结晶工艺优化及过程控制关键技术-北京.ppt

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1、工业结晶工艺及结晶过程控制关键技术,王彦飞 MP：工业结晶博客：,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,.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），；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业设计（企业项目），2008-2009 酸钾连续结晶工艺设计（企业

2、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

3、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30余套工业结晶工艺及设备设计,主要内容,半科学半艺术,主要内容,应用,粒数衡算热量衡算物料衡算,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

4、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,固体型态,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）4、溶解速度,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之一，

5、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,结晶热力学,物料衡算,过饱和度与可能发生现象间关系图,温度溶析剂,浓度,溶解度曲线,初态,临界介稳线,介稳区,生长,二次成核,初级非均相成核,非晶态？,油析？,初级均相成核,药物溶解度（超溶解度）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,ln C*=ln AS+CS X,相图,I,II,53.2,81.

6、0,晶体结构（多晶型）控制,固-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,S,T,S,T,S,T,晶型I,晶型II,药物溶解度的预测,比较成功的热力学模型：NRTL-SACCOSMO-SAC,Tung H,H,Tabora J,Variankaval N,Bakken D,Chen C,C.Prediction of pharmaceutical solubility Via NRTL-SAC and COSMO-SAC.J.J Pharm

7、 Sci.2008,97(5):1813-1820;,影响极限过饱和度的因素,物质本身性质杂质搅拌（能量输入）各种场设备尺寸,绝对过饱和度C相对过饱和度过饱和系数S,工业上，结晶过饱和系数S在,结晶动力学,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,结晶过程,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（成核）

8、，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。,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,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。,结晶动力学,过饱

9、和度与粒度分布的关系,结晶类型,C,T,来源：dynochem model library,基础物性,热量衡算,工业连续结晶系统信息反馈图,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,结晶工艺开发策略,工艺开发流程,结晶方式,参考文献：Kramer,H.J.M.,S.K.Bermingham and G.M

10、.van Rosmalen(1999).Design of industrial crystallizers for a given product quality.J.Crystal Growth.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

11、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！,常用结晶器,FC,DTB,OSLO,结晶器选型基本原则,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

12、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,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

13、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 2000 m3/h,晶体尺寸 0.4 mm

14、,在流化床结晶器内的晶体分布,1500 m3/h,2000 m3/h,2500 m3/h,3000 m3/h,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）,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

15、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1.021.05温差12，最好8换热管最好抛光管内流速1.2m/s混合很重要动设备的设计很关键，尤其注意泵的吸程和扬程,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,相关资料共享网址（用ie浏览器打开，双击可下载）：课件下载网址：http:/=465171&uk=3691310242,谢谢,王彦飞 博士 副教授天津科技大学 海洋科学与工程学院 工业结晶与颗粒过程研究室电话：信箱：,