结晶工艺优化及过程控制关键技术课件.ppt

1、工业结晶工艺及工业结晶工艺及结晶过程控制关键技术结晶过程控制关键技术致谢致谢本报告内容是在借鉴国内外同行及本课题组工作基础上进行的，没有他们的贡献，就没有本报告。特此表示感谢！由于人员较多，不一一列出。天津科技大学工业结晶与颗粒过程研究室天津科技大学工业结晶与颗粒过程研究室.芒硝冷冻过程的控制技术研究和340 米3/小时卤水冷冻法除硝工程的基础设计，（企业项目），2007.5-2008.12； 乳酸钙结晶过程研究（企业项目），2009.1-2010.1 氯化锶防结块研究（企业项目），年产4 万吨亚氨基二乙腈连续结晶工艺研究与工业设计（企业项目），2008-200水合肼蒸发及冷却结晶工艺研究与工

2、业设计（企业项目），2008-2009 酸钾连续结晶工艺设计（企业项目），2009-2010 草甘膦连续结晶工艺开发及设备设计（企业项目），2009-2010 提钒除铬废水蒸发工艺开发及设备设计（企业项目），2009-2010 氯化亚锡连续结晶工艺设计（企业项目），2009-200 提高谷胱甘肽溶解速率工艺开发（企业项目），2009-今 氯化钠废水蒸发结晶工艺开发及设备设计多套（企业项目），2010抗氧剂BHT 连续结晶工艺开发及设备设计（企业项目），2010三氯化铝升华结晶工艺开发及设备设计（企业项目），2010柠檬酸连续结晶工艺开发及成套设备设计（企业项目），2010西藏盐湖卤水锂资源综合

3、利用研究（企业项目），2010亚硫酸钠废水蒸发处理工艺研究（企业项目），2012替勃龙晶型工艺控制及设备设计（企业项目），2012阿莫西林晶体粒度控制研究（企业项目），2012甜菊糖Ra,St多晶型研究醋酸尤利斯特多晶型研究熔融结晶（联苯、2,4-二氯苯酚、DMA）成功开发成功开发30余套余套工业结晶工艺及工业结晶工艺及设备设计设备设计主要内容主要内容半科学半艺术半科学半艺术主要内容主要内容应用应用粒数衡算粒数衡算热量衡算热量衡算物料衡算物料衡算基本概念基本概念 结晶：结晶：物质以晶体状态从蒸气、溶液或熔融物中析物质以晶体状态从蒸气、溶液或熔融物中析出的过程。出的过程。 工业结晶：工业结晶：

4、它是研究它是研究“大批结晶大批结晶” 过程，是在大批量晶体同过程，是在大批量晶体同时形成和成长过程的控制技术：时形成和成长过程的控制技术： 工业结晶：过饱和度产生和消除的控制科学。工业结晶：过饱和度产生和消除的控制科学。 工业结晶过程的研究，不仅仅是对晶体本身的研究，工业结晶过程的研究，不仅仅是对晶体本身的研究，更重要的是外界操作条件和过程控制对结晶过程的更重要的是外界操作条件和过程控制对结晶过程的影响，从而获得所需要的晶体特征。影响，从而获得所需要的晶体特征。 大批量结晶过程大批量结晶过程- 不是考察单一晶体不是考察单一晶体 晶体成核与晶体成长，聚并，破碎随过程同晶体成核与晶体成长，聚并，破

5、碎随过程同时进行时进行 过饱和度的产生与消耗处于一种平衡状态，过饱和度的产生与消耗处于一种平衡状态，这种状态决定的结晶过程的进程。这种状态决定的结晶过程的进程。 外界操作条件对结晶过程的影响非常重要。外界操作条件对结晶过程的影响非常重要。 操作条件可能变化范围较大操作条件可能变化范围较大 工业结晶过程的特点：有序有序+美美固体型态固体型态固体结晶产品质量指标固体结晶产品质量指标1、纯度、纯度(或生化活性指标、效价、吸光值、澄清度或生化活性指标、效价、吸光值、澄清度) 2、超分子结构的要求：、超分子结构的要求： 晶型晶型(如晶系、晶格常数如晶系、晶格常数) 晶习晶习(晶形晶形-即外观形状，如片状

