工业结晶技术

随着新材料、生物医药以及精细化工等行业的迅猛发展和高端产品质量要求的不断提高，人们对结晶技术提出了更高的需求，《工业结晶技术》一书应时而生。 《工业结晶技术》系统地介绍了结晶过程中涉及的概念和基础理论，还对工业结晶的工艺技术和设备、结晶器的设计和应用进行了全面的介绍。 《工业结晶技术》通过结合工程经验和应用实例的方式进行讲述，加深读者对结晶学理论的理解，真正体现了理论与实践的结合。 《工业结晶技术》紧跟行业发展前沿，全面介绍了近些年新发展起来的现代分析、结晶过程控制技术和模拟分析结晶过程的方法，为读者提供了创新的发展方向和方法。

结晶是工业中常见的一种精制提纯方法，与精馏等工艺相比，具有能耗低、设备结构简单、产品纯度高等优势，因此在化工、食品、医药等领域得到了广泛应用。在国际上，近年来工业结晶技术发展迅速，新基础理论的提出和新领域的拓展层出不穷。在国内，随着新材料、生物医药以及精细化工行业的不断发展，对结晶工艺技术和装备的创新提出了更为迫切的需求。同时，我国工业生产中所应用的结晶工艺和装备技术水平相对较低，严重制约了高端产品的生产和行业可持续发展，是众多“卡脖子”技术（例如，许多高端电子级产品的生产工艺、新药开发等）中的关键工艺。因此，结晶工艺与设备的开发、研究与创新以及高端人才的培养是当务之急。
尽管结晶技术应用广泛，但理论发展仍不够成熟，属于半科学半经验的 “艺术”状态，特别是在国内，有关工业结晶的专业书籍非常少，以工业结晶技术应用为主题的书籍更是严重缺乏，不能满足我国目前的科研与产业化发展，更不能满足培养相关技术人才的需要。为此，本书全面系统地阐述工业结晶技术的基础理论与应用，并详细介绍了目前国际上有关结晶技术发展以及理论研究领域的最新动向。本书使读者不仅可以初步掌握结晶的基础理论和方法，还可以正确理解和选择各种结晶工艺、设备以及控制方法，为从事本专业的科学研究工作和工程技术工作打下基础。
本书共分八章，第1～3章分别介绍了晶体学基础、结晶过程的热力学和动力学，以建立结晶技术的基础理论框架；第4章详细介绍了结晶过程数学分析，并对各种结晶工艺过程建模，通过案例来说明各种模型的应用；第5章在前几章的理论基础上，具体介绍了工业界所应用的不同结晶工艺、设备以及控制晶体产品质量的策略；第6章用大量的篇幅详尽地介绍了工业结晶器的设计与放大；第7章系统介绍了有关晶体产品的表征方法和仪器，特别介绍了有关最新发展的一些在线监测技术 （PAT）；最后，第8章综合国际上有关结晶技术的最新科研动向，介绍了结晶领域的非常规技术和发展方向，以期为读者提供科研和创新思路。本书不但系统介绍了结晶过程中所涉及的基本概念和基础理论，还对结晶工艺技术和设备、结晶器的设计和应用进行了全面的介绍，并通过结合大量的工程经验和应用实例的方式进行了阐述，以加深读者对结晶学理论的理解，体会如何将理论与实际应用相结合。近些年新发展起来的现代结晶过程分析、控制技术和模拟分析结晶过程的方法也是值得读者了解的。
本书由卫宏远主持编著，制定整本书的结构和内容，并参与各章节的编写和审核。第1～3章由佟瑶参与编写，第4章及第5章的1～5 节、8 节由于秋硕参与编写，第5章的6～7 节及第7章由刘文举参与编写，第6 和第8章由党乐平参与编写。在编写过程中，编者结合了多年的研究经验和成果。此外，天津大学、西北大学、河南科技大学和大连工业大学的研究生苏冠文、赵盐鹏、何家玮、张蕊、高宁灿、刘国钊、叶凯茹、石排风、王朝、李洪升、师菲艳等参与了收集资料、排版校对等工作，在此一并表示感谢！
在编著本书的过程中查阅了大量的最新中外研究资料与学术文献，力求全面、完整地将结晶领域的知识、技术与最新进展介绍给读者。每章末都列出了相应的参考文献，为读者追本溯源、深入理解本书中的知识提供了渠道。
本书在编写出版过程中得到了国内外众多学者和专家的指导和帮助，特别感谢大连理工大学彭孝军院士、华东理工大学于建国教授和北京理工大学庞思平教授在本书的编写过程中给予的指正和指导。愿借本书问世之机，对他们的帮助和支持表示衷心感谢！同时，要特别感谢化学工业出版社在本书整个编写和出版过程中自始至终的鼓励与支持。
由于时间限制本书不可避免地还存在一些问题需要修正，敬请读者批评，我们将进一步修订和完善。

