探頭式濁度儀優(yōu)化某化工廠產(chǎn)品結(jié)晶過(guò)程實(shí)例
介紹
結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)多相多組分的相變過(guò)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(xué)品的生產(chǎn)過(guò)程。隨著在線過(guò)程分析技術(shù)的發(fā)展，目前對(duì)結(jié)晶的認(rèn)識(shí)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(guò)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(guò)溶液的光的強(qiáng)度來(lái)判斷溶液是否發(fā)生成核或生長(zhǎng)。研究成功使用了濁度儀，針對(duì)某化工廠的一種工業(yè)添加劑產(chǎn)品 JDDO 的結(jié)晶過(guò)程的產(chǎn)品進(jìn)行了晶形優(yōu)化研究。實(shí)際生產(chǎn)中，JDDO 儲(chǔ)存若干個(gè)月后會(huì)發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的儲(chǔ)存周期。為解決該問(wèn)題，我們針對(duì)其結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)化的研究。

1．溶解度數(shù)據(jù)的測(cè)量
溶解度數(shù)據(jù)是開(kāi)展結(jié)晶過(guò)程優(yōu)化的重要參考數(shù)據(jù)，同時(shí)也決定了理論蕞高收率。測(cè)量溶解度數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法是重量法，但該方法對(duì)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(cè)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(cè)量裝置。

圖 1 濁度法測(cè)量溶解度實(shí)驗(yàn)裝置

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

圖 2 升溫過(guò)程和降溫過(guò)程溶液的濁度變化圖

基于濁度儀，測(cè)定了 JDDO 在甲醇溶劑中的溶解度實(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2．加晶種方法的確定
通過(guò)小試工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，研究確定了無(wú)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(shí)物圖如圖 4（a）和圖 4（b）所示。實(shí)際耐壓試驗(yàn)也證實(shí)了該晶形產(chǎn)品儲(chǔ)存過(guò)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(shí)，為提高生產(chǎn)效率，后續(xù)研究基于濁度儀開(kāi)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(duì)于縮短結(jié)晶時(shí)間、提高結(jié)晶效率和增加過(guò)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(shí)機(jī)非常重要，要求加入時(shí)刻的溶液濃度處于低的過(guò)飽和范圍。研究使用濁度儀測(cè)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(cè)量的數(shù)據(jù)能確定了不同過(guò)程條件下的成核溫度及晶種加入溫度。

圖 5 濁度法測(cè)量成核時(shí)間

3. 結(jié)果與分析
基于濁度儀等在線過(guò)程分析工具，成功優(yōu)化了 JDDO 在甲醇中的冷卻結(jié)晶實(shí)驗(yàn)，將結(jié)晶時(shí)間由 5 小時(shí)縮短至 3 小時(shí)，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(dòng)性很好，儲(chǔ)存三個(gè)月不會(huì)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(guò)程分析工具，優(yōu)化了 JDDO 結(jié)晶過(guò)程，建立了優(yōu)化結(jié)晶工藝，解決了 JDDO 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在的產(chǎn)品結(jié)塊問(wèn)題。

張揚(yáng)，吳魁，劉晶晶，王學(xué)重
華南理工大學(xué)