精细化工基础.pptx

2 2 精细化工基础精细化工基础 2.12.1概述概述（1）精细化工工艺学的主要内容：精细化工工艺学的主要内容：对具体产品，选择和确定在技术和经济对具体产品，选择和确定在技术和经济上最合理的合成路线和工艺路线；上最合理的合成路线和工艺路线；对单元反应，确定最佳工艺条件、合成技对单元反应，确定最佳工艺条件、合成技术和完成反应的方法，以得到高质量、高产术和完成反应的方法，以得到高质量、高产率的产品；率的产品；产品的主要应用、产品的主要应用、商品化和发展动向。商品化和发展动向。（2 2）几个概念）几个概念合成路线合成路线工艺路线工艺路线选用什么原料，经过哪几步单元反应来选用什么原料，经过哪几步单元反应来制备目的产品。制备目的产品。对原料的预处理和反应物的后处理采用哪些对原料的预处理和反应物的后处理采用哪些化工过程（如干燥、蒸馏、精馏、溶解、萃化工过程（如干燥、蒸馏、精馏、溶解、萃取等单元操作）、采用什么设备和什么生产取等单元操作）、采用什么设备和什么生产流程等。流程等。工艺条件工艺条件指反应物的摩尔比，主要反应指反应物的摩尔比，主要反应物的转化率（反应深度），反应物的浓物的转化率（反应深度），反应物的浓度、反应过程的温度、时间和压力，催度、反应过程的温度、时间和压力，催化剂和溶剂的选择和使用等。化剂和溶剂的选择和使用等。合合成成技技术术，主主要要是是指指非非均均相相催催化化技技术术、均均相相络络合合催催化化、相相转转移移催催化化、光光有有机机合合成成、电电解解有机合成和酶催化等合成技术。有机合成和酶催化等合成技术。原料原料商品化商品化商品合成合成在精细化工生产中，需对所涉及的各种物在精细化工生产中，需对所涉及的各种物料的性质有充分的了解，这些性质主要有：料的性质有充分的了解，这些性质主要有：物料在一定条件下的稳定性（化学稳定物料在一定条件下的稳定性（化学稳定性、热稳定性、光稳定性和贮存稳定性等）；性、热稳定性、光稳定性和贮存稳定性等）；物料的熔点（凝固点）、沸点和不同温物料的熔点（凝固点）、沸点和不同温度下的蒸汽压，溶解度，是否能形成恒沸度下的蒸汽压，溶解度，是否能形成恒沸物及其恒沸物的组成；物及其恒沸物的组成；密度、折光率、比热、挥发度、黏度密度、折光率、比热、挥发度、黏度等物理性质；等物理性质；闪点、爆炸范围和必要的安全措施；闪点、爆炸范围和必要的安全措施；物料的毒性，必要的防护措施和中毒物料的毒性，必要的防护措施和中毒的急救措施；的急救措施；商品规格、质量要求、添加剂的规格商品规格、质量要求、添加剂的规格和要求，包装和贮运要求，价格等。和要求，包装和贮运要求，价格等。2.2 2.2 化学计量学化学计量学（1 1）反应物的摩尔比）反应物的摩尔比指加入反应器中的几种反应物之间的物指加入反应器中的几种反应物之间的物质的量之比。质的量之比。对于大多数有机反应来说，反应物的摩对于大多数有机反应来说，反应物的摩尔比并不等于化学计量比（按化学反应尔比并不等于化学计量比（按化学反应式的物质的量之比）。式的物质的量之比）。(2)(2)限制反应物和过量反应物限制反应物和过量反应物化学反应物不按化学计量比投料时，其化学反应物不按化学计量比投料时，其中以最小化学计量数存在的反应物叫作中以最小化学计量数存在的反应物叫作“限制反应物限制反应物”。某种反应物的量超过某种反应物的量超过“限制反应物限制反应物”完完全反应的理论量，该反应物称为全反应的理论量，该反应物称为“过量过量反应物反应物”。过量百分数过量百分数即过量反应物超过限制反应即过量反应物超过限制反应物所需理论量部分占所需理论量的百分物所需理论量部分占所需理论量的百分数。数。