编者
2023年6月

卫宏远，天津大学化工学院，教授、博导，卫宏远教授是天津大学作为杰出人才引进的国际知名化学工程专家，国家“千人计划”特聘专家。卫教授在英国曼彻斯特理工大学化工系攻读博士学位期间师从世界知名化工专家、前英国化工学会（IChemE）主席、英国皇 家工程院院士Garside教授，在工业结晶以及过程流体力学计算等领域开展具有创新性的研究。归国后,卫宏远就职于天津大学化工学院,其带领的团队在化工技术产业化方面成果卓 越。
主持1项国家重点研发、3项国家863项目、3项结晶领域的国家自然基金项目、多项国际合作研发项目和产业化项目，在工业结晶、化工安全、精细化工产业化领域具有很高的国际知名度。发表SCI学术论文80余篇，拥有国家发明专利20余项。

《工业结晶技术》系统介绍了结晶过程中涉及的概念和基础理论、工业结晶的工艺技术和设备、结晶器的设计和应用，并通过结合工程经验和应用实例，加深读者对结晶学理论的理解。同时，紧跟行业发展前沿，全面介绍了近些年新发展起来的现代分析、结晶过程控制技术和模拟分析结晶过程的方法，为读者提供了创新的发展方向和方法。
《工业结晶技术》共八章，分别为晶体学基础、结晶过程热力学、结晶过程动力学、结晶过程分析与建模、工业结晶工艺及设备、结晶器设计与放大、晶体产品表征方法与过程测量技术、前沿结晶研究与技术发展。
本书可作为高等院校化工、制药、食品、材料以及相关专业的教材和教学参考资料，也可作为上述行业的研发设计、生产技术人员的参考书。

第1章 晶体学基础  1
1.1 固体结晶学 1
1.1.1 晶体的概念 1
1.1.2 晶体晶格  2
1.1.3 晶体内部结构的空间划分和坐标系 5
1.1.4 晶胞  8
1.1.5 晶体学符号  8
1.1.6 晶格缺陷  10
1.1.7 晶体基本性质  15
1.2 晶体的固体形态 16
1.2.1 多晶型  16
1.2.2 成盐  19
1.2.3 共晶  19
主要符号说明 21
参考文献  21

第2章 结晶过程热力学 23
2.1 结晶提纯原理 23
2.1.1 固态中的溶解度  24
2.1.2 分级结晶  25
2.1.3 杂质的包裹和表面吸附  25
2.2 溶解度和相平衡  26
2.2.1 溶解度  26
2.2.2 相平衡与相图. 34
2.3 过饱和度、介稳区和诱导期 48
2.3.1 自由能-组成图. 49
2.3.2 过饱和度 50
2.3.3 介稳区和诱导期 50
2.3.4 介稳区测量和预测 51
2.3.5 对结晶过程的影响 51
主要符号说明  52
参考文献  52

