结晶过程是一个重要的单元操作,在化工、制药、材料等许多领域用于产品的分离和纯化。对于晶体固体产品,除了对产品的纯度和杂含量有要求外,其稳定性、晶型、吸湿性、晶体形貌和粒度等也是重要的需要在结晶工艺中控制的产品质量指标,因为这些参数对于晶体产品的使用性能(例如药物的溶出速率、溶解度以及药效)和后续可加工性(例如干燥、压片、运输和包装等)都会有重要的影响。但是由于化合物结晶的高度复杂性,直到今天对结晶过程中一些主要的过程也没有达到完全了解的程度。相应的,结晶过程的设计和优化目前还不能依靠计算机模拟,还必须依靠实验,即从小试到中试再到放大这样一个过程。随着人们对产品质量的要求越来越高,国际上对结晶工艺的研究近年来更加活跃,试图在关键方面取得突破。本文结合一个有机化合物偶氮二异丁腈(2,2’-azobis(isobutyronitrile),AIBN)的结晶工艺,重点研究了结晶过程晶体形貌和粒度的控制以及其成核规律(包括初次成核和二次成核)。AIBN是一个重要的工业添加剂,被广泛应用作塑料和橡胶发泡剂以及自由基引发剂,但是该工业晶体产品经常会在保存中出现流动性变差甚至结块的现象,严重影响其使用性能。在本研究中,我们首先完全通过实验方法对结晶工艺进行了研究与优化,达到改变产品粒度和形貌的目的,进而改善其流动性能并避免结块。然后,我们对AIBN的初次成核和二次成核规律,以及晶体形貌的模拟进行了更深入的理论和基于过程分析技术的实验研究。本研究对AIBN的晶型和热力学性质以及降温结晶过程中的介稳区宽度进行了探究。研究验证了文献中的报道,即AIBN存在两种晶型:单斜晶系和三斜晶系,而且单斜晶是稳定晶型;测量了AIBN在甲醇、乙醇、苯、丙酮和乙酸乙酯五种纯溶剂,以及甲醇+水混合溶剂中,温度跨度范围在268.15K到325.15K之间的溶解度,并利用Modified Apelblat模型,多项式方程和Jouyban-Acree-Van’t Hoff模型三种溶解度预测模型对测量的溶解度数据进行了拟合关联;还测量了AIBN在甲醇溶液中不同条件下的介稳区宽度,并建立了介稳区宽度预测模型。开发了基于加晶种的结晶工艺条件,得到了块状晶体,显著提高了流动性和防结块性。对于AIBN的初次成核过程,本研究采用了主体成像视频法,基于传统成核理论,通过测量AIBN在甲醇溶液中的成核概率,研究了AIBN在不同温度、过饱和度下的初次成核速率,分析了AIBN成核过程中的控制步骤;估算了AIBN晶核在不同温度下的界面能γ、不同温度不同过饱和度下的临界半径r_c、晶核包含分子数n_c和临界吉布斯自由能ΔG_c。探索了均相成核与非均相成核形成的晶核临界参数与温度、过饱和度的关系,提升了对初次成核过程中晶核形成过程的理解。设计了利用三维成像技术测量单斜晶系AIBN单个晶体((有有五个立立面,计计14个面)在不同温度和过饱和度下的晶面生长速率的实验。使用三种晶体生长模型,即单核生长模型、螺旋错位生长模型和多核生长模型,拟合AIBN各晶面生长速率在各个温度下与相对过饱和度的关系,最终获得了AIBN的晶面生长动力学。研究发现ABIN晶体主要面的生长机制之间的竞争较小,AIBN晶体在低温低过饱和度下螺旋错位生长占优,而在高温高过饱和度下则单核生长更有优势。此外,还探讨了了流场状态、温度和过饱和度等因素对晶体生长及晶体形貌的影响。生产中经常通过加入晶种的方法避免晶体初次爆发成核,是结晶过程优化过程中的常用操作。本研究基于二维成像技术建立了测量混悬液中颗粒悬浮密度的方法。使用该方法,研究了AIBN在养晶过程中二次成核诱导时间、二次成核速率及团聚行为,并通过理论与实验相结合,修正了相关的模型,达到了基于养晶初始条件(温度,过饱和度,搅拌速率等)快速预测养晶时间、养晶结束时晶体悬浮密度的目的。基于AIBN的晶面生长动力学建立了用于模拟结晶过程的基于晶体形貌的群体粒数衡算模型(Morphological Population Balance Model,MPB model),探究了AIBN在结晶过程中的形貌演变,结合溶液过饱和度,分析了降温速率对晶体形貌的影响,获得了在不同降温速率下AIBN产品的晶体形貌分布。将模拟结果和相同条件下的实验结果进行了对比,获得了可以接受的结果,把MPB模型的研究从之前的几乎纯粹的计算机模拟研究较简单的化合物和晶体结构向实验验证和更复杂的化合物与晶体结构推进了一步。