Effect of liquid-liquid phase separation during crystallization
Koskinen, Markus (2018)
Diplomityö
2018
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018112649173
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018112649173
Tiivistelmä
The purpose of this work is to study oiling out phenomenon and to develop a design method for crystallization process, which can be used to identify oiling out during synthesis. Oiling out is a phenomenon where a second liquid phase (oil phase) forms during a crystallization. Oiling out is undesirable during crystallization, because it makes controlling the properties of product more difficult, it degrades the product quality and oil phase is usually a good solvent for impurities.
In the literature review, the causes of oiling out and how to utilize it in crystallization processes are discussed in depth. At the end of the literature review, design method for crystallization process to obtain crystalline products from systems prone to oiling out is presented. In the method suitable process is selected based on availability of phase diagram and seed crystals along with other process requirements. In the experimental part, methods to detect oiling out during synthesis and to prevent oiling out are tested. In addition, effect of liquid-liquid phase separation on product properties were investigated. Experiments were done for two intermediates A and B.
Based on experiments intermediate A didn’t exhibit oiling out behavior during cooling crystallization. Intermediate B on the other hand showed oiling out behavior during solubility and cooling crystallization studies in CPME-heptane-ethanol solvent systems. Oiling out was reduced when heptane or ethanol content was reduced or increased respectively. Phase diagram was determined experimentally with Crystal16 in two solvent mixtures. Finally, crystallization from oil phase yielded crystals with lower purity and non-ideal crystal properties compared to normal cooling crystallization. The proposed design method for crystallization can be partially be used to obtain crystalline products from systems that have tendency to oil out. Diplomityön tavoitteena on tutkia öljyyntymistä ja kehittää kiteytysprosessin suunnittelu –menetelmä, jolla öljyyntyminen voidaan havaita synteesin aikana. Öljyyntyminen viittaa ilmiöön, missä kiteytyksen aikana muodostuu toinen nestefaasi. Öljyyntymisen seurauksena tuotteen ominaisuuksien hallinta on vaikeampaa, tuotteen laatu kärsii sekä öljyfaasi toimii hyvänä liuottimena mahdollisille epäpuhtauksille.
Kirjallisuusosassa käydään läpi öljyyntymisen syyt, kuinka sitä voidaan käyttää hyväksi kiteytysprosesseissa sekä kiteytystä emulsioista. Kirjallisuusosan lopussa esitellään kiteytysprosessin suunnittelu –menetelmä, jota voidaan käyttää kiteiden saamiseksi systeemeistä, jotka ovat alttiita öljyyntymiselle. Menetelmässä sopivin prosessi valitaan faasidiagrammin ja siemenkiteiden saatavuuden sekä muiden prosessivaatimuksien perusteella. Soveltavassa osassa tutkittiin menetelmiä öljyyntymisen estämiseksi sekä havaitsemiseksi synteesin aikana. Lisäksi tutkittiin kuinka öljyfaasin muodostuminen vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kokeet tehtiin kahdella eri intermediaatilla.
Kokeiden perusteella intermediaatti A:lla ei havaittu öljyyntymistä jäähdytyskiteytyksen aikana. Intermediaatti B öljyyntyi liukoisuus- ja kiteytyskokeiden aikana CPME-heptaani-etanoli liuotinsysteemeissä. Öljyyntyminen väheni alentamalla heptaani pitoisuutta tai lisäämällä etanolin pitoisuutta. Faasidiagrammi määritettiin kahdessa eri liuotinsysteemissä Crystal16:ta avulla. Öljyfaasin muodostuminen jäähdytyskiteytyksen aikana alentaa tuotteen puhtautta ja vaikuttaa negatiivisesti tuotteen ominaisuuksiin. Esitettyä kiteytysprosessin suunnittelu –menetelmää voidaan osittain käyttää kiteiden saamiseksi systeemeistä, jotka öljyyntyvät.
In the literature review, the causes of oiling out and how to utilize it in crystallization processes are discussed in depth. At the end of the literature review, design method for crystallization process to obtain crystalline products from systems prone to oiling out is presented. In the method suitable process is selected based on availability of phase diagram and seed crystals along with other process requirements. In the experimental part, methods to detect oiling out during synthesis and to prevent oiling out are tested. In addition, effect of liquid-liquid phase separation on product properties were investigated. Experiments were done for two intermediates A and B.
Based on experiments intermediate A didn’t exhibit oiling out behavior during cooling crystallization. Intermediate B on the other hand showed oiling out behavior during solubility and cooling crystallization studies in CPME-heptane-ethanol solvent systems. Oiling out was reduced when heptane or ethanol content was reduced or increased respectively. Phase diagram was determined experimentally with Crystal16 in two solvent mixtures. Finally, crystallization from oil phase yielded crystals with lower purity and non-ideal crystal properties compared to normal cooling crystallization. The proposed design method for crystallization can be partially be used to obtain crystalline products from systems that have tendency to oil out.
Kirjallisuusosassa käydään läpi öljyyntymisen syyt, kuinka sitä voidaan käyttää hyväksi kiteytysprosesseissa sekä kiteytystä emulsioista. Kirjallisuusosan lopussa esitellään kiteytysprosessin suunnittelu –menetelmä, jota voidaan käyttää kiteiden saamiseksi systeemeistä, jotka ovat alttiita öljyyntymiselle. Menetelmässä sopivin prosessi valitaan faasidiagrammin ja siemenkiteiden saatavuuden sekä muiden prosessivaatimuksien perusteella. Soveltavassa osassa tutkittiin menetelmiä öljyyntymisen estämiseksi sekä havaitsemiseksi synteesin aikana. Lisäksi tutkittiin kuinka öljyfaasin muodostuminen vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kokeet tehtiin kahdella eri intermediaatilla.
Kokeiden perusteella intermediaatti A:lla ei havaittu öljyyntymistä jäähdytyskiteytyksen aikana. Intermediaatti B öljyyntyi liukoisuus- ja kiteytyskokeiden aikana CPME-heptaani-etanoli liuotinsysteemeissä. Öljyyntyminen väheni alentamalla heptaani pitoisuutta tai lisäämällä etanolin pitoisuutta. Faasidiagrammi määritettiin kahdessa eri liuotinsysteemissä Crystal16:ta avulla. Öljyfaasin muodostuminen jäähdytyskiteytyksen aikana alentaa tuotteen puhtautta ja vaikuttaa negatiivisesti tuotteen ominaisuuksiin. Esitettyä kiteytysprosessin suunnittelu –menetelmää voidaan osittain käyttää kiteiden saamiseksi systeemeistä, jotka öljyyntyvät.