一种膜辅助成核的冷却结晶方法与流程

本发明属于结晶工程技术领域，特别适用于溶解度随温度的降低而显著降低的物质的制备。

背景技术：

冷却结晶是依靠降低温度，产生过饱和度而析出结晶。为了缩短结晶周期、防止爆发成核、有效控制晶体的生长，获得粒度较均匀的晶体产品，通常向溶液中加入适当数量及适当粒度的晶种，使其被结晶的溶质只在晶种表面上生长。选择适当的搅拌，使晶种不发生聚结又能较均匀的悬浮在整个溶液中，并尽量避免二次成核现象。在整个结晶过程中，必须小心控制溶液的温度或浓度。

一般说来，理想的晶种应当是在同一沉淀系统中得到的结构、成分较为完整的相同晶体，应当具有较高的纯度。晶种的加入量、粒度、时机选择以及预处理等对最终产品质量均有一定的影响，造成产品质量波动。目前的结晶生产中，根据经验投放晶种，对投放晶种温度、晶种量和晶种粒度缺乏理论和实验依据。

在中国专利cn1736970a和cn102070625a中提到了通过投放晶种获得符合要求的晶体产品，但为获得符合要求的晶体产品，控制条件中对投放晶种的时间以及对晶种的质量和粒度都有严格要求，一旦操作条件有偏差，对晶体产品质量会造成波动。因此使用该方法生产不同粒度的不同晶体很有局限性，扩大生产也较困难。

随着膜材料及膜科学的不断发展，现如今在各个领域已经应用得相当广泛，研究者针对不同的工业需求开发出了多种多样的膜分离过程。同时，膜分离技术与其他技术交叉、融合、创新，可以充分发挥膜分离过程的优势，使得工业过程更加完备。本发明充分利用膜作为非均相成核表面，溶质分子在膜表面吸附、，从而形成晶核，并在剪切力作用下脱离，留下新的晶核位置。如此反复，增强了膜在结晶过程作为非均相成核表面的作用。溶质在膜组件内生成晶体，作为晶核输送至结晶釜中，主要通过对操作条件的控制和膜的选择修饰得到理想的晶体产品。该发明用于药品和化工产品的制备，极大的拓宽了冷却结晶的应用领域。

技术实现要素：

本发明提出一种膜辅助成核的冷却结晶方法，使用的膜组件作为成核界面，膜组件内部各膜之间均匀分布，膜一侧为结晶溶液，另一侧为冷却液。由于冷却液与待结晶液之间存在温差，使得结晶溶液在膜表面达到过饱和度，膜作为非均相成核表面，溶质分子在膜表面吸附，从而形成晶核。随之将晶核引入结晶器中，晶核在结晶器中生长，获得晶体产品。

本发明的技术方案：

一种膜辅助成核的冷却结晶方法，使用的膜辅助成核的冷却结晶装置由两个回路组成；

一个回路：搅拌装置2安装在带有夹套的结晶釜1内，结晶釜1的出口依次经过第一阀门14、第一三通调节阀12、第一蠕动泵8、温度计与膜组件3的侧面下端口连接，膜组件3的侧面上端口经过温度计10与结晶釜1入口连接；其中，结晶釜1的夹套与第一温控装置6连接，第一温控装置6与电脑11连接，便于温度进行精确控制，使结晶釜1内实现匀速降温；

另一个回路：冷却液罐5出口依次经过第二阀门15、第二蠕动泵9，与膜组件2下端口连接，膜组件3上端口与冷却液罐5入口连接；其中，冷却液罐5带有夹套，夹套与第二温控装置7连接；

步骤如下：

(1)配制饱和的待结晶溶液，并将其注入到结晶釜1中，打开搅拌装置2、第一温控装置6和电脑11，维持30min‐80min，使待结晶溶液混合均匀，通过电脑11对第一温控装置6进行准确实时控制；同时打开第二阀门15、第二蠕动泵9和第二温控装置7，调节流量和温度，使冷却液在回路中循环稳定流动；

(2)打开第一阀门14，打开第一三通调节阀12的a、b口，关闭c口，打开第二三通调节阀13的b、c口，关闭a口，将待结晶溶液输送至膜组件3中；

(3)当待结晶溶液充满整个管路时，打开第一三通调节阀12和第二三通调节阀13的a、c口，关闭b口，使待结晶溶液在回路中循环稳定流动；

(4)当膜组件3中有晶核产生时，打开第二三通调节阀13的b口，关闭a口，将带有晶核的母液输送至结晶釜1，进行晶体生长；待晶体生长至所需尺寸时，对结晶釜1内的溶液进行过滤干燥得到晶体产品。

所述的膜组件可用中空纤维膜或平板膜。可采用有机膜，如ptfe(聚四氟乙烯)、pvdf(聚偏氟乙烯)、pe(聚乙烯)或pp(聚丙烯)等；无机膜，如金属氧化物膜、沸石膜等；复合膜，如聚乙烯醇/微钠纤维素等。

本发明的有益效果：

(1)晶体大小可控，粒度分布窄。本发明通过膜辅助产生晶核，并将其输送至结晶釜，进行晶体生长，得到的晶体尺寸均一。

(2)过程易于控制，操作方便。本发明通过阀门控制即可实现待结晶溶液和晶核的输送。通过调控冷却液温度、流速和待结晶溶液温度、流量，即可控制晶核产生和晶体生长。相比加入晶种的冷却结晶技术，不再需要对晶种处理和挑选，以及对加入晶种时条件的选择。

