工业结晶工艺开发及过程控制技术简介王彦飞.ppt

工业结晶基础理论及结晶过程控制技术 天津科技大学海洋科学与工程学院青海盐湖工业股份有限公司研发中心王彦业结晶博客 结晶动画 主要内容 主要内容 应用 粒数衡算热量衡算物料衡算 根茎和果实 基础研究是根应用研究是茎技术开发是果实越是基础研究 影响越深远 功能固体生产的关键技术 绿色的分离提取技术 三 基本化工过程分离提取的关键技术 石油 煤 天然气深度加工等 二 衣食住行产品的技术依托 如糖 盐 味精 化肥 农药 建筑材料单体 纺织助剂等的生产技术依托 一 高科技功能产品开发的科学与技术支撑 如90 以上医药为晶体产品 生命科学中的氨基酸 肽 蛋白质大多为晶体物质 材料产业中高纯单体的制造与提取 纳米材料 环境工程有害物质的分离 信息产业中超纯半导体晶体的制备等的技术支撑 现代工业结晶科学与技术 基本概念 结晶 物质以晶体状态从蒸气 溶液或熔融物中析出的过程 工业结晶 它是研究 大批结晶 过程 是在大批量晶体同时形成和成长的过程的控制技术 工业结晶 不同于结晶学 或晶体学 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影响 从而获得所需要的晶体特征 大批量结晶过程 不是考察单一晶体晶体成核与晶体成长 聚并 破碎随过程同时进行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 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 工业结晶过程的特点 有序 美 结晶类型 夏威夷劳厄火山裂缝喷气孔附近的自然硫沉积升华结晶 升华 青海察尔汗盐湖溶液结晶 溶液 熔融 熔融结晶 固体结晶产品质量指标 1 纯度 或生化活性指标 效价 吸光值 澄清度 2 超分子结构的要求 晶型 如晶系 晶格常数 晶习 晶形 即外观形状 如片状 针状 棒状或晶粒状 立方四方六方立交单斜三斜三方 3 粒度分布 堆密度或比容等 晶体粒度与粒度分布 晶体粒度与粒度分布是晶体产品的重要指标之一 其主要影响 生产过程的固液分离过程产品的干燥过程产品的纯度产品的流动性和外观产品的功效 药物的溶解速率及活性 特定产品的特定要求 粒度均一 小而分散 收率 工业结晶系统信息反馈图 过饱和度 晶体表面 工业生产设备中氯化钾粒度周期性波动 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晶体的聚并 总称晶体成核 总称晶体成长 过饱和度的消除过程 基础物性 结晶热力学 绝对过饱和度 c相对过饱和度 过饱和系数s 影响极限过饱和度的因素 物质本身性质杂质搅拌各种场 结晶动力学 结晶动力学1 结晶动力学2 层生长过程 层生长 螺旋生长过程 石墨底面上的生长螺纹 螺旋位错生长 第一阶段是形成过饱和溶液 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 在下一阶段 溶解在溶液中的分子开始聚集 浓度推动 最终导致形成可以作为结晶中心的晶核 晶核可以被界定为一个新相能够独立存在的最低数量 这些处于最初的亚稳相的小晶核的出现就是所谓成核 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子扩散到已出现的核的表面并嵌入到晶格的结构中 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 主要是晶体结构和粒度分布 因此 对结晶更高层次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 而结晶过程的设计往往更多是基于经验基础 结晶过程控制关键技术 晶体结构和形态控制晶体尺寸和分布控制纯度控制过程工业化技术 晶体结构和形状控制 晶体的结构和形态控制不仅仅是功效的要求 在一定的情况下 是实现晶体纯度控制的关键实现晶体结构和形状控制一般使用的方法操作条件控制控制结晶过程不同过饱和状态不同混合强度结晶温度溶剂添加剂溶质添加剂 苯基丙氨酸 连续结晶过程的粒度与粒度分布控制 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 控制手段最佳操作时间表晶种添加添加量添加晶种的粒度过饱和度控制曲线晶种添加与过饱和度控制曲线 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母液而造成的小晶体 分布宽 固液分离不完全增大颗粒粒径 减小颗粒分布宽度晶体形状不规则 造成分离困难控制晶体的形状 和晶习 包晶造成母液在晶体内控制过饱和度和晶体成长速度晶体的聚并 造成包晶现象控制成核速率 减小聚并现象 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室内进行结晶条件的研究 中间试验 工业放大计算流体力学放大 研究开发工业化 什么是计算流体力学 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 什么样的设备形状和结构能满足过程的要求 计算流体力学是一个非常有效的工具来回答这样一个问题在设备设计中能使用计算流体力学帮助确定适宜的设备结构和形状 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它的计算结果不因设备的大小而改变 在流化床结晶器内的晶体分布 无导流筒 h h 0 282d d 0 4 h h 0 282d d 0 28 h h 0 385d d 0 28 喂料速率2000m3 h 晶体尺寸0 4mm 在流化床结晶器内的晶体分布 1500m3 h 2000m3 h 2500m3 h 3000m3 h 晶体尺寸0 4mm 在不同结晶器内的流场 在不同结晶器内的晶体分布 结晶器1 结晶器2 结晶器 结晶器 结晶器 结晶常见问题 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 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 溶液结晶的生长速率在0 1 0 8mm h工业上 结晶过饱和度s在1 02 1 05温差 12 最好 8 换热管最好抛光管内流速 1 2m s混合很重要 浆液管道配管设计规定 含有固体的物料配管和液体物料配管不同 为了减少管道 阀门发生堵及晶体磨损等事情发生 要遵循以下原则 主要是保证管道系统内表面光滑 避免凹凸面 能走捷径就走捷径 忌讳管路拐直角弯 有很多企业在配管方面设计不当 引发了很多麻烦 希望引以为戒 泵的选择 在结晶过程中 会涉及到清液 晶浆的输送 此过程泵的选择至关重要 先就一些通用规则介绍如下 清液输送 此类按照输送条件选择合适泵类型即可 比如清水泵 化工通道 容积泵等等特定行业 开发出系列专用泵 最好选择经过工业实践检验的专业专用泵 如碱泵 磷酸料泵 矿山 水泥等行业泵晶浆输送泵 在工业结晶过程中 以能输送晶浆 而且晶体破碎最小为最初考虑点 结晶器排料最好用容积泵 工业上常用的主要是离心式渣浆泵 隔膜泵和正弦泵 前两种我们在设计时都选用过 正弦泵还没用过 不过从其原理来看 应该是优选的 结晶外循环泵 结晶过程中 循环流量一般较大 低扬程时 常选用轴流泵 小流量和装置真空高 安装高度低的用混流泵 由于泵