結晶工藝的優化控制研究

周海燕

摘 要：在食品生產、醫藥化工等行業中，結晶過程的應用十分廣泛，小規模地生產高附加值精細化學品的應用更為突出。物質以晶體的狀態從蒸汽、溶液或熔融物中析出，所得的產品具有純度高、質量高等優勢。通過對結晶過程的優化控制研究，對于晶體產量與質量的提升具有重要價值。本文通過對影響結晶過程中的參數進行了闡述，并且對結晶工藝的優化控制進行了研究。

關鍵詞：冷結晶;工藝;優化控制

分離和純化最為基本的操作就是結晶，食品、化工等行業的應用較為廣泛。尤其是在我國社會經濟的快速發展過程中，結晶在食品、醫藥等行業的需求越來越大，并且對晶體的粒度分布、形狀等質量要求也在不斷增加。醫藥行業的生產過程對結晶操作的需求較高，且超過85%，而剩下的不用結晶操作的情況，形式為液態，存儲較為容易，穩定性較高。在醫藥行業中，晶體的形態是活性藥物成分的主要形態。可以看出，市場前景較好。

1 工藝原理

結晶是傳質、傳熱以及表面反應同時發生的過程，對于晶體來說，有三個十分重要的過程，分別為過飽和溶液形成、成核、晶體生長。多相體系是結晶過程的推動力，溶質過飽和度良好。為達到飽和溶液，需要保持溶質的溶解度與溶質濃度相等，這樣就不會產生結晶現象。溶解度平衡曲線十分重要，形成的基本條件為溫度的升高、溶析劑含量的變化。極限濃度曲線一般是結晶自發形成的，且需要確保溶液過飽和，也叫做超溶解度曲線。溶析劑添加速率、降溫速率等會對超溶解度曲線造成一定影響，但是溶解度曲線一般是保持固定不變的。所以確定的超溶解度曲線其實在一定程度上是不存在的。介穩區是超溶解度曲線與超溶解度曲線中間的區域。晶體成核和生長為主導，造成這種現象的主要原因是結晶過程操作條件的改變，從而使得晶體也會存在較大的不同，比如尺寸和形狀就有所不同。

2 結晶方法

晶體的純度、形狀等都會在結晶過程過飽和度的變化下產生變化。冷卻、蒸發或溶析劑添加等過程會產生過飽和度，所以結晶的方法也會有所不同。冷卻結晶和溶析劑結晶是比較常見的結晶方法，過飽和度的產生是通過降低溫度產生的為冷卻結晶。溶液過飽和度會受到溫度降低速率的影響，晶體特性也會在變量的控制喜愛實現。溶析劑在冷卻結晶中并不會用到，且操作較為簡單，不會產生太多的費用，不會對晶體純度造成影響。溶質在溶劑中的析出，需要添加溶析劑，被叫做溶析劑結晶。在溶液中添加溶析劑，在溶解度降低下，溶質會形成結晶，溶析劑也可以是多種的，這樣就會讓溶解度曲線變化更為劇烈，晶體形狀的產生也更加理想。可以在低溫下進行溶析劑結晶的操作，這種結晶方式多應用于熱敏產品中，晶體多晶型的控制期間，溶析劑結晶發揮著重要作用。但是在實際應用中，也發現溶析劑結晶并不完美，過飽和梯度在溶液中較高，影響晶體純度，且會產生較高的費用。在概念上冷卻結晶與溶析劑結晶的過飽和度是相同的，也可以合理結合兩種結晶方法。但是也會有所變化，比如介穩區的邊界就會出現變化，所以也會產生一定的差異，比如最佳操作曲線的形狀。

3 溶液結晶過程與設備

3.1 內循環式結晶器

間壁換熱冷卻結晶器（如圖1所示）是一種典型的內循環式，冷卻量由夾套換熱器傳遞。換熱的面積較小，換熱量不大。

3.2 外循環式結晶器

外循環式結晶器（如圖2所示）傳熱系數較大，換熱面積可變，但是合適的循環泵十分關鍵，這樣就能防止懸浮晶體的磨損破碎。

4 結晶技術的關鍵

4.1 結晶器的工藝控制

結晶過程中的關鍵在于控速分解和控速結晶。通過相圖分析我們可以更直接地了解結晶器的工藝控制的關鍵因素。以二元相圖為例，當存在兩個組元時，成分也是變量，橫坐標用線段表示成分，縱坐標表示溫度。平面上以這時平衡狀態下存在的相來分隔。

4.2 晶體結構和形貌控制

晶體的結構和形態控制不僅是工藝要求，在一定的程度上也是控制晶體純度的關鍵因素。一般對于晶體的結構和形狀控制主要有兩種方法。首先，通過控制結晶的操作條件，控制結晶過程中不同的飽和狀態，同時結晶溫度對晶體的結構和形貌也有一定的影響。還有可以通過加入溶劑調價及或者溶質添加劑來控制晶體的形貌。

4.3 晶體尺寸和粒度分布控制

利用結晶法在生成晶核或者引入晶種后，會在介穩區內進行結晶操作，晶體生長會受到很多因素的影響，其中成核和溶解度曲線是兩個主要影響因素，這就使得間歇結晶成為主導方式，從而獲得的粒徑表現為直徑較大，且粒度分布集中且碎晶含量少的高質量晶體。由于冷結晶法過程中存在多個目標之間相互沖突的問題，因此可以以粒徑衡算方程為基礎，實現合成晶體顆粒較大且更為粒徑分布更為集中的目標晶體顆粒。

4.4 晶體產品的純度控制

晶體本身的純度是很高的，但是在結晶過程中，晶體包覆和表面粘接母液而造成晶體中存在雜質。雜質的存在通常是由以下幾種原因造成的：①晶體的粒徑較小，固液分離不完全;②晶體的形狀不規則，造成分離困難;③包晶造成母液在晶體內;④晶體的聚并造成包晶現象。通過增大顆粒粒徑，減少顆粒的分布寬度，控制晶體的晶型以及晶體生長的速度來提高晶體產品的純度。在結晶過程，對雜質的影響研究以宏觀研究為主，比如特定雜質對晶體的數目、生長形態等的影響，但是在微觀方面，研究較少，尤其是晶體表面形貌、臺階生長速率等的研究較為少見。

5 總結

結晶是固體制造的關鍵步驟，隨著對結晶機理的不斷深入和結晶技術的工業化應用，人們對所需固體產品提出了更高的要求。本文針對結晶過程結晶機理復雜、生產的晶體質量差等操作難度。深入研究了結晶過程中的優化控制問題，對于提高晶體的產量、質量，希望可以在本文的分析下，不斷提升結晶的綜合效益，為社會的發展提供支持，為人們的健康提供幫助。

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