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1、 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 工业结晶过程工业结晶过程主讲教师：杨亦文工学博士/教授，博导浙江大学化工系制药工程研究所E-mail: Tel: 13588738628(538628)2012.111 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 一、工业结晶概论 Chapter 1 Overview of Industrial Crystallization结晶在工业上的应用
2、Utilization of Crystallization in Industries结晶产品的表征 Characterization of Crystalline Products溶解度和过饱和度 Solubility and Supersaturation2 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 二、成核 Chapter 2 Nucleation初级成核 Primary Nucleation二次成核 Secondary Nucleation工业结晶
3、器中的成核 Nucleation in Industrial Crystallizers3 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 三、晶体生长 Chapter 3 Crystal Growth晶体生长过程 Process Involved in Growth of Crystals总的晶体生长过程 The Overall Crystal Growth Process总的晶体生长动力学 The Overall Growth Kinetics生长弥散 Gro
4、wth Dispersion4 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 四、粒数衡算概念 Chapter 4 Population Balance Concept结晶系统数学模型 Mathematical Model of Crystallization systems粒数衡算 Population Balance通用粒数方程 The General Population Equation分布矩 Moments of The Distribution平均粒
5、度 Average Sizes变异系数 Coefficient of Variation5 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 五、混合悬浮混合产品取出结晶器：一种理想方式 Chapter 5 Mixed Suspension Mixed Product Removal Crystallizer-An Idealized Configuration混合悬浮混合产品取出概念 Mixed Suspension Mixed Product Removal C
6、rystallizer ConceptMSMPR方式的粒数衡算 Population Balance for The MSMPR ConfigurationMSMPR结晶器的粒数密度分布当晶体生长速度与粒径无关时 Population Density Distribution for MSMPR CrystallizerSize Independent Crystal Growth RateMSMPR结晶器的粒数密度分布当晶体生长速度与粒径有关时 Population Density Distribution for MSMPR CrystallizerSize Dependent Cryst
7、al Growth Rate6 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 六、粒数影响因素 Chapter 6 Population Functions与MSMPR结晶方式的偏差 Deviations from The MSMPR Crystallizer Configuration分级 Classification7 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industr
8、ial Crystallization 七、结晶动力学的求取 Chapter 7 Derivation of Crystallization Kinetics纯粹结晶动力学的求取 Derivation of Pure Crystallization Kinetics就外推得到的粒数密度数据的解释 Interpretation Population Density Data Obtained Resorting to Extrapolation受粒数函数影响的结晶动力学的求取 Derivation of Crystallization Kinetics from Distributions Af
9、fected by Population Functions8 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 八、结晶过程中的物理传递现象 Chapter 8 Physical Transport Phenomena in Crystallization均相液体的混合 Mixing of Homogeneous Liquids固液悬浮物的混合 Mixing of Solid/Liquid Suspensions固液悬浮物中的传质 Mass Transfer in
10、 Solid/Liquid Suspensions搅拌槽中的传热 Heat Transfer in Agitated Vessels9 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 九、结晶系统的取样和分析 Chapter 9 Sampling and Analyzing Crystallizing Systems液相样品的取样和分析 Sampling and Analyzing Liquid Phase Samples固相样品的取样和分析 Sampling a
11、nd Analyzing Solid Phase Samples10 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 十、结晶器设计中基本原理的应用 Chapter 10 The Use of Fundamental Principles in Crystallizer Design 1、物料衡算用于确定结晶器体积 The Use of Mass Balance to Formulate Crystallization Volume 2、粒数衡算概念用于表征产品晶
12、体粒度分布 The Use of The Population Balance Concept to Characterize Product Crystal Size Distributions 3、工业结晶器中结晶动力学与操作条件的相互作用 Interactions Between Crystallization Kinetics and Operation Conditions in Industrial Crystallizers 4、工业结晶过程中的技术问题 Technical Problems in Industrial Crystallization11 工业结晶过程工业结晶过程
13、浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 十一、面向设计的结晶动力学：从小型实验取得的结晶动力学在结晶器设计上的应用Chapter 11 Design Oriented Crystallization Kinetics Obtained in Small Scale Experiments for Crystallization Design1、取得面向设计的结晶动力学的标准过程 Standardized procedure to derive design oriented cr
14、ystallization kinetics2、标准结晶动力学在结晶器设计中的应用 The Use of Standard Crystallization Kinetics in Crystallizer Design从小型实验取得的结晶动力学用于大型结晶器设计 The Use of Crystallization Kinetics Obtained in Small Scale Experiments for Design of Large Crystallizers12 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶
15、过程 Industrial Crystallization 十二、间歇结晶器设计 Chapter 12 Design of Batch Crystallizers间歇结晶操作的概念 Concept of Operation in Batch Crystallization间歇结晶的一个循环 Description of A Cycle in Batch Crystallization间歇过程的结晶周期 Description of A Crystallization Period in A Batch Cycle间歇与连续操作的比较 Comparison of Batch and Contin
16、uous Operation不稳定粒数衡算 The Unsteady State Number Balance加晶种间歇结晶器设计：能量传递的最佳控制 Design of Seeded Batch Crystallizers Featuring on Optimal Control of Energy Transfer13 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 十三、连续搅拌槽式结晶器设计 Chapter 13 Design of Continuous
17、Stirred Tank Crystallizer混合产品取出的连续全混结晶器的设计 Design of Continuous Well Mixed Crystallizers with Mixed Product Removal强制内循环连续蒸发结晶器设计 Design of Continuous Evaporative Crystallizers with Forced Internal Circulation细晶消除的全混结晶器设计 Design of Well-Mixed Crystallizers with Fines Removal分级产品取出的全混结晶器设计 Design of
18、Well-Mixed Crystallizers with Classified Product Removal同时消除细晶和分级产品取出的全混结晶器设计 Design of Well-Mixed Crystallizers with Simultaneously Operative Fines Destruction and Classified Product Removal14 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 十四、强制循环蒸发结晶器设计 C
19、hapter 14 Design of Forced Circulation Evaporative Crystallizer引言与工作原理 Introduction and Principles of Operation蒸发结晶衡算 Balances in Evaporative Crystallization固体分级 Solids Classification与粒径有关的晶体生长速率 Size Dependent Growth Rates浓度推动力分布 Distribution of Concentration Driving Force液相流动模型 Liquid Phase Flow M
20、odel推动力衡算 Driving Force Balances区域停留时间 Sectional Residence Times拟粒径有关晶体生长速率估算 Evaluation of Pseudo Size-dependent Growth Rates晶体粒径分布预测 Prediction of Crystal Size Distribution15 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 十五、晶浆处理：结晶器-离心机-干燥器系统分析 Chapter 1
21、5 Slurry Handling: An Analysis of The System Crysallizer-Centrifuge-Dryer管道设计 Design of Pipe Lines阀门选择 Choice of Valves晶浆预浓缩设备 Magma Prethickeners脱水设备 Dewatering Equipment干燥设备 Drying Equipment16 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工业结晶过程 Industrial Crystallization 参考书目 References
22、Mullin,J.W., Crystallisation, 2nd ed. Butterworths, London, 1972. TQ026.5/YM1中译本：胡维杰、宁桂玲等编译，结晶过程。大连：大连理工大学出版社， 1991。TQ026.5/H2Jancic, S.J.and P.A.M.Grootscholten, Industrial Crystallization. Delft University Press, Delft, Holland, 1984. TQ026.5/YJ1苏联E.B.哈姆斯基著，古涛、叶铁林译，化学工业中的结晶。化学工业出版社，北京，1984。TQ026.5
23、/H1丁绪淮、谈遒著，工业结晶。化学工业出版社，北京，1985。Journal of Crystal Growth.Tung, H.H., Paul, E.L., Midler, M, McCauley, J.A., Crystallization of Organic Compounds: An Industrial Perspective. New Jercey: John Wiley & Sons, 2009. 17 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所第一章第一章 工业结晶概论工业结晶概论1.1结晶在工业上的应
24、用结晶在工业上的应用 化工、食品、医药、冶金等多领域1.2结晶产品的表征结晶产品的表征 纯度&强度 形状&外观 晶体粒度分布众数 mode中值 median size平均尺寸 mean size变异系数 CV18 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 1.1 Illustration of maximum supersaturation and growth rate at which sound and pure crystals free from inclusions can be obtained.
