探頭式濁度儀優化某化工廠產品結晶過程實例

探頭式濁度儀優化某化工廠產品結晶過程實例
介紹
結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、工業添加劑等專用化學品的生產過程。隨著在線過程分析技術的發展，目前對結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，在結晶過程相關研究及工業案例應用已有不俗的表現。

應用案例
濁度儀是根據接收穿過溶液的光的強度來判斷溶液是否發生成核或生長。研究成功使用了濁度儀，針對某化工廠的一種工業添加劑產品 JDDO 的結晶過程的產品進行了晶形優化研究。實際生產中，JDDO 儲存若干個月后會發生結塊現象，嚴重影響產品的儲存周期。為解決該問題，我們針對其結晶過程進行了系統化的研究。

1．溶解度數據的測量
溶解度數據是開展結晶過程優化的重要參考數據，同時也決定了理論蕞高收率。測量溶解度數據的傳統方法是重量法，但該方法對操作人員的要求較高，結果易出現誤差。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時，測量的濁度值維持在高穩定數值，當溶液中發生晶體成核后，由于光強受到干擾，濁度值發生顯著變化，如圖 2 所示，基于此時的溫度和濃度數據，就能計算出此溫度條件下的實驗溶解度數據。

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據，如圖 3 所示。分析后蕞終確定了冷卻結晶作為獲得高收率 JDDO 產品的結晶方法，為后期的結晶過程優化提供了基礎數據。

圖 3 JDDO 在甲醇中的溶解度實驗數據

2．加晶種方法的確定
通過小試工藝優化實驗，研究確定了無晶種冷卻結晶的蕞優結晶工藝，獲得的 JDDO 晶體產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品儲存過程較難發生結塊，但該工藝完成一次結晶需要 5 小時，為提高生產效率，后續研究基于濁度儀開展了加晶種結晶方式的優化。

(a) (b)

圖 4 優化工藝得到的 JDDO 產品

加晶種對于縮短結晶時間、提高結晶效率和增加過程穩定性是非常重要的。研究使用的晶種為前期優化工藝獲得的晶體產品，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，由測量的數據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. 結果與分析
基于濁度儀等在線過程分析工具，成功優化了 JDDO 在甲醇中的冷卻結晶實驗，將結晶時間由 5 小時縮短至 3 小時，確定了加晶種冷卻結晶方法控制產品結塊性的方法，得到的晶體產品流動性很好，儲存三個月不會發生結塊。基于在線濁度儀，研究又成功將優化結晶工藝放大到 20L 反應釜規模，結果表明，建立的加晶種冷卻結晶工藝具有良好的放大性。

圖 6 JDDO 加晶種冷卻結晶中試放大結果

4. 結論
本研究基于濁度法在線過程分析工具，優化了 JDDO 結晶過程，建立了優化結晶工藝，解決了 JDDO 實際生產過程中存在的產品結塊問題。

張揚，吳魁，劉晶晶，王學重
華南理工大學