熔融結晶技術分離純化有機化合物的研究進展

齊亞兵，賈宏磊

熔融結晶技術具有不使用溶劑、能耗低、設備體積小、能得到高純產品等優點，在有機化合物的分離純化領域得到了廣泛的應用。熔融結晶是利用被分離物質各組分間凝固點的差異，通過控制熱量的輸入和移出，使被分離組分從熔融液中結晶析出，經洗滌、發汗等操作，實現目標組分分離提純的一種結晶技術。熔融結晶技術對于同分異構體系、熱敏性體系、共沸體系等一些用傳統分離方法難以分離的物系以及高純化學品的制備等方面尤其適用。目前，熔融結晶技術已成功應用于有機同分異構體、有機化工原料、日用品、食品和藥品的分離純化領域[1?5]。本文簡述了熔融結晶的方式，介紹了熔融結晶器的類型，綜述了熔融結晶技術分離純化有機同分異構體、有機化工原料、日用品、食品和藥品的研究進展，分析了熔融結晶技術分離純化有機化合物過程中存在的問題，展望了熔融結晶技術分離純化有機化合物的發展方向。

1 熔融結晶的方式

依據操作方式，熔融結晶可分為層式熔融結晶、懸浮熔融結晶、區域熔融結晶以及耦合熔融結晶等，見表1。

表1 不同熔融結晶方式的特點

1.1 層式熔融結晶

層式熔融結晶（layer melt crystallization）又稱逐步凍凝結晶（progressive freezing），是指在冷卻界面作用下，晶體從靜止熔融體或熔融體滯流膜中逐漸析出，沉積到冷壁面的過程。根據晶體層周圍熔融液的流動狀態，層式熔融結晶分為靜態層式結晶和動態層式結晶（降膜結晶）。

如圖1所示，層式熔融結晶由結晶、發汗和熔化3個過程構成。熔融結晶過程的推動力為母液的過飽和度或過冷度，過飽和度大小由溫度控制，過飽和度又決定著晶體層的生長速率。首先，管狀或板狀冷壁面與母液接觸時，冷壁面上開始產生晶核，成核需要體系具有較大的過飽和度。一旦晶核產生，需要迅速調整母液的過飽和度，使壁面上的晶體層，以適宜的生長速率生長。待晶體層生長到合適厚度時，排出母液，緩慢升高晶體層的溫度在純組分熔點附近進行發汗。熔點低于純組分熔點的雜質大部分會熔化排出，發汗可提高晶體層的純度；發汗對于雜質含量較高或較厚的晶體層，提純效果較明顯；發汗后晶體層的純度與晶體生長過程和發汗操作均有關；發汗不僅要考慮晶體的純度和收率，還要考慮提純效率。發汗后，排出發汗液，加熱晶體層，將其熔化得到高純產品[5?6]。

圖1 層式熔融結晶

1.2 懸浮熔融結晶

如圖2 所示，懸浮熔融結晶（suspension melt crystallization）是在帶有攪拌裝置的結晶器內，晶體從母液中結晶析出，并懸浮在母液中；晶漿經固液分離后，排出結晶殘液；分離后的晶體被熔融液洗滌，經熔化得到產品。懸浮熔融結晶最終產品的純度很大程度上取決于固液分離效率，晶體粒度大，分布寬度窄，利于固液分離[7]。此外，純度還與成核速率與晶體生長速率有關。

圖2 懸浮熔融結晶

1.3 區域熔融結晶

區域熔融結晶（zone refining）是根據液固平衡原理，利用熔融?固化過程以去除雜質的方法。如圖3 所示，熔區從材料棒的一端向另一端移動，對于分布系數小于1的雜質，順著熔區的移動進行遷移，在材料棒的一端，進行富集；對于分布系數大于1的雜質，逆著熔區的移動方向進行遷移，在材料棒的另一端，進行富集。經過多次區熔后，材料棒中間部分的產品達到很高的純度，為所需要的目標產品[8]。