25、19 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 1.2 Typical cumulative undersize weight distributions obtained in continuous crystallization.Figure 1.3 The relative percentage frequency curve showing commonly used average sizes.20 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药
26、工程研究所CV%(标准差 standard deviation/平均尺寸 mean size)100% 21 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所1.3 溶解度和过饱和度溶解度和过饱和度 Figure 1.4 Solubility curve for a typical substance. 22 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Gibbs-Thomson 方程 CLC*exp (MY/RTcL) eq.(1.1)式中参数： CL: 粒径为
27、L的粒子的溶解度, kg/kg solution C*: 大粒子的溶解度, kg/kg solution M: 分子量, kg/kgmolK Y: 固体粒子的表面能, J/m2 R: 气体常数, J/molK c: 晶体密度, kg/m3 T: 绝对温度, K L: 晶体尺寸, m 23 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所第二章第二章 成核：机理及来源成核：机理及来源成核机理可以区分成核机理可以区分为以下几种情况：以下几种情况：成核 Nucleation初级成核 Primary二次成核 Secondary均相成核 H
28、omogeneous多相成核 Heterogeneous24 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所2.1 初级成核初级成核 Figure 2.1 The analogy of the states of stability between a simple mechanical system and a crystallizing system.25 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 2.2 Free energy diagra
29、m for homogeneous nucleation indicating the existence of a critical nucleus.均相成核：G kaL2 + kvL3(G)v （2.3）26 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所ka 表面形状因子：定义：表面积=ka L2kv 体积形状因子:定义：体积=kv L3L为晶体特征尺寸对于球形颗粒，面积=d2，如果以d为特征尺寸，则ka= ；体积= /6d3 ，如果以d为特征尺寸，则kv= /6。对于立方体颗粒，面积=6d2，如果以边长d为特征尺寸，则k
30、a=6；体积= d3 ，如果以d为特征尺寸，则kv=1。27 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所对式(2.3)求最大值，得：Lc= -2ka/3kv(G)v - - - - - - - - - - (2.5) 得临界尺寸：28 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所多相成核：0，cos1，GHET0 complete affinity0180 ， GHET1时：Gcg -(3.10)43 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制
31、药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所3.3 总的晶体生长动力学总的晶体生长动力学 与尺寸有关的晶体生长 Figure 3.3 Effect of crystal/solution relative velocity on thegrowth rate of (111) face of potash alum crystals at32 McCabes L定律 44 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所G(111)=6.2410-4v0.65cg -(3.11)（111）晶面的生长速率关联式：=16L
32、0.63cg -(3.12) 流化床中得到的生长速率关联式：45 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 3.4 Comparison between face growth rates of single crystals(smooth curve) and overall growth rates obtained in afluidized bed crystallizer 46 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure
33、 3.5 The effect of crystal size L on the overall growthrate of potash alum at 30 47 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 传质和表面结合阻力对晶体生长的相对贡献推导 concentration driving force mass transfer surfaceintegrationcrystal/solutionhydrodynamics temperature and impuritiesoverall growth rateFi
34、gure 3.6 Schematic representation of influences exerted by the growth environment upon processes involved in crystal growth.48 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所假定溶解过程仅仅由传质控制，则： Figure 3.7 Crystal dissolution kinetics for potash alum at 3049 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江
35、大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 3.8 Surface integration kinetics for potash alum crystals at30. The dotted lines indicate overall growth rates fromwhich these were derived 50 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 3.9 Surface integration kinetics for potash alum crystals at 30 as
36、a function of crystal size and supersaturation 51 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 对于总生长动力学、溶解动力学和表面结合动力学对过饱和度都是一级的情况，可以用下式计算总速度常数： Figure 3.10 Percentage of the total resistance to crystal growth offered by volume diffusion and surface integration process as a function of cr
37、ystal size for potash alum at 30 52 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 晶体生长速率表达式 McCabe and Stevenss model ：G=dL/dt=1.7710-3Lav1.1(c-c*)1.8 (3.15)Bransoms model dL/dt=aRebcn (3.17) 连续结晶器中简化为：dL/dt=avbcn (3.19) dL/dt=aLbcn (3.20) 或53 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所
38、浙江大学制药工程研究所Canning and Randolphs modelG=G0(1+a1L+a2L2+anLn) (3.21) Abegg,Stevens and Larsons model (ASL model) G= G0 (1+L)b ，b1，L0 (3.22)3.4生长弥散生长弥散 在固定过饱和度下，生长速率可以有很大变化。这种现象称为生长速率弥散。54 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所第四章第四章 粒数衡算概念粒数衡算概念4.1 结晶系统的数学模型结晶系统的数学模型 结晶器模型由基于基本原理的方程组
39、和一个经验生长速率方程组成，为空间和时间的函数。这些一般方程组可以根据具体情况简化。 55 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 4.1 Schematic representation of countercurrentflow between crystals and mother liquor withparameters distributed in axial direction aperfectly classified fluidized bed crystallizer.56 工业结晶过程工
40、业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 4.2 Schematic representation of a well mixed crystal/solution systemwith lumped parameters a perfectly mixed crystallizer. 57 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所ModelSolution Concentration ParametersCrystal Concentration Pa
41、rameters1stirred tanklumpedlumped2fluidized beddistributed in axial directiondistributed in axial direction3not considered in literaturedistributed in axial directionlumped4not considered in literaturelumpeddistributed in axial direction表4.1 几种理想情况 第一种情况又可以按照产品取出方式分为二种类型，即： a) 混合悬浮混合产品取出结晶器 b) 混合悬浮分
42、级产品取出结晶器58 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所4.2 粒数衡算粒数衡算 整个结晶器系统的粒数守恒定律可以写成： Nin - Nout = Naccumulation (4.1) 对于晶体尺寸为l的晶体，总粒数衡算就是： Nin |l- Nout|l= Naccumulation|l (4.2) 由于晶体数在结晶系统内随点和点而不同，所以要考虑粒数密度，严格讲是频率粒数密度：59 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所在稳态操作的结晶系
43、统内，晶体总数是： 总粒数密度：平均粒数密度： n(l)=N(l)/V (4.5) 单位悬浮体积的晶体数是： 60 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所4.3 一般粒数方程一般粒数方程 作出下列假设：u 悬浮物占据可变体积V，被限制在固定 边界和自由重力表面中 u 悬浮物进出物流可以认为在径向混合，但 悬浮物本身不必是均匀的 u 悬浮物中的颗粒在给定的粒径范围内和给 定的悬浮体积单元内连续分布 61 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figu
44、re 4.3 Schematic representation of a flow system containing an arbitrary suspension of particles undergoing various population events.62 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 当晶体粒数守恒定律用点粒数密度 表示时，对于图4.3的方式可得： (4.7) 式中参数：n： 粒数密度，litre-1m-1 ：点(x, y, z)处粒径范围L到L+dL的晶粒数 Q：悬浮液体积流率 i, o：下
45、标，表示进口和出口 B(L)：体积微元dV内的二次成核，因此B(L)dL是单位体积单位时间产生 的L到L+dL 范围的晶粒数 A(L)：体积微元dV内的磨损，因此A(L)dL 是单位体积单位时间产生的L 到L+dL 范围的晶粒数 D(L)：体积微元dV内的破碎，因此D(L)dL 是单位体积单位时间由于破碎 产生的L到L+dL 范围的晶粒数；对于因破碎而消失的晶体群可以 认为是负值 63 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所(L)：体积微元dV内的细晶消除，因此(L)dL 是单位体积单位时间由于细晶 消除而消失的L到L+
46、dL 范围的晶粒数 M(L)：体积微元dV内的聚集，因此M(L)dL 是由于聚集而产生的L到L+dL 范围 的晶粒数；对于因聚集而消失的晶体群可以认为是负值 P(L)：体积微元dV内的选择性产品取出，因此P(L)dL 是从体系选择性取出的L 到L+dL 范围的晶粒数p 式4.7左边全微分并重排，得到： 合并式4.7和4.8并重排得到： 64 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所对于任意范围L1到L2的颗粒，式4.9都应恒等于零，因此： 式4.10为任意悬浮颗粒的一般粒数衡算方程。 在稳态条件下，所有时间导数都为零；又如
47、进料中可能不含晶体，则ni0。 如果结晶器是全混的，则点粒数密度 可用平均密度n代替，即：65 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所4.4 分布矩分布矩 -zeroth moment (the total number of crystals per unit volume of crystal suspension) (4.13)-first moment (the total length of crystals per unit volume of crystal suspension) (4.14)-secon
48、d moment (multiplied by a surface factorgives the total crystal surface area per unit volume of crystal suspension) (4.15)-third moment (multiplied by a volume factor gives the total volume of crystals per unit volume of crystal suspension, i.e., volume fraction of solids) (4.16)66 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制
49、药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所有几种方法用分布矩来表示晶体粒度分布，即: 67 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所累积重量百分数(式4.23)是最常用的表达粒径分布的方法。 68 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 4.4 Typical cumulative undersize weight distributions obtained in continuous crystal
50、lization.69 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所4.5 平均尺寸平均尺寸 Figure 4.5 The relative percentage frequency curve showing commonly used average sizes.70 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 众数：最频繁发生的值通过相对频率曲线的最高点，即该值处的频率密度最大。 对于重量分布的情况，有： 中值：图4.5中的中线将曲线下的面积分为相等的
51、二部分，即累积频率曲线的50尺寸处。对于重量分布的情况 ： 平均值：平均值的垂直线通过与分布曲线相同形状的均匀厚度和密度的纸的重心 。重量分布下：71 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所4.6 变异系数变异系数 标准偏差可以表示成分布均值的百分数，这个百分数就叫做变异系数。 从粒数密度分布求变异系数的推导 变异系数定义为：重量分布的标准偏差为：72 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所因此，变异系数可以用分布矩表示如下： 从实验数据估算变异系
52、数 Figure 4.6 Size distributions for various products from “Oslo” crystallizers 73 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所For cumulative weight percent undersize：For cumulative weight percent oversize： 这种方法严格讲只适用于累积尺寸百分数曲线在算术概率坐标纸上为直线的情况。 74 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程
