γ-氨基丁酸结晶过程粒度分布控制

摘要

随着食品、化工和医药等行业的快速发展,工业上结晶技术不仅是一道分离纯化的工序,更是影响下游单元操作和产品质量的关键环节。在衡量结晶产品质量高低的众多指标中,粒度分布作为影响晶体性能的重要因素受到广泛关注。粒度分布不仅与结晶操作息息相关,更易受结晶温度、溶析剂流加速度等过程条件变化的影响。因此,选择合适的结晶方式,控制结晶过程温度、溶析剂等操作条件的变化是实现粒度分布控制的关键。本文针对结晶方式的选择和结晶过程最优控制曲线的获取问题,以γ-氨基丁酸为对象,研究了其降温-溶析结晶过程粒度分布模型和控制策略。
　　建立了γ-氨基丁酸降温-溶析结晶的粒度分布模型,并对结晶过程进行了模拟。该模型包括溶解度方程、成核与生长速率方程、粒数衡算方程和质量守恒方程。针对溶解度方程,考虑温度和乙醇含量对溶解度的影响,在γ-氨基丁酸热力学性质研究的基础上,建立了关联温度和乙醇含量的溶解度方程。针对结晶过程数值模拟,研究了降温、溶析和降温-溶析结晶方式下晶体的粒度分布及收率。研究结果表明,粒度分布模型和模拟方法能较好地表达结晶过程各参数的变化。此外,降温-溶析结晶方式提高了晶体收率和平均粒径。
　　针对粒度分布的在线控制策略,建立了γ-氨基丁酸结晶过程粒度分布的最优控制模型,获取了结晶过程最优温度和乙醇流加速率控制曲线。模型以晶体平均粒径作为评价粒度分布的指标,综合考虑过程模型和操作条件约束。在最优控制模型的基础上,通过控制向量参数化等效为非线性规划问题,利用序列二次规划算法计算获得最优温度和乙醇流加速率控制曲线,并讨论了粒度分布的在线控制策略。与离线控制策略相比,在线控制策略增大了晶体平均粒径并提高了收率。
　　根据系统工程的方法,设计了包括实时控制系统和上位机监控系统的结晶过程控制系统。实时控制系统用于对结晶过程温度和乙醇流加速率的控制,上位机监控系统用于对结晶过程参数的计算和显示。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．2 结晶与粒度分布建模

1．2．3 粒度分布控制

1．3 主要工作与章节安排

1．3．1 主要工作

1．3．2 章节安排

第2章 γ-氨基丁酸结晶过程的建模与模拟

2．1 结晶过程基本原理

2．1．1 结晶过程热力学

2．1．2 结晶过程动力学

2．2 γ-氨基丁酸结晶过程建模

2．2．1 溶解度模型

2．2．2 成核速率模型

2．2．3 生长速率模型

2．2．4 粒数衡算方程

2．2．5 质量衡算方程

2．3 结晶过程模型求解

2．3．2 粒度分级法

2．4 结晶过程动态模拟

2．4．1 动态模拟计算

2．4．2 模拟仿真

2．5 小结

第3章 γ-氨基丁酸结晶过程最优控制

3．1 结晶过程最优控制模型构建

3．2 基于序列二次规划的模型求解

3．2．1 控制向量的离散化与参数化

3．2．2 梯度计算

3．2．3 序列二次规划

3．2．4 模型求解流程

3．3 粒度分布控制策略

3．4 小结

第4章 结晶过程控制系统设计

4．1 需求分析

4．1．1 功能需求

4．1．2 性能需求

4．1．3 数据需求

4．2 硬件设计

4．2．1 系统总体设计

4．2．2 实时控制系统设计

4．3 软件设计

4．3．1 软件功能及任务划分

4．3．2 实时控制系统软件设计

4．3．3 上位机监控系统软件设计

4．4 实验验证

4．4．1 数据采集

4．4．2 结晶过程模拟验证

4．4．3 结晶过程控制方法验证

4．5 小结

第5章 总结和展望

5．1 工作总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的成果

攻读硕士学位期间参与的项目