圖3 區域熔融結晶

1.4 耦合熔融結晶

隨著熔融結晶技術的發展，各種耦合熔融結晶技術相繼出現，包括熔融結晶技術之間的耦合、熔融結晶與精餾的耦合以及熔融結晶與其他分離技術的耦合等。耦合熔融結晶技術是將不同熔融結晶技術或熔融結晶與其他分離技術結合起來，取長補短，發揮各自的優勢，目的為提高產品的收率、純度、產量，減小能耗，降低生產成本[9?11]。

層式熔融結晶過程中，晶體的生長速率快，但能耗較高；懸浮熔融結晶的特點是固液接觸界面較大，傳熱、傳質好，但固液分離是一個難題。如果單一的熔融結晶無法滿足生產需求，可將層式熔融結晶與懸浮熔融結晶耦合起來，能有效解決層式熔融結晶需要經過多級結晶才能得到高純度產品和懸浮熔融結晶中固液分離難的問題，得到產品的純度和粒度比只用其中一種熔融結晶方式所得產品要好很多[12]。

對于一些熔點差異大、沸點差異小、易結晶的物系采用精餾進行分離時需要過多的塔板數，能耗高且較難得到高純的產品；采用熔融結晶進行分離時所用能耗遠低于精餾，可得到高純度的產品，但分離時間長、產量小、效率低。此時可將精餾與熔融結晶耦合起來，在精餾塔的頂部串聯一個降膜結晶器，餾出精餾塔的輕組分，在降膜結晶器的冷壁面上依次進行結晶、發汗、熔化就可得到高純產品；精餾與熔融結晶的耦合有效解決了精餾過程能耗高和熔融結晶過程效率低的問題[13?14]。

2 熔融結晶器的類型

熔融結晶器的類型主要有Brodie 結晶器、Phillips 結晶器、TNO 結晶器、MWB 結晶器、FFC結晶器、CCCC 結晶器、KCP 結晶器、傾斜塔式結晶器和箱式區域熔融結晶器等，見表2。其中MWB 結晶器和FFC 結晶器屬于層式熔融結晶器。Brodie 結晶器、Phillips 結晶器、TNO 結晶器、CCCC 結晶器、KCP 結晶器和傾斜塔式結晶器屬于懸浮熔融結晶器，箱式熔融結晶器屬于區域熔融結晶器。

表2 熔融結晶器的類型

2.1 Brodie結晶器

Brodie 結晶器是澳大利亞聯合碳化物公司于1971 年開發的一種連續熔融結晶器。如圖4 所示，此結晶器主要由回收段、精制段、提純段和熔融段組成。回收段與精制段水平放置，外部有冷卻夾套，內部有刮帶式螺旋輸送器；提純段與熔融段垂直放置，提純段內部有攪拌槳，熔融段設置有加熱器。物料在回收段冷卻結晶，通過刮刀將晶體向精制段輸送，同時結晶殘液從殘液出口流出。在精制段，來自提純段的熔融液，在過冷的晶體表面重結晶，得到高純度的晶體，并與回收段生成的晶體一起向提純段流動。在提純段，晶體與來自熔融段的向上流動的熔融液逆流接觸，晶體表面附著的母液被熔融液沖洗，晶體的純度進一步提高，并繼續向熔融段流動。晶體進入熔融段后被加熱熔化，一部分熔融液作為產品，從結晶器底部排出；一部分熔融液作為洗滌液向提純段流動[15?17]。

圖4 Brodie結晶器[15?17]

