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探頭式濁度儀優(yōu)化某化工廠產(chǎn)品結(jié)晶過程實例
介紹
結(jié)晶過程是一個多相多組分的相變過程，目前被廣泛用于制藥、生物制藥、工業(yè)添加劑等專用化學品的生產(chǎn)過程。隨著在線過程分析技術(shù)的發(fā)展，目前對結(jié)晶的認識和理解有了明顯提高。濁度儀是一種基于光電原理的在線分析儀器，由于其能夠迅速反映溶液中的顆粒情況，在結(jié)晶過程相關(guān)研究及工業(yè)案例應(yīng)用已有不俗的表現(xiàn)。

應(yīng)用案例
濁度儀是根據(jù)接收穿過溶液的光的強度來判斷溶液是否發(fā)生成核或生長。研究成功使用了濁度儀，針對某化工廠的一種工業(yè)添加劑產(chǎn)品 JDDO 的結(jié)晶過程的產(chǎn)品進行了晶形優(yōu)化研究。實際生產(chǎn)中，JDDO 儲存若干個月后會發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象，嚴重影響產(chǎn)品的儲存周期。為解決該問題，我們針對其結(jié)晶過程進行了系統(tǒng)化的研究。

1．溶解度數(shù)據(jù)的測量
溶解度數(shù)據(jù)是開展結(jié)晶過程優(yōu)化的重要參考數(shù)據(jù)，同時也決定了理論蕞高收率。測量溶解度數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法是重量法，但該方法對操作人員的要求較高，結(jié)果易出現(xiàn)誤差。而使用濁度儀這種在線測量方法能有效改善人為取樣造成的偏差，圖 1 給出了基于濁度儀建立的溶解度的在線測量裝置。

圖 1 濁度法測量溶解度實驗裝置

當溶液處于澄清狀態(tài)時，測量的濁度值維持在高穩(wěn)定數(shù)值，當溶液中發(fā)生晶體成核后，由于光強受到干擾，濁度值發(fā)生顯著變化，如圖 2 所示，基于此時的溫度和濃度數(shù)據(jù)，就能計算出此溫度條件下的實驗溶解度數(shù)據(jù)。

圖 2 升溫過程和降溫過程溶液的濁度變化圖

基于濁度儀，測定了 JDDO 在甲醇溶劑中的溶解度實驗數(shù)據(jù)，如圖 3 所示。分析后蕞終確定了冷卻結(jié)晶作為獲得高收率 JDDO 產(chǎn)品的結(jié)晶方法，為后期的結(jié)晶過程優(yōu)化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖 3 JDDO 在甲醇中的溶解度實驗數(shù)據(jù)

2．加晶種方法的確定
通過小試工藝優(yōu)化實驗，研究確定了無晶種冷卻結(jié)晶的蕞優(yōu)結(jié)晶工藝，獲得的 JDDO 晶體產(chǎn)品的顯微鏡圖片和實物圖如圖 4（a）和圖 4（b）所示。實際耐壓試驗也證實了該晶形產(chǎn)品儲存過程較難發(fā)生結(jié)塊，但該工藝完成一次結(jié)晶需要 5 小時，為提高生產(chǎn)效率，后續(xù)研究基于濁度儀開展了加晶種結(jié)晶方式的優(yōu)化。

(a) (b)

圖 4 優(yōu)化工藝得到的 JDDO 產(chǎn)品

加晶種對于縮短結(jié)晶時間、提高結(jié)晶效率和增加過程穩(wěn)定性是非常重要的。研究使用的晶種為前期優(yōu)化工藝獲得的晶體產(chǎn)品，同樣，晶種的加入時機非常重要，要求加入時刻的溶液濃度處于低的過飽和范圍。研究使用濁度儀測量了不同初始濃度和不同降溫速率下的溫度濁度圖，如圖 5 所示，由測量的數(shù)據(jù)能確定了不同過程條件下的成核溫度及晶種加入溫度。

圖 5 濁度法測量成核時間

3. 結(jié)果與分析
基于濁度儀等在線過程分析工具，成功優(yōu)化了 JDDO 在甲醇中的冷卻結(jié)晶實驗，將結(jié)晶時間由 5 小時縮短至 3 小時，確定了加晶種冷卻結(jié)晶方法控制產(chǎn)品結(jié)塊性的方法，得到的晶體產(chǎn)品流動性很好，儲存三個月不會發(fā)生結(jié)塊。基于在線濁度儀，研究又成功將優(yōu)化結(jié)晶工藝放大到 20L 反應(yīng)釜規(guī)模，結(jié)果表明，建立的加晶種冷卻結(jié)晶工藝具有良好的放大性。

圖 6 JDDO 加晶種冷卻結(jié)晶中試放大結(jié)果

4. 結(jié)論
本研究基于濁度法在線過程分析工具，優(yōu)化了 JDDO 結(jié)晶過程，建立了優(yōu)化結(jié)晶工藝，解決了 JDDO 實際生產(chǎn)過程中存在的產(chǎn)品結(jié)塊問題。

張揚，吳魁，劉晶晶，王學重
華南理工大學