工業結晶技術（簡體書）

《工業結晶技術》系統介紹了結晶過程中涉及的概念和基礎理論、工業結晶的工藝技術和設備、結晶器的設計和應用，並通過結合工程經驗和應用實例，加深讀者對結晶學理論的理解。同時，緊跟行業發展前沿，全面介紹了近些年新發展起來的現代分析、結晶過程控制技術和模擬分析結晶過程的方法，為讀者提供了創新的發展方向和方法。《工業結晶技術》共八章，分別為晶體學基礎、結晶過程熱力學、結晶過程動力學、結晶過程分析與建模、工業結晶工藝及設備、結晶器設計與放大、晶體產品表征方法與過程測量技術、前沿結晶研究與技術發展。本書可作為高等院校化工、製藥、食品、材料以及相關專業的教材和教學參考資料，也可作為上述行業的研發設計、生產技術人員的參考書。

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杰出人才引進的國際知名化學工程專家，國家“千人計劃”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,衛宏遠就職於天津大學化工學院,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項目、3項結晶領域的國家自然基金項目、多項國際合作研發項目和產業化項目，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余篇，擁有國家發明專利20余項。

隨著新材料、生物醫藥以及精細化工等行業的迅猛發展和高端產質量量要求的不斷提高，人們對結晶技術提出了更高的需求，《工業結晶技術》一書應時而生。《工業結晶技術》系統地介紹了結晶過程中涉及的概念和基礎理論，還對工業結晶的工藝技術和設備、結晶器的設計和應用進行了全面的介紹。《工業結晶技術》通過結合工程經驗和應用實例的方式進行講述，加深讀者對結晶學理論的理解，真正體現了理論與實踐的結合。《工業結晶技術》緊跟行業發展前沿，全面介紹了近些年新發展起來的現代分析、結晶過程控制技術和模擬分析結晶過程的方法，為讀者提供了創新的發展方向和方法。

結晶是工業中常見的一種精制提純方法，與精餾等工藝相比，具有能耗低、設備結構簡單、產品純度高等優勢，因此在化工、食品、醫藥等領域得到了廣泛應用。在國際上，近年來工業結晶技術發展迅速，新基礎理論的提出和新領域的拓展層出不窮。在國內，隨著新材料、生物醫藥以及精細化工行業的不斷發展，對結晶工藝技術和裝備的創新提出了更為迫切的需求。同時，我國工業生產中所應用的結晶工藝和裝備技術水平相對較低，嚴重制約了高端產品的生產和行業可持續發展，是眾多“卡脖子”技術（例如，許多高端電子級產品的生產工藝、新藥開發等）中的關鍵工藝。因此，結晶工藝與設備的開發、研究與創新以及高端人才的培養是當務之急。
盡管結晶技術應用廣泛，但理論發展仍不夠成熟，屬於半科學半經驗的 “藝術”狀態，特別是在國內，有關工業結晶的專業書籍非常少，以工業結晶技術應用為主題的書籍更是嚴重缺乏，不能滿足我國目前的科研與產業化發展，更不能滿足培養相關技術人才的需要。為此，本書全面系統地闡述工業結晶技術的基礎理論與應用，並詳細介紹了目前國際上有關結晶技術發展以及理論研究領域的最新動向。本書使讀者不僅可以初步掌握結晶的基礎理論和方法，還可以正確理解和選擇各種結晶工藝、設備以及控制方法，為從事本專業的科學研究工作和工程技術工作打下基礎。
本書共分八章，第1～3章分別介紹了晶體學基礎、結晶過程的熱力學和動力學，以建立結晶技術的基礎理論框架；第4章詳細介紹了結晶過程數學分析，並對各種結晶工藝過程建模，通過案例來說明各種模型的應用；第5章在前幾章的理論基礎上，具體介紹了工業界所應用的不同結晶工藝、設備以及控制晶體產質量量的策略；第6章用大量的篇幅詳盡地介紹了工業結晶器的設計與放大；第7章系統介紹了有關晶體產品的表征方法和儀器，特別介紹了有關最新發展的一些在線監測技術 （PAT）；最後，第8章綜合國際上有關結晶技術的最新科研動向，介紹了結晶領域的非常規技術和發展方向，以期為讀者提供科研和創新思路。本書不但系統介紹了結晶過程中所涉及的基本概念和基礎理論，還對結晶工藝技術和設備、結晶器的設計和應用進行了全面的介紹，並通過結合大量的工程經驗和應用實例的方式進行了闡述，以加深讀者對結晶學理論的理解，體會如何將理論與實際應用相結合。近些年新發展起來的現代結晶過程分析、控制技術和模擬分析結晶過程的方法也是值得讀者了解的。
本書由衛宏遠主持編著，制定整本書的結構和內容，並參與各章節的編寫和審核。第1～3章由佟瑤參與編寫，第4章及第5章的1～5 節、8 節由於秋碩參與編寫，第5章的6～7 節及第7章由劉文舉參與編寫，第6 和第8章由黨樂平參與編寫。在編寫過程中，編者結合了多年的研究經驗和成果。此外，天津大學、西北大學、河南科技大學和大連工業大學的研究生蘇冠文、趙鹽鵬、何家瑋、張蕊、高寧燦、劉國釗、葉凱茹、石排風、王朝、李洪升、師菲艷等參與了收集資料、排版校對等工作，在此一並表示感謝！
在編著本書的過程中查閱了大量的最新中外研究資料與學術文獻，力求全面、完整地將結晶領域的知識、技術與最新進展介紹給讀者。每章末都列出了相應的參考文獻，為讀者追本溯源、深入理解本書中的知識提供了渠道。
本書在編寫出版過程中得到了國內外眾多學者和專家的指導和幫助，特別感謝大連理工大學彭孝軍院士、華東理工大學於建國教授和北京理工大學龐思平教授在本書的編寫過程中給予的指正和指導。願借本書問世之機，對他們的幫助和支持表示衷心感謝！同時，要特別感謝化學工業出版社在本書整個編寫和出版過程中自始至終的鼓勵與支持。
由於時間限制本書不可避免地還存在一些問題需要修正，敬請讀者批評，我們將進一步修訂和完善。

編者
2023年6月

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 晶體粒度分布函數 96
4.1.1 粒度分布 97
4.1.2 粒度分布函數 99
4.2 質量與粒數衡算方程 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 粒數衡算與質量衡算的關係 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 間歇結晶的固相信息 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 產品粒度分布的矩 139
4.5.4 穩態質量衡算 140
4.5.5 粒度相關的生長 141
4.5.6 生長分散 142
4.5.7 與粒度相關的停留時間分布 142
4.5.8 MSMPR 結晶器的瞬態 143
4.5.9 晶體體積坐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 分配系數 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粒度振蕩現象 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 強制循環結晶器 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 儀表與控制 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 計算流體力學仿真輔助結晶器設計 230
6.3.1 計算流體力學軟件輔助 231
6.3.2 結晶器CFD 數值模擬與仿真 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 晶體產品表征方法與過程測量技術 304
7.1 晶體形貌與粒度 304
7.1.1 粒度分布 304
7.1.2 粒度測量方法 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 激光聚焦、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 在線成像技術 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 在線及離線光譜技術 331
7.8.1 在線折射儀 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