53、研究所浙江大学制药工程研究所第五章第五章 混合悬浮混合悬浮-混合产品取出结晶器混合产品取出结晶器 5.1混合悬浮混合产品取出结晶器概念混合悬浮混合产品取出结晶器概念 Figure 5.1 The continuous MSMPR crystallizer model.75 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所5.2 MSMPR方式的粒数衡算方式的粒数衡算 一般粒数衡算方程76 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所进一步简化可得：对于MSMPR，
54、一般粒数衡算方程（式4.10）简化为：77 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所5.3 MSMPR结晶器的粒数密度分布结晶器的粒数密度分布当晶体当晶体 生长速度与粒径无关时生长速度与粒径无关时 对于MSMPR方式，稳态操作，生长速率与晶体尺寸无关的情况，式5.2进一步简化成： 积分得 ：式5.4 表明ln n 与晶体尺寸L成直线关系。 78 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 5.2 Experimental sodium chl
55、oride MSMPR crystallizer (a) with a typicalpopulation density plot (b) obtained at steady state 79 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 MSMPR结晶器中的众数 合并式4.25和式5.4得到: LM3G （5.6） MSMPR结晶器的中值 结合式4.26和式5.4得到： Lm3.67G （5.8）80 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 MSM
56、PR结晶器的平均值 合并式4.27和式5.4得到: MSMPR结晶器的变异系数 合并式4.31和式5.4得到： CV50 (5.11) 81 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 MSMPR结晶器的悬浮密度 合并式4.16和式5.4得到： 5.3 MSMPR结晶器的粒数密度分布结晶器的粒数密度分布当晶当晶 体生长速度与粒径有关时体生长速度与粒径有关时 几个假设： a) 所有晶体的形状相似，可以用一个特征尺寸L表示 b) 线性生长速率与尺寸有关，可用ASL生长速率模型表示 82 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研
57、究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所G(L)=G0(1+L)b for b1, L0 c) 晶体的聚集、磨损、破碎不发生 将式5.2与ASL模型合并，并积分，得到: 当 b=0时，式5.14就表示与尺寸无关的生长速率的粒度分布。 如果定义为1/G0，将G0代入式5.14得到: 83 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所式5.15取对数，得到： 当 b=0，式5.16就简化成式5.4。式5.16可以简化成无因次形式： 令y=n/n0 (5.17) x=L=L/ G0 (5.18) 则式5
58、.16可以写成 84 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 5.3 Dimensionless population density distributions for the MSMPR configurations at conditions of size dependent crystal growth 85 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 5.4 Typical population density pl
59、ot obtained in the1.3 litre continuous MSMPR crystallizer forpotash alum/water system at 30 86 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 面积分布函数 面积分布函数a(L)可以定义为单位悬浮体积的尺寸为L的晶体的总面积，即: a(L)=kanL2 将式5.15代入并无因次化，得：其中y(a)为 无因次面积分布，定义为2a(L)/kan0。 87 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研
60、究所浙江大学制药工程研究所Figure 5.5 Dimensionless area distribution function for a steadystate MSMPR crystallizer (equation 5.20) showing thewidening effect of size dependent crystal growth rateon the product crystal size distribution 88 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 重量分布函数 重量分布函数w(L)
61、可以定义为单位晶体悬浮体积内尺寸L的晶体的总重量，即：w(L)=nL3kvc将式5.15代入并无因次化，得：其中：89 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 5.6 Dimensionless weight distribution function for a steadystate MSMPR crystallizer (equation 5.21) showing thewidening effect of size dependent growth rate on theproduct crysta
62、l size distribution 90 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 重量分布函数也可以用分布矩表示。累积重量百分数是最常用的方法。 将式4.23与式5.15合并，并整理成无因次形式，得到： 91 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所第六章第六章 粒数影响因素粒数影响因素6.1偏离偏离MSMPR结晶器方式结晶器方式 大规模工业结晶器中通常不能满足前面采用的简化条件。Figure 6.1 Typical population den
63、sity plots obtained in the 1500 litre NaCl crystallizer for two different suspension levels with reference to the centre line of tangential inlet92 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所大规模氯化钠结晶器中的粒数密度分布的特征是： u 尺寸小于约100m时，粒数密度随晶体尺寸减小而迅速增加。 u 尺寸在约100m 和300m 之间有一个平台，显示一个最高点 和一个最低点。 u
64、 尺寸大于约300m 时，粒数密度随晶体粒度增加迅速降低。 u 根据操作条件的不同，分布的头尾部分斜率以及平台部分宽度 可以不同，但上图所示的特征形状却保持不变。几点考虑：u 大规模氯化钠结晶器偏离MSMPR方式，而55升的小规模结晶 器接近MSMPR方式； u 粒数函数在起作用，而在55升的小规模结晶器中粒数函数可能 被抑制了； 93 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所u 外循环方式可能会使不同尺寸的晶体选择性地暴露在过饱和度 的空间变化中，这会导致拟尺寸相关的生长。6.2 分级分级 固体内部分级 结晶器产生内部分
65、级是流动状况的结果。内部分级导致拟尺寸相关生长速率。 如果固相和液相的密度差较大，以及产品晶体较大，则很难达到全混悬浮。晶体容易偏离液体流线，这就会导致分级。包括内部分级，细晶消除和分级产品取出。 修正总粒数衡算： 94 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所也即：平均晶体停留时间可以写成： 引入分离系数的概念： l=Vi/Qo = V/Qo (6.5) 其中平均生长速率定义为： 95 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所代入式6.3得到： 合并
66、式6.2和式6.7并重排得到： 从上式可以得出产品晶体粒度分布图的斜率： 类似地结晶器内的混合粒数密度图的斜率可以写成： 96 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所平均生长速率可以用各体积单元的晶体停留时间i表示： 其中i = Vi /Qonp (6.12) Figure 6.2 Schematic representation of various geometries concerning inlet and outlet in forced circulation crystallizers97 工业结晶过程工业
67、结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 6.3 The influence of the inlet and outlet configuration on classification and obtained crystal size distributions at identical conditions for tangential and reversed operation 98 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 6.4
68、 The influence of the inlet and outlet configuration on classification and obtained crystal size distributions at identical conditions for tangential and double radial inlet configuration 99 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 内部液体非理想分布 针对图2所示结晶器的液体分布模型： Figure 6.5 Reactor in se
69、ries concepts proposed to account for liquid flow encountered in inlet/outlet crystallizer configurations presented in Figure 6.2 100 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 6.6 Evaluated pseudo size dependent growth rates arising from spatial variations in supersaturation for
70、 each design configuration 101 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 外部分级 细晶消除 为了使结晶器能在高过饱和度下运行，以高生产率产生大晶体，就不能允许过多的晶体与之竞争过饱和度。因此，细晶应该从结晶系统选择性消除。 Figure 6.7 Schematic representation of a crystallizer featuring annular settling zone to effect fines removal and destruction thereof th
71、rough dissolution (a DTB-Draft Tube Baffled crystallizer concept)102 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 6.8 1 m3 DTB crystallizer used for the study of fines removal103 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所定义分级系数：(L）nA(L)/n(L) (6.13)Figure 6.9 The effec
72、t of fines withdrawal rate on classificationcoefficient in DTB crystallization 104 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 6.10 The effect of the height of settling zone in classificationcoefficient in DTB crystallization 105 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药
73、工程研究所产品分级 产品分级的目标是取出较大和较均匀的产品晶体。通常在 集盐器或淘析腿中实现。Figure 6.11 Schematic representation of elutriation device, used to classify product in continuous crystallization of sodium chloride 106 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所分级系数定义为：p(L）nc(L)/np(L) (6.14)Figure 6.12 Product classific
74、ation parameters obtained for elutriation leg device shown in Figure 6.11 for different levels of clear liquor advance 107 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 6.13 Effect of the level of clear liquor advance to classification device on the coefficient of variation of produ
75、ct withdrawn 108 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 6.14 Effect of the level of clear liquor advance on the median size of product withdrawn 109 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 磨损 磨损的大部分原因是与晶体的高能机械接触，如叶轮、泵、运动部件与静止部件之间小余隙等。 Figure 6.15 Crystal size
76、 distribution developed from a narrow fraction of seeds having undergone attrition during 120 seconds at conditions of 540 rpm and with suspension density of 20 kg/m3 110 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 6.16 Crystal size distributions developed from two different sieve
77、 fractions having undergone the same attrition history during 120 seconds at 540 rpm and with suspension density of 20 kg/m3 111 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 聚集 颗粒聚集可由两种方法定量，即聚集度和聚集速度。聚集度是指给定时间下样品中聚集粒子占总粒子的百分数。聚集速度是指颗粒聚集反应与时间的关系。操作参数对聚集速度的影响 u温度u湍流u晶浆密度u过饱和度u颗粒粒径分布u停留时间u试
78、剂纯度u结晶器和搅拌器材质112 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所聚集的实验定量 RUNagglomerate content %productionratekg sugar/m3hevaporationratekg vapour/m2htemperature differencefeed crystallizer remarks1 (5 runs)90-100350-400200-28020-24adiabatic operation2 (10 runs)50-80150-300100-18010-15adiab
79、atic operation3 (15runs)90-100350-700280-5407-8partial heat input4 (5 runs)40-60150-300140-2802-4partial heat input 结论：结论：低平均过饱和度和没有高的局部过饱和度导致低聚集的产品晶体。 Table 6.1 Agglomerate content in the fraction 1.4L20m时，n()=0以及B(L)=0，可用下式求取生长速率： G(L)=N(L)/n(L), L20m (7.14) 128 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙
80、江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 从分布变化求晶体生长速率 方法是这样的：让一定分布的细晶在严格控制的条件下生长，通过分布的变化求取晶体生长速率。累积粒数筛上分布特别适合此目的。 Figure 7.8 Determination of crystal growth rate fromTransients of the cumulativenumber over size distribution129 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所N1N2组的晶体平均生长速率成为： 即 如果尺寸范围L1到L2取得足够小
81、，以致于代表一组相同尺寸的晶体，即L1= L2，则，假设没有生长弥散，L1 = L2，N1= N2就是尺寸大于L1= L2的晶体数目。这样式7.16成为： 因此，晶体生长速率可以由累积筛上分布的二个变化的同一坐标下的位移L算出。 130 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 7.9 Cumulative weight over size percentage crystal sizedistribution as developed during a typical growth run131 工业结晶过程
