熔融結晶工藝設計及關鍵因素分析

欄目：技術工藝發布時間：2023-08-10

面對化工生產中綠色制造的迫切需求，開發可持續的、環境友好的化工技術對于減少二氧化碳排放，實現碳中和目標具有重要意義。層熔融結晶因其以下特點被認是一種綠色的分離手段：與其他分離技術相比，層熔融結晶具有能耗低、無氣體和溶劑、選擇性高、易于擴大規模等優點。

面對化工生產中綠色制造的迫切需求，開發可持續的、環境友好的化工技術對于減少二氧化碳排放，實現碳中和目標具有重要意義。層熔融結晶因其以下特點被認是一種綠色的分離手段：與其他分離技術相比，層熔融結晶具有能耗低、無氣體和溶劑、選擇性高、易于擴大規模等優點。重要的是，幾乎沒有化學廢物的產生有效地減少了進一步的能源消耗和環境污染。鑒于其工程應用的優勢，層熔融結晶在異構體分離、廢水處理、食品工業、超純產品制備等方面得到了廣泛的應用（S. Z. Jia et al. Chem. Eng. Res. Des., 2021）。

產品的純度是下游工藝能否順利生產的決定性指標。天津大學龔俊波教授課題組此前利用熔融結晶技術實現了二元同分異構體系的高效分離，并通過結合數學模型對分離過程進行了定性的分析和討論（S. Z. Jia et al. Sep. Purif. Technol., 2020）。相比于結晶過程，發汗過程作為二次純化的手段，對雜質的移除更加顯著。為此，我們進一步重點討論發汗過程設計，并提出發汗過程模型來揭示工藝標量與目標參數之間的關系（S. Z. Jia et al. Sep. Purif. Technol., 2021）。然而，對于一些難分離體系，僅僅通過優化結晶與發汗過程參數難以實現超高純度產品的制備，為此，我們提出了不同的結晶器設備改進策略，試圖通過過程強化的手段提高分離效率（W. Hong^#, S. Z. Jia^#et al. ACS. Sustain. Chem. Eng., 2022）。盡管工藝參數調控與過程強化手段可以有效地提高分離效率以及結晶過程的選擇性，但是我們更希望可以通過更多的數學模型來指導工藝過程設計，進而減少實驗量與技術開發成本。

為此，天津大學龔俊波教授課題組結合實驗與模型，定性的討論了結晶與發汗過程。首先，建立了基于溫差驅動的結晶過程動力學模型，描述了結晶層的生長特征；其次，利用分形孔隙度模型對結晶柱孔隙結構進行分析，發現高孔隙度條件下，分形特征趨向于歐幾里得幾何特征。最后，模擬了熔體在孔隙通道中的滲流速率，并定性地解釋了包裹體夾帶和晶簇流動造成的偏差（S. Z. Jia et al. Chem. Eng. Sci., 2023）。同時，我們分析了雜質遷移機理，研究了層熔融結晶設計中分離優化的關鍵因素。強調了孔隙結構、動力學參數和發汗強度對分離過程的影響。并討論了動力學因素和雜質遷移分布的重要作用，定性分析表明，動力學效應在發汗過程中雜質遷移中起到了重要作用（S. Z. Jia^#, L. Y. Yu^# et al. AICHE J., 2023）。