В химии фракционная кристаллизация представляет собой метод поэтапного разделения, основанный на фазовом переходе жидкость-твердое вещество. Он фракционируется за счет разницы в температуре кристаллизации и позволяет очищать многокомпонентные смеси, при условии, что ни один из компонентов не может действовать как растворитель по отношению к другим. Благодаря высокой селективности равновесия твердого тела и жидкости можно достичь очень высокой чистоты выбранного компонента.
Процесс кристаллизации начинается с частичного замораживания исходной жидкой смеси путем медленного снижения ее температуры. Замороженная твердая фаза впоследствии имеет состав, отличный от оставшейся жидкости. Это фундаментальный физический принцип, лежащий в основе процесса фракционирования расплава, который вполне сравним с дистилляцией , которая происходит между жидкостью и газовой фазой.
Кристаллы будут расти на охлажденной поверхности или, альтернативно , в виде суспензии в жидкости. Тепло, выделяемое в процессе затвердевания, отводится через охлаждающую поверхность или через жидкость. Теоретически 100% продукта можно затвердеть и извлечь, однако на практике для достижения высокого уровня чистоты необходимо применять различные стратегии, такие как частичное плавление твердой фракции (выпотевание).
Фракционная кристаллизация имеет различные преимущества перед другими технологиями разделения. Прежде всего, это делает возможной очистку близких котлов. Это обеспечивает очень высокую чистоту даже для сложных компонентов. Кроме того, из-за более низкой рабочей температуры термическая нагрузка на изделие очень мала. Это особенно актуально для продуктов, которые в противном случае подверглись бы олигомеризации или разложению . Далее, фракционная кристаллизация обычно является безопасной технологией, поскольку она работает при низких давлениях и низких температурах. Кроме того, он не использует растворителей и не имеет выбросов. Наконец, поскольку скрытая теплота затвердевания в 3-6 раз ниже теплоты испарения , потребление энергии - по сравнению с дистилляцией - намного ниже.
Фракционная кристаллизация включает в себя несколько ключевых этапов:
Доступны три различные технологии фракционной кристаллизации:
В кристаллизаторе с падающей пленкой кристаллы растут из расплава, который образует тонкую пленку внутри охлаждаемых трубок. По внешней стороне этих трубок одновременно течет охлаждающая среда. Такое расположение обеспечивает воспроизводимую и высокую скорость передачи тепла, облегчая рост кристаллов из падающей пленки расплава. Разделение твердой и жидкой фаз полученной суспензии можно осуществить с использованием промывной колонки или центрифуги. Эта технология более сложна, чем другие, но дает преимущество высокой эффективности разделения и очень высокой чистоты. Типичный корм имеет концентрацию 90-99% и очищается до 99,99 мас.% или выше. Например, ледяная акриловая кислота , бисфенол-А оптической чистоты и этиленкарбонат аккумуляторного качества могут быть очищены до высшей степени чистоты с использованием кристаллизатора с падающей пленкой.
Статический кристаллизатор позволяет кристаллам расти из застойного расплава, что делает его универсальной и надежной технологией. Он может очищать очень сложные продукты, в том числе продукты с наиболее сложными свойствами, такими как высокая вязкость и высокие или низкие температуры плавления. Примеры применения включают изопулегол, фосфорную кислоту , воск и парафины , антрацен / карбазол и даже гидразин спутникового качества.
При суспензионной кристаллизации кристаллы образуются на охлаждающей поверхности, а затем соскребаются и продолжают расти в размерах внутри сосуда с мешалкой в суспензии или суспензии. Разделение твердой и жидкой фаз осуществляется либо с помощью промывной колонки, либо с помощью центрифуги. Этот метод более сложен в эксплуатации, но его преимуществом является высокая эффективность разделения, что приводит к значительной экономии энергии. Примеры применения включают пара-ксилол, галогенированные ароматические соединения, а также водное сырье.