第3章 结晶过程动力学  54
3.1 晶体成核  54
3.1.1 初级成核  54
3.1.2 成核速率的测量  59
3.1.3 非经典成核  60
3.1.4 二次成核  64
3.2 晶体生长  72
3.2.1 基本概念  72
3.2.2 晶体生长机理 72
3.2.3 晶体表面 73
3.2.4 表面反应控制的生长 74
3.2.5 体积扩散控制的生长 79
3.2.6 体积扩散和表面反应控制的生长 80
3.2.7 温度的影响 82
3.2.8 传热控制的生长 82
3.2.9 传质和传热控制的生长 82
3.2.10 生长速率分散 82
3.3 晶种、老化与Ostwald 熟化  84
3.3.1 晶种  84
3.3.2 老化与Ostwald 熟化  84
3.4 结晶过程中的聚结现象  85
3.4.1 聚结机理和动力学  85
3.4.2 影响聚结过程的参数 87
3.4.3 结晶过程的聚结 88
3.4.4 聚结体的力学性能 90
3.4.5 磨损破碎 90
主要符号说明 91
参考文献  92

第4章 结晶过程分析与建模 96
4.1 晶体粒度分布函数 96
4.1.1 粒度分布  97
4.1.2 粒度分布函数  99
4.2 质量与粒数衡算方程  102
4.2.1 连续粒数衡算方程  102
4.2.2 聚结与破碎的衡算  104
4.2.3 粒数衡算与质量衡算的关系  106
4.2.4 稳态粒数衡算方程 106
4.2.5 矩量方程 109
4.3 间歇结晶过程  112
4.3.1 间歇结晶的溶液相  112
4.3.2 间歇结晶的固相信息 114
4.3.3 间歇结晶粒数密度函数  116
4.3.4 不同间歇结晶操作模式的建模  118
4.3.5 反溶剂结晶 120
4.3.6 反应结晶器 123
4.3.7 预过饱和溶液的结晶. 125
4.4 半间歇结晶过程  127
4.4.1 反应结晶系统  128
4.4.2 奥斯特瓦尔德熟化 130
4.4.3 晶体体积坐标系中的粒数衡算  133
4.5 连续结晶过程  137
4.5.1 稳态粒数衡算  137
4.5.2 模型参数 138
4.5.3 产品粒度分布的矩 139
4.5.4 稳态质量衡算 140
4.5.5 粒度相关的生长 141
4.5.6 生长分散 142
4.5.7 与粒度相关的停留时间分布  142
4.5.8 MSMPR 结晶器的瞬态  143
4.5.9 晶体体积坐标的连续粒数衡算方程 145
4.5.10 活塞流结晶器 147
主要符号说明  147
参考文献  148

第5章 工业结晶工艺及设备 153
5.1 冷却结晶  153
5.2 蒸发结晶  155
5.2.1 蒸发结晶过程  155
5.2.2 杂质的影响 156
5.2.3 溶剂变化 157
5.2.4 影响蒸发结晶成核和生长的因素 157
5.2.5 传热过程 158
5.3 盐析、反溶剂结晶  158
5.3.1 盐析、反溶剂结晶过程  158
5.3.2 反溶剂添加策略 160
5.4 反应结晶  163
5.4.1 反应结晶过程  163
5.4.2 反应结晶的粒径控制 163
5.4.3 诱导时间和成核 164
5.4.4 过饱和度控制 164
5.5 熔融结晶  165
5.5.1 熔融结晶过程  165
5.5.2 结晶相区域 165
5.5.3 分配系数 166
5.5.4 熔融结晶技术与应用 167
5.6 加晶种技术  176
5.6.1 加晶种操作：原理和现象  176
5.6.2 间歇式结晶过程的加晶种策略：主要工艺参数  177
5.6.3 通过加晶种控制间歇结晶：设计的经验规则  178
5.7 细晶消除  183
5.7.1 热溶解法消除细晶  183
5.7.2 带细晶消除装置的理想混合连续结晶器  184
5.7.3 工业上的细晶消除. 185
5.7.4 细晶消除控制 185
5.7.5 工业结晶器中的晶体粒度振荡现象  187
5.8 常见工业结晶器  188
5.8.1 结晶器的选择标准  188
5.8.2 晒盐池 190
5.8.3 热虹吸结晶器 190
5.8.4 带搅拌导流筒式结晶器. 191
5.8.5 强制循环结晶器 193
5.8.6 流化床结晶器 196
5.8.7 生长式结晶器 197
5.8.8 喷雾式蒸发结晶器 197
5.8.9 直接冷却结晶器 198
5.8.10 表面冷却结晶器 198
5.8.11 级联结晶器  200
主要符号说明 201
参考文献  201