2.2 Phillips結晶器

Phillips 結晶器是由美國Phillips 公司開發的逆流熔融結晶器，并于1965 年實現了工業化，用于二甲苯體系的分離。Phillips 結晶器主要有脈沖式結晶器[18?19]和活塞式結晶器[20?21]兩種類型。如圖5所示，此結晶器的上部為結晶段，中部為精制段，下部為熔融段。在結晶段，冷卻管壁上產生的晶體，在螺旋刮刀的作用下與液體混合，形成晶漿，從提純塔上部進入；在提純塔中通過脈沖或活塞來控制晶體床層的移動，大部分母液通過提純塔上部的母液過濾器被壓出，晶體床層向下流動，進入精制段。在精制段，來自熔融段的熱熔融液與來自結晶段的冷晶體逆流接觸，熔融液在晶體表面重結晶，并洗滌晶體，提高了晶體的純度。在熔融段，被純化的晶體被加熱熔化，一部分熔融液作為產品從提純塔底部排出，一部分熔融液作為洗滌液向上流動，洗滌精制段的晶體。此結晶器的提純塔軸向溫差較大；晶體床層的移動通過脈沖或活塞來實現，能量消耗大，生產經濟性較低；母液直接排出提純塔，未設置回收段，產品收率較低。

圖5 Phillips連續結晶器[18?21]

2.3 TNO結晶器

TNO 結晶器[22?24]是由荷蘭國立中央應用科學研究院研制的一種振動式結晶器，且在工業上實現了成功應用，例如用于對二甲苯和苯并噻吩的精制。如圖6所示，該結晶器結構類似篩板塔，在多孔塔板上放置若干金屬球，整個結晶塔器設置振動平臺。通過結晶器的振動，篩板和金屬球產生的綜合作用，強化了結晶器軸向的傳質傳熱，提高了分離效率。結晶器上部為結晶段，中部為提純段，下部為熔融段。操作時，結晶段分離得到的晶體落入提純段的篩板上，在篩板上，振動的小球碰撞、摩擦，將晶體折斷和磨碎。向上流動的熔融液與向下移動的晶體逆流接觸，熔融液不斷在晶體表面重結晶和洗滌晶體，將晶體純化。在熔融段，被純化的晶體熔化，一部分作為產品排出，一部分作為洗滌液向上流動。TNO結晶器可以得到高純度的產品，而整個結晶塔需要振動，工業放大過程中具有一定的困難。

圖6 TNO結晶器[22?24]

2.4 MWB結晶器

MWB 結晶器是由瑞士Sulzer 公司開發的一種半連續的層式熔融結晶器（圖7）[25]。冷卻劑在結晶器內管外壁以液膜狀流下，熔融液在內管內壁同時以液膜狀流下。目標組分在管內壁結晶析出，未結晶的母液返回母液槽。接著加熱介質在結晶器內管外壁以液膜狀流下，將晶體熔化。重復以上步驟，直到達到所需的晶體純度為止。MWB 結晶器結構簡單、無運轉件、開停車容易，適合應用于產量不太大的精細化學品的熔融結晶提純。

圖7 MWB結晶器[25]

2.5 FFC結晶器

FFC 結晶器（falling film crystallizer）是由天津大學開發的一種降膜結晶器，其結構類似于列管式換熱器，如圖8所示[26]。此結晶器具有較高的分離效率、可生產高純或超純有機物質、結構無運轉件、易于工業放大、可隨時開停車、操作靈活，能耗低、應用面廣、配有計算機輔助控制系統，易于實現最優條件操作、能顯著提高產率。

圖8 FCC結晶器[26]

2.6 CCCC結晶器

CCCC （counter current cooling crystallizer） 結晶器是由日本月島公司開發的一種懸浮熔融結晶器，其由3 個獨立的攪拌結晶器和1 個提純塔構成，如圖9所示[27]。每一級攪拌結晶器產生的晶體經分離后進入下一級攪拌結晶器，產生的母液返回原結晶器。最后一級結晶器產生的晶體經分離后輸送至提純塔，在提純塔內經洗滌、發汗后得到高純產品。CCCC 結晶器雖然具有運轉件，但與Brodie結晶器相比，其運轉件簡單，容時生產能力較大，但其仍具有操作控制難度大、具有運轉件等缺點。

圖9 TSK?CCCC結晶器[27]

