[科普中国]-蒸发与结晶

简介

蒸发是指物质从液态转化为气态的相变过程，结晶是指物质从液态（溶液或熔融状态）或气态形成晶体。在化学中，蒸发是指通过加热使溶液中的某种物质达到沸点并挥发出来的过程，结晶是指溶液中的溶质达到过饱和而析出晶体的过程。在化学中蒸发和结晶经常是在一起的，因为蒸发的目的一般就是让溶液中溶剂挥发出来，从而使溶液中某种溶质达到过饱和，从而使其结晶1。

区别蒸发操作作为化工领域的重要的操作单元之一，在生物工业中被广泛采用。由于生物工业所生产的产品通常为具有生物活性的物质，或对温度较为敏感的物质，这是蒸发浓缩操作在生物工业中应特别注意的问题。

在发酵工业中，蒸发操作常用于将溶液浓缩至一定的浓度，使其他工序更为经济合理，如将稀酶液浓缩到一定浓度在再进行沉淀处理或喷雾干燥，或将稀溶液浓缩到规定浓度以符合工艺要求，如将麦芽汁浓缩到规定浓度再进行发酵；或将溶液浓缩到一定浓度以便进行结晶操作。

结晶操作是获得纯净固体物质的重要方法之一。发酵工业的许多产品，如谷氨酸钠，柠檬酸、葡萄糖、核苷酸等都是用结晶的方法提纯精制的。

蒸发与结晶之间最大区别在于，蒸发是将部分溶剂从溶液中排出，使溶液浓度增加，溶液中的溶质没有发生相变，而结晶过程则是通过将过饱和溶液冷却、蒸发，或投入晶种使溶质结晶析出。结晶过程的操作与控制比蒸发过程要复杂的多。有的工厂将蒸发与结晶过程置于蒸发器中连续进行，这样虽然可以节约设备投资，但对结晶晶体质量、结晶提取率即产品提取率将造成负面影响。

蒸发目的1．利用蒸发操作取得浓溶液；

2．通过蒸发操作制取过饱和溶液，进而得到结晶产品。

3．将溶液蒸发并将蒸汽冷凝、冷却，以达到纯化溶剂的目的。

分类按操作压力

按操作空间的压力可分为：常压、加压或减压蒸发。

减压蒸发也称真空蒸发。它是在减压或真空条件下进行的蒸发过程，真空使蒸发器内溶液的沸点降低，其装置排气阀门是调节真空度的，在减压下当溶液沸腾时，会出现冲料现象，此时可打开排气阀门，吸入部分空气，使蒸发器内真空度降低，溶液沸点升高，从而沸腾减慢。

采用减压或真空蒸发其优点如下：

（1）由于减压沸点降低，加大了传热温度差，使蒸发器的传热推动力增加，使过程强化。 （2）适用于热敏性溶液和不耐高温的溶液，即减少或防止热敏性物质的分解。 （3）可利用二次蒸汽作为加热热源。 （4）蒸发器的热损失减少。

但另一方面，在真空下蒸发需要增设一套抽真空的装置以保持蒸发室的真空度，从而消耗额外的能量。保持的真空度愈高，消耗的能量也愈大。同时，随着压力的减小，溶液沸点降低，其粘度亦随之增大，常使对流传热系数减小，从而也使总传热系数减小。此外，由于二次蒸汽的温度的降低使得冷凝的传热温度差相应降低。

按蒸汽利用情况

可分为单效蒸发、二效蒸发和多效蒸发。

如前所述，要保证蒸发的进行，二次蒸汽必须不断地从蒸发室中移除，若二次蒸汽移除后不再利用时，这样的蒸发称为单效蒸发；若二次蒸汽被引入另一蒸发器作为热源，在另一蒸发器中被利用，称为二效蒸发，依次类推，如蒸汽多次被利用串联操作，则称为多效蒸发。多效蒸发可提高初始加热蒸汽的利用率。

按操作流程

可分为间歇式、连续式。

按加热部分的结构

可分为膜式和非膜式。

薄膜蒸发具有传热效果好，蒸发速度快，无静压头产生使得沸点升高的现象等优点，因此，薄膜式蒸发技术得到了很大的发展，成为目前蒸发设备的主流。

蒸发设备的要求无论哪种类型的蒸发器都必须满足以下基本要求：

1．充足的加热热源，以维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所带走的热量。

2．保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。

3．一定的热交换面积，以保证传热量。

结晶介绍结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出形成新相的过程。这一过程不仅包括溶质分子凝聚成固体，并包括这些分子有规律的排列在一定晶格中，这种有规律的排列与表面分子化学键力变化有关。因此结晶过程又是一个表面化学反应过程。

结晶是制备纯物质的有效方法。溶液中的溶质在一定条件下因分子有规律的排列而结合成晶体，晶体的化学成分均一，具有各种对称的晶状，其特征为离子和分子在空间晶格的结点上成有规则的排列。固体

有结晶和无定形两种状态。两者的区别就是构成单位（原子、离子或分子）的排列方式不同，前者有规则，后者无规则。在条件变化缓慢时，溶质分子具有足够时间进行排列，有利于结晶形成；相反，当条件变化剧烈，强迫快速析出，溶质分子来不及排列就析出，结果形成无定形沉淀。通常只有同类分子或离子才能排列成晶体，所以结晶过程有很好的选择性，通过结晶溶液中的大部分杂质会留在母液中，再通过过滤、洗涤等就可得到纯度高的晶体。许多抗生素、氨基酸、维生素等就是利用多次结晶的方法制取高纯度产品的。但是结晶过程是复杂的，有时会出现晶体大小不一，形状各异甚至形成晶簇等现象，因此附着在晶体表面及空隙中的母液难以完全除去，需要重结晶，否则将直接影响产品质量。由于结晶过程成本低，设备简单，操作方便，所以目前广泛应用于微生物药物的精制。

理论由于物理或化学原因，使晶体表面溶解并重结晶，于是晶粒之间在接触点上形成了固体联结，即形成晶桥，而呈现结块现象。

物理原因是晶体与空气之间进行水分交换。如果晶体是水溶性的，则当某温度下空气中的水蒸气分压大于晶体饱和溶液在该温度下的平衡蒸汽压时，晶体就从空气中吸收水分。晶体吸水后，在晶粒表面形成饱和溶液。当空气中湿度降低时，吸水形成的饱和溶液蒸发，在晶粒相互接触点上形成晶桥而粘连在一起。

化学原因是由于晶体与其存在的杂质或空气中的氧、二氧化碳等产生化学反应，或在晶粒间的液膜中发生复分解反应。由于以上某些反应产物的溶解度较低而析出，而导致结块。