第一章-工業(yè)結(jié)晶簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介

1、工業(yè)結(jié)晶工業(yè)結(jié)晶-簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介沙作良什么是化學(xué)工程與技術(shù)什么是化學(xué)工程與技術(shù)化學(xué)工程與技術(shù)是研究以化學(xué)工業(yè)為代表的各類工業(yè)過程的有關(guān)化學(xué)過程和物理過程的基本規(guī)律與應(yīng)用技術(shù)學(xué)科， 現(xiàn)階段我國(guó)的化學(xué)工程與技術(shù)一級(jí)學(xué)科包括5個(gè)二級(jí)學(xué)科。 化學(xué)工程：各類過程的化學(xué)過程和物理過程的一般規(guī)律、共性規(guī)律、工程基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)。 化學(xué)工藝：凈化機(jī)理、生產(chǎn)原理、產(chǎn)品開發(fā)、工藝實(shí)施、過程設(shè)計(jì)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(shù)問題。 應(yīng)用化學(xué)：精細(xì)化學(xué)品、專用化學(xué)品、功能材料及器件的制備原理和工藝技術(shù) 工業(yè)催化：催化劑和催化反應(yīng)過程理論基礎(chǔ)及其設(shè)計(jì)、開發(fā)的工業(yè)應(yīng)用?；瘜W(xué)工業(yè)的發(fā)展化學(xué)工

2、業(yè)的發(fā)展19世紀(jì)20年代：依據(jù)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，逐漸建立了化學(xué)工程的概念，在美國(guó)麻省理工學(xué)院先后以“單元操作（unit operation）、化工原理（Principle of Chemical Engineering) 為基礎(chǔ)，形成了化學(xué)工程早期概念。19世紀(jì)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(xué)工程從一門經(jīng)驗(yàn)學(xué)科向科學(xué)學(xué)科的發(fā)展。提出了動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞的基礎(chǔ)理論。自50年代起，隨著高速計(jì)算機(jī)的發(fā)展，解決了工程中復(fù)雜計(jì)算的問題，提供了工程中的化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)工

3、程大會(huì)上，正式提出了化學(xué)反應(yīng)工程的概念。 至此，三傳一反就成為化學(xué)工程的主要內(nèi)容。60年代后期，隨著傳遞過程原理和反應(yīng)工程的開拓，計(jì)算機(jī)用于化學(xué)化學(xué)工程，以解決過程的最優(yōu)規(guī)則，最優(yōu)設(shè)計(jì)、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(xué)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(shù)、等深入的研究、發(fā)展。化學(xué)工程的基本理論與技術(shù)不僅僅應(yīng)用于化學(xué)品的生產(chǎn)，其知識(shí)的應(yīng)用擴(kuò)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(lǐng)域?，F(xiàn)代的化學(xué)工程的主要研究在方法論等領(lǐng)域，化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)將成為20世紀(jì)的主要研究?jī)?nèi)容化學(xué)工程的知識(shí)結(jié)構(gòu)化學(xué)工程的知識(shí)結(jié)構(gòu)化學(xué)工程的另一

4、種定義是用物理的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)物質(zhì)的分離。對(duì)化學(xué)工程的技術(shù)人員講，需要的知識(shí)面試非常廣泛。但就其基礎(chǔ)知識(shí)講，包括： 化學(xué)反應(yīng)及其反應(yīng)過程（有機(jī)、無(wú)機(jī)、生物反應(yīng)，反應(yīng)工程） 化學(xué)物質(zhì)的特性及其特性規(guī)律（物理化學(xué)、化工熱力學(xué)） 化學(xué)工程基礎(chǔ)（化工原理、傳遞過程、系統(tǒng)工程。） 化學(xué)物質(zhì)分析方法（分析化學(xué)、儀器分析。） 化工過程計(jì)算（計(jì)算機(jī)、過程模擬與優(yōu)化。） 化工過程設(shè)計(jì)（工藝設(shè)計(jì)，設(shè)備設(shè)計(jì)，土建設(shè)計(jì)。） 化工過程的實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)方法、研究方法。）工業(yè)結(jié)晶工業(yè)結(jié)晶 什么是工業(yè)結(jié)晶什么是工業(yè)結(jié)晶 是化學(xué)工程的一個(gè)基本單元，研究晶體的形成的一是化學(xué)工程的一個(gè)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(shù)和般規(guī)律、過程速率、晶體產(chǎn)品生產(chǎn)過程控制技術(shù)和設(shè)備。設(shè)備。 工業(yè)結(jié)晶主要研究工業(yè)結(jié)晶主要研究“大批結(jié)晶大批結(jié)晶” 的形成過程，是在的形成過程，是在大批量晶體同時(shí)形成和成長(zhǎng)的過程的控制技術(shù)：大批量晶體同時(shí)形成和成長(zhǎng)的過程的控制技術(shù)： 工業(yè)結(jié)晶，不同于結(jié)晶學(xué)，或晶體學(xué)。工業(yè)結(jié)晶，不同于結(jié)晶學(xué)，或晶體學(xué)。 工業(yè)結(jié)晶過程的研究，不僅僅是對(duì)晶體本身的研究，工業(yè)結(jié)晶過程的研究，不僅僅是對(duì)晶體本身的研究，更重要的是外界操作條件和過程控制對(duì)結(jié)晶過程的影更重要的是外界操作條件和過程控制對(duì)結(jié)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(shù)被廣泛應(yīng)用