2.7 KCP結晶器

KCP結晶器是由日本吳羽化學工業公司開發的一種連續懸浮熔融結晶器（圖10）[28]。該設備的結晶器和提純塔是獨立安裝的，結晶器產生的晶漿經固液分離后，通過螺旋進料器將晶體輸送至提純塔的下部。提純塔內豎直安裝著兩根旋轉方向相反的螺旋攪拌槳；塔底設置有濾網，用于支撐晶體床層；塔頂設置有加熱器，用于熔化晶體。加入塔底的粗晶，通過螺旋攪拌槳輸送至提純塔頂熔融段，塔頂的熔融液一部分作為產品從塔頂排出，另一部分作為洗滌液，向下流動洗滌晶體表面黏附的母液。KCP結晶器的子設備較多，提純設備結構復雜并帶有運轉件，維修及控制要求較高。

圖10 KCP連續結晶器[28]

2.8 傾斜塔式結晶器

四川大學李軍課題組[29]開發了一種傾斜塔式結晶器，用于對二氯苯和鄰二氯苯同分異構體的分離提純。其構造如圖11所示，塔體與地面保持45°的傾角，目的為加速晶體沉降，減小熔融液的溫度波動，減小液相軸向擴散系數，提高結晶塔的操作穩定性和處理能力。塔上部為結晶段，中部為提純段，下部為熔融段；塔頂進料，塔底出料。一根攪拌槳貫穿整個塔體，利用攪拌槳交替正轉和反轉，一方面可使塔內的晶體層懸浮，另一方面可防止晶體結壁。結晶段產生的對二氯苯粗晶體沿塔下降過程中，在提純段被逆流的熔融液洗滌，隨后繼續下降到熔融段熔化，形成純度較高的熔融液。一部分熔融液作為產品從塔底排出，另一部分熔融液作為洗滌液向上流動，去洗滌粗晶體。

圖11 傾斜塔式結晶器[29]

2.9 箱式區域熔融結晶器

如圖12 所示為四川大學李軍課題組[30]開發的一種箱式區域熔融結晶器，其主要構件有步進電機、減速器、移動機構、石英玻璃管、冷卻器和加熱器等。步進電機分別與減速器和移動機構相連，設備啟動后通過減速器減速，帶動移動機構在特定方向移動。移動機構與石英玻璃管相連，石英玻璃管內為試樣，石英玻璃管依次插入加熱器和冷卻器之中，并與其緊密接觸。石英玻璃管中的試樣隨著移動機構依次通過加熱器和冷卻器，試樣先被部分熔化，后又重結晶，經過多次區熔后試樣的中間部分即為高純的產品。

圖12 區域熔融結晶器[30]

3 熔融結晶技術分離純化有機化合物

3.1 熔融結晶技術分離純化有機化合物的研究進展

如表3所示，使用熔融結晶技術可以實現對二氯苯、β?甲基萘、4,4'?二苯甲烷二異酸氰酯（4,4'?MDI）、對甲酚、6?叔丁基間甲酚、1,2,4,5?四甲基苯、2,4?甲苯二異酸氰酯（2,4?TDI）、2,4?二硝基甲苯（2,4?DNT）、對二甲苯、對硝基氯苯、2,4?二硝基氯苯（2,4?DNCB）、L?丙交酯等物質與其同分異構體的高效分離。此外，熔融結晶技術還可實現二甲苯、對苯二甲酰氯、丁二腈、2,6?二叔丁基對甲酚、芴、乙二醇、對苯二胺、苯、2?吡咯酮、N?乙烯基?2?吡咯烷酮（NVP）等有機化工原料的分離純化，具體情況見表4。熔融結晶技術也可用于聯芐、苯甲酸、2?氯?5?三氟甲基吡啶、鄰碘苯胺、人造麝香、棕櫚油軟硬酯、菲等日用品、食品和藥品的分離純化，具體情況見表5。

