无水醋酸钠结晶过程中析晶温度和颗粒粒径在线
导读:结晶过程是化工单元操作中一种高效节能的固液分离与提纯技术，广泛应用于食品、医药、染料等生产过程。结合超声法、图像法和光学浊度法研究了无水醋酸钠的结晶过程，通过超声
来源：未知
发布日期：2019-10-23 17:59【大 中 小】
引 言
结晶是指固体物质从溶液、熔融体或蒸汽中析出的过程，一直以来结晶过程都以高纯度、高效率、 低能耗等优点广泛应用于医药、化工、冶金和食品等行业的分离，提纯、净化等方面。特别在医药行 业，90%以上医药产品的生产过程中都含有结晶操作单元。为了确保产品的质量和纯度，必须严格控制影 响该过程的不同参数，其中晶体尺寸大小是表征产品质量最直观、最重要的因素，不仅直接影响颗粒 的下游加工（如过滤、干燥、运输、储存等），也会影响产品的最终性能，同时恰当地控制晶粒尺寸也可 以避免二次处理，简化操作。
实 验
实验装置 实验装置，样品池体积为 1 L，其中长宽高分别为 125 mm, 100 mm, 80 mm。为便于图像 法观察，其中高宽方向的两个面由有机玻璃制成，其余面均采用不锈钢以便快速热交换，且厚度均为 2 mm；为保证体系均匀，采用了搅拌速率 0～3000 r/min 可调的双叶桨搅拌器（DJ1C-40）；采用循环低温 恒温水浴槽控制实验温度(0~100 °C 可调)。在线监测仪器包括量程为 0～800 NTU 的浊度仪、放大倍率为 2 倍的 CCD 相机（GS3-U3-50S5M-C），其中视场范围为 4.2 mm×3.5 mm，工作距离为 65 mm、自制超声 探针（内置中心频率 5 MHz 换能器 Panametrics V313-SU）及连接的超声脉冲发射接收仪（Panametrics 5800PR，最高激励频率为 35 MHz）。超声探针测量区设计为 10 mm(该值事先验证以避免回波信号相互干 扰)。浊度仪和超声探针分别倾斜放置于搅拌器两侧，且距搅拌器位置基本相等并尽量向其靠近，使得搅 拌均匀的晶浆流和探头能够充分接触并尽量减少附着于探头晶粒，同时保证超声法和浊度法测得的溶液 在同一流场，减小测量偏差。
实验样品和过程
实验对象为无水醋酸钠，具有很好的缓冲性能和防腐性能，适合于电镀工艺调控电镀液的酸度或用 作饲料防腐剂[26]。样品为无色无味结晶体，易溶于水，在水中的溶解度随温度的升高而明显增加。 实验前，在 30 ℃条件下配制好初始体积浓度为 15%的无水醋酸钠溶液，为保证溶质充分溶解，于 30 ℃恒温条件下保持 30 min 以上。待完全溶解后，分别按照不同降温速率（0.3 ℃/min、0.6 ℃/min、 1.0 ℃/min）和不同搅拌速率（100 r/min、200 r/min、300 r/min）进行操作至温度降至 10 ℃以实现无水醋 酸钠的结晶过程。实验中搅拌速率不能太快，避免气泡对测量结果产生影响，同时较快的降温速率也会 导致结晶过程时间太短，不便观察。
实验现象与分析
不同降温速率、搅拌速率下的温度变化曲线。可以看出，降温初期溶液温度下降得较快，基 本呈线性降低，期间温度有小幅度升高，这是因为溶液中开始有晶体析出，释放热量。降温速率越快，回升温度点越低而回升幅度越大，此时因为传质快，有效避免晶体团聚现象，同时 较快的降温速率又会加快成核速率，产生晶体数目较多，释放较多热量，导致温度波动更大。
背景的超声信号
以降温速率 0.6 ℃/min，搅拌速率 200 r/min 为例，分析晶体还未析出时无水醋酸钠的超声信号，作 为背景信号，可以看出随温度降低，背景信号相位逐渐向前偏移但幅值基本稳定，经推算 温度每降低 1 ℃，速度增加 2～3 m/s。温度变化本身对于信号幅度影响小，在计算无水醋酸钠衰减谱时 可以忽略背景温度的影响，但相速度则可能受溶液温度和析出晶体颗粒等多重影响。基于此，本文后续 仅研究衰减法表征晶体粒径。
结 论
上海昕瑞通过结合超声法、图像法和浊度法完整地实时监测无水醋酸钠的降温结晶过程，在线测量并分 析了不同降温速率、搅拌速率下析晶温度和颗粒尺寸的变化。结果表明：(1)超声法测得析晶温度均低于 浊度法，且偏差随搅拌速率和降温速率增加而变大，但小于 15%；(2)降温速率越快晶体生长速率越快； (3)较快的搅拌速率在初期会促进晶体生长但在后期则会产生很多细小的晶粒，导致晶体平均尺寸有所下 降；(4)同一工况下超声法和图像法测得晶体尺寸较接近，晶体稳定析出后两者偏差在 15%以内，同时通 过图像法也可以直观反映结晶过程晶体形态。 调节降温速率和搅拌速率是一种很有效的控制晶体大小和形状的方法，本文研究也为寻求无水醋酸 钠工业生产工况优化提供了理论基础。
