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有机物系溶液结晶过程中形态学控制研究

作　者: 张缨
导　师: 王静康
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: 分子模拟晶习预测溶剂效应添加剂效应多晶型控制
分类号: O782
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

除了固态产品的纯度和收率指标外,晶体的晶型、晶习和粒度分布也是影响产品质量、过程设计和技术经济指标的重要因素。通过选择适合的溶剂或添加剂来优化结晶过程、控制结晶产品的晶习和晶型是结晶工程的主要组成部分。本文利用分子模拟的方法,研究了溶剂、添加剂对晶习和晶型的影响。分子模拟也被称为计算机实验方法,分子模拟软件提供了强大的计算功能,通过量化原子、分子间相互作用能,可以从分子水平来认识晶体内部结构和晶-液界面相互作用,研究晶体成核和生长过程中的关键问题。通过其强大的图形处理功能,可以较直观地观测到晶体的内部结构,晶面的原子排布,还可给出由相对生长速率决定的生长外形。可以使原来不可视的微观世界可视化,从而更好地提供思路进行研究。建立了界面层模型,分别构建晶体层和溶剂层,利用分子力学和分子动力学方法计算溶剂层和晶体层相互作用能,考察溶剂层与同一晶体不同晶面间的相互作用能。结合晶体生长理论,建立了用于描述溶剂对晶习影响的新模型。该模型不仅考虑了溶剂分子-晶面分子相互作用能,还考虑了溶剂分子之间的作用能,比之前的模型更接近实际情况。新模型引入了面积校正因子S,可反映晶面特性和溶剂分子的体积效应,这是之前模型中没有具备的。可以应用到不同溶剂种类、混合溶剂(不同配比)条件下有机晶体的晶习预测。应用于α-谷氨酸、β-谷氨酸和尿素在水溶液中的晶习,可以很好地描述溶剂效应。通过分子动力学模拟对溶质分子周围的溶液结构进行研究,结果表明不同溶剂分子在溶质分子周围的分配不同是溶解度和构象等产生影响的主要原因。利用巨正则蒙托卡洛方法模拟了添加剂分子在晶面上的物理吸附过程。考察了添加剂分子的吸附平衡、吸附能量、吸附分子密度、吸附分子间距,结果表明可以利用Langmuir方程描述杂质浓度对相对生长速率的影响,其模型参数由吸附能大小确定。利用该模型验证了添加剂对谷氨酸和6APA晶习的作用。对结晶环境因素对多晶型的影响进行了讨论。以谷氨酸为例,利用晶格能判断不同多晶型之间的相对稳定性。考察不同温度下溶质在溶剂环境中的构象变化和不同构象的比例,解释不同温度下获得不同的多晶型。研究了添加剂对多晶型的选择控制,利用不同添加剂分子在不同多晶型的各个晶面上的相互作用能不同,选择合适的添加剂可以抑制非期望晶型的生长,从而促进期望晶型的生长,获得指定的晶型。

全文目录

第一章前言  9-17
  1.1 结晶控制指标  10-12
    1.1.1 控制生成指定晶型  10-11
    1.1.2 晶习控制  11
    1.1.3 粒度控制  11-12
    1.1.4 过程控制现代化  12
  1.2 晶体工程与分子模拟  12-15
  1.3 本文目的和结构  15-17
第二章分子模拟及其在结晶领域的应用  17-39
  2.1 分子模拟与化学工程  17-24
    2.1.1 分子力场  19-20
    2.1.2 电荷平衡  20
    2.1.3 分子力学  20-21
    2.1.4 分子动力学  21-22
    2.1.5 常用的系综  22-23
    2.1.6 边界条件  23
    2.1.7 相互作用的截断  23-24
  2.2 分子模拟在结晶中的应用  24-37
    2.2.1 晶体的基础知识  24-27
    2.2.2 晶格能的计算  27-28
    2.2.3 晶体结构的预测和求解  28-32
    2.2.4 基于内部结构的晶习预测  32-37
    2.2.5 溶剂和添加剂的作用  37
  2.3 本文所用软件简介  37-38
  2.4 本章小结  38-39
第三章溶剂对晶习的影响  39-92
  3.1 晶习  39-51
    3.1.1 晶习控制的基本思路  39-41
    3.1.2 结晶过程的影响因素  41-45
    3.1.3 考虑溶剂效应的晶习预测模型  45-51
  3.2 改进模型  51-69
    3.2.1 新模型的必要性和着眼点  51-53
    3.2.2 晶体界面模型的建立  53-58
    3.2.3 界面相互作用的计算  58-60
    3.2.4 界面相互作用能与晶习的关联  60-66
    3.2.5 基本算法实现途径  66-69
  3.3 模型验证  69-84
    3.3.1 应用事例之一----------α谷氨酸  69-75
    3.3.2 应用事例之一----------β谷氨酸  75-79
    3.3.3 应用事例之一----------尿素  79-84
  3.4 对混合溶剂的讨论  84-91
    3.4.1 混合溶剂模型的建立  84-85
    3.4.2 混合溶剂对晶面的作用  85
    3.4.3 混合溶剂对晶习的改变  85-86
    3.4.4 混合溶剂中溶液结构分析  86-91
  3.5 本章小结  91-92
第四章添加剂对晶习的影响  92-117
  4.1 添加剂对晶习的影响  92-97
    4.1.1 添加剂对晶体生长的影响  92-93
    4.1.2 添加剂的作用机理  93-95
    4.1.3 杂质吸附模型  95-96
    4.1.4 杂质的吸附等温线  96-97
  4.2 巨正则蒙托卡罗法模拟添加剂在晶面上的吸附  97-104
    4.2.1 模拟方法  97-98
    4.2.2 具体步骤  98-99
    4.2.3 研究内容  99
    4.2.4 结果和讨论  99-103
    4.2.5 总结  103-104
  4.3 添加剂对晶习影响-----α谷氨酸  104-106
  4.4 杂质对晶习的影响-----苯乙酸对6APA 晶习影响  106-116
    4.4.1 6APA 的晶体结构  106-107
    4.4.2 杂质苯乙酸的影响  107-108
    4.4.3 模拟计算  108-116
  4.5 本章小结  116-117
第五章多晶型分析  117-144
  5.1 多晶型现象  117-120
    5.1.1 多晶型  117-118
    5.1.2 多晶型在工业中重要性  118-119
    5.1.3 稳定性和转化  119-120
  5.2 溶液结晶过程中多晶型控制因素和控制策略  120-126
    5.2.1 控制策略  121-122
    5.2.2 影响因素  122-123
    5.2.3 溶剂对多晶型的影响  123-124
    5.2.4 添加剂对多晶型的影响  124-126
  5.3 分子模拟对多晶型控制的模拟  126-128
    5.3.1 原理  126
    5.3.2 基本实现途径  126-128
  5.4 对谷氨酸多晶型的研究  128-143
    5.4.1 谷氨酸物系简介  128-132
    5.4.2 多晶型稳定性研究  132-133
    5.4.3 温度对构象的影响  133-138
    5.4.4 添加剂对转化的影响  138-143
  5.5 结论  143-144
第六章结论  144-146
  6.1 结论  144-145
  6.2 建议  145-146
符号说明  146-149
参考文献  149-160
发表论文  160
本文创新点  160-161
致谢  161

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