工業結晶技術

第1章 晶體學基礎    1
1.1 固體結晶學  1
1.1.1 晶體的概念  1
1.1.2 晶體晶格    2
1.1.3 晶體內部結構的空間劃分和坐標系  5
1.1.4 晶胞    8
1.1.5 晶體學符號    8
1.1.6 晶格缺陷    10
1.1.7 晶體基本性質    15
1.2 晶體的固體形態  16
1.2.1 多晶型    16
1.2.2 成鹽    19
1.2.3 共晶    19
主要符號說明  21
參考文獻    21

第2章 結晶過程熱力學  23
2.1 結晶提純原理  23
2.1.1 固態中的溶解度    24
2.1.2 分級結晶    25
2.1.3 雜質的包裹和表面吸附    25
2.2 溶解度和相平衡    26
2.2.1 溶解度    26
2.2.2 相平衡與相圖. 34
2.3 過飽和度、介穩區和誘導期 48
2.3.1 自由能-組成圖. 49
2.3.2 過飽和度  50
2.3.3 介穩區和誘導期  50
2.3.4 介穩區測量和預測  51
2.3.5 對結晶過程的影響  51
主要符號說明    52
參考文獻    52

第3章 結晶過程動力學    54
3.1 晶體成核    54
3.1.1 初級成核    54
3.1.2 成核速率的測量    59
3.1.3 非經典成核    60
3.1.4 二次成核    64
3.2 晶體生長    72
3.2.1 基本概念    72
3.2.2 晶體生長機理  72
3.2.3 晶體表面  73
3.2.4 表面反應控制的生長  74
3.2.5 體積擴散控制的生長  79
3.2.6 體積擴散和表面反應控制的生長  80
3.2.7 溫度的影響  82
3.2.8 傳熱控制的生長  82
3.2.9 傳質和傳熱控制的生長  82
3.2.10 生長速率分散  82
3.3 晶種、老化與Ostwald 熟化    84
3.3.1 晶種    84
3.3.2 老化與Ostwald 熟化    84
3.4 結晶過程中的聚結現象    85
3.4.1 聚結機理和動力學    85
3.4.2 影響聚結過程的參數  87
3.4.3 結晶過程的聚結  88
3.4.4 聚結體的力學性能  90
3.4.5 磨損破碎  90
主要符號說明  91
參考文獻    92

第4章 結晶過程分析與建模  96
4.1 晶體細微性分佈函數  96
4.1.1 細微性分佈    97
4.1.2 細微性分佈函數    99
4.2 品質與粒數衡算方程    102
4.2.1 連續粒數衡算方程    102
4.2.2 聚結與破碎的衡算    104
4.2.3 粒數衡算與品質衡算的關係    106
4.2.4 穩態粒數衡算方程  106
4.2.5 矩量方程  109
4.3 間歇結晶過程    112
4.3.1 間歇結晶的溶液相    112
4.3.2 間歇結晶的固相資訊  114
4.3.3 間歇結晶粒數密度函數    116
4.3.4 不同間歇結晶操作模式的建模    118
4.3.5 反溶劑結晶  120
4.3.6 反應結晶器  123
4.3.7 預過飽和溶液的結晶. 125
4.4 半間歇結晶過程    127
4.4.1 反應結晶系統    128
4.4.2 奧斯特瓦爾德熟化  130
4.4.3 晶體體積坐標系中的粒數衡算    133
4.5 連續結晶過程    137
4.5.1 穩態粒數衡算    137
4.5.2 模型參數  138
4.5.3 產品細微性分佈的矩  139
4.5.4 穩態品質衡算  140
4.5.5 細微性相關的生長  141
4.5.6 生長分散  142
4.5.7 與細微性相關的停留時間分佈    142
4.5.8 MSMPR 結晶器的瞬態    143
4.5.9 晶體體積座標的連續粒數衡算方程  145
4.5.10 活塞流結晶器  147
主要符號說明    147
參考文獻    148

第5章 工業結晶工藝及設備  153
5.1 冷卻結晶    153
5.2 蒸發結晶    155
5.2.1 蒸發結晶過程    155
5.2.2 雜質的影響  156
5.2.3 溶劑變化  157
5.2.4 影響蒸發結晶成核和生長的因素  157
5.2.5 傳熱過程  158
5.3 鹽析、反溶劑結晶    158
5.3.1 鹽析、反溶劑結晶過程    158
5.3.2 反溶劑添加策略  160
5.4 反應結晶    163
5.4.1 反應結晶過程    163
5.4.2 反應結晶的粒徑控制  163
5.4.3 誘導時間和成核  164
5.4.4 過飽和度控制  164
5.5 熔融結晶    165
5.5.1 熔融結晶過程    165
5.5.2 結晶相區域  165
5.5.3 分配係數  166
5.5.4 熔融結晶技術與應用  167
5.6 加晶種技術    176
5.6.1 加晶種操作：原理和現象    176
5.6.2 間歇式結晶過程的加晶種策略：主要工藝參數    177
5.6.3 通過加晶種控制間歇結晶：設計的經驗規則    178
5.7 細晶消除    183
5.7.1 熱溶解法消除細晶    183
5.7.2 帶細晶消除裝置的理想混合連續結晶器    184
5.7.3 工業上的細晶消除. 185
5.7.4 細晶消除控制  185
5.7.5 工業結晶器中的晶體細微性振盪現象    187
5.8 常見工業結晶器    188
5.8.1 結晶器的選擇標準    188
5.8.2 曬鹽池  190
5.8.3 熱虹吸結晶器  190
5.8.4 帶攪拌導流筒式結晶器. 191
5.8.5 強制迴圈結晶器  193
5.8.6 流化床結晶器  196
5.8.7 生長式結晶器  197
5.8.8 噴霧式蒸發結晶器  197
5.8.9 直接冷卻結晶器  198
5.8.10 表面冷卻結晶器  198
5.8.11 級聯結晶器    200
主要符號說明  201
參考文獻    201

