第一章-工業(yè)結晶簡介簡介

1、工業(yè)結晶工業(yè)結晶-簡介簡介沙作良什么是化學工程與技術什么是化學工程與技術化學工程與技術是研究以化學工業(yè)為代表的各類工業(yè)過程的有關化學過程和物理過程的基本規(guī)律與應用技術學科， 現(xiàn)階段我國的化學工程與技術一級學科包括5個二級學科。 化學工程：各類過程的化學過程和物理過程的一般規(guī)律、共性規(guī)律、工程基礎和應用技術。 化學工藝：凈化機理、生產(chǎn)原理、產(chǎn)品開發(fā)、工藝實施、過程設計和優(yōu)化。 生物化工：生物體和生物活性物質(zhì)參與的過程的基本原理和工程技術問題。 應用化學：精細化學品、專用化學品、功能材料及器件的制備原理和工藝技術 工業(yè)催化：催化劑和催化反應過程理論基礎及其設計、開發(fā)的工業(yè)應用?；瘜W工業(yè)的發(fā)展化學工

2、業(yè)的發(fā)展19世紀20年代：依據(jù)化學工業(yè)的發(fā)展，逐漸建立了化學工程的概念，在美國麻省理工學院先后以“單元操作（unit operation）、化工原理（Principle of Chemical Engineering) 為基礎，形成了化學工程早期概念。19世紀40年代，隨著三大合成材料（合成纖維，合成橡膠，合成洗滌劑）的快速發(fā)展，使化學工程從一門經(jīng)驗學科向科學學科的發(fā)展。提出了動量、熱量、質(zhì)量傳遞的基礎理論。自50年代起，隨著高速計算機的發(fā)展，解決了工程中復雜計算的問題，提供了工程中的化學反應問題與生產(chǎn)規(guī)模裝置中的傳遞過程的綜合分析和處理。1957年在荷蘭阿姆斯特丹的舉行的歐洲第一次化學反應工

3、程大會上，正式提出了化學反應工程的概念。 至此，三傳一反就成為化學工程的主要內(nèi)容。60年代后期，隨著傳遞過程原理和反應工程的開拓，計算機用于化學化學工程，以解決過程的最優(yōu)規(guī)則，最優(yōu)設計、最優(yōu)控制和最優(yōu)操作，促成了化工系統(tǒng)工程的誕生。為化學工程的決策和方法論提供了有力的工具。之后主要是過程系統(tǒng)工程、分離技術、等深入的研究、發(fā)展?；瘜W工程的基本理論與技術不僅僅應用于化學品的生產(chǎn)，其知識的應用擴展到，材料化工，能源化工，環(huán)境化工，生物化工，制藥工程，冶金等大型的工業(yè)領域?，F(xiàn)代的化學工程的主要研究在方法論等領域，化學產(chǎn)品設計將成為20世紀的主要研究內(nèi)容化學工程的知識結構化學工程的知識結構化學工程的另一

4、種定義是用物理的方法實現(xiàn)對化學物質(zhì)的分離。對化學工程的技術人員講，需要的知識面試非常廣泛。但就其基礎知識講，包括： 化學反應及其反應過程（有機、無機、生物反應，反應工程） 化學物質(zhì)的特性及其特性規(guī)律（物理化學、化工熱力學） 化學工程基礎（化工原理、傳遞過程、系統(tǒng)工程。） 化學物質(zhì)分析方法（分析化學、儀器分析。） 化工過程計算（計算機、過程模擬與優(yōu)化。） 化工過程設計（工藝設計，設備設計，土建設計。） 化工過程的實驗（實驗方法、研究方法。）工業(yè)結晶工業(yè)結晶 什么是工業(yè)結晶什么是工業(yè)結晶 是化學工程的一個基本單元，研究晶體的形成的一是化學工程的一個基本單元，研究晶體的形成的一般規(guī)律、過程速率、晶體

5、產(chǎn)品生產(chǎn)過程控制技術和般規(guī)律、過程速率、晶體產(chǎn)品生產(chǎn)過程控制技術和設備。設備。 工業(yè)結晶主要研究工業(yè)結晶主要研究“大批結晶大批結晶” 的形成過程，是在的形成過程，是在大批量晶體同時形成和成長的過程的控制技術：大批量晶體同時形成和成長的過程的控制技術： 工業(yè)結晶，不同于結晶學，或晶體學。工業(yè)結晶，不同于結晶學，或晶體學。 工業(yè)結晶過程的研究，不僅僅是對晶體本身的研究，工業(yè)結晶過程的研究，不僅僅是對晶體本身的研究，更重要的是外界操作條件和過程控制對結晶過程的影更重要的是外界操作條件和過程控制對結晶過程的影響，從而獲得所需要的晶體特征。響，從而獲得所需要的晶體特征。 作為一種分離、純化技術被廣泛應用