表3 熔融結晶技術分離純化有機同分異構體

表4 熔融結晶技術分離純化有機化工原料

表5 熔融結晶技術分離純化日用品、食品和藥品

在有機化合物的熔融結晶分離純化過程中以層式熔融結晶方式為主，使用頻率最高的結晶器是降膜結晶器。層式熔融結晶中的主要影響因素是降溫速率、結晶終溫、發汗速率、發汗終溫和發汗時間等。發汗過程決定著產品的純度和收率，發汗溫度維持在粗晶體的熔點附近，通常略低于粗晶體的熔點。發汗溫度高、發汗時間長一般所得晶體的純度高、收率低；相反，發汗溫度低、發汗時間短通常獲得的晶體的純度低、收率高。為了提高分離純化效率和產品的純度，可將懸浮結晶與區域熔融結晶耦合，還可將減壓精餾與降膜結晶耦合[36,57]。在層式熔融結晶過程中，可在降膜熔融結晶器內鼓入氮氣等惰性氣體以強化傳熱傳質，提高產品的純度；通過在結晶壁面上加裝翅片可強化結晶壁面與熔體之間的傳熱傳質，明顯提高結晶分離度和產品的純度[33,58]。在懸浮熔融結晶過程中，可利用塔體的傾斜以加速結晶塔內晶體的沉降，從而提高結晶塔的穩定性和處理能力；也可通過在懸浮熔融結晶器內安裝篩板來提高產品的純度[29,62]。在區域熔融結晶過程中，使用熔區由大到小的變熔區方案比恒熔區方案的提純效果好；雙熔區方案比單熔區方案的提純效果好[61]。幾種有機化合物熔融結晶過程中的傳質數學模型見表6。

表6 有機化合物熔融結晶傳質數學模型

3.2 存在的問題

熔融結晶過程是由混合物中各組分的熔點、黏度和相圖等物理及熱力學性質所決定的。一個有機混合體系，是否能用熔融結晶法實現某種組分的分離，首先要解決的是熱力學問題。若待分離的組分與其他組分的熔點差大，易于用熔融結晶法分離；熔點差小，則難以用熔融結晶法分離。對于混合體系，只有其組成處于某種范圍時，才能用熔融結晶法從混合體系中分離出特定組分，這是由相圖所決定的，屬于熱力學的范疇。其次需要解決的是動力學問題，這與結晶器的形式、構造和操作條件密切相關。熔融結晶技術因易受物系性質、原料純度和分離效率等因素的影響，其在工業中的應用具有一定的局限性。只有一些特定的物系或者無法用精餾、吸附和萃取等技術分離的物系才考慮用熔融結晶技術進行分離純化。為克服熔融結晶分離技術效率低的問題，研究者通過開發新型的耦合熔融結晶工藝，設計新型的熔融結晶設備，尋找新型結晶表面材料等途徑，強化熔融結晶過程的傳熱傳質，提高結晶分離效率和降低能耗。

4 結語與展望

層式熔融結晶技術由于結晶器結構簡單、操作過程穩定、易于放大等優點，目前已廣泛應用于有機化合物的分離純化過程中。然而，層式熔融結晶過程分離效率較低，其仍存在一定的改進空間。懸浮熔融結晶技術具有晶體與熔融液的接觸面積大，熔融液對粗晶體具有洗滌、發汗和重結晶等作用，能連續進料和出料，提純效果好等優勢，因而其具有廣闊的發展前景。然而，懸浮熔融結晶技術卻存在結晶設備構造較復雜，粗晶與殘液的分離較難且結晶壁面易結晶垢，操作過程穩定性較差，操作成本較高等劣勢。目前，懸浮熔融結晶技術在有機化合物的分離純化領域具有一定規模的應用，如若假以時日，懸浮熔融結晶操作穩定性較差、結晶壁面易結垢等問題能成功解決，此技術的使用頻次將會超越層式熔融結晶技術。區域熔融結晶技術具有處理過程耗時，單批次處理量小，產品純度高等特點，目前其在有機化合物分離純化領域的應用規模較小，其主要用于高價值、高純有機化合物的分離純化。為了提高產品純度和收率，減小能耗，降低成本，耦合熔融結晶技術及傳質強化技術已成為熔融結晶分離純化有機化合物的發展趨勢。此外，熔融結晶分離純化有機化合物過程正朝著晶體系統工程的方向發展。在有機化合物的熔融結晶過程中，不但要研究結晶設備結構和工藝條件；還要研究晶體的成核、生長動力學及發汗機理等相關問題。在實驗研究的基礎上，需建立傳熱和傳質模型，闡明提純機制；并應用提純機制去改進設備和優化工藝。

