[发明专利]一种预测晶体在吸湿作用下的聚结率和聚结强度的方法

说明书

本发明公开一种预测晶体在毛细冷凝吸湿作用下的聚结率和聚结强度的方法。基于离散元方法模拟晶体粒子堆积过程，预测考虑晶体形状和粒度分布特征的晶体粒子群的随机接触状态；测定晶体粒子聚结的最小晶桥直径、晶体粒子与水的接触角、晶体粒子的毛细冷凝点和潮解点；设定吸湿环境循环湿度，测定单次循环总吸湿量；根据Kelvin公式、接触角、单次循环总吸湿量、晶体粒子群随机接触状态，计算两个晶体之间单次循环的吸湿量，根据晶体溶解度进而得到两个晶体之间单次循环的晶桥生成量，结合最小晶桥尺寸，预测晶体粒子群随时间和湿度循环过程聚结率和聚结强度变化情况。实验数据快速易得，将数月的聚结研究缩短至几天内完成，并提高预测准确性。

技术领域

本发明属于模拟分析技术领域，特别是涉及一种预测晶体在吸湿作用下的聚结率和聚结强度的方法。也可应用于极性及非极性液体对晶体产生聚结作用的研究当中。

背景技术

在结晶领域，晶体更倾向于被制备成单颗、分散状态的产品，以具备良好的流动性和稳定性。这样的晶体产品往往具有明显的商业竞争力。然而，在晶体后处理过程(运输、存储和干燥)中，聚结现象极易发生，成为产品质量的主要障碍，对盐、糖、药晶体的生产效益均造成严重损失。晶体聚结问题的普遍性和危害性困扰着众多生产领域。有效预测晶体聚结问题，有助于促进清洁生产，提高最终产品的整体质量，显著提高工业效益。

晶体粒子聚结通常是由于晶体表面吸附液体所导致，如存储和运输过程中高环境湿度引起的吸湿现象，干燥过程中晶体表面的母液或润洗液残留等等。在实际生产中，多数晶体粒子聚结通常有水的介入，这是由于晶体粒子多可以与水发生作用，因此吸收水分或后处理过程的水分残留导致的聚结现象非常普遍。由此可见，聚结始于吸湿，吸湿过程为晶体表面提供了一定量水，随后发生一系列的固液作用，从而形成聚结(Ghorab M.K.,etal.Food Chemistry,2014,144(144C):26-35)。晶体粒子具有潮解点和毛细冷凝点。一般基于潮解点和毛细冷凝点，将晶体的吸湿过程分为毛细冷凝作用和潮解作用。毛细冷凝作用非常微弱，吸湿量有限，而当环境湿度超过潮解点，晶体会迅速吸湿，在表面积累大量液体。一些学者对于聚结动力学进行着持续的研究，Komunjer L.基于Knudsen公式，结合晶体成核与生长的理论基础，针对“吸湿-液桥形成-液桥蒸发-晶桥生长”这一经典的聚结过程进行了动力学模型推导和实验考察。利用理论模型建立的曲线可描述均相体系随湿度的质量变化，与实际晶体样品吸湿-脱湿的重量变化曲线对比，可以分析出晶桥出现的时间点，即成核点。再结合时间数据可揭示动力学规律(Komunjer L.,et al.Powder Technology,2005,157(1):67-71)。Langlet M.在2013年利用ESEM(Environmental scanningelectronic microscopy)设备在调控湿度和温度的同时同步采集图像数据，进一步明确了吸湿、脱湿、成桥等聚结过程的关键点，使该方法的研究结果做到定量表征(Langlet M.,etal.Chemical Engineering Science,2013,86(5):78-86)。

然而，上述方法仍停留在理论研究阶段，晶体的聚结热力学、动力学和聚结强度、聚结率尚未建立可靠的关联。更需要指出的是，由于无法对晶体的粒度、粒形进行定量化的表征，文献作者也指出了上述方法的准确性存在明显的问题。由此可见，目前存在的方法中，对于实际工业生产中的大量粒子的聚结问题无法得到实际有效的指导。在目前的研究中，对毛细冷凝现象尤其缺乏关注，而实际上，在长时间存储过程中，工厂对于湿度和温度是有一定的把控的，在这样的环境下，聚结很大程度上要归结为毛细冷凝带来的微弱吸湿作用。同时，由于毛细作用带来的影响是微弱而持久的，这种特性导致其在工业生产中难以发现，检测时间长，而一旦发现，所带来的危害已经造成，难以挽回。

在以往的晶体聚结检测设备和测量方法中，没有关于考虑晶体形状和粒度分布特征的模拟分析晶体在毛细冷凝吸湿作用下的聚结率和聚结强度的专利和文献报道。

因此，目前急需一种方法来对工业存储、运输等环节中的具有粒度和粒形特征的晶体的聚结现象进行高效精准的定量分析。

发明内容