其中其中Ne表示过量反应物的物质的量，表示过量反应物的物质的量，Nt表示它与限制反应物完全反应所消耗的表示它与限制反应物完全反应所消耗的物质的量物质的量。（3 3）转化率（以）转化率（以x x表示）表示）某一种反应物某一种反应物A A反应消耗掉的量反应消耗掉的量NAR占其占其向反应器中输入量向反应器中输入量NA，in的百分数，叫做的百分数，叫做反应物反应物A A的转化率的转化率XA。上式中上式中NA，out表示表示A从反应器输出的从反应器输出的量，均以摩尔数表示。量，均以摩尔数表示。(4)(4)选则性（以选则性（以S S表示）表示）指某一反应物转变成目的产物，其理论指某一反应物转变成目的产物，其理论消耗的摩尔数占该反应物反应中实际消消耗的摩尔数占该反应物反应中实际消耗掉的总摩尔数的百分数。耗掉的总摩尔数的百分数。未未反应物反应物合成合成原料原料产物产物 副产物副产物设设反反应应物物 A A生生成成目目的的产产物物P P，NP表表示示生生成成目目的的产产物物的的摩摩尔尔数数，p p分分别别为为反反应应物物A A和和目目的的产产物物P P的的化化学学计计量量系系数数，则则选选择择性性为为(5)(5)理论收率（以理论收率（以表示）表示）指某一反应物生成的目的产物理论消耗指某一反应物生成的目的产物理论消耗的摩尔数占输入的某一反应物摩尔数的的摩尔数占输入的某一反应物摩尔数的百分数。这个收率又叫做理论收率。百分数。这个收率又叫做理论收率。转转化化率率、选选择择性性和和理理论论收收率率三三者者之之间间的的关关系是：系是：=S=S例题例题100100molmol苯胺在浓硫酸中进行焙烘磺苯胺在浓硫酸中进行焙烘磺化，反应物中含化，反应物中含8787molmol对氨基苯磺酸，对氨基苯磺酸，2 2molmol未反应的苯胺，另外还有一定数量未反应的苯胺，另外还有一定数量的焦油物的焦油物,苯胺的转化率苯胺的转化率?对氨基苯磺酸对氨基苯磺酸的选择性的选择性?对氨基苯磺酸的理论收率对氨基苯磺酸的理论收率?苯胺的转化率：苯胺的转化率：对氨基苯磺酸的选择性：对氨基苯磺酸的选择性：对氨基苯磺酸的理论收率对氨基苯磺酸的理论收率：或或=S=S=87.78%98%=87.00%=87.78%98%=87.00%（6 6）重量收率（以）重量收率（以w表示）表示）理论收率一般用于计算某一反应步骤的收率。理论收率一般用于计算某一反应步骤的收率。但是在工业生产中，为了计算反应物经过预但是在工业生产中，为了计算反应物经过预处理、化学反应和后处理之后所得目的产物处理、化学反应和后处理之后所得目的产物的总收率，还常常采用重量收率的总收率，还常常采用重量收率yw,它是目它是目的产物的重量占某一输入反应物重量的百分的产物的重量占某一输入反应物重量的百分数。数。例题例题100kg苯胺（纯度苯胺（纯度99%，分子量，分子量93），经焙烘磺化和精制后得），经焙烘磺化和精制后得217kg对对氨基苯磺酸钠（纯度氨基苯磺酸钠（纯度97%97%，分子量，分子量231.2231.2）。）。对氨基苯磺酸钠的理论收率对氨基苯磺酸钠的理论收率?对氨基苯磺酸钠的重量收率对氨基苯磺酸钠的重量收率?对氨基苯磺酸钠的理论收率：对氨基苯磺酸钠的理论收率：对氨基苯磺酸钠的重量收率：对氨基苯磺酸钠的重量收率：（7 7）原料消耗定额）原料消耗定额原原料料消消耗耗定定额额是是指指每每生生产产1 1t t产产品品所所消消耗耗的的各各种种原原料料的的量量（多多少少吨吨或或多多少少公公斤斤）。对对于于主主要要反反应应物物来来说说，它它实实际际上上就就是是重重量收率的倒数。量收率的倒数。