82、工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 7.10 Cumulative number over size distribution and derivationof crystal growth rates for a typical run (after Jancic,Doctors Thesis, University of London, 1976)132 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所第八章 结晶过程中的物理传递现象8.1 均相液体
83、的混合均相液体的混合 均相液体混合中碰到的现象与有悬浮固体存在下的现象是相似的。均相液体混合时会碰到混合是否均匀、是层流还是湍流混合、要用什么搅拌器、需要多少功率这些问题。8.2 固液悬浮物的混合固液悬浮物的混合 结晶系统中固液搅拌的最重要任务是使晶体颗粒处于悬浮状态，和通过在液相产生湍流而促进相际传质。所以对工程师来说，最主要的是要解决二个问题，即预测结晶固体的悬浮条件，估计功率消耗。133 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所8.2.1 悬浮准则悬浮准则 在搅拌槽中，为了使固体悬浮，槽底的液体流速要大于固体颗粒的终
84、点速度。为了达到这个目标，需要考虑下列因素： a) 颗粒-流体性质 1)颗粒与流体密度差 2)流体粘度 3)颗粒尺寸和形状 b）固体浓度 134 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所悬浮准则悬浮准则c)几何形状 1)叶轮型式 2)叶轮离底部高度 3)叶轮与容器尺寸比 4)液体深度 5)容器形状 6)多个叶轮d)放大问题 135 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 Zwietering 1958年对固体在搅拌槽中的悬浮准则进行了大量的研究。他用
85、无因次分析法处理实验数据。他得到的关联式如下：NJS：所有颗粒都刚好悬浮的最小搅拌器转速 ：运动粘度 L : 颗粒直径 : 流体密度:颗粒与流体密度差 X: 固体在悬浮液中的浓度，wt% ds: 搅拌器直径 g: 重力加速度 式8.1中的S是一个无因次常数，与搅拌器型式和几何形状有关。136 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所图 8.1举例说明固体悬浮条件。Figure 8.1 An example of conditionsat which complete suspension of solids is atta
86、ined for a) = 700 kg/m3 andb) = 300 kg/m3; (Dimensions of the tank: T=2.3 m, ds=1.2 m, tank containing10,000 kg solution with 20% solidsby weight)137 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所8.2.2 固液搅拌中所需功率固液搅拌中所需功率 对给定的固体悬浮液所需功率可以用叶轮周围的平均液体密度估算 Ps: 所需功率 Pv: 叶轮的功率因数 NJS: 颗粒悬浮的最小叶轮转速 d
87、s: 叶轮直径 :平均密度，定义为 =c+(1-) - (8.3) : 固体的体积分率 c : 晶体密度138 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所8.3 固液悬浮体系中的传质固液悬浮体系中的传质 固液悬浮物的传质可用许多关联式表示，下式只是其中之一： Sh=2.0+0.552 Re1/2 Sc1/3 -(8.4)Sh=kdL/D Sherwood数，Re=vL/ Reynolds数，Sc=/D Schmidt数。式8.4经常用于结晶系统内的传质关联。139 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工
88、程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 为了较简便地求出搅拌槽中的Reynolds数，Levins和Glastonbury于 1972年提出用单位质量的输入功率来表示搅拌系统的湍流程度。 对于低和中等密度材料，发现下列方程可以在广泛的范围内与 实验数据相符单位质量功率消耗 ，m2/s3 当密度差较大时，传质可用类似于强制对流传递的方程描述 速度项用产生滑移速度 代替 140 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所即产生滑移速度由以下三部分组成：1）中性密度粒子的有效速度，vE，产生于颗粒表面周围的 速度梯度
89、 2）颗粒终点速度，vt，对于湍流流体小于静止液体中的沉降速度。在缺乏任何预测沉降速度的减少程度的方法之前，终点速度可假设等于表观沉降速度。 3）附加滑移速度，vs，由颗粒与流体的惯性差而产生。 vs的值小于沉降速度，在多数计算下， vs/vt可取0.2，不会导致精度有很大损失。 141 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所8.4 搅拌槽中的传热搅拌槽中的传热 要强化工艺物料的传热，就要强化物料主体以及传热表面的运动。对多数工业应用来说，这种运动靠泵驱动或物料流过固定表面来实现。所以工业上有各种各样的搅拌器。这些搅拌器
90、大体上可以分为二类：a）非触壁搅拌器。搅拌器叶片周缘与传热表面有一定距离。b) 触壁搅拌器，搅拌器叶片贴近或刮过传热表面。 142 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所第九章第九章 结晶系统取样和分析结晶系统取样和分析模型与实际系统是否符合，可以通过收集实验数据，然后与模型预测的数据进行比较来判断。在结晶系统中，要收集的数据是溶液过饱和度和晶体粒度。为了考察溶液过饱和度和晶体粒度的变化规律，需要在结晶器内的不同位置来取溶液和晶体样品。样品还要经过处理以适应分析方法的要求。143 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程
91、研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所取取样技技术应该满足下列要求足下列要求： 取样区的体积最小被取样溶液的温度必须足够精确地测出 取样器的结构和形状应该对流动方式，不管是晶体或者溶液，引入最小的流体力学扰动 取样器最好应该能用于同时抽取晶体和溶液样品 处理理样品品时必必须保保证样品的真品的真实性性。这条原条原则在在结晶系晶系统中往往中往往难以达到。以达到。 144 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所non-representativewithdrawal Sampling Liqu
92、id Solids non-representative withdrawal mechanical damage to solids Handling of a sample Liquid Solids loss in authenticity through nucleation, growth, dissolution, agglomeration, breakage, etc. loss of solvent through evaporation gain of solute through dissolution loss of solutethrough nucleation a
93、nd growth AnalysisLiquid Solids systematic and nonsystematic errors systematic and nonsystematic errors Figure 9.1 Illustration of sources of errors145 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所9.1液相液相样品的取品的取样和分析和分析 结晶过程中液相样品的取样和分析对测定浓度推动力至关重要。取样时间和处理时间要减小到最低限度，从母液中分离晶体要快速有效以便使取样后的相变过程
94、减到最低。9.1.1 液相取液相取样技技术 Figure 9.2 Schematic representation of sampling device used for in situseparation of supersaturated solutionfrom growing crystals146 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 9.3 Sampling device designed to take point samplesof liquid and solids from a susp
95、ension 147 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所9.1.2过饱和度和度测定定 结晶推动力可以定义为浓度推动力或过饱和度。在这里，我们将浓度推动力表示成： c = c-c* -(9.1)而将过饱和度表示成： =(c-c*)/ c* -(9.2)式中c ： 溶液浓度c* ： 溶液平衡浓度c： 溶液浓度c*：溶液平衡浓度 ： 过饱和度148 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所测量过饱和度的技术基于两种情况 a）直接测量b）间接测量溶液的电
96、导率 蒸发至干 测量密度和折射率 149 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所150 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所过饱和度和度测量精度估算量精度估算 第一种情况下最大百分误差为 式中 c 和 c* 分别是c 和 c* 的95置信限 过饱和度: 浓度推动力(c-c*)相对过饱和度:（c- c*）/c*。151 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所对于钾明矾体系：c
97、 0.00014 kg水合物/kg溶液c* = 0.00016 kg水合物/kg溶液因此c =0.0003100/(c-c*)-(9.4)152 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所第二种情况下最大百分误差为：式中， 是待测的过饱和度代入c*，c，c*的值， 式9.5变成 9.6：153 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 9.5 The maximum percentage errors involved in the dete
98、rmination of the concentration driving force and the supersaturation using the technique described154 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所9.1.3 密度的快速和准确密度的快速和准确测定定 密度不像其他有些物性那样对温度很敏感，所以可以快速准确地测出。最准确的方法是比重瓶法、流体静力学方法、磁浮力方法等。用现成的密度计测定是最快的。但密度计种类很多，应用场合不同，应仔细选用。155 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药
99、工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所9.2 固相固相样品的取品的取样和分析和分析 9.2.1 从从悬浮液中取固体浮液中取固体样 一般认为有二个因素决定从搅拌悬浮液中产品取出特征： 1）结晶器内悬浮液的均匀性 2）取出面附近的流体力学条件。取出面即晶体悬浮液通过该平面进入取样管线。 搅拌槽中能否均匀悬浮以及能否取出有代表性的样品，决定于容器的几何学、搅拌器转速、固液密度差、固体浓度和固体分布。然而，即使搅拌很好的情况下，在取出面附近的很小区域内颗粒浓度仍可能会与整个悬浮体积内的代表组成有很大差别。156 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大
100、学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所9.2.2 颗粒粒度分析粒粒度分析 粒度分析的复杂性很早就被认识到了。颗粒形状、密度、面积、不规则性、聚集、易碎性都是必须考虑的因素。 工业实际中遇到的大多数晶体粒度分布在临界晶核尺寸到几毫米范围内。在结晶过程研究和技术领域，一个可靠的方法是用筛分法测出100m以上的晶体粒度，用其它合适的方法测出小晶体的粒度。 筛分是最简单、最普遍的粒度分析方法。但筛分法只限于测定75m以上颗粒。测定小晶体尺寸的一种适宜技术是Coulter计数法。9.2.3 筛分分 也许最简单、应用最广的测定颗粒粒度分布的方法就是筛分了。9.2.4 库尔尔特特计数器
101、法数器法 157 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所第十章第十章 结晶器设计中基本原理的应用结晶器设计中基本原理的应用 Figure 10.1 Schematic representation of interrelationships between design targets in industrial crystallization and the corresponding design formulation158 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所
102、浙江大学制药工程研究所10.1利用物料衡算确定利用物料衡算确定结晶器体晶器体积 结晶器设计权衡两个要素：生产速率和生产质量Figure 10.2 Schematic representation of a crystallizer undergoimg isothermal evaporation159 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所对于等温于等温结晶器中清液晶器中清液进料、溶料、溶剂蒸蒸发的情况，的情况，图10.2 Qii = Qoo + Qcc + Qvv -(10.1)(clear feed）(produc
103、t solution) (product crystals) (evaporated solvent)（清液进料）（产品溶液）（产品晶体）（蒸发出的溶剂）总物料衡算为：结晶组分的物料衡算： QiiCi = QooCo + Ms(Qo + Qc) -(10.2) 晶浆密度QiiCi - QooCo = Ms(Qo + Qc) = Pc -(10.3) (per-pass yield) (slurry discharge rate) (production rate) （单程产率） （晶浆排出速率） （生产速率）重排160 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大
104、学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所为了满足一定的生产速率，需要的结晶器体积V为 V = ( Qo + Qc) = Pc/ Ms -(10.4) (slurry discharge rate) (residence time) 其中其中 Pc: 规定的生产速率(已知值); : 停留时间，决定于产品的平均粒度， Ms: 决定于物料衡算，也可以依据粒数衡算概念预测。 Ms = 6kvcn0G4 -(5.13)例如，对于全混釜(MSMPR crystallizer)，当晶体生长与粒径无关 时，稳态下的悬浮密度Ms是：161 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大
105、学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所10.2 利用粒数衡算概念表征利用粒数衡算概念表征产品晶体粒度分布品晶体粒度分布 大多数工业结晶器偏离理想情况。而只有在理想情况下粒数衡算方程才能有简单解。在工业实践中不太可能碰到理想搅拌槽(MSMPR),也不太可能碰到理想平推流情况。为了预测平均停留时间，需要知道严格的粒数事件知识或作简化假设。在最严格的情况下，可以用结晶动力学知识和粒数事件知识来得到晶体粒度分布。10.2.1利用粒数衡算概念利用粒数衡算概念预测平均粒径平均粒径 162 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所平均粒
106、径可以用下面几个方程求出平均粒径可以用下面几个方程求出(详见第四章第四章)众数LMdW(L)/dL=3kvcnL2 + kvcL3 dn/dL=0 -(4.25)中值Lm平均值163 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所在理想在理想搅拌槽（拌槽（MSMPR）的假）的假设下，可以以下，可以以牺牲精度牲精度为代价求解代价求解这个个问题，见表表10.1:方程5.6方程5.8方程5.10164 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所两套两套结晶器晶器 小
107、（小（Fig. 5.2a） 大（大（Fig. 6.1） 晶体粒度晶体粒度 分布分布图(Fig. 6.4) 为了估了估计将表将表10.1用于用于非非MSPMR的情况下的情况下产生的生的误差，我差，我们来看一下来看一下Grootscholten(1982) 的的实验结果（果（NaCl结晶）：晶）：强制外循环强制外循环和混合悬浮混合产品取出混合悬浮混合产品取出二种结晶器得到的中值比几乎总是在0.62左右 165 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所这样，将中值0.62和方程（5.8）结合，得到 结论结论: 强制外循环结晶器需
108、更长的停留时间才能得到与MSMPR结晶器相同的中值。这样，在相当的条件下，MSMPR装置的停留时间就只有强制外循环装置的约60。也就是说MSMPR装置的体积可以比较小，只需60。这是由于在强制循环结晶器中发生了分级。在分级产品取出的情况下，在产品质量和设备大小之间存在某种程度的妥协。LmFC=0.623.67G=2.28 G -(10.5)166 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所10.2.2 利用粒数衡算概念利用粒数衡算概念预测变异系数异系数 变异系数是对晶体产品偏离平均值的一种量度。变异系数通常对生产商和消费者都