6、、针状、棒状或晶即外观形状，如片状、针状、棒状或晶粒状粒状) 立方立方 四方四方 六方六方 立交立交 单斜单斜 三斜三斜 三方三方 3、粒度分布（堆密度或比容等）、粒度分布（堆密度或比容等）4、溶解速度、溶解速度 晶体粒度与粒度分布晶体粒度与粒度分布晶体粒度与粒度分布（晶体粒度与粒度分布（MS、CV）是晶体产品的重要指标）是晶体产品的重要指标之一，其主要影响：之一，其主要影响： 生产过程的固液分离过程生产过程的固液分离过程 产品的干燥过程产品的干燥过程 产品的纯度产品的纯度 产品的流动性和外观产品的流动性和外观 产品的功效（药物的溶解产品的功效（药物的溶解速率及活性）速率及活性） 特定产品的特

7、定要求（粒特定产品的特定要求（粒度均一，小而分散）度均一，小而分散） 收率收率结晶热力学结晶热力学物料衡算物料衡算过饱和度与可能发生现象间关系图温度温度溶析剂溶析剂浓度浓度溶解度曲线溶解度曲线初态初态临界介稳线临界介稳线介稳区介稳区生长生长二次成核二次成核初级非均相成核初级非均相成核非晶态？非晶态？油析？油析？初级均相成核初级均相成核药物溶解度（超溶解度）药物溶解度（超溶解度）测定、关联及预测测定、关联及预测测定：静态法、动态法关联：Vant Hoff ；多项式C* = AS exp (-BS /RT) or, ln C* = ln AS BS /RTC* = AS exp (CS X)or,

8、 ln C* = ln AS + CS X*(/)SSSSCA EXPBRTC XD X RT相图相图0510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100-20-100102030405060708090100 Temperature ( )Concentration (wt%)Ice+LLH2OCitric acidS1+LS2+LIce+S1S1+S2Citric acid monohydrateEUS1=citric acid monodydrateS2=citric acid andydrousPhase diagram

9、 of citric acid - water systemIII53.281.0晶体结构（多晶型）控制晶体结构（多晶型）控制单变关系互变关系TTGG固固-固转变固转变Polymorphism in pharmaceutical solids1. H. G. BRITTAIN（2009，2e）；2. Rolf Hilfiker（2006）晶体结构（多晶型）控制晶体结构（多晶型）控制STSTST晶型晶型I晶型晶型II药物溶解度的预测药物溶解度的预测比较成功的热力学模型：1. NRTL-SAC2. COSMO-SACTung H,H, Tabora J, Variankaval N, Bakken

10、 D,Chen C,C. Prediction of pharmaceutical solubility Via NRTL-SAC and COSMO-SAC.J. J Pharm Sci. 2008 ,97(5):1813-1820;Solubility of Aspirin in Various Solvents0.0010.010.11101000.0010.010.1110100Experimental Solubility (Weight %)Predicted Solubility (Weight %)UNIFACIdealNRTL-FittedDashed Lines show

11、error of factor of two影响极限过饱和度的因素影响极限过饱和度的因素1. 物质本身性质2. 杂质3. 搅拌（能量输入）4. 各种场5. 设备尺寸绝对过饱和度绝对过饱和度C相对过饱和度相对过饱和度过饱和系数过饱和系数S()/eqeqeqeqCCCCCCSC C工业上，结晶过饱和系数S在1.02-1.05结晶动力学结晶动力学工业结晶的基本过程工业结晶的基本过程任何结晶过程发生的基本（必须）条件： 过饱和 决定过程的进行速率 决定着什么过程发生结晶过程的基本阶段： 过饱和度的产生过程 晶体的成核过程 晶体的成长过程工业结晶过程包括的基本物理过程 晶体的成核 晶体的破碎 晶体的成长

12、 晶体的聚并总称晶体成核总称晶体成核总称晶体成长总称晶体成长过饱和度的消除过程结晶过程结晶过程 第一阶段是第一阶段是形成过饱和溶液形成过饱和溶液，因为自发出现一个新相，因为自发出现一个新相只有在体系处于非平衡状态才会发生。只有在体系处于非平衡状态才会发生。 在下一阶段在下一阶段（成核），（成核），溶解在溶液中的分子开始聚集溶解在溶液中的分子开始聚集（浓度推动）（浓度推动） ，最终导致形成可以作为结晶中心的，最终导致形成可以作为结晶中心的晶晶核核。 晶核可以被界定为一个新相能够独立存在的最小粒度晶核可以被界定为一个新相能够独立存在的最小粒度晶体。这些处于最初的亚稳相的小晶核的出现就是所晶体。这些