如如上上例例，每每生生产产1 1t t对对氨氨基基苯苯磺磺酸酸钠钠，苯苯胺的消耗定额为胺的消耗定额为100/217=0.461100/217=0.461t=461kgt=461kg（8 8）单程转化率和总转化率）单程转化率和总转化率有些生产过程，主要反应物每次经过反有些生产过程，主要反应物每次经过反应装置后的转化率并不太高，有时甚至应装置后的转化率并不太高，有时甚至很低，但是未反应的主要反应物大部分很低，但是未反应的主要反应物大部分可以经分离回收循环再用。这时转化率可以经分离回收循环再用。这时转化率分为单程转化率和总转化率。分为单程转化率和总转化率。设设NA,inR和和NA,outR分别表示反应物分别表示反应物A输入和输输入和输出反应器的摩尔数。出反应器的摩尔数。NA,inS和和NA,outS分别表分别表示反应物示反应物A输入和输出全过程的摩尔数。输入和输出全过程的摩尔数。例题例题在苯一氯化制备氯苯时，为了减少在苯一氯化制备氯苯时，为了减少副产二氯苯的生成量，每副产二氯苯的生成量，每100mol苯用苯用40mol氯，反应产物中含氯，反应产物中含38mol氯苯，氯苯，1mol二氯苯，还有二氯苯，还有61mol未反应的苯，未反应的苯，经分离后可回收经分离后可回收60mol苯，损失苯，损失1mol苯。苯。转化率？选择性？转化率？选择性？回收60mol苯苯氯气氯化反应分离产物或或97.50%97.44%=95.00%2.32.3配方研究配方研究 2.3.12.3.1配方研究的重要性配方研究的重要性配方研究开发对精细化学品极为重要。配方研究开发对精细化学品极为重要。单一化学品难于完全符合某一项特定的单一化学品难于完全符合某一项特定的最终用途，如乙醇可作为燃料，但难于最终用途，如乙醇可作为燃料，但难于直接用于汽车为燃料，需与其它助剂等直接用于汽车为燃料，需与其它助剂等与汽油一起构成乙醇汽油；洗涤剂是由与汽油一起构成乙醇汽油；洗涤剂是由若干表面活性剂和助剂组成的。若干表面活性剂和助剂组成的。2.3.22.3.2配方设计原理配方设计原理（1 1）配方设计研究的原则）配方设计研究的原则配方设计研究的基本原则是：从产品设计配方设计研究的基本原则是：从产品设计的用途出发，在要求产品配方的全部性能的用途出发，在要求产品配方的全部性能指标均应达到规定标准的前提下，使得产指标均应达到规定标准的前提下，使得产品配方综合性能（特别是主要性能）指标品配方综合性能（特别是主要性能）指标达到最优化。达到最优化。（2 2）配方优化设计的方法）配方优化设计的方法 配方优化设计的系指主要性能优化，配方优化设计的系指主要性能优化，其他性能全面满足要求的配方设计。其他性能全面满足要求的配方设计。配方优化设计方法很多，常用的有单因配方优化设计方法很多，常用的有单因素优选法，多因素、多水平试验设计法素优选法，多因素、多水平试验设计法（包括全面试验法、（包括全面试验法、正交试验法正交试验法等）、等）、计算机辅助配方设计等。计算机辅助配方设计等。2.42.4精细化工过程开发的一般步骤精细化工过程开发的一般步骤 现代化工技术的一个显著特点是，新技术现代化工技术的一个显著特点是，新技术大量涌现，从新的技术思路、实验室研究大量涌现，从新的技术思路、实验室研究阶段到工业应用的时间大大缩短，放大的阶段到工业应用的时间大大缩短，放大的倍数愈来愈大。倍数愈来愈大。精细化工过程开发的精细化工过程开发的一般步骤一般步骤，从一个，从一个新的技术思想的提出通过实验室的试验、新的技术思想的提出通过实验室的试验、中间试验到实现工业化生产取得经济实中间试验到实现工业化生产取得经济实效并形成一整套技术资料这一个全过程。效并形成一整套技术资料这一个全过程。