符號說明

A—— 冷卻速率，K/s；或結晶塔內橫截面積，m2

C—— 質量分數，%

C0—— 材料棒中雜質的初始濃度，10mg/g

C1(x)—— 一次區熔后材料棒中距離熔區開始端x處的雜質濃度，10mg/g

CS,N(x)—— 第N次區熔后材料棒x處的雜質濃度，10mg/g

cpl—— 液相比等壓熱容，J/(mol·K)

Dax—— 軸向擴散系數，cm2/s

G—— 晶層生長速率，m/s

G0—— 初始時刻晶層生長速率，m/s

jl—— 過熱的液膜傳到冷卻壁面的熱流密度，J/(m2·s)

Ka—— 傳質系數，s?1

Kt—— 傳質系數，kg/s

k—— 提純發汗速率參數，s?1

ke—— 固液相中雜質的有效分配系數

l—— 結晶器長度，m

N—— 熔區通過次數

n—— 轉速，r/min

P—— 產品晶體流率，kg/s

Q—— 氣體流量，L/min；或材料棒中的微元總數

QF—— 加料速率，L/h

R—— 回流比

Rc—— 結晶降溫速率，℃/min或℃/h

Rc1—— 一級結晶降溫速率，℃/min

Rc2—— 二級結晶降溫速率，℃/min

Ri—— 結晶器內徑，m

Rs—— 發汗升溫速率，℃/min或℃/h

Rs1—— 一級結晶發汗升溫速率，℃/min

Rs2—— 二級結晶發汗升溫速率，℃/min

?T—— 結晶壁面兩側冷熱流體的溫度差，℃

?Tl—— 液膜的過熱度，℃

T0—— 主體溶液濃度下的飽和溫度，℃

Tl0—— 邊界條件l=0時液膜溫度，℃

Tc—— 結晶溫度，℃

Tc1—— 一級結晶溫度，℃

Tc2—— 二級結晶溫度，℃

Tci—— 結晶起始溫度，℃

Tcf—— 結晶終了溫度，℃

Th—— 熔區加熱溫度，℃

Tpre—— 預冷溫度，℃

Ts—— 發汗溫度，℃

Tsf—— 發汗終了溫度，℃

Tsf1—— 一級發汗終了溫度，℃

Tsf2—— 二級發汗終了溫度，℃

tc—— 結晶時間，min

tcg—— 養晶時間，min

ts—— 發汗時間，min

tss—— 發汗恒溫時間，min

us—— 晶體沉降速率，m/s

v—— 熔區移動速率，mm/h

WL—— 回流熔融液中主組分質量分數，%

WL,0—— 邊界條件z=0 時回流熔融液中主組分質量分數，%

wP—— 產品中主組分質量分數，%

x—— 離熔區起始位置的距離

?x—— 一個熔區內的微元長度

Z—— 量綱為1熔區尺寸

z—— 提純段高度

αl—— 液膜的對流傳熱系數，W/(m2·℃)

Γ—— 線性噴淋密度，kg/(m·s)

Λ—— 結晶潛熱，J/kg

ρl—— 回流熔融液密度，kg/m3

ρS—— 晶層密度，kg/m3

λS—— 晶體層的傳熱系數，W/(m·℃)

τ—— 運行時間（h）或結晶時間（s）

ε—— 晶體床層的孔隙率

η—— 產品的回收率，%

θ—— 塔體相對于地面的傾斜角度，（°）