13、处于最初的亚稳相的小晶核的出现就是所谓谓成核成核，这是一阶相转变的一个重要机制。，这是一阶相转变的一个重要机制。 成长阶段，紧接在成核之后，由被称为生长基元的粒成长阶段，紧接在成核之后，由被称为生长基元的粒子扩散到已出现的核的表面并嵌入到晶格的结构中。子扩散到已出现的核的表面并嵌入到晶格的结构中。层生长过程层生长过程层生长层生长螺旋生长过程螺旋生长过程石墨底面上的生长螺纹石墨底面上的生长螺纹螺旋位错生长螺旋位错生长 溶液结晶的早期阶段在决定晶体性能方溶液结晶的早期阶段在决定晶体性能方面发挥了决定性的作用，主要是面发挥了决定性的作用，主要是晶体结晶体结构构和和粒度分布粒度分布。因此，对结晶更高层

14、次。因此，对结晶更高层次的控制离不开理解成核的基本知识。的控制离不开理解成核的基本知识。 然而，对此过程的准确描述仍然缺失，然而，对此过程的准确描述仍然缺失，而结晶过程的设计往往更多是基于经验而结晶过程的设计往往更多是基于经验基础。基础。结晶动力学结晶动力学过饱和度与粒度分布的关系过饱和度与粒度分布的关系结晶类型结晶类型CT来源：来源：dynochem model library基础物性基础物性热量衡算热量衡算工业连续结晶系统信息反馈图工业连续结晶系统信息反馈图GIULIETTI, M. et al. INDUSTRIAL CRYSTALLIZATION AND PRECIPITATION F

15、ROM SOLUTIONS: STATE OF THE TECHNIQUE. Braz. J. Chem. Eng. online. 2001, vol.18, n.4 cited 2013-05-03, pp. 423-440 结晶工艺开发策略结晶工艺开发策略工艺开发流程工艺开发流程结晶方式结晶方式参考文献：参考文献：Kramer, H.J.M., S.K. Bermingham and G.M. van Rosmalen (1999). Design of industrial crystallizers for a given product quality. J. Crystal Gr

16、owth. GIULIETTI, M. et al. INDUSTRIAL CRYSTALLIZATION AND PRECIPITATION FROM SOLUTIONS: STATE OF THE TECHNIQUE. Braz. J. Chem. Eng. online. 2001, vol.18, n.4 cited 2013-05-03, pp. 423-440 在所有的结晶方式中，如有可通过加入溶剂能降低原溶质在体系中的溶解度，并且所加溶剂和原溶剂混溶的话，可以考虑溶析结晶经济！经济！常用结晶器常用结晶器FCDTBOSLO结晶器选型基本原则结晶器选型基本原则结晶过程控制关键技术结晶

17、过程控制关键技术 晶体结构和形态控制晶体结构和形态控制 晶体尺寸和分布控制晶体尺寸和分布控制 纯度控制纯度控制 过程工业化技术过程工业化技术晶体结构和形状控制晶体结构和形状控制晶体的结构和形态控制不仅晶体的结构和形态控制不仅仅是功效的要求，在一定的仅是功效的要求，在一定的情况下，是实现晶体纯度控情况下，是实现晶体纯度控制的关键制的关键实现晶体结构和形状控制一实现晶体结构和形状控制一般使用的方法般使用的方法 操作条件控制操作条件控制 控制结晶过程不同过控制结晶过程不同过饱和状态饱和状态 不同混合强度不同混合强度 结晶温度结晶温度 溶剂添加剂溶剂添加剂 溶质添加剂溶质添加剂苯基丙氨酸苯基丙氨酸连续

18、结晶过程的粒度与粒度分布控制连续结晶过程的粒度与粒度分布控制 控制手段控制手段 控制结晶过程的过饱和度 成长速率 成核速率 搅拌强度 固体的悬浮状态 成核速率 细晶排除 分级排料 分级排料+细晶排除间歇操作的粒度与粒度控制间歇操作的粒度与粒度控制 控制手段 最佳操作时间表最佳操作时间表 晶种添加晶种添加 添加量添加量 添加晶种的粒度添加晶种的粒度 过饱和度控制曲线过饱和度控制曲线 晶种添加与过饱和度晶种添加与过饱和度控制曲线控制曲线 2530354045505560060120180240Time, minTemperature, oCconstant nucleationonly seeds