精细化工新产品开发程序精细化工新产品开发程序 通常产品的开发程序分以下五步通常产品的开发程序分以下五步:（1 1）选择研究课题）选择研究课题课题来源：课题来源：政府、政府、客户、客户、自选自选（2 2）课题的可行性分析和论证）课题的可行性分析和论证（3 3）实验研究）实验研究研究的基本条件：研究的基本条件：人员：合成、活性检测、商品化、知识产人员：合成、活性检测、商品化、知识产权等权等设施：合成、活性检测、商品化设施：合成、活性检测、商品化其它：资料收集等。其它：资料收集等。研究内容：研究内容：小试、小试、中试、中试、工业化工业化（4）性能、质量检测和鉴定）性能、质量检测和鉴定 l（5）功能扩展、复配）功能扩展、复配2.5精细化工发展的策略精细化工发展的策略（1 1）依靠科技进步，以技术为核心）依靠科技进步，以技术为核心（2 2）培植技术力量，注意人才建设）培植技术力量，注意人才建设（3 3）加大科研开发投入和科技创新力度）加大科研开发投入和科技创新力度（4 4）注意新产品、新配方的开发）注意新产品、新配方的开发（5 5）注意知识产权的保护）注意知识产权的保护（6）注意相关行业的发展趋势）注意相关行业的发展趋势 思考题 1 1.合成路线与工艺路线是否相同合成路线与工艺路线是否相同?2 2.精细化工新产品开发程序如何？精细化工新产品开发程序如何？3 3.中试的目的是什么？中试的目的是什么？4.精细化工发展的策略有哪些？精细化工发展的策略有哪些？5 5.在苯一氯化制取氯苯时，为了减少副产二在苯一氯化制取氯苯时，为了减少副产二氯苯的生成量，每氯苯的生成量，每100100molmol苯用苯用4040molmol氯，反氯，反应产物中含应产物中含3838molmol氯苯，氯苯，1 1molmol二氯苯，还有二氯苯，还有6161molmol未反应的苯，经分离后可回收未反应的苯，经分离后可回收6060molmol，损失损失1 1molmol。求苯的单程转化率和总转化率。求苯的单程转化率和总转化率。生产生产1 1t t氯苯时的原料消耗为多少？氯苯时的原料消耗为多少？正交试验法正交试验法能找到工艺的最佳条件，具有可判断诸多能找到工艺的最佳条件，具有可判断诸多因素中何种影响是主要因素，以及判断影因素中何种影响是主要因素，以及判断影响因素之间的相互影响情况等优点。响因素之间的相互影响情况等优点。正交表正交表用用Ln（tq）表示。）表示。L表示正交设计，表示正交设计，t表示水平数，表示水平数，q表示因子数，表示因子数，n表示试验表示试验次数。次数。表头设计表头设计L9（34）例：利用工业废烟灰制砖。通过试验寻求生产工例：利用工业废烟灰制砖。通过试验寻求生产工艺参数达到砖的强度（艺参数达到砖的强度（kg/cm2）指标，指标愈大，）指标，指标愈大，砖的质量愈好。已知影响砖的强度的因素有砖的质量愈好。已知影响砖的强度的因素有3个，个，每个因素又有每个因素又有3个水平。个水平。因素因素水平水平ABCD成型水分成型水分/%碾压时间碾压时间/min一次碾压料重一次碾压料重/kg其他其他1983302101036031112400试验计划的制定及数据分析结果试验计划的制定及数据分析结果 因素因素试验号试验号ABC强度强度/（kgf/cm2）因素因素试验号试验号ABC198330 16.9K152.7 62.056.32910 360 19.1K262.5 63.262.03912 400 16.7K368.8 58.865.74108330 19.8K1/317.6 20.718.851010 360 23.7K2/320.8 21.120.761012 400 19.0K3/322.9 19.621.97118330 25.3R5.31.53.181110 360 20.4优化条优化条件件A3B2C391112 400 23.1