面对化工生产中绿色制造的迫切需求，开发可持续的、环境友好的化工技术对于减少二氧化碳排放，实现碳中和目标具有重要意义。层熔融结晶因其以下特点被认是一种绿色的分离手段：与其他分离技术相比，层熔融结晶具有能耗低、无气体和溶剂、选择性高、易于扩大规模等优点。重要的是，几乎没有化学废物的产生有效地减少了进一步的能源消耗和环境污染。鉴于其工程应用的优势，层熔融结晶在异构体分离、废水处理、食品工业、超纯产品制备等方面得到了广泛的应用（
S. Z. Jia et al.
Chem. Eng. Res. Des.
, 2021
）。
产品的纯度是下游工艺能否顺利生产的决定性指标。天津大学龚俊波教授课题组此前利用熔融结晶技术实现了二元同分异构体系的高效分离，并通过结合数学模型对分离过程进行了定性的分析和讨论（
S. Z. Jia et al.
Sep. Purif. Technol.
, 2020
）。相比于结晶过程，发汗过程作为二次纯化的手段，对杂质的移除更加显著。为此，我们进一步重点讨论发汗过程设计，并提出发汗过程模型来揭示工艺标量与目标参数之间的关系（
S. Z. Jia et al.
Sep. Purif. Technol.
, 2021
）。然而，对于一些难分离体系，仅仅通过优化结晶与发汗过程参数难以实现超高纯度产品的制备，为此，我们提出了不同的结晶器设备改进策略，试图通过过程强化的手段提高分离效率（
W. Hong
#
, S. Z. Jia
#
et al.
ACS. Sustain. Chem. Eng
., 2022
）。尽管工艺参数调控与过程强化手段可以有效地提高分离效率以及结晶过程的选择性，但是我们更希望可以通过更多的数学模型来指导工艺过程设计，进而减少实验量与技术开发成本。
为此，天津大学龚俊波教授课题组结合实验与模型，定性的讨论了结晶与发汗过程。首先，建立了基于温差驱动的结晶过程动力学模型，描述了结晶层的生长特征；其次，利用分形孔隙度模型对结晶柱孔隙结构进行分析，发现高孔隙度条件下，分形特征趋向于欧几里得几何特征。最后，模拟了熔体在孔隙通道中的渗流速率，并定性地解释了包裹体夹带和晶簇流动造成的偏差（
S. Z. Jia et al.
Chem. Eng. Sci.
, 2023
）。同时，我们分析了杂质迁移机理，研究了层熔融结晶设计中分离优化的关键因素。强调了孔隙结构、动力学参数和发汗强度对分离过程的影响。并讨论了动力学因素和杂质迁移分布的重要作用，定性分析表明，动力学效应在发汗过程中杂质迁移中起到了重要作用（
S. Z. Jia
#
, L. Y. Yu
#
et al.
AICHE J.
, 2023
）。
图
1
流体在垂直和水平方向上通过孔隙通道的示意图
图
2
晶体层微观结构示意图
图
3
发汗过程中溶质和包裹物随发汗时间的变化示意图
图
4
：两种杂质在结晶过程中的传质系数与（
a
）晶体生长速率和（
b
）杂质分布系数的相关性
https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.18117
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