19、 growthEq. 32 for x = 3Eq. 32 for x = 4晶体产品纯度控制晶体产品纯度控制 晶体本身的纯度度很高，其杂质主要是由于晶体包裹和表面粘接晶体本身的纯度度很高，其杂质主要是由于晶体包裹和表面粘接母液而造成的母液而造成的 小晶体、分布宽，固液分离不完全小晶体、分布宽，固液分离不完全 增大颗粒粒径，减小颗粒分布宽度增大颗粒粒径，减小颗粒分布宽度 晶体形状不规则，造成分离困难晶体形状不规则，造成分离困难 控制晶体的形状和晶习。控制晶体的形状和晶习。 包晶造成母液在晶体内包晶造成母液在晶体内 控制过饱和度和晶体成长速度控制过饱和度和晶体成长速度 晶体的聚并，造成包晶现象晶

20、体的聚并，造成包晶现象 控制成核速率，减小聚并现象控制成核速率，减小聚并现象结晶过程的放大技术结晶过程的放大技术 晶体过程工业化技术 实验方法的放大实验方法的放大 实验室内进行结晶条件的研究。实验室内进行结晶条件的研究。 中间试验，中间试验， 工业放大工业放大 计算流体力学放大计算流体力学放大 研究研究 开发开发 工业化工业化 计算流体力学简介计算流体力学简介 计算流体力学是基于用计算机进行计算的方法对流体的流动状态及其在流动中发生的传质、传热和化学反应进程进行仿真模拟，从而了解在复杂流动过程中，各种过程的进展情况。设备的形状和结果的研究设备的形状和结果的研究 什么样的设备形状和结构能满足过程

21、的要求？ 计算流体力学是一个非常有计算流体力学是一个非常有效的工具来回答这样一个问效的工具来回答这样一个问题题 在设备设计中能使用计算流在设备设计中能使用计算流体力学帮助确定适宜的设备体力学帮助确定适宜的设备结构和形状结构和形状。 设备放大后，还能达到要求的生产强度和能否完成要求的产品质量和回收率？ 计算流体力学的最大优点是计算流体力学的最大优点是它的计算结果不因设备的大它的计算结果不因设备的大小而改变。小而改变。在流化床结晶器内的晶体分布无导流筒h/H =0.282d/D=0.4h/H =0.282d/D=0.28h/H =0.385d/D=0.28喂料速率喂料速率 2000 m3/h, 晶

22、体尺寸晶体尺寸 0.4 mm在流化床结晶器内的晶体分布1500 m3/h2000 m3/h2500 m3/h3000 m3/h晶体尺寸晶体尺寸 0.4 mm在不同结晶器内的流场在不同结晶器内的晶体分布结晶常见问题（参见我的博客）结晶常见问题（参见我的博客） 结晶器设计前需要掌握的设计资料 开车方式 工业上常用不同型结晶器的平均粒径、停留时间和成核速率对应关系 结晶器放料阀的选用 如何选择合适的结晶方式 结晶过程设计经验 浆液管道配管设计规定 工业结晶过程中泵的选择 结晶过程搅拌器形式的选择 工业结晶过程中控制二次成核的措施 结晶过程常见问题（我的博客均有）结晶过程常见问题（我的博客均有） 蒸发结晶过程异常现象原因及解决方法 蒸发结晶操作的基本原则 工业结晶系统中的管线设计经验 结晶器的车间布置 结晶设计经验结晶设计经验1. 溶液结晶的生长速率在0.1 0.8mm/h2. 工业上，结晶过饱和度S在1.021.053. 温差12，最好84. 换热管最好抛光5. 管内流速1.2m/s6. 混合很重要7. 动设备的设计很关键，尤其注意泵的吸程和扬程展望展望 结晶机理及其验证 工业结晶过程放大模型研究 从头算起-晶体控制计算机模拟理论研究 过程控制及在线监测检测水平 多相流计算流体力学与结晶过程的基本过程耦合理论研究谢谢谢谢谢谢谢谢