溫度變化較小適于蒸發(fā)結(jié)晶。

　　在工業(yè)上，運用氣體或液體之間進行化學反應(yīng)沉淀出固體結(jié)晶產(chǎn)品來制備的化學物質(zhì)很多。一般借助于放出的反應(yīng)熱來驅(qū)趕體系中的溶劑。這種方法稱為反應(yīng)結(jié)晶法。特別在產(chǎn)生有回收價值的廢氣的工業(yè)中可用此法。例如由焦炭爐廢氣中回收NH3，就應(yīng)用NH3與H2SO4反應(yīng)結(jié)晶產(chǎn)生(NH4) 2SO4的方法。

　　在其它沉淀結(jié)晶方法中又有鹽析結(jié)晶、萃取結(jié)晶、乳化結(jié)晶、加合結(jié)晶不同的路線。鹽析結(jié)晶的特點是往溶液中添加某些物質(zhì)，它可較大程度地降低溶質(zhì)在溶劑中的溶解度致使結(jié)晶。水析結(jié)晶也屬于這個范疇，只要控制加水量，就可由與水共溶的有機溶劑中分離其中某種溶質(zhì)。欲分離碳氫異構(gòu)體或沸點相近的混合物時，還可考慮采用萃取結(jié)晶法。它的特點是往二元體系中加入第三組份來改變其固一液相平衡曲線，然后選用再結(jié)晶方案達到兩個組份的分離。

　　3.熔融液結(jié)晶

　　冷卻結(jié)晶也是熔融液結(jié)晶的一種主要類型，例如用于苯凈化的Newton Chailibers過程就是一個直接冷卻過程，它將不純的苯直接與一冷凍鹽水混合，得到的懸浮液再離心分離出苯的結(jié)晶及鹽水與母液的混合物，靜置后可分離出母液與鹽水。如可用于蔡精制的Proabd精制器及前述的Brodie凈化器也都屬于冷卻結(jié)晶器。逆流分步結(jié)晶是熔融液結(jié)晶中很有發(fā)展前途的一種類型。

　　噴射結(jié)晶類似于噴霧干燥過程，是很濃的溶液的溶質(zhì)和熔融體固化的一種方式。嚴格地說噴射固化的固體并不一定能形成很好的晶體結(jié)構(gòu)，而其固體形狀很大程度上取決于噴口的形狀。高聚物熔融紡絲牽伸過程也形成部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)，廣義地說也屬于這種類型。

　　在國際上已工業(yè)化的熔融結(jié)晶裝置，目前分為復合式懸浮結(jié)晶型和逐步凍凝型。對比這兩類結(jié)晶裝置，前者較適合大規(guī)模萬噸級生產(chǎn)，但它具有設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，放大難度高，應(yīng)用分離物系有局限性等缺點;后者雖然適用于中、小規(guī)模生產(chǎn)，但卻克服了其它的缺點。

　　4.蒸汽直接結(jié)晶

　　“升華”過程，嚴格來說是指由固相直接變成蒸氣過程，但在工業(yè)應(yīng)用上也常常把固體直接變?yōu)檎魵庵苯幼優(yōu)楣滔噙@個過程也稱為升華過程，實際后一步是由蒸氣直接結(jié)晶的過程。

　　這種升華過程一般分為三類：簡單型、真空型及夾帶型。這三種類型的區(qū)別僅在于實現(xiàn)第一步“固體—蒸氣”的推動力的不同。而由“蒸汽—固體”這一步靠冷卻而凝聚。所謂夾帶型也稱載體型，即靠外加惰性氣體的吹入幫助完成固體氣化過程。

　　5.沉淀(結(jié)晶)

　　這是一種不常見的工業(yè)結(jié)晶方法，但是在傳統(tǒng)的化肥、農(nóng)藥、試劑與醫(yī)藥生產(chǎn)中，沉淀是關(guān)鍵生產(chǎn)操作步驟之一。隨著近代精細化工、生物化工、制藥業(yè)、信息工程、特種涂料以及顏料行業(yè)的發(fā)展，不但對各種沉淀產(chǎn)品的需求量與日俱增, 而且對于沉淀的形態(tài)(包括微晶的晶形、結(jié)晶度與粒度分布)的要求愈來愈高。

　　在國外已形成許多專利技術(shù)，如生產(chǎn)超細粉體沉淀技術(shù)、乳化液膜結(jié)晶技術(shù)提取貴重金屬、超細催化劑制造等。新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展又刺激了研究開發(fā)領(lǐng)域的競爭。

　　近5年來，關(guān)于沉淀形態(tài)學、過程動力學，特別是凝并、老化動力學研究，攪拌作用下宏觀混合及微觀混合對于沉淀形態(tài)學的影響，以及顆粒形成的傳熱、傳質(zhì)的機理分析與工程學研究文章，在國際上競相出現(xiàn)。

　　因為區(qū)別于一般結(jié)晶過程，除了成核與成長結(jié)晶動力學之外，在初級成核后的凝并與老化現(xiàn)象是決定最終結(jié)晶形態(tài)的關(guān)鍵因素，所以完成微細顆粒設(shè)計工程又比一般的大粒完整晶體復雜得多。而這一點又是沉淀研究的目標，在這方面英國、日本學者近期實踐研究得較為細。

　　結(jié)晶技術(shù)未來發(fā)展

　　在中國數(shù)千個使用結(jié)晶單元的工廠，結(jié)晶技術(shù)尚停留在國外50年代水平，當務(wù)之急是新型結(jié)晶工藝與設(shè)備的開發(fā)、研究與更新推廣。如工業(yè)結(jié)晶界面貌不盡快改觀，將成為我國工業(yè)繼續(xù)高速發(fā)展的卡脖因素。我國工業(yè)應(yīng)做到：

　　(1)加速組織與支持結(jié)晶應(yīng)用理論研究的重大課題，加速提高結(jié)晶應(yīng)用理論研究水平，為21世紀高新技術(shù)的開發(fā)與發(fā)展做好應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)的準備。

　　(2)加大科技經(jīng)費的重點投入，建議國家科委、計委一方面繼續(xù)組織重大的工業(yè)結(jié)晶技術(shù)，另一方面號召并掀起工業(yè)界開發(fā)與推廣新型結(jié)晶技術(shù)的高潮，爭取在5年內(nèi)我國工業(yè)界能基本達到并部分超過國際水平，以保證我國的工業(yè)結(jié)晶界能在未來的國際競爭中站穩(wěn)腳跟。

　　(3)大力加強工業(yè)結(jié)晶方面的國際科技交流與合作，引導和鼓勵支持科學界和工業(yè)界進行跨國性的科技合作與交流，從不同的層次、不同的渠道擴大國際合作和交流內(nèi)容。