6、于作為一種分離、純化技術被廣泛應用于化工、精細化工、食品、制藥、濕法冶化工、精細化工、食品、制藥、濕法冶金、電子材料等工業(yè)領域。金、電子材料等工業(yè)領域。 作為重要的分離手段，達到產(chǎn)品提純的目的作為重要的分離手段，達到產(chǎn)品提純的目的 可用于生產(chǎn)晶體產(chǎn)品，直接銷售于市場，如可用于生產(chǎn)晶體產(chǎn)品，直接銷售于市場，如大部分無機鹽產(chǎn)品，石油化工產(chǎn)品等等。大部分無機鹽產(chǎn)品，石油化工產(chǎn)品等等。 有些結晶過程的目的可能不是以晶體產(chǎn)品為有些結晶過程的目的可能不是以晶體產(chǎn)品為最終產(chǎn)品，但生產(chǎn)過程中作為去除雜志，結最終產(chǎn)品，但生產(chǎn)過程中作為去除雜志，結晶過程也是一種常使用的方法。比如：制取晶過程也是一種常使用的方法。

7、比如：制取液體鹽、磷酸生產(chǎn)中的硫酸鈣等。液體鹽、磷酸生產(chǎn)中的硫酸鈣等。工業(yè)結晶技術的發(fā)展工業(yè)結晶技術的發(fā)展19世紀60年代，美國Randoulp 和 Larson 依據(jù)粒數(shù)衡算的基本理論，建立了結晶過程的粒數(shù)衡算理論，實現(xiàn)了晶體產(chǎn)品粒度分布的可預測性，建立了結晶過程的速率參數(shù)（成核速率、成長速率）與產(chǎn)品粒度之間的理論關系，開辟了工業(yè)結晶過程的研究基礎。同時，建立了以理想結晶過程的理論模型，帶來了工業(yè)結晶過程研究的蓬勃發(fā)展。其主要研究內(nèi)容為結晶過程動力學的基本規(guī)律、影響因素的研究。在此基礎上，主要研究不同結晶過程的產(chǎn)品粒度、及其分布的控制理論與方法、結晶器設計理論與方法等方面的研究。使得人們對工

8、業(yè)結晶過程有了深入的了解。80年代由于結晶過程是在多相流環(huán)境下進行，使得過程的進程非常復雜，其理論模型與實際過程的偏離很大，因此對結晶過程的放大的研究成為研究的熱點。然而，一直沒有適宜的方法得到較好的放大結果。90年代，隨著計算機的發(fā)展，將計算流體力學的方法引入工業(yè)結晶過程的研究，計算流體力學對結晶過程的模擬成為結晶屆的主要課題之一。進入21世紀，化學工程的知識被醫(yī)藥領域廣泛接受，尤其是工業(yè)結晶技術對產(chǎn)品純度、晶體類型、形狀控制的特點，被醫(yī)藥行業(yè)廣泛接受，因此工業(yè)結晶技術在醫(yī)藥行業(yè)的應用成為熱點研究課題。同時工業(yè)結晶技術在納米材料、污水處理、新型材料制備等領域得到廣泛應用結晶的物理過程結晶的物

9、理過程 通過控制一定的條件通過控制一定的條件,使物質(zhì)從一特定的混合物使物質(zhì)從一特定的混合物（溶液、氣體）中形成固體物質(zhì)，從而獲得純（溶液、氣體）中形成固體物質(zhì)，從而獲得純凈的固體產(chǎn)品。因此，結晶過程更準確的定義凈的固體產(chǎn)品。因此，結晶過程更準確的定義是一種相變化過程。是一種相變化過程。 形成的固體可以是溶劑，也可以是溶質(zhì)，如果形成的固體可以是溶劑，也可以是溶質(zhì)，如果形成的結晶物質(zhì)是溶劑，習慣上叫熔融結晶，形成的結晶物質(zhì)是溶劑，習慣上叫熔融結晶，結晶一般意義上是指形成的晶體是溶質(zhì)。結晶一般意義上是指形成的晶體是溶質(zhì)。工業(yè)結晶的基本概念工業(yè)結晶的基本概念結晶體系的描述 飽和度（溶解度，凝固點，升華

10、點） 過飽和度 溶液的其他性質(zhì)晶體的描述 晶格，晶體類型 晶體粒度、及其分布 晶體形狀過程描述 晶體形成，成核 晶體成長 晶體破碎 晶體聚并工業(yè)結晶的基本過程工業(yè)結晶的基本過程任何結晶過程發(fā)生的基本（必須）條件： 過飽和 決定過程的進行速率 決定著什么過程發(fā)生結晶過程的基本階段： 過飽和度的產(chǎn)生過程 晶體的成核過程 晶體的成長過程工業(yè)結晶過程包括的基本物理過程 晶體的成核 晶體的破碎 晶體的成長 晶體的聚并總稱晶體成核總稱晶體成核總稱晶體成長總稱晶體成長過飽和度的消除過程 工業(yè)結晶過程的特點：工業(yè)結晶過程的特點： 大批量結晶過程大批量結晶過程- 不是考察單一晶體不是考察單一晶體 晶體成核與晶體