6、于作為一種分離、純化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于化工、精細(xì)化工、食品、制藥、濕法冶化工、精細(xì)化工、食品、制藥、濕法冶金、電子材料等工業(yè)領(lǐng)域。金、電子材料等工業(yè)領(lǐng)域。 作為重要的分離手段，達(dá)到產(chǎn)品提純的目的作為重要的分離手段，達(dá)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(chǎng)，如可用于生產(chǎn)晶體產(chǎn)品，直接銷售于市場(chǎng)，如大部分無(wú)機(jī)鹽產(chǎn)品，石油化工產(chǎn)品等等。大部分無(wú)機(jī)鹽產(chǎn)品，石油化工產(chǎn)品等等。 有些結(jié)晶過程的目的可能不是以晶體產(chǎn)品為有些結(jié)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(jié)最終產(chǎn)品，但生產(chǎn)過程中作為去除雜志，結(jié)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(jié)晶技術(shù)的發(fā)展工業(yè)結(jié)晶技術(shù)的發(fā)展19世紀(jì)60年代，美國(guó)Randoulp 和 Larson 依據(jù)粒數(shù)衡算的基本理論，建立了結(jié)晶過程的粒數(shù)衡算理論，實(shí)現(xiàn)了晶體產(chǎn)品粒度分布的可預(yù)測(cè)性，建立了結(jié)晶過程的速率參數(shù)（成核速率、成長(zhǎng)速率）與產(chǎn)品粒度之間的理論關(guān)系，開辟了工業(yè)結(jié)晶過程的研究基礎(chǔ)。同時(shí)，建立了以理想結(jié)晶過程的理論模型，帶來了工業(yè)結(jié)晶過程研究的蓬勃發(fā)展。其主要研究?jī)?nèi)容為結(jié)晶過程動(dòng)力學(xué)的基本規(guī)律、影響因素的研究。在此基礎(chǔ)上，主要研究不同結(jié)晶過程的產(chǎn)品粒度、及其分布的控制理論與方法、結(jié)晶器設(shè)計(jì)理論與方法等方面的研究。使得人們對(duì)工

8、業(yè)結(jié)晶過程有了深入的了解。80年代由于結(jié)晶過程是在多相流環(huán)境下進(jìn)行，使得過程的進(jìn)程非常復(fù)雜，其理論模型與實(shí)際過程的偏離很大，因此對(duì)結(jié)晶過程的放大的研究成為研究的熱點(diǎn)。然而，一直沒有適宜的方法得到較好的放大結(jié)果。90年代，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，將計(jì)算流體力學(xué)的方法引入工業(yè)結(jié)晶過程的研究，計(jì)算流體力學(xué)對(duì)結(jié)晶過程的模擬成為結(jié)晶屆的主要課題之一。進(jìn)入21世紀(jì)，化學(xué)工程的知識(shí)被醫(yī)藥領(lǐng)域廣泛接受，尤其是工業(yè)結(jié)晶技術(shù)對(duì)產(chǎn)品純度、晶體類型、形狀控制的特點(diǎn)，被醫(yī)藥行業(yè)廣泛接受，因此工業(yè)結(jié)晶技術(shù)在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用成為熱點(diǎn)研究課題。同時(shí)工業(yè)結(jié)晶技術(shù)在納米材料、污水處理、新型材料制備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用結(jié)晶的物理過程結(jié)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(jié)晶過程更準(zhǔn)確的定義凈的固體產(chǎn)品。因此，結(jié)晶過程更準(zhǔn)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(jié)晶物質(zhì)是溶劑，習(xí)慣上叫熔融結(jié)晶，形成的結(jié)晶物質(zhì)是溶劑，習(xí)慣上叫熔融結(jié)晶，結(jié)晶一般意義上是指形成的晶體是溶質(zhì)。結(jié)晶一般意義上是指形成的晶體是溶質(zhì)。工業(yè)結(jié)晶的基本概念工業(yè)結(jié)晶的基本概念結(jié)晶體系的描述 飽和度（溶解度，凝固點(diǎn)，升華