109、非常重要，所以是产品规格的一个主要指标之一，甚至可以影响结晶器类型的选取 。 规定的变异系数对设计方式选择的影响示于图规定的变异系数对设计方式选择的影响示于图10.3：167 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 设计方式选定后，操作条件应该这样调节：增强增强或阻碍该结晶器类型固有的粒数函数或阻碍该结晶器类型固有的粒数函数。这就需要充分了解粒数函数，整个设计过程是一个迭代过程，最后使设计出的产品晶体粒度分布与规定值相符。整个过程必须用计算机才能完成。 CV计算公式是：式中分布矩Mi定义为 ：168 工业结晶过程工业结晶
110、过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所10.3工工业结晶器中晶器中结晶晶动力学与操作条件的力学与操作条件的相互作用相互作用 强调指出，强调指出，纯粹结晶动力学和粒数函数并不能独纯粹结晶动力学和粒数函数并不能独立规定和调节立规定和调节。不同的设计方式不同的设计方式 (要考虑两方面的问题）要考虑两方面的问题）; 对于每一种设计方式，要定量描述上述相互作用，对于每一种设计方式，要定量描述上述相互作用，就需要知道结晶器操作和系统约束以及所有速度过就需要知道结晶器操作和系统约束以及所有速度过程的动力学。程的动力学。169 工业结晶过程工业结晶过程浙江
111、大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 10.4 A flow diagram illustrating interrelationships between design specification, operating conditions and rate processes for an arbitrary design configuration170 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所工工业结晶器的一般晶器的一般设计原原则保证足够的搅拌以便在高过饱
112、和度区域维持希望的固体浓度。这样就会降低成核速率和结疤程度。 通过使晶体与晶体，晶体与泵或搅拌器之间的接触次数和接触强度最通过使晶体与晶体，晶体与泵或搅拌器之间的接触次数和接触强度最小化来实现搅拌。小化来实现搅拌。如果可能，避免表面冷却。就是说，避免使用热交换器。热交换系统如果可能，避免表面冷却。就是说，避免使用热交换器。热交换系统很有可能产生结疤问题很有可能产生结疤问题设计成避免内部分级，或设计成内部分级是明确规定的。在蒸发系统中，避免在热交换器表面发生沸腾，使结疤最少。 保持推保持推动力（即力（即过饱和度）在符合生和度）在符合生产需要的情况下尽可能小。非常需要的情况下尽可能小。非常长的停留
113、的停留时间通常不会通常不会产生更大的晶体，原因是生更大的晶体，原因是过度磨度磨损和二次成核。和二次成核。 171 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所其他其他可溶性添加剂有时可以抑制二次成核，因而增加颗粒尺寸 如果需要窄的粒度范围，可以用间歇过程，但必须操作在过饱和度的亚稳区极限以下，用窄粒度的晶体作晶种。必须仔细控制冷却和蒸发过程。如果需要产品完全符合规格，在设计结晶器之前，必须做大量的小型试验。 172 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所
114、10.4 工工业结晶晶过程中的技程中的技术问题 工工业业结结晶晶过过程程中中遇遇到到的的技技术术问问题题 晶浆管道设计 阀门选取 辅助系统和设备 泵和搅拌器的选择 建造材料的选择 原料液的进料方式 结晶悬浮液的取出方式 防止结疤防止结疤 （最基本的问题）（最基本的问题）173 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所10.4.1 工工业结晶器中的晶器中的结疤疤 A ) 结疤疤的定义的定义（） 结结疤疤的的后后果果及及危危害害：生产损失 能耗增加清洗费用 其他安全问题和设备损坏过程控制和产品质量 晶下腐蚀 过度设计 B )1
115、74 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 结疤的第一步是在壁面成核。成核过程受过饱和度、浆液流速、壁面粗糙度的影响。浆液流速和壁面粗糙度也决定晶体粘附到结晶器壁面上的难易程度。Figure 10.5 An illustration of massive incrustrations developed after a running period of 23 days in an agitated reaction crystallizer. Note incrustration on agitator shaft,
116、 crystallizer walls and on baffles above and at the liquid level结疤原因：结疤原因：175 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所第十一章第十一章 设计用的结晶动力学：小型实验设计用的结晶动力学：小型实验 的结晶动力学用于结晶器设计的结晶动力学用于结晶器设计引言引言：结晶动力学的标准化方法的提出 11.1 推推导设计用的用的结晶晶动力学的力学的标准化方法准化方法 Figure 11.1 Schematic representation of extrapol
117、ation to the fictitious zero size through the size region where no data points are available. The values of L* and n* lie within the range of standard size analysis techniques176 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所标准化粒数密度有明确的物理意义，比晶核粒数密度随意性要小得多；不确定的外推过程用更可靠的内插过程代替；不同作者得到的同一体系、相似
118、实验条件下的动力学可以比较；标准粒数密度定在100m下，在二次成核发生的粒径范围以外。设计时，标准粒数密度可以与晶体生长、分级、破碎等粒数函数结合来预测大于L*的粒径范围的晶体粒度分布。用标准化粒数密度代替晶核粒数密度的优点用标准化粒数密度代替晶核粒数密度的优点177 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所11.1.1 由实验数据求取标准结晶动力学由实验数据求取标准结晶动力学 G（L）G*1+(L-L*)b -(11.1)式中： L=L*=100m时， G（L）G* 。由拟合修正由拟合修正 的的ASL生长速率模型生长速率
119、模型 标准粒数密度标准粒数密度n*，标准生长速率，标准生长速率G*可以从实验粒数密度可以从实验粒数密度分布在分布在L100m这一点内插得到。这一点内插得到。 178 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所将式将式11.1与稳态粒数衡算方程（式与稳态粒数衡算方程（式5.2）结合得到）结合得到 注注：在图11.1中，对于L100m，就可以用式11.2 表示。 179 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 11.2 Crystal grow
120、th rates at 100 m size level for 1.3, 5 and 30 litre MSMPR crystallizers for potash alum operating at widely varying power dissipation rates180 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 11.3 Modified convective number rates at 100 m size level as a function of supersaturationobt
121、ained in three different MSMPRcrystallizers at 30181 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所11.2 标准结晶动力学在结晶器设计中的应用标准结晶动力学在结晶器设计中的应用 另外，在稳态条件下，一般粒数衡算方程简化为： 标准化建议的第一个作用是将注意力集中在L*L的粒径分布区域内。对大多数工程实践中遇到的情况，L*选为100m是足够了。 可以借助方程7.6，从n*预测粒数密度分布的斜率。当然得知道晶体生长G(L)，二次成核B(L)，以及其它粒数函数如(L)，A(L)和D(
122、L)等动力学数据。182 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所11.2.1 标准粒数密度预测标准粒数密度预测 从小规模实验数据来预测工业结晶器的n*值至少和预测晶核粒数密度一样困难和不可靠。例如， 的实验结果11.2.2 与粒径有关的晶体生长速率预测与粒径有关的晶体生长速率预测 的结果表明100m下的晶体生长速率实际上不随结晶器的流体力学而变。图11.2图11.3小晶体：小晶体：较大晶体：较大晶体：生生长长速速率率183 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学
123、制药工程研究所11.2.3 二次成核动力学预测二次成核动力学预测 只要可靠的标准粒数密度值n*能够求出即行。n*G*，以这个速率长大的晶体占据着粒度分布的工业重要部分。 11.2.4 各种粒数函数的预测各种粒数函数的预测 在大规模工业结晶器中，象细晶消除、内部分级磨损这些粒数函数都对产品晶体粒度分布起重要作用。对于某种设计方式和运行方式，定性和定量描述这些粒数函数是非常重要的。184 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所11.3 小规模结晶实验得到的结晶动力学用小规模结晶实验得到的结晶动力学用于大规模结晶器设计于大规模
124、结晶器设计 设计工程师经常面临的费力工作是选取适当的动力学数据。下面讨论如何将小规模实验结果用于工业结讨论如何将小规模实验结果用于工业结晶器设计。晶器设计。 11.3.1 二次成核动力学的放大二次成核动力学的放大 结结晶器中总成核速率决定于待结晶物质的二次成核晶器中总成核速率决定于待结晶物质的二次成核特性与晶体悬浮液的流体力学的相互作用。特性与晶体悬浮液的流体力学的相互作用。 大大多数试验结果都表明在连续结晶器中引起二次成多数试验结果都表明在连续结晶器中引起二次成核的一个主要机理是核的一个主要机理是大颗粒晶体与结晶器叶轮或循环大颗粒晶体与结晶器叶轮或循环泵叶轮之间的碰撞泵叶轮之间的碰撞。185
125、 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 Clontz和McCabe(1971)的实验结果表明，碰撞引起的晶核产生速率决定于晶体表面形态学以及碰撞能量和频率。 采用与Clontz和McCabe类似的方程，总二次成核速率可以表示为： B(L)=Kn Ecccg n dL -(11.3)式中 Ec ： 碰撞能； c ： 粒径范围L到LdL 的晶体的碰撞频率； c ：过饱和度； Kn： 取决于具体结晶系统、取决于过饱和度、温度和杂质浓度。 Kn必必须须对对具具体体物物质质由由实实验验测测定定，一一般般表表示示成成浓浓度度推推动
126、力即过饱和度的简单指数函数，动力即过饱和度的简单指数函数，即： Knk1c h -(11.4)186 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 对于所有悬浮晶体，总二次成核速率由积分式(11.3)得到 : Ottens 等 (1972,1973) 就晶体与叶轮之间的碰撞求解了式(11.5)。他们假设单个晶体与叶轮之间的碰撞能量与晶体质量mc成正比，与叶轮周缘速度Vt的平方成正比,即 :187 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 碰撞频率c可以看成
127、与结晶器内的平均循环时间成反比，即： 式中Qimp ：叶轮的输送能力 ； V ： 结晶器工作容量 cd ： 叶轮排出系数： ds ： 叶轮直径Ns ： 叶轮转速 这样这样，式（11.5）, （11.6）, （11.7）合并得总二次总二次成核速率成核速率 ：式中 ：单位悬浮液质量的叶轮功率消耗 k1：常数，与结 晶系统、温度、叶轮制造材料等因素有关。188 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Evans，Sarofim and Margolis (1974)提出了一个更严格的方法：采用数值模拟粒子通过叶轮周围的轨迹的方法
128、得到碰撞频率的一个更恰当的二次成核速率估算值。 除了考虑因主体流体运动引起晶体与搅拌器之间的碰撞外，Evans他们还考虑了其它三种碰撞三种碰撞过程： 第一种碰撞：其余二种碰撞机理： 就放大而言就放大而言，计算表明，与结晶器大小有关的唯一一种机理是由搅拌器主体流动引起的晶体与结晶器之间的碰撞。这种碰撞与搅拌器直径的平方根成正比，因此随着设备尺寸的增大而变得更重要。 189 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Bauer et al.(1974), Jancic(1976) and Nienow(1976) 采用了目标效率
129、的概念来处理通过搅拌器周围的晶体并非都发生碰撞这个问题。即： 式中 p ：碰撞效率； exp ：暴露到搅拌器的频率，可用式11.7表达 c=pexp -(11.9) 碰撞效率碰撞效率p由许多因素决定。影响晶体与叶轮之间碰撞的可能因素有：1、流体与叶轮之间的相对速度;2、晶体的终端速度;3、叶轮的大小。 190 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 将上述三个因素三个因素结合，就得到碰撞效率的一个非常粗略的估计，即： pVtut/dsg -(11.10) 式中 Vt: 叶轮周缘速度； ds: 叶轮直径； g : 重力加速
130、度； ut : 颗粒终端速度 。cD ：拖曳系数，是颗粒形状和颗粒Reynolds数的函数 191 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所对中等Re， cD 18.5/Re192 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 对于给定的结晶系统，上述方程可近似看成与晶体尺寸L为一级关系，则式（11.10）变成： pNsL （11.11） 那么，把Ottens et al., Evans et al. 和 Jancic等人的研究结果综合成一个二次成核速率方
131、程：B0=kNf(G)N bMicn -(11.12) 式中 f(G)是结晶器和搅拌器的几何学和大小的函数。 193 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 假假如如考虑相似几何形状的结晶器，那么结晶器的大小可以由一个长度因子来定义，则式11.12可以写成： f(G), b, c, 和i值见表11.1。 式式（11.13）表示的方程可用于预测二次成核速率和结晶器大小之间的关系，这些关系可用下式表示：相应的d值也列在表11.1中。194 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研
132、究所浙江大学制药工程研究所195 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Jancic (1976, 1979) 采用三个几何形状相似，但体积分别为1，5和30升的结晶器对二次成核动力学的放大问题进行了广泛的实验研究。研究结果表明三个方程对成核速率放大的预测是合理的。实验结果的分散程度与三个模型预测的差别程度相当。196 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Bourne and Hungerbuehler(1979) 采用了1.67和42升二个圆底
133、槽来研究放大问题。结晶器采用非常温和的搅拌。按相同周缘速度放大，维持晶体均匀悬浮，并有相同的传质系数。结果表明成核速率随规模增大而减小，减小的程度粗略地说符合晶体与叶轮碰撞机理的预测。197 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所几点说明：几点说明： u二次成核动力学的放大规则可以根据各种不同的准则来建立。u以上三种方法预测结果是相似的。在相同的条件下的放大最多产生成核速率的少量增加。按相同周缘速度或颗粒悬浮准则的放大则导致成核速率随结晶器规模而减小。 u上面所有的讨论都是基于这个假设基础上的： “移除控制成核”。另外两
134、种“表面生成控制成核”和“生存控制成核”。 u结论结论：成核动力学的放大还没有定论。必须认识到晶体与晶体之间的碰撞的重要性随着结晶器规模增大和晶浆密度增大而增大。 198 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所11.3.2 从实验室测定结果预测晶体生长速率从实验室测定结果预测晶体生长速率 大大规模结晶器的总生长速率可以从实验室测定结果预测，只要对流体力学条件不同作适当调节就可以了。（图图3.6 ） 这这里我们把焦点集中在传质阻力与表面结合阻力的结合上，以便预测给定操作条件下的总晶体生长动力学。 预预测MSMPR结晶器中粒
135、径范围为3-1700m的总生长速率，即将容积扩散和表面结合阻力进行串联（数据图3.9）：处理结果见图11.4。199 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 11.4 Crystal growth kinetics for potash alum crystals at 30 as a function of crystal size200 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所11.3.3 如果所有粒子都仅仅由晶体生长引起时如果所有粒
136、子都仅仅由晶体生长引起时粒数密度分布的计算粒数密度分布的计算 如果能够独立测出生长速率，则粒数密度nG能够得到，只要分布中的所有粒径的颗粒都仅仅由对流生长产生。 Figure 11.5 Method of evaluating the population density plot that develops solely as a result of convective crystal growth201 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 生长速率决定粒数密度图的斜率，参看图11.5，当二次成核可以忽略时，可以
137、写成下面方程： 将将上述方法用于图11.1所示的MSMPR结晶器实验数据，以1300m下的粒数密度作为计算起点。G（L）和dlnG(L)/dL的值从图11.4读出，图11.1和图11.4的实验条件相同。求出的粒数密度分布，nG，与实验得到的粒数密度的比较见图11.6。 202 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 11.6 Comparison of population densities obtained for a typicalrun and those predicted on the basis
