В химии фракционная кристаллизация — это метод поэтапного разделения, основанный на фазовом переходе жидкость-твердое тело. Он фракционирует посредством разницы температур кристаллизации и позволяет очищать многокомпонентные смеси, пока ни один из компонентов не может действовать как растворитель для других. Благодаря высокой селективности равновесия твердое тело-жидкость можно достичь очень высокой чистоты для выбранного компонента.
Процесс кристаллизации начинается с частичного замораживания исходной жидкой смеси путем медленного понижения ее температуры. Замороженная твердая фаза впоследствии имеет другой состав, чем оставшаяся жидкость. Это фундаментальный физический принцип, лежащий в основе процесса фракционирования расплава, и он вполне сопоставим с дистилляцией , которая действует между жидкой и газовой фазами.
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 может быть затвердевшим и восстановленным. На практике для достижения высоких уровней чистоты необходимо применять различные стратегии, такие как частичное плавление твердой фракции (выпотевание) .
Фракционная кристаллизация имеет различные преимущества по сравнению с другими технологиями разделения. Прежде всего, она делает возможной очистку закрытых котлов. Это позволяет достигать очень высокой чистоты даже для сложных компонентов. Кроме того, из-за более низкой рабочей температуры термическое напряжение, прикладываемое к продукту, очень низкое. Это особенно актуально для продуктов, которые в противном случае олигомеризовались бы или деградировали . Далее, фракционная кристаллизация обычно является изначально безопасной технологией, поскольку она работает при низких давлениях и низких температурах. Кроме того, она не использует никаких растворителей и не производит выбросов. Наконец, поскольку скрытая теплота затвердевания в 3–6 раз ниже теплоты испарения , потребление энергии — по сравнению с дистилляцией — намного ниже.
Фракционная кристаллизация включает несколько ключевых этапов:
Существуют три различные технологии фракционной кристаллизации:
В кристаллизаторе с падающей пленкой кристаллы растут из расплава, который образует тонкую пленку вдоль внутренней части охлаждаемых трубок. Конкурентная охлаждающая среда течет снаружи этих трубок. Такое расположение обеспечивает воспроизводимые и высокие скорости передачи тепла, облегчая рост кристаллов из падающей пленки расплава. Разделение твердого вещества и жидкости полученной суспензии может быть выполнено с использованием промывочной колонны или центрифуги. Эта технология сложнее других, но дает преимущество высокой эффективности разделения и очень высокой чистоты. Типичное сырье имеет концентрацию от 90 до 99%, которое очищается до 99,99 мас.% или выше. Например, ледяная акриловая кислота , оптический бисфенол-А и этиленкарбонат аккумуляторного качества могут быть очищены до их наивысшего качества с использованием кристаллизатора с падающей пленкой.
Статический кристаллизатор позволяет кристаллам расти из застоявшегося расплава, что делает его универсальной и надежной технологией. Он может очищать очень сложные продукты, включая те, которые обладают самыми сложными свойствами, такими как высокая вязкость и высокая или низкая температура плавления. Примеры применения включают изопулегол, фосфорную кислоту , воск и парафины , антрацен / карбазол и даже гидразин спутникового качества .
При кристаллизации суспензии кристаллы образуются на охлаждающей поверхности, а затем соскребаются для дальнейшего роста в размере в перемешиваемом сосуде в суспензии или пульпе. Разделение твердого вещества и жидкости выполняется либо через промывочную колонну, либо через центрифугу. Этот метод более сложен в эксплуатации, но имеет преимущество в виде высокой эффективности разделения, что приводит к значительной экономии энергии. Примерами применения являются параксилол, галогенированные ароматические соединения, а также водные исходные материалы.