第6章 结晶器设计与放大 204
6.1 设计原则 204
6.1.1 设计基础  204
6.1.2 结晶器的选择  206
6.1.3 仪表与控制  209
6.1.4 结晶器成本  212
6.2 混合与放大  213
6.2.1 在间歇和连续结晶过程中的混合  213
6.2.2 结晶过程中的混合  214
6.2.3 搅拌桨叶和搅拌系统  214
6.2.4 搅拌系统的功耗 214
6.2.5 固相晶体悬浮 217
6.2.6 结晶过程的放大 224
6.2.7 结晶器放大 228
6.3 计算流体力学仿真辅助结晶器设计  230
6.3.1 计算流体力学软件辅助  231
6.3.2 结晶器CFD 数值模拟与仿真  231
6.3.3 CFD 辅助结晶器设计实例 234
6.4 间歇结晶过程设计  241
6.4.1 设定目标  241
6.4.2 有机分子的结晶 241
6.4.3 间歇结晶过程过饱和度的产生 242
6.4.4 结晶开始——成核阶段  244
6.4.5 间歇结晶过程加晶种策略 245
6.4.6 结晶工艺控制方案 247
6.4.7 放大准则 248
6.4.8 晶体形状的控制 249
6.5 连续结晶过程的设计  250
6.5.1 连续结晶器的概念和设计  250
6.5.2 各类连续结晶器的设计 259
6.5.3 边界 264
6.5.4 各结晶工艺的特点 266
6.5.5 晶浆密度的调节 267
6.6 设计实例：连续蒸发结晶器  268
6.6.1 选择过程设计中的排放点  268
6.6.2 有机化合物的结晶实例 271
6.6.3 食盐结晶实例 274
6.6.4 MVR 节能连续蒸发结晶实例 278
6.7 熔融结晶工艺和装备设计  281
6.7.1 工业化熔融结晶工艺基本概念  281
6.7.2 层结晶动力学 281
6.7.3 层结晶设计实例 290
主要符号说明  296
参考文献  299

第7章 晶体产品表征方法与过程测量技术 304
7.1 晶体形貌与粒度 304
7.1.1 粒度分布  304
7.1.2 粒度测量方法  305
7.2 颗粒流动性  307
7.3 晶体结构光谱分析  308
7.3.1 X 射线粉末衍射  308
7.3.2 振动光谱 309
7.3.3 固态核磁共振 310
7.4 热力学分析  311
7.4.1 差示扫描量热法  311
7.4.2 等温微量热法 313
7.5 组成分析  314
7.5.1 热重测定  314
7.5.2 动态蒸汽吸附 315
7.6 激光聚焦、散射技术  316
7.6.1 聚焦光束反射测量  316
7.6.2 前向光散射 321
7.7 在线成像技术  327
7.7.1 应用与发展  328
7.7.2 结晶过程中应用案例  329
7.8 在线及离线光谱技术  331
7.8.1 在线折射仪  331
7.8.2 ATR-FTIR 光谱学  336
主要符号说明 338
参考文献  339

第8章 前沿结晶研究与技术发展 344
8.1 晶型控制 344
8.1.1 多晶型的热力学  344
8.1.2 多晶型的转变方式及机理  348
8.1.3 多晶型的控制  350
8.2 络合与萃取结晶  355
8.3 离解萃取结晶  357
8.4 助溶结晶  359
8.5 共结晶  362
8.6 冷冻结晶  365
8.7 乳化结晶  368
8.8 固相反应结晶  369
8.9 结壳机理研究  371
8.10 相转移机理  372
8.11 蛋白质结晶  373
8.12 微流体结晶  375
8.13 二维成核和受限结晶  377
8.14 连续管式COBC 结晶 379
8.15 膜结晶  380
主要符号说明  382
参考文献  382