10、點(diǎn)） 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(zhǎng) 晶體破碎 晶體聚并工業(yè)結(jié)晶的基本過程工業(yè)結(jié)晶的基本過程任何結(jié)晶過程發(fā)生的基本（必須）條件： 過飽和 決定過程的進(jìn)行速率 決定著什么過程發(fā)生結(jié)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(zhǎng)過程工業(yè)結(jié)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(zhǎng) 晶體的聚并總稱晶體成核總稱晶體成核總稱晶體成長(zhǎng)總稱晶體成長(zhǎng)過飽和度的消除過程 工業(yè)結(jié)晶過程的特點(diǎn)：工業(yè)結(jié)晶過程的特點(diǎn)： 大批量結(jié)晶過程大批量結(jié)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(zhǎng)，聚并，破碎隨過程同晶體成核與晶體成長(zhǎng)，聚并，破碎隨過程同時(shí)進(jìn)行時(shí)進(jìn)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(jié)晶過程的進(jìn)程。這種狀態(tài)決定的結(jié)晶過程的進(jìn)程。 外界操作條件對(duì)結(jié)晶過程的影響非常重要。外界操作條件對(duì)結(jié)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(jié)晶過程的分類結(jié)晶過程的分類結(jié)晶過程只有在一定的過飽和狀態(tài)下才能發(fā)生結(jié)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(jié)晶操作可分為結(jié)晶操作可分為: 冷卻結(jié)晶冷卻結(jié)晶 蒸發(fā)結(jié)晶蒸發(fā)結(jié)晶 反應(yīng)結(jié)晶反應(yīng)結(jié)晶 （難溶物質(zhì)，

12、可溶物質(zhì)在飽和態(tài)結(jié)晶（難溶物質(zhì)，可溶物質(zhì)在飽和態(tài)結(jié)晶) 鹽析結(jié)晶鹽析結(jié)晶 熔融結(jié)晶熔融結(jié)晶 反溶劑結(jié)晶反溶劑結(jié)晶 .就操作方式可分為就操作方式可分為 連續(xù)操作的結(jié)晶過程連續(xù)操作的結(jié)晶過程 間歇操作的結(jié)晶過程間歇操作的結(jié)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(gè)重要的指標(biāo)。由于其形晶體形狀：晶體的形狀是很多產(chǎn)品的一個(gè)重

13、要的指標(biāo)。由于其形狀不能滿足要求，會(huì)影響其功效狀不能滿足要求，會(huì)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(jié)晶過程關(guān)鍵技術(shù)結(jié)晶過程關(guān)鍵技術(shù) 晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)控制晶體結(jié)構(gòu)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(shù)過程工業(yè)化技術(shù)晶體結(jié)構(gòu)和形狀控制晶體結(jié)構(gòu)和形狀控制 晶體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)控晶體的結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)晶體純度控制是實(shí)現(xiàn)晶體純度控制的關(guān)鍵的關(guān)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(duì)制因此晶型的控制對(duì)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(biāo)之一，其主產(chǎn)品的重要指標(biāo)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(dòng)性和外觀產(chǎn)品的流動(dòng)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(jié)晶過程的粒度與粒度分布控制連續(xù)結(jié)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(jié)晶過程的過飽和度 成長(zhǎng)速率 成核速率 攪拌強(qiáng)度 固體的懸浮狀態(tài) 成核速率 細(xì)晶排除 分級(jí)排料 分級(jí)排料+細(xì)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(xí)?？刂凭w的形狀，和晶習(xí)。 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(zhǎng)速度控制過飽和度和晶體成長(zhǎng)速度 晶體的聚并，造成包