138、 of independentlymeasured growth rates assuming that B(L)=0. The derived curve and the experimental points correspond to thesame growth conditions1）150到1300m粒径范围内2）小粒径范围内（1Lm increases with retention timewhen i0Lm decreases with power input283 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所
139、细晶消除法的优点：细晶消除法改善粒径的潜力和局限性 ：点点细晶捕集器晶捕集器 粒径随晶核消除的增加比 ： 将式（13.41）与式（5.4）合并并积分，得到式（13.42） ，是细晶消除过程中晶核剩余分率。下标2和1分别表示有细晶消除和没有细晶消除的情况： 284 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 假设式（13.14）表示的指数方程可以用来描述结晶动力学，式（13.42）合并得到： 式（13.43）分子和分母同乘以i-1，并重排，就得到通过细晶消除得到的粒径增大程度的一种量度： 上述方程规定了给定动力学级数下粒径增大
140、程度和剩余上述方程规定了给定动力学级数下粒径增大程度和剩余晶核分率之间的函数关系。图晶核分率之间的函数关系。图13.13示出了这种关系。示出了这种关系。 285 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 13.13 Effect of the fraction of surviving nuclei on resulting size enlargement for different cases of crystallization kinetics; the shadowed area comprises
141、the operating region likely to be encountered in industrial crystallization. 286 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所图图13.14示出带细晶取出和消除设施的全混结晶器：示出带细晶取出和消除设施的全混结晶器： Figure 13.14 Schematic representation of a well-mixed crystallizerfeaturing a fines removal and destruction system.28
142、7 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 粒径范围为粒径范围为0到到Lf的细晶以（的细晶以（R-1）Q的速率取出。粒径范的速率取出。粒径范 围围 为为0到到的产品晶体以的产品晶体以Q的速率取出。的速率取出。R是产品与细晶的停留时间是产品与细晶的停留时间之比。之比。 细晶和产品晶体的停留时间： F =V/(RQ) for L Lf -(13.46) 因此， R=p/F -(13.47)容易看出粒数密度分布变成 ：288 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药
143、工程研究所 在没有细晶消除的情况下，R1，式（13.49）简化为MSMPR方程 ： 图13.15示出用和不用细晶消除时理论晶体粒度分布的一个例子 Figure 13.15 Theoretical crystal size distributions with and without fines removal.289 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 粒径改善的一级估算可以从式（13.44）得到，式中剩余晶体分率用下式表示（假设点细晶捕集）近似近似粒径改善 ： 粒径增大与R值、取出粒径范围LF以及相对动力学级数i有
144、关。这种关系示于图13.16中。结果表明，有效得多的方法是增加R值，也就是说要在刚形成的早期就消除细晶。这样做可以减少生产损失，但增加循环细晶取出流量。 290 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 13.16 Effect of the cut size LF on size enlargement for different values of R. The calculation has been performed for a typical inorganic salt (i=2, G=1.810
145、-8 m/s, p=3 h). The shadowed area comprises the operating region likely to be encountered in industrial crystallization. 291 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 象Randolph和Larson提出的“RZ”模型那样，有一个界限明确的细晶取出粒径，简化了分析但在实际结晶器中是非常不可能发生的。在实际体系中在实际体系中，理想化的取出粒径概念转化成了与粒径有关的晶体停留时间分布，就象6.2.3节讲的
146、那样，可以参见图6.10和6.11。在这些情况下，粒数密度图的变化着的斜率可用修正的式7.6计算（假设与粒径无关晶体生长，没有磨损、破碎、聚集）：292 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所293 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 从晶习和晶体形状考虑，产品晶体停留时间应该在从晶习和晶体形状考虑，产品晶体停留时间应该在1小时左右小时左右： p=V/Qpsl=3600 sec 进一步的一步的计算算按照图13.17所示的信息流程图定义的变量进行
147、： R-1294 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所体积生产流率Qpsl ： Qpsl =Pc/ Ms =5.5/140=3.9310-2 m3/s结晶器体积： V= Qpsl =3.9310-23600=141 m3 细晶取出流率： 由于R=p/F 因此: QvFsl = (R-1)Qpsl =(R-1) 3.9310-2 m3/s 进一步的计算进一步的计算物料衡算物料衡算: 各变量的定义见图13.17： 总物料衡算 ：295 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究
148、所浙江大学制药工程研究所溶质衡算溶质衡算 ： 细晶取出物料流的晶浆浓度取决于细晶捕集器取出的颗粒最大粒径（即取出粒径LF），服从粒数密度分布： 对于理想取出粒径LF，粒数密度分布在0- LF范围内为296 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所合并式13.52和13.53，并从0积分到LF，得到： （13.54）式中， F =p/R 297 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 进一步假设假设进料、产品和细晶取出物流的组成和液体密度近似相等，即：
149、 衡算方程现在可以求解了。可以得到蒸汽负荷与产品和细晶取出物流中晶浆浓度之间的关系： 由于 Qpsl Ms就是所需的生产速率Pc，式13.55简化成 ： 这个方程再次说明为了使粒径增大必须付出的代价这个方程再次说明为了使粒径增大必须付出的代价是要将额外的蒸汽供应给热交换器。是要将额外的蒸汽供应给热交换器。298 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所粒数和物料衡算粒数和物料衡算 ：粒数衡算可以表示成 ：物料沉积速率可以表示成： 299 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研
150、究所浙江大学制药工程研究所式中，晶体表面积AT 是 ：生长速率G是 ：成核速率B0是 ：预测晶体粒度分布晶体粒度分布 至此，基于粒数衡算和细晶取出流率和切取粒径数据，可以预测晶体粒度分布 。计算的迭代过程见下图图13.18。300 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 13.18 Algorithm of calculations involved when determining crystal size distribution in an evaporative crystallizer at con
151、ditions of fines removal.301 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所模模拟晶体粒度分布晶体粒度分布 为了估计设计参数R和LF对产品粒径的影响，编制了一个非常简单的计算机程序。这个例子中的输入数据见表13.7。模拟是在预先选取的R和LF值下进行的，范围是：R： 1-5LF： 210-5-310-4 m302 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所303 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙
152、江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所13.4 分级产品取出的全混结晶器设计分级产品取出的全混结晶器设计 许多工业结晶器采用某种分级设备。晶浆通过分级器循环，在分级器中只排除较大晶体，较小晶体返回结晶器。Figure 13.19 Schematic representation of a well-mixedcrystallizer featuring classified product removal.辅助分级设备包括湿法筛分、旋风分离器、淘析腿等。图13.19所示为分级产品取出全混结晶器示意图。304 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工
153、程研究所浙江大学制药工程研究所 分级产品取出的作用可用Randolph和Larson（1969）提出的R-Z概念进行严格分析。在粒径0到Lc范围内，取出晶体的停留时间概率等于全混取出。即：pl for L Lc，明显偏离液体停留时间。这里Lc称为分级粒径，从这一粒径开始，明显偏离全混取出。 图13.19所示的分级产品取出概念基于这样的假设，即粒径大于Lc的颗粒取出速率是小于Lc的颗粒取出速率的Z倍。尽管实际上要得到界限明确的切取点是困难的，为了估计分级取出对产品粒度分布的影响，可以采用这个假设。305 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙
154、江大学制药工程研究所对于界限明确的切取粒径Lc，停留时间可以定义为 ：=V/Q for L Lc -(13.57)粒数密度分布为 ：n=n0exp(-L/G) for L Lc -(13.59)式中， /p =Z306 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 连续性要求在连续性要求在Lc处点粒数密度相等，因此，处点粒数密度相等，因此，L Lc时的时的分布成为分布成为: 并定义： f(Z) = n0exp(Z-1) Lc /G MSMPR情况下的粒数密度分布为情况下的粒数密度分布为 ：n= n0exp -L /G307 工
155、业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所图图13.20示出一个假设的粒数密度图。示出一个假设的粒数密度图。 图中1为没有分级，2为有分级产品取出的情况。Figure 13.20 Schematic representation of hypothetical population density plot:1- without classified product removal2- with classified product removal308 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江
156、大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所13.4.1 分级产品取出与晶体粒度分布的不稳定分级产品取出与晶体粒度分布的不稳定 分级产品取出这一粒数事件可能会引起晶体粒度分布的不稳定，原因是过饱和度和晶体表面积不协调。这将导致结晶器会表现出晶体粒度分布的振荡行为。这时，可以区分出出高阶和低阶周期波动高阶和低阶周期波动。 在高阶周期波动时 ：在低阶周期波动时：特征309 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 图图13.21示出在混合悬浮的条件下，氯化钾结晶过程中稳定和非稳定操作的产品晶浆密度实验测定值。 310 工业结晶过程
157、工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 图13.21中的不稳定性是由晶体悬浮液的取出方法引起的。二种取出方法见图13.22。 Figure 13.22 Illustration of the orientation of the removal port withreference to the direction of main slurry flow. 311 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 由图13.23可见，取出点位置在上，与细晶溶解和清液冲洗
158、这两种情况相结合，使产品分级作用对振荡行为的影响更显著。 312 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 在细晶消除和分级产品取出条件下产生的晶体粒度分布的变化现象的模型方程可以表示为 ：式（13.61）中的分级参数(L)定义为 ：Pc(t)是过饱和度产生速率 细晶和大晶体的取出速率分别是混合取出速率Q的R倍和Z倍。这就是R-Z模型。 313 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所例：例： 试图设计一台分级产品取出结晶器，要保证最终产品的粒度分布较
159、窄。结晶器是全混式的，与前面例子考虑的装置类似。 314 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所315 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 晶体表面积的计算也是容易的。晶体粒度分布CSD的预测包括同时求解粒数衡算、物料衡算与成核和生长动力学的联立方程。计算方法与13.3节介绍的类似。 晶体粒度分布模拟晶体粒度分布模拟 计算方法见图13.18。模拟所用输入数据见表13.9。 316 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研
160、究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 模拟结果见表13.10。符合设计规范的粒径中值和变异系数值用阴影表示。Table 13.10317 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所13.5 同时进行细晶消除和分级产品取出的全混结晶器的设计同时进行细晶消除和分级产品取出的全混结晶器的设计 分级产品取出的作用是使产品晶体粒径分布变窄，但在相同的平均液体停留时间下晶体变小。为了能够生产出较大的产品晶体，相应数量的细晶应该消除，以使减少的晶体能够分享过饱和度。 同时进行细晶消除和分级产品取出操作的晶体粒度分布可表示成 ：
161、318 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 就像前面几个例子一样，固体浓度Ms和生长速率G值可通过同时求解粒数衡算、物料衡算、成核和生长动力学联立方程得到。如果实际停留时间与晶体粒径的函数关系已知，则可以作出更切合实际的分析。粒数衡算应该写成 ：结晶器中的粒数密度 nc当LLc时服从下式：nc= npZ-1 for LLc nc值可用于计算可用于沉积过饱和度的表面积。319 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 用到的晶体粒度分布模拟输入数据
162、与前例相同。唯一区别是产品粒度规格从350m改成了500m。见表13.11。 例例:320 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 模拟结果见下表模拟结果见下表13.12。符合设计规范的模。符合设计规范的模拟结果用阴影表示拟结果用阴影表示 321 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 第十四章第十四章 强制循环蒸发器结晶器设计强制循环蒸发器结晶器设计 14.1 导言和操作原理导言和操作原理 图14.1所示的是外置列管式换热器强制循环蒸发结晶器，被
163、AKZO公司（AKZO Ltd） 用于真空制盐中。设计采用水平切向进料和底部中心出料方式。 Figure14.1 schematic representation of an evaporative forced circulation crystallizer with external calandria322 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 双径向进料或底部中心进料。如果需要对晶体进行冲洗和分级排出，可以在蒸发器下面安装淘析腿，淘析腿安装在外循环蒸发器的中心位置。这时底部出料口到循环泵是偏心安装的。 Fig
164、ure 14.2 Double radial inlet evaporative crystallizer with elutriation leg and external circulation 323 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所14.1.1 热短路热短路 短路造成的循环到热交换器的液体温度升高，因而对数平均温差降低，加热蒸汽和循环晶浆之间的传热变差。图14.3就表示这种平均温差降低情况。 Figure 14.3 蒸发器进口温度 Ti对对数平均温差 Tln 的影响324 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制
165、药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所14.1.2 固液两相流动固液两相流动u通常要求固体在结晶器中均匀分布，但应该记住通过控控制固体停留时间制固体停留时间能够成功地生产出规定的产品粒度分布。u盐蒸发器设计中相对来说较少引起注意的一个方面就是固液两相流动固液两相流动。应该保证晶体均匀悬浮，以便充分利用容器体积，防止局部过饱和度太高。特别重要的是要将特别重要的是要将足够量的晶体提升到沸腾区以降低产生的过饱和度足够量的晶体提升到沸腾区以降低产生的过饱和度。 325 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江