第6章 結晶器設計與放大  204
6.1 設計原則  204
6.1.1 設計基礎    204
6.1.2 結晶器的選擇    206
6.1.3 儀錶與控制    209
6.1.4 結晶器成本    212
6.2 混合與放大    213
6.2.1 在間歇和連續結晶過程中的混合    213
6.2.2 結晶過程中的混合    214
6.2.3 攪拌槳葉和攪拌系統    214
6.2.4 攪拌系統的功耗  214
6.2.5 固相晶體懸浮  217
6.2.6 結晶過程的放大  224
6.2.7 結晶器放大  228
6.3 計算流體力學模擬輔助結晶器設計    230
6.3.1 計算流體力學軟體輔助    231
6.3.2 結晶器CFD 數值模擬與模擬    231
6.3.3 CFD 輔助結晶器設計實例  234
6.4 間歇結晶過程設計    241
6.4.1 設定目標    241
6.4.2 有機分子的結晶  241
6.4.3 間歇結晶過程過飽和度的產生  242
6.4.4 結晶開始——成核階段    244
6.4.5 間歇結晶過程加晶種策略  245
6.4.6 結晶工藝控制方案  247
6.4.7 放大準則  248
6.4.8 晶體形狀的控制  249
6.5 連續結晶過程的設計    250
6.5.1 連續結晶器的概念和設計    250
6.5.2 各類連續結晶器的設計  259
6.5.3 邊界  264
6.5.4 各結晶工藝的特點  266
6.5.5 晶漿密度的調節  267
6.6 設計實例：連續蒸發結晶器    268
6.6.1 選擇過程設計中的排放點    268
6.6.2 有機化合物的結晶實例  271
6.6.3 食鹽結晶實例  274
6.6.4 MVR 節能連續蒸發結晶實例 278
6.7 熔融結晶工藝和裝備設計    281
6.7.1 工業化熔融結晶工藝基本概念    281
6.7.2 層結晶動力學  281
6.7.3 層結晶設計實例  290
主要符號說明    296
參考文獻    299

第7章 晶體產品表徵方法與過程測量技術  304
7.1 晶體形貌與細微性  304
7.1.1 細微性分佈    304
7.1.2 細微性測量方法    305
7.2 顆粒流動性    307
7.3 晶體結構光譜分析    308
7.3.1 X 射線粉末衍射    308
7.3.2 振動光譜  309
7.3.3 固態核磁共振  310
7.4 熱力學分析    311
7.4.1 差示掃描量熱法    311
7.4.2 等溫微量熱法  313
7.5 組成分析    314
7.5.1 熱重測定    314
7.5.2 動態蒸汽吸附  315
7.6 鐳射聚焦、散射技術    316
7.6.1 聚焦光束反射測量    316
7.6.2 前向光散射  321
7.7 線上成像技術    327
7.7.1 應用與發展    328
7.7.2 結晶過程中應用案例    329
7.8 線上及離線光譜技術    331
7.8.1 線上折射儀    331
7.8.2 ATR-FTIR 光譜學    336
主要符號說明  338
參考文獻    339

第8章 前沿結晶研究與技術發展  344
8.1 晶型控制  344
8.1.1 多晶型的熱力學    344
8.1.2 多晶型的轉變方式及機理    348
8.1.3 多晶型的控制    350
8.2 絡合與萃取結晶    355
8.3 離解萃取結晶    357
8.4 助溶結晶    359
8.5 共結晶    362
8.6 冷凍結晶    365
8.7 乳化結晶    368
8.8 固相反應結晶    369
8.9 結殼機理研究    371
8.10 相轉移機理    372
8.11 蛋白質結晶    373
8.12 微流體結晶    375
8.13 二維成核和受限結晶    377
8.14 連續管式COBC 結晶  379
8.15 膜結晶    380
主要符號說明    382
參考文獻    382

衛宏遠，天津大學化工學院，教授、博導，衛宏遠教授是天津大學作為傑出人才引進的國際知名化學工程專家，國家“千人計畫”特聘專家。衛教授在英國曼徹斯特理工大學化工系攻讀博士學位期間師從世界知名化工專家、前英國化工學會（IChemE）主席、英國皇家工程院院士Garside教授，在工業結晶以及過程流體力學計算等領域開展具有創新性的研究。歸國後,衛宏遠就職于天津大學化工學院,其帶領的團隊在化工技術產業化方面成果卓越。主持1項國家重點研發、3項國家863專案、3項結晶領域的國家自然基金專案、多項國際合作研發專案和產業化專案，在工業結晶、化工安全、精細化工產業化領域具有很高的國際知名度。發表SCI學術論文80餘篇，擁有國家發明專利20余項。