结晶器及连续结晶工艺的设计、放大和优化

项目成熟阶段：   □孵化期      □生长期     ■成熟期

项目简介及特点：

利用计算流体力学、结晶学、化学反应工程学等多学科方法，从微观和宏观混合的机理出发，数值模拟和仿真结晶反应器内的流动、传递和结晶反应过程，指导结晶反应器的设计、优化和操作调控。研究了典型结晶体系的反应－结晶成核动力学，建立了成核动力学模型和二次结晶模型，得到包含反应－成核－生长结晶全过程的整体数学模型。针对实验室烧瓶内合成的纳微米颗粒性能（如粒径分布、颗粒结构等）与工厂大设备内产品通常有很大差别，研究了如何调控反应器的流体力学和传递特性，如搅拌构型参数（搅拌桨形状和安装位置等）和操作参数（流体性质、搅拌转速、加料时间和位置等），以实现纳微米颗粒材料的规模化制备和工业放大。国内化工和医药行业中的结晶过程多是不连续方式，这就造成了产品稳定性差（晶形差，粒度分度范围宽，不同批次产品外观和色泽差别大）。为了提高产品的稳定性和节能，急需开发占地面积小、自动化控制程度高的连续结晶新工艺。我们利用其在结晶器的设计、放大和优化的独特技术和成功经验，建立起了进料—>结晶器（一级或多级，蒸发结晶或冷却结晶或其他结晶方式，加晶种或不加晶种等）—>分级（产品分离，母液循环）—>母液与进料混合连续结晶工艺。在企业提供的生产数据基础上，利用化工设备设计的基本方法、结晶动力学原理，对连续结晶工艺当中相关过程进行建模，建立起了该过程一系列的物料守恒方程，利用多元函数的最优化方法对物料守恒方程中的一系列参数进行了优化，给出了连续结晶工艺当中各股物料流量、浓度（包括悬浮液总浓度、液相浓度和晶体浓度），水分蒸发量等参数，得到优化的工艺操作参数。获得2009年国家自然科学奖二等奖“多相体系的化学反应工程和反应器的基础研究及应用”、2009年中国石油和化学工业协会技术发明奖一等奖“基于数值模拟的多相搅拌槽反应器设计和工业应用”、2006年中国石油和化学工业协会科技进步奖一等奖“多相体系的化学反应工程和反应器的应用基础研究”。

专利和进展情况：申请发明专利2项。中石化总公司鉴定成果1项：“己内酰胺硫铵结晶反应器扩产性能模拟和试验”；课题组利用模型和数值模拟，针对己内酰胺工艺由5万吨扩产到16万吨时原有的481 m³硫铵结晶反应器能否适应放大需求，提出不同于美国工程公司和国内研究单位的改造方案，工业验车成功，仅设备投资就节省2千多万元、节能超过1600万元/年。为中石化总公司鉴定成果。

经济效益与应用前景：应用领域：化工、冶金、石化、生化、制药。直接应用于生产，已在大型化工企业应用。可以改造现有工业结晶器和工艺、实现技术提升，也可以为新工艺设计新型高效反应结晶器。能够实现结晶生长动力学和粒度分布的可调控。利用宏观和微观混合，强化多相混合、分散、传递和反应，设计新型结晶器内部结构，调控二次结晶过程，获得较理想的晶体粒径分布，提高原料利用率和产品收率、改善产品质量。

产业化方式及条件：合作开发、技术咨询、技术服务。投资规模视结晶器大小和操作条件而定。

资源/能源利用