166、大学制药工程研究所14.1.3 结晶器几何学和基本设计参数结晶器几何学和基本设计参数 本章将举例说明强制外循环蒸发结晶器的设计方法。该结晶器将用于真空制盐。 首先要考虑的几点是首先要考虑的几点是 ： 1.生产能力（Production capacity） 2. 产品规格（Product specifications） 3. 原料 （Raw materials）（不考虑杂质） 4. 蒸发和操作温度（Steam and operation temperature） 要决定装置的尺寸，首先要考虑的主要九点是要决定装置的尺寸，首先要考虑的主要九点是： 1、释放的蒸汽的动压力应不超过一最大值，这样可以避
167、免细小盐滴的过多夹带。如果放出的蒸汽要用于加热后面一效的循环浆液（多效蒸发），这一点就特别重要。因为盐水会引起列管式换热器的腐蚀。 326 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 常推荐下式： （14.1） 这一准则决定蒸发器筒体部分的直径： (14.2) 明确指出了，Dv随蒸汽密度减小而增加（低压沸腾情况）。 2、为了简单起见，蒸发器筒体直径假设不变。筒体下面接一个锥体。通常建议锥顶的倾角不超过60，以避免固体在斜面上的积累。327 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研
168、究所浙江大学制药工程研究所3、蒸发空间高度应约等于 Dv，以避免过度夹带，和固液亚沸腾与喷射引起的可能结疤。4、循环速率服从通过加热器的温升（一般温升T3-8）以及总的热量衡算。温升由进料口以上的流体静力高度限制。该流体静力高度可以避免进料口沸腾产生可能的结疤。循环流率循环流率: （14.3）5、进料口的直径由循环流率和需要的流速决定。 管内流速正常在1.03.0m/s范围内，内管直径： （14.4） 循环管路的直径通常选取与循环泵的直径相同，这样可以保持管路内流速稳定。328 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所6、
169、外加热器设计遵循泵送功率消耗（即通过加热器的压降）的 最优化和加热器和循环泵的投资。7、为了确定蒸发器筒体部分的高度，必须确定抑制加热管内沸腾所需的最小液面高度，最小液面高度决定于蒸汽压、进料温度和蒸汽压温度曲线： (14.5) 进料口下面的附加长度可以从机械方面考虑，也可以任意取0.5m。8、 The minimum liquor volume can now be estimated: (14.6)329 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所9、从总物料衡算和估算出的结晶器的体积，可以粗略的算出固体浓度。从总固体持
170、有量和固体生产速率，可以很粗略地估算出总固体停留时间。 (14.7) 式中， ：体积生产速率。 作为一级近似，假设混合悬浮混合产品取出，The total solids hold-up is： （14.8）The overall residence time, (14.9) 最小固体停留时间由最大允许溶液过饱和度决定。 330 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所14.2 蒸发结晶过程衡算蒸发结晶过程衡算 结晶过程中包括的恒等方程是物料衡算、粒数衡算和热量衡算。通过考虑结晶过程中的函数关系可以看到结晶及其相互作用的机理
171、（图14.4）。 Figure 14.4 Schematic representation of functional infer-relationships involved in crystallization331 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所14.2.1 物料衡算物料衡算 为了写出结晶系统的物料衡算式 ，各种工艺参数及其量纲的选择是相当重要的。这里的定义见图14.5。Figure 14.5 Definition of variables for a crystallizing system underg
172、oing evaporation of solvent 332 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 对于二元体系二元体系，一股进料流，进料流中不含晶体，一股产品流，一股溶剂蒸发流（称为并流进料，并流产品排出），一般物料衡算方程是一般物料衡算方程是： 总物料衡算总物料衡算 ： （14.10） 溶质衡算：溶质衡算： （14.11） 这里没有忽略固体相对体积流率和质量流率的贡献。 333 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 The balance
173、 equations can be solved to give a relation for the magma concentration which reduces to: (14.12) When composition and liquor density of feed and product stream are approximately equal, or more rigorously: (14.13) Since the rate of salt production, Pc, is given by ： （14.14）334 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究
174、所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 Equation (14.12) can be directly used to evaluate the rate of evaporation, when Pc and the feed conditions are given: (14.15) 另外，当产品取出速率一定时，晶浆浓度也就定了。反过来也一样。14.2.2 能量衡算能量衡算 The total heat flow which has to be transferred to the system is described by the energy bala
175、nce (14.16) 式中， is the specific heat of the feed brine, is the heat of crystallization and r is the heat of vaporization.335 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 Neglecting the contributions of the feed and product stream, which are very much smaller than the rate of internal cir
176、culation, the energy balance becomes: （14.17） The total heat flow is equal to the heat flow to be transferred in the external heat exchanger: (14.18) The total heat load is also given by: (14.19)Where, is the mass flow rate of circulation, is the specific heat of the slurry and ( =Ti-To) is the temp
177、erature rise through the heater. 336 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Referring to Figure (14.6), the logarithmic mean temperature difference can be written as： （14.20） Figure 14.6 Definition of temperatures involved in evaporative crystallization with external calandria 337 工
178、业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 进入热交换器的晶浆并没有闪蒸到蒸发器压力下的平衡状态，原因是热短路以及在沸腾区内溶液传热需要推动力。因此， （14.21）当Ts已知时，LMTD就可以算出。14.2.3 Circulation pressure drop and power consumed 循环压降和消耗循环压降和消耗 这项计算与内置加热器式结晶器的计算相同，可参照第十三章，13.2.7节。 338 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所14
179、.2.4 Population balance 粒数衡算粒数衡算 Nucleation kinetics 为了能够进行具体结晶器的粒数衡算，需要知道系统内的结晶动力学和粒数事件。需要下列速度过程的定量描述，成核动力学，晶体生长和溶解动力学。固体混合和晶体停留时间分布、液体混合。 Grootscholten (1982)研究了氯化钠结晶过程的成核动力学。装置规模是55升和280m3。放大倍数是5000倍。得到的实验结果可用下列指数式关联： （14.22） 应该指出，成核关联式的形式取决于具体体系以及 成核的主要机理。 339 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙
180、江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Crystal growth and dissolution kinetics 晶体生长和溶解动力学晶体生长和溶解动力学 大型结晶器中的晶体生长和溶解速率的预测要比成核确定的多。晶体生长通常认为由两步构成：扩散和晶格排列。通常认为溶解100%由传质控制。 The crystal growth rate is often related to supersaturation in terms of a power law relationship: (14.23) Where Kg depends on the mass transfer coeffic
181、ient, Kd, and the surface integration rate constant Kr, n is the overall order of the growth rate. Kd, Kr, 和n值应由独立实验测出。 Assuming that dissolution of crystals involves solely the process of mass transfer, the dissolution rate may be represented as: (14.24)340 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工
182、程研究所浙江大学制药工程研究所14.3 Solids classification 固体分级固体分级 如果固相和液相之间的密度差较大，则很难得到均匀悬浮，相反，在产品取出点周围很可能会发生分级。内部分级和外部分级导致固相和液相停留时间的不同。 如果发生分级，生长速率与粒径无关，一般粒数衡算方程可以用产品粒数密度表示成： （14.25） 考虑到这些结晶器中的各种流动情况（循环管路中高液体流速，蒸发器中低流速），认为分级是在低液体流速区域内中与粒径有关的分离诱导产生。两种不同设计的强制外循环结晶器（小规模）的典型晶体停留时间曲线见图见图14.7。 341 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研
183、究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 Figure 14.7 classification parameters for the tangential and double radial inlet crystallizer configuration342 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 如果将结晶器分成两部分，一部分是蒸发器，体积为Vv，另一部分是循环回路，体积是Vm，则固体和流体停留时间的比可以用蒸发器和循环回路中的颗粒浓度表示： （14.26） Where Vv: vol
184、ume of the evaporator body Vm: volume of the circulation loop v(L)=nv/nm could be seen as a distribution factor for solids in body and circulation mains. 从上述方程可以推论出，外循环回路体积大，固体和从上述方程可以推论出，外循环回路体积大，固体和液体停留时间差会减小，只要外循环回路没有引起分级液体停留时间差会减小，只要外循环回路没有引起分级（即高流速）（即高流速） 343 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙
185、江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 图图14.8所示为固体分配系数与粒径的函数关系，是由图14.7所示的数据和相应的体积Vv与Vm 算出的。 Figure14.8 Solids distribution factor for evaporator body 344 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所14.4 Size dependent growth rates 粒径相关生长速率粒径相关生长速率 固体分级可以通过停留时间变化直接影响晶体粒度分布，也可以通过生长中的晶体选择性暴露在过饱和度的局部变化中而间接影响
186、晶体粒度分布，这时会引起拟粒径相关生长速率。 产品粒数密度表示成：产品粒数密度表示成： （14.27）这个方程的解就是产品晶体分布曲线。晶体的平均粒径分布：晶体的平均粒径分布：(14.28) 在这个方程可以用于定量计算之前，需要知道停留时间和拟粒径相关生长速率。 345 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所14.5 浓度推动力分布浓度推动力分布 过饱和度的50%沉积到晶体上去的时间(对间歇分流而言)，可以与晶浆周转时间，即要将结晶器内的物料周转一次所需的时间进行比较 It can be easily shown tha
187、t: (14.29) Where， x ： the solids volume fraction, Kg ：the growth ate coefficient (see equation 14.23) ； AT ：the available crystal surface area. 对于强制循环结晶器，AT通常范围是500-2500m2/m3。346 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所14.6 liquid phase flow model 液相流动模型液相流动模型 结晶器内的非理想流动可用许多模型表征。为了减小
188、液体非理想混合引起的设计不确定性，双径向进料方式结晶器的液相可用图14.9所示的单元网络表示。 Figure 14.9 Reactor in series concept proposed to account for liquid flow encountered in double inlet crystallizer configuration347 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 对于沸腾速率和液面高度不变的情况，计算出的Bo准数随循环流率增加稍微有所增加，这时加上表明较小弥散典型实验结果见图14.10。
189、 Figure 14.10 Experimental values of Bo denstein number for evaporator body as function of circulating flow rate 348 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所14.7 Driving force balances 推动力衡算推动力衡算 如果把蒸发器看成是一个静止的反应器，平均通过速度是V，弥散系数等于ID，过饱和度同时沉积到生长中的晶体表面上，则, The mass balance in terms of s
190、olution supersaturation becomes: (14.30) For n=1 and the set of input (Co) and output (Ce) conditions equation(14.30) has been previous solved: (14.31)Where 349 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 式（14.32）中的常数K表示单位推动力的晶体质量沉积速率，可以写成 （14.33） 由于沉积速率取决于晶体表面积（ ）所以必须知道蒸发器中的粒数密度分布nv, 可
191、用下式将蒸发器的粒数密度分布nv与循环主体的分布nm相关联。 （14.34） Where，（14.35） And ，（14.36） tv可由总颗粒停留时间c算出，这在后面会讲到。平均推动力，可通过容器内的总推动力衡算算出。 tv is the average particle residence time in the evaporator-body 350 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所The overall driving force balance over the vessel is:(14.37) Th
192、e deposition rate Pc may be written in terms of an average supersaturation as: (14.38) 式（14.37）中出口过饱和度Ce可用式（14.31）表示成进口过饱和度Co的函数。如果忽略沸腾区内 因生长和成核而引起过饱和度下降，则进口过饱和度可通过沸腾区的物料衡算算出。351 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Referring to Figure 14.11 it can be derived that:(14.39) Figure 1