11、成長，聚并，破碎隨過程同晶體成核與晶體成長，聚并，破碎隨過程同時進行時進行 過飽和度的產(chǎn)生與消耗處于一種平衡狀態(tài)，過飽和度的產(chǎn)生與消耗處于一種平衡狀態(tài)，這種狀態(tài)決定的結晶過程的進程。這種狀態(tài)決定的結晶過程的進程。 外界操作條件對結晶過程的影響非常重要。外界操作條件對結晶過程的影響非常重要。 操作條件可能變化范圍較大操作條件可能變化范圍較大 結晶過程的分類結晶過程的分類結晶過程只有在一定的過飽和狀態(tài)下才能發(fā)生結晶過程只有在一定的過飽和狀態(tài)下才能發(fā)生. 就產(chǎn)生過飽和的方法就產(chǎn)生過飽和的方法而言而言, 結晶操作可分為結晶操作可分為: 冷卻結晶冷卻結晶 蒸發(fā)結晶蒸發(fā)結晶 反應結晶反應結晶 （難溶物質(zhì)，

12、可溶物質(zhì)在飽和態(tài)結晶（難溶物質(zhì)，可溶物質(zhì)在飽和態(tài)結晶) 鹽析結晶鹽析結晶 熔融結晶熔融結晶 反溶劑結晶反溶劑結晶 .就操作方式可分為就操作方式可分為 連續(xù)操作的結晶過程連續(xù)操作的結晶過程 間歇操作的結晶過程間歇操作的結晶過程 半間歇操作半間歇操作晶體產(chǎn)品的質(zhì)量要求晶體產(chǎn)品的質(zhì)量要求純度：作為一種化工產(chǎn)品，醫(yī)藥制劑，其產(chǎn)品的純度是第一要求。純度：作為一種化工產(chǎn)品，醫(yī)藥制劑，其產(chǎn)品的純度是第一要求。粒度：作為顆粒產(chǎn)品，其粒度的要求可根據(jù)不同的要求而定。粒度：作為顆粒產(chǎn)品，其粒度的要求可根據(jù)不同的要求而定。晶體形狀：晶體的形狀是很多產(chǎn)品的一個重要的指標。由于其形晶體形狀：晶體的形狀是很多產(chǎn)品的一個重

13、要的指標。由于其形狀不能滿足要求，會影響其功效狀不能滿足要求，會影響其功效晶型：很多藥物產(chǎn)品只有在特出晶型才能有其活性而起到藥用的晶型：很多藥物產(chǎn)品只有在特出晶型才能有其活性而起到藥用的功效。功效。結晶過程關鍵技術結晶過程關鍵技術 晶體結構和形態(tài)控制晶體結構和形態(tài)控制 晶體尺寸和分布控制晶體尺寸和分布控制 純度控制純度控制 過程工業(yè)化技術過程工業(yè)化技術晶體結構和形狀控制晶體結構和形狀控制 晶體的結構和形態(tài)控晶體的結構和形態(tài)控制不僅僅是功效的要制不僅僅是功效的要求，在一定的情況下，求，在一定的情況下，是實現(xiàn)晶體純度控制是實現(xiàn)晶體純度控制的關鍵的關鍵 有些藥品，必須是確有些藥品，必須是確定的晶型才

14、能有藥效。定的晶型才能有藥效。因此晶型的控制對制因此晶型的控制對制藥過程來講更為重要藥過程來講更為重要晶體尺寸與尺寸分布控制晶體尺寸與尺寸分布控制晶體大小與粒度分布是晶體晶體大小與粒度分布是晶體產(chǎn)品的重要指標之一，其主產(chǎn)品的重要指標之一，其主要影響：要影響： 生產(chǎn)過程的固液分離過程生產(chǎn)過程的固液分離過程 產(chǎn)品的干燥過程產(chǎn)品的干燥過程 產(chǎn)品的純度產(chǎn)品的純度 產(chǎn)品的流動性和外觀產(chǎn)品的流動性和外觀 產(chǎn)品的功效（藥物的溶解產(chǎn)品的功效（藥物的溶解速率及活性）速率及活性） 特出產(chǎn)品的特出要求（粒特出產(chǎn)品的特出要求（粒度均一，小而分散）度均一，小而分散）連續(xù)結晶過程的粒度與粒度分布控制連續(xù)結晶過程的粒度與粒

15、度分布控制 控制手段控制手段 控制結晶過程的過飽和度 成長速率 成核速率 攪拌強度 固體的懸浮狀態(tài) 成核速率 細晶排除 分級排料 分級排料+細晶排除晶體產(chǎn)品純度控制晶體產(chǎn)品純度控制 晶體本身的純度很高，其雜質(zhì)主要是由于晶體包裹和表面粘接母晶體本身的純度很高，其雜質(zhì)主要是由于晶體包裹和表面粘接母液而造成的液而造成的 小晶體、分布寬，固液分離不完全小晶體、分布寬，固液分離不完全 增大顆粒粒徑，減小顆粒分布寬度增大顆粒粒徑，減小顆粒分布寬度 晶體形狀不規(guī)則，造成分離困難晶體形狀不規(guī)則，造成分離困難 控制晶體的形狀，和晶習?？刂凭w的形狀，和晶習。 包晶造成母液在晶體內(nèi)包晶造成母液在晶體內(nèi) 控制過飽和度和晶體成長速度控制過飽和度和晶體成長速度 晶體的聚并，造成包