(3)晶体产品质量高，应用范围广。本发明提出一种新型的成核技术，避免了晶种在待结晶溶液中的团聚和破碎，通过控制晶核的产生和晶体的生长，即可得到理想的晶体产品，本发明扩大了冷却结晶技术的适用范围。

本发明充分利用膜的辅助成核作用，采用蠕动泵、温控装置等辅助设备，系统的调控晶体生产过程。本发明改变了传统的投放晶种得到晶体产品的方式，利用膜组件产生晶核，并将其输送至结晶釜进行晶体生长，从而获得所需的高质量晶体。在生产过程中，避免了晶种的预处理过程，也减小了操作条件对晶体产品的影响程度，对于一些对操作条件敏感的物质，尤其是温敏物质的生产有重要意义。本发明不仅保证了产品的质量和数量，而且过程控制和操作简单，实用性好。

附图说明

图1为膜辅助成核的冷却结晶装置示意图。

图中：1结晶釜；2搅拌装置，3膜组件；4膜；5冷却液罐；6第一温控装置；7第二温控装置；8第一蠕动泵；9第二蠕动泵；10温度计；11电脑；12第一三通调节阀；13第二三通调节阀；14第一阀门；15第二阀门。

具体实施方式

以下结合附图和过程方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1

取pp中空纤维膜制作膜组件3。配制50℃下含300g的kno3的饱和水溶液，并将其加入至结晶釜1中，打开搅拌装置2。打开电脑，在电脑中设置第一阶段温度为50℃，时间设置为1h，第二阶段温度为10℃，时间设置为4h。打开温控装置6，打开循环水，维持运行状态1h。冷却液罐5中加入适量水，打开第二温控装置7，设置温度为15℃，调节第一蠕动泵8为30rpm，保持循环稳定流动。运行55min后，打开第阀门14，打开第一三通调节阀12的a、b口，关闭c口，打开第二三通调节阀13的b、c口，关闭a口，打开第二蠕动泵9，并调节至75rpm，将待结晶溶液输送至膜组件3中。待回路中充满溶液时，打开第一三通调节阀12和第二三通调节阀13的a、c口，关闭b口，使待结晶溶液在回路中循环稳定流动。运行5min后，膜组件3中有细微的kno3晶核产生。打开第二三通调节阀13的b口，关闭a口，带有晶核的母液输送至结晶釜1中，随即关闭第一蠕动泵8，关闭第二三通调节阀13的b口。再运行2h，随着温度的降低，晶核在结晶釜1中生长为粒度适宜的晶体。关闭搅拌装置2、温控装置和电脑11，将结晶釜1中的混合液体过滤烘干得到kno3晶体产品。

实施例2

取pvdf平板膜制作膜组件3。配制50℃下含200g的coso4的饱和水溶液，并将其加入至结晶釜1中，打开搅拌装置2。打开电脑11，在电脑11中第一阶段温度设置为50℃，时间设置为40min，第二阶段温度设置为20℃，时间设置为3h。打开第一温控装置6，打开循环水，维持运行状态50min。冷却液罐5中加入适量水，打开第二温控装置7，设置温度为15℃，调节第二蠕动泵2为70rpm，使冷却液保持快速循环稳定流动。运行30min后，打开第一阀门14，打开第一三通调节阀12的a、b口，关闭c口，打开第二三通调节阀13的b、c口，关闭a口，打开蠕动泵，并调节至75rpm，将待结晶溶液输送至膜组件3中。待回路中充满溶液时，打开第一三通调节阀12和第二三通调节阀13的a、c口，关闭b口，使待结晶溶液在回路中循环稳定流动。运行10min后，膜组件3中有细微的coso4晶核产生。打开第二三通调节阀13的b口，关闭a口，将带有晶核的母液输送至结晶釜1中，随即关闭第一蠕动泵8，关闭第二三通调节阀13的b口。再运行3h，随着温度的降低，晶核在结晶釜1中生长为粒度适宜的晶体。关闭搅拌装置2、温控装置和电脑11，将结晶釜1中的混合液体过滤烘干得到coso4晶体产品。

实施例3

取ptfe中空纤维膜制作膜组件3。配制40℃下含150g的nano3的饱和水溶液，并将其加入至结晶釜1中，打开搅拌装置2。打开电脑11，在电脑11中设置第一阶段温度为40℃，时间设置为50min，第二阶段温度为10℃，时间设置为3h。打开第一温控装置6，打开循环水，维持运行状态50min。冷却液罐5中加入适量水，打开第二温控装置7，设置温度为14℃，调节蠕动泵为50rpm，使冷却液保持循环稳定流动。运行50min后，打开第一阀门14，打开第一三通调节阀12的a、b口，关闭c口，打开第二三通调节阀13的b、c口，关闭a口，打开蠕动泵，调节至60rpm。待回路中充满液体时，打开第一三通调节阀12和第二三通调节阀13的a、c口，关闭b口，使待结晶溶液在回路中循环稳定流动。运行10min后，膜组件3中有细微的nano3晶核产生。打开第二三通调节阀13的b口，关闭a口，带有晶核的母液输送至结晶釜1中，随即关闭第一蠕动泵8，关闭第二三通调节阀13的b口。再运行3h，随着温度的降低，晶核在结晶釜1中生长为粒度适宜的晶体。关闭搅拌装置2、温控装置和电脑11，将结晶釜1中的混合液体过滤烘干得到nano3晶体产品。