193、4.11 Mass balance for the boiling zone and the evaporator-body352 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 Combining equations(14.31),(14.37),(14.38) and(14.39) yields the values for the entrance and exit supersaturation and as well as an average supersaturation in the evaporator bod
194、y. 参考图14.9，过饱和度通过进一步沉积到反应器单元PFR1内的晶体表面上而耗散。因此，在这个反应器单元内，过饱和度是指数降低。降低速率是总生长速度常数Kg和PFR1 内表面积（ ）的函数。353 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 Integration over the supersaturation profile enables the evaluation of an average supersaturation of the length of PFR1, which is given by: (1
195、4.40)式中, K1是总生长速度系数和晶体表面积的函数。 通常认为热交换器产生阶跃温升，会导致不饱和。接着发生的溶解过程导致主体浓度升高，不饱和度是指数减小。An average value of the undersaturation in PFR2 follows from:(14.41) 式中, K2决定于溶解的传质系数和晶体表面积。354 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所14.8 Sectional residence times 局部停留时间局部停留时间 在平推流反应器内的颗粒停留时间假设等于液体停留时
196、间，与颗粒尺寸无关。考虑到循环回路内的高液体流速，这个假设是合理的。蒸发器内的颗粒停留时间tv可从总颗粒停留时间c计算。c应用冲洗法实验测定。 It can be easily demonstrated that: (14.42) Where p is a product classification factor for the discharge point. 对于代表性产品取出的情况，p=1。355 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 图图14.12所示是从图14.7的数据计算出的结果。这是双径向进料的情况。P
197、FR1 和PFR2 中的液体停留时间从它们的体积（均为0.18m3）和体积通量计算。 Figure 14.12 Particle residence time distribution in the evaporator body 结果表明: 较大颗粒在蒸发器内停留时间比较小颗粒短，因此，蒸发器由小颗粒优先占据。 356 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所14.9 Evaluation of pseudo size-dependent growth rates 拟尺寸相关生长速率计算拟尺寸相关生长速率计算 考虑颗粒径
198、为L的粒子在系统内循环。 Its increase in size during one cycle around the loop can be estimated from its growth rate and residence time in the passed sections:(14.43) The average growth rate over the loop follows from the increase in particle size and the total particle circulation time (turn-over-time): (14.44
199、) 线性生长和溶解速率可用以前提出的模型计算。357 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 The average growth rates can be used to solve the population balance equation(14.27): (14.45)14.10 Prediction of crystal size distribution 晶体粒度分布预测晶体粒度分布预测 如果固体和液体混合方面的数据能够用来计算分级参数c和拟粒径相关生长速率，则晶体粒度分布值可由式（14.45）得到的粒数密
200、度衡算并预测。 这是一个迭代计算过程，直到粒数密度收敛到一个稳定值。物料衡算和过饱和度衡算也能重复。示意流程图见示意流程图见图图14.13.358 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 Figure 14.13 Simulation algorithm for forced circulation crystallizers 359 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 模拟得到的晶体粒度分布必须符合设计目标规定的产品要求。如果要求规格（平均晶
201、体粒径和变异系数）没有达到，则应该采取措施保证得到满意的产品。从Asselbergs（1978）和Grootscholten（1982）关于氯化钠结晶的研究结果来看，固体分级和液体混合对晶体粒度分布有显著影响。可通过选择适当的进料方式和蒸发器内部几何结构来控制。在两个不同进料方式小规模蒸发器中进行的结晶实验表明，在操作条件相当的情况下，产品晶体粒度分布有很大不同。见图见图14.14。360 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 Figure 14.14 The influence of the inlet and ou
202、tlet configuration on classification and resulting crystal size distribution at comparable conditions of crystallization361 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 从流动方式，温度分布和短路数据分析，两种类型的结晶器内的液体流动可用图图14.15所示的网络模型表示。 Figure 14.15 reactor in series concept used to simulate liquid flow
203、 in forced circulation crystallizers362 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所某些计算机模拟结果模拟结果见图某些计算机模拟结果模拟结果见图14.16 Figure 14.16 Simulation results for tangential and radial inlet crystallizer 363 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 如果需要窄的粒径分布，可以采用产品分级来满足要求。图图14.
204、7表示一个专门设计的淘析腿的产品分级特性。该淘析腿能够将小于250m的晶体选择性保留在结晶器中。 Figure 14.17 Product classification parameter encountered in an elutriation leg (pilot scale crystallizer)364 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 图图14.18表示产品分级对固体停留时间分布的影响图中一条曲线由产品通过淘析 。另一条曲线由从外循环回路在相当的操作条件下等动力学和代表性产品取出的情况下得到。 Fig
205、ure 14.18 Experimental residence time distributions365 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 在与图图14.8所示的固体停留时间分布相当的实验条件下产生的晶体粒度分布见图图14.19。 Figure 14.19 Experimental crystal size distributions, generated from solids residence time distributions shown in Figure 14.18366 工业结晶过程工业结晶过程
206、浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Final remark 最后几句话最后几句话 应该采取哪些措施来满足产品要求取决于几应该采取哪些措施来满足产品要求取决于几何结构改变能否促进需要的（或抑制不需要的）何结构改变能否促进需要的（或抑制不需要的）粒数事件，又不使基于热量衡算、经济和设备粒数事件，又不使基于热量衡算、经济和设备考虑的最佳设计变差。实际上，最后设计是经考虑的最佳设计变差。实际上，最后设计是经济、制造以及产品晶体的生产能力、粒径分布、济、制造以及产品晶体的生产能力、粒径分布、形状和纯度之间的某种权衡。形状和纯度之间的某种权衡。 367
207、 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所368 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所接上：接上：369 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所计算过程：计算过程：370 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所371 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研
208、究所浙江大学制药工程研究所372 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所373 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所374 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所375 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所376 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研
209、究所浙江大学制药工程研究所377 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所378 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所379 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所380 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 因此可以得出结论，这个设计加上适当的产品分级，因此可以得出结论，这个设计加上适当的产品分级，
210、能够生产出符合产品粒径和均匀性要求的结晶性产品。能够生产出符合产品粒径和均匀性要求的结晶性产品。381 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 第第 十五章十五章 晶浆处理：结晶器晶浆处理：结晶器-离心机离心机-干燥器干燥器系统分析系统分析 能否生产出规定的结晶性材料以满足消费者和制造者的要求，不仅由结晶器基本设计决定，更多的是一个结晶工厂的物料平衡、良好操作和良好维护的问题。 硫酸铵从结晶器出来，经过排出腿、离心机和旋转干燥器的产品晶体粒度分布变化见图图15.1。382 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙
211、江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所Figure 15.1 Crystal size distribution of ammonium sulphate crystals undergoing different process steps in a crystallization plant (after Bennett, Chemical Engineering Progress, 58(1962)，76）383 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所对图对图15.1的结果进行重新处理，可
212、以得到结晶器各后续步骤对产品粒径的影响，结果见图图15.2。Figure 15.2 Cumulative oversize percent distribution of ammonium sulphate product crystals undergoing different process steps in a crystallization plant (re-interpreted from Figure 15.1)结果表明结果表明:离开离心机时产品粒径中值从1.42mm降到了1.23mm，经过干燥步骤进一步降低到1.15mm。384 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所
213、浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所15.1管线设计管线设计 输送母液、滤液或晶浆的管道中的流体总是饱和的，常常有一点点过饱和 ,当温度降低时，在管道的壁上会产生沉积或突然成核（crash nucleation） 。为了防止结疤及热损失等不利现象的发生，管路设计时应该至少注意： u管路内壁光滑，没有水平布管；u便于冲洗，选择最佳连接方式。u管道都应该能够自己排干 Fig.15.1 法兰的正确与错 误连接方式385 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所15.1.1 管线加热保温管线加热保温
214、Heat tracing of pipelines常用的方法：常用的方法：u管道蒸汽保温 ；u采用电阻节保温实现自动控制 。 不管加热保温的方法是什么，其作用主要是防止输送溶液管道的热损失。如果由于加热系统损坏，液体管道被晶体堵塞，则重新加热通常不能使堵塞消除。也就是说，有时拆卸管道是需要的。这样，加热保温系统就应该设计和装配成能够拆卸。 386 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所15.2阀门选择阀门选择 饱和溶液和结晶性浆液选择阀门的基本原则:u阀门应该用耐待处理物料腐蚀的坚固金属制造；u经过阀门的通路应该没有凹陷
215、，在凹陷处固体会停留或者饱和液体会截留、结晶 ;u在晶浆管道中不要用阀门，特别是控制阀。 。 上述要求将直接连接到结晶器上的节流阀局限于球阀、旋塞阀和Y型阀上。 387 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所15.2.1 阀门类型型 Types of valves 球阀的典型例子见球阀的典型例子见图图15.4。 Figure 15.4 Physical details of a ball valve 388 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所1
216、5.2.2 锥形旋塞阀锥形旋塞阀 锥形润滑旋塞阀用途很广，也广泛用于结晶工厂中。主要用作“开关”阀，也常用作控制阀。但在输送晶浆的管道中，部分开启位置使用时，旋塞会随时间而侵蚀和伸长。 15.2.3 “Y”型阀型阀 “Y”型阀是球阀的可控制性与关闭严密与闸阀的全负荷流动和低压降特性之间的一种折衷，适合于控制饱和溶液适合于控制饱和溶液和结晶性浆液。和结晶性浆液。 389 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 图图15.5示出一种代表性类型。倾斜的阀心轴以及很匀称的阀体形状使液体流动实际上没有阻碍。 Figure 15.5
217、 Illustration of an “Y” valve 390 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 图图15.6a所示是一个齐平装配阀，常常安装在结晶器底部，用于晶浆取出或正常排空。 图图15.6b的内部轮廓更好，但阀杆是向下的，如果在结晶器底部结疤，则不起作用。 Figure 15.6 Flush fitting tank bottom valves 391 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所15.3 晶浆预增稠器晶浆预增稠器 最常用
218、的预浓缩装置是重力沉降器重力沉降器和水力旋流器水力旋流器，偶尔用过滤器，特别当物料冲洗非常重要时。 这种组合方式即过滤器排出液体而离心机排出固体，正在越来越多地用于颗粒物料中，因为它使滤饼能够用机械方法非常彻底地脱水。 15.4脱水设备脱水设备 u结晶过程脱水的概念及原因；u结晶脱水设备：真空过滤机、间歇离心机或摆动离心机 等 ;u结晶脱水过程选择：间歇、连续或半连续脱水 。 392 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所15.4.1 离心过滤机离心过滤机 最好的通用型离心机，用于结晶浆液连续离心分离，可能是推杆式离心机
219、了（pusher centrifuge），见图15.7。 Figure 15.7 Schematic diagram of a horizontal pusher centrifuge393 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 推杆式装置中离心分离的物料破碎程度物料破碎程度见图15.8。结果表明有显著破碎，对大晶体破碎更明显。 Figure 15.8 An assessment of crystal breakage in a pusher centrifuge; indicated is percentage si
220、ze reduction with reference to distribution median size before centrifugation. 394 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所15.5干燥设备干燥设备 图15.9举例说明转鼓干燥器中硫酸铵的机械损坏情况。 结果表明结果表明： 结晶物料的粒度中值几乎不受影响，只有细晶质量有显著增加。 Figure 15.9 An assessment of change in the size distribution of ammonium sulphate crystals after being dried in a rotary shell dryer 395 工业结晶过程工业结晶过程浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所浙江大学制药工程研究所 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
