Влияние перемешивания на процесс кристаллизации

• Введение в кристаллизацию и осаждение
  
• Основы: растворимость и ширина метастабильной зоны
• Как определить размеры кристаллов
• Использование противорастворителя при кристаллизации

Изменение масштаба или условий перемешивания в кристаллизаторе может напрямую влиять на кинетику процесса кристаллизации и на окончательный размер кристалла. Тепло- и массоперенос — важные факторы, влияющие на охлаждение и действие противорастворителей. Температурные и концентрационные градиенты могут стать причиной неодинаковых уровней пересыщения. Это выражается в образовании областей с очень высоким пересыщением вблизи стенок охладительного кристаллизатора или в местах введения добавок при кристаллизации с противорастворителем или реагентом.

В большом кристаллизаторе области с высоким пересыщением могут стать очагами очень быстрого зарождения и роста кристаллов, в результате чего окончательное распределение кристаллов по размерам может очень сильно отличаться от полученного на этапе лабораторных исследований при более благоприятных условиях перемешивания. Как показано на графике справа, изменение размеров реактора с 500 мл до 2 л при одинаковых процессах кристаллизации приводит к непредвиденному уровню зарождения кристаллов, регистрируемому системой ParticleTrack. Также значительно увеличивается количество мелких частиц, образовавшихся в цикле.

На иллюстрации показано влияние локального пересыщения на процесс кристаллизации, а именно воспроизводимость точек зародышеобразования при кристаллизации без затравки в системе с противорастворителем. В процессе, схематически изображенном на иллюстрации справа, при добавлении противорастворителя на поверхность жидкости и вблизи стенок реактора, особенно при высокой скорости добавления, появление точек зародышеобразования очень нестабильно; в виде длинных полос на графике показаны величины ошибок для троекратного эксперимента (D. O’Grady, M. Barrett, E. Casey, and B. Glennon. (2007) The Effect of Mixing on the Metastable Zone Width and Nucleation Kinetics in the Anti-solvent Crystallization of Benzoic Acid. Chemical Engineering Research and Design, 85, 945–952). Кроме того, при добавлении противорастворителя на поверхность жидкости и вблизи стенок кристаллизатора скорость зародышеобразования увеличивается при более низких концентрациях противорастворителя. Оба явления объясняются тем, что из-за условий перемешивания противорастворитель, добавленный рядом со стенкой, не может распространиться по всему объему кристаллизатора, и пересыщение происходит в месте добавления. 

Столь существенная неоднородность вызвана особенностями распространения противорастворителя внутри сосуда. На видео слева представлены результаты экспериментов по гидродинамическому моделированию с применением радиоактивных индикаторов для обоих мест добавления противорастворителя, упомянутых выше (центр и стенки сосуда). При добавлении противорастворителя на поверхность раствора рядом со стенкой сосуда трудно добиться эффективного распространения жидкости по всему объему емкости. При добавлении противорастворителя в область рядом с мешалкой распространение происходит практически мгновенно. Различие в распределении противорастворителя стало причиной неодинаковых уровней пересыщения в емкости. В итоге изменились и характер зародышеобразования, и весь процесс кристаллизации.

Помимо массопереноса, на кристаллизацию также влияет скорость сдвига в кристаллизаторе, от которой зависит разрушение кристаллов. Разрушение кристалла зависит от концентрации твердых веществ в системе и величины скорости сдвига. При масштабировании и изменении условий перемешивания градиенты концентрации твердых веществ и скорости сдвига могут приобретать существенное значение, как усиливая, так и уменьшая разрушение кристаллов. На графике справа показаны  распределения длин хорд, полученные с применением технологии FBRM (ParticleTrack) для непрерывного процесса кристаллизации при трех различных величинах интенсивности перемешивания (Е. Kougoulos, A.G. Jones, and M.W. Wood-Kaczmar (2005) Estimation of Crystallization Kinetics for an Organic Fine Chemical Using a Modified Continuous Cooling Mixed Suspension Mixed Product Removal (MSMPR) Crystallizer, Journal of Crystal Growth, Volume 273, Issues 3–4, 3 January 2005, Pages 520–528).  При повышении интенсивности перемешивания и, соответственно, скорости сдвига в распределение наблюдается смещение влево с увеличением количества мелких кристаллов, что свидетельствует о разрушении зародышей. Это типичное явление.  Однако такое поведение трудно предсказать при изменении объема, так как интенсивность перемешивания — немасштабируемый параметр. 

В этой статье описываются распространенные технологии анализа размера частиц и их использование для получения частиц высокого качества. К примерам относится использование автономных анализаторов размеров частиц в сочетании со средствами определения параметров частиц на технологической линии с целью оптимизации процессов. 

Применяя типовые операции в ходе кристаллизации, можно добиться оптимального распределения кристаллов по размеру и форме. В результате:

• резко сокращается длительность фильтрации и сушки;
• решаются проблемы, связанные с хранением и транспортировкой продукта;
• обеспечивается воспроизводимость процессов кристаллизации и снижаются издержки.