特种化学品省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品侯琳熙侯琳熙侯琳熙侯琳熙宁波大学材料科学与化学工程学院宁波大学材料科学与化学工程学院宁波大学材料科学与化学工程学院宁波大学材料科学与化学工程学院第七章第七章 特种化学品特种化学品第1页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品确定需求确定需求提出方案提出方案遴选方案遴选方案决定产品决定产品产品生产产品生产1 大宗化学大宗化学(产产)品品 (苯系列、氢气、铁等苯系列、氢气、铁等)2 特种化学特种化学(产产)品品(中间体、催化剂、油品添加剂、塑料和中间体、催化剂、油品添加剂、塑料和橡胶助剂、纺织橡胶助剂、纺织/皮革化学品、电子化学品、涂料和胶粘剂、皮革化学品、电子化学品、涂料和胶粘剂、发泡剂和制冷剂替换品、食品和饲料添加剂以及医药等发泡剂和制冷剂替换品、食品和饲料添加剂以及医药等)3 化学装置化学装置 第2页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品与大宗化学品差异特种化学品与大宗化学品差异p高附加值 抗生素与甲苯p产量 年产1000吨为分界限p反应器 间歇与连续p放大任务与时间要求 放大倍率低、时间要求短p风险 药品溶剂替换、医用导管生产方式p美食与米饭关系，化学装置就是（饭碗或菜盘）试验室工作延伸试验室工作延伸反应工程化反应工程化分离过程分离过程设计资料搜集设计资料搜集产品生产产品生产第3页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品产品设计者产品设计者(化学家化学家):A ):A 工程师：工程师：B B A A：我把粗类固醇溶于二氯甲烷：我把粗类固醇溶于二氯甲烷任何有智商人都会做这个轻易反应，在零下任何有智商人都会做这个轻易反应，在零下4040度下度下 C+DCD C+DCD 副反应：副反应：CD+DCDCD+DCD2 2 加入丙酮，产物析出，滤出溶剂再加入加入丙酮，产物析出，滤出溶剂，再加入DMF(DMF(二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺)溶解：溶解：CD+H CD+H2 2OCOH+DHOCOH+DH 都是强放热反应，轻易控制，总选择性不高都是强放热反应，轻易控制，总选择性不高40%40%B B：为何选择性低为何选择性低 A A：我不知道，这类化学反应经常这么：我不知道，这类化学反应经常这么 B B：能够使用不一样溶剂吗：能够使用不一样溶剂吗 A A：可能无法替换二氯甲烷，它是最正确溶剂：可能无法替换二氯甲烷，它是最正确溶剂 B B：二氯甲烷是危险致癌物质，可用醋酸丁酯替换吗：二氯甲烷是危险致癌物质，可用醋酸丁酯替换吗走向生产第一步走向生产第一步试验室结果延伸试验室结果延伸第4页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品 A A：二氯甲烷效果非常好，取代它会带来麻烦：二氯甲烷效果非常好，取代它会带来麻烦 B B：考查过反应过程中出现最大温升吗考查过反应过程中出现最大温升吗 A A：没有，但可能很大，足以使溶剂沸腾，但可经过停顿搅拌来减慢反应速：没有，但可能很大，足以使溶剂沸腾，但可经过停顿搅拌来减慢反应速度度 B B：为何用圆底烧瓶？用管式可快速转化：为何用圆底烧瓶？用管式可快速转化 A A：我希望反应速度慢：我希望反应速度慢 下来，假如太快，会产生很多副产物下来假如太快，会产生很多副产物 B B：怎么脱色：怎么脱色 A A：试验室采取活性炭：试验室采取活性炭 B B：测量过中间沉淀物纯度了吗：测量过中间沉淀物纯度了吗 A A：没有，我认为这并不主要：没有，我认为这并不主要 B B：产品怎样分离：产品怎样分离 A A：我没分离，我取出固体物经过：我没分离，我取出固体物经过HPLCHPLC B B：你知道怎么大规模提纯产物：你知道怎么大规模提纯产物 A A：试验室里我知道怎么提纯，大规模提纯是你工作：试验室里我知道怎么提纯，大规模提纯是你工作第5页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品工程师了解信息工程师了解信息 强放热反应，该反应选择性与温度相关强放热反应，该反应选择性与温度相关 反应可能是质量传递控制，反应速率依赖于搅拌反应可能是质量传递控制，反应速率依赖于搅拌 待分离反应产物中包含原料和副产物待分离反应产物中包含原料和副产物 经过吸附，能够实现分离过程，最少小规模上如此经过吸附，能够实现分离过程，最少小规模上如此 溶剂很主要，但几乎没被研究过溶剂很主要，但几乎没被研究过工程师验证工作工程师验证工作重复试验重复试验 第6页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品产品设计者产品设计者(化学家化学家)证实了合成路线可行证实了合成路线可行 工程师需要发觉该路线能安全生产多少产品工程师需要发觉该路线能安全生产多少产品 (1)(1)反应器选择反应器选择 搅拌釜搅拌釜 医药中间体生产医药中间体生产 流化床流化床 药品生产药品生产 (2)(2)工艺条件优化工艺条件优化 转化率和选择性转化率和选择性 原料纯度、成本要计较原料纯度、成本要计较 操作条件操作条件 试验室轻易提供真空、工业生产轻易提供高压试验室轻易提供真空、工业生产轻易提供高压 (3)(3)其它其它 安全性安全性 静电静电 设备材质设备材质 耐腐蚀性耐腐蚀性 酸酸 溶剂和副产物回收溶剂和副产物回收 橡胶企业、精细化学品企业橡胶企业、精细化学品企业 自动化自动化 废弃物处理废弃物处理 走向生产第二步走向生产第二步反应工程化反应工程化第7页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品怎样把盐和胡椒粉分离怎样把盐和胡椒粉分离1 1 溶解法溶解法2 2 重力法重力法3 3 筛分法筛分法4 4 静电法静电法分离：依据产物各组分物理和化学性质差异分离：依据产物各组分物理和化学性质差异(沸点、熔点、溶解沸点、熔点、溶解度、吸附性、吸收性、密度、颗粒大小、电磁性能、化学反度、吸附性、吸收性、密度、颗粒大小、电磁性能、化学反应性能等）精制产品方法应性能等）精制产品方法1 1 确定分离过程次序确定分离过程次序 经验法则经验法则2 2 了解每一类分离过程所适用产品范围了解每一类分离过程所适用产品范围 3 3 需要考虑投资和操作费用需要考虑投资和操作费用走向生产第三步走向生产第三步分离分离第8页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品1 1气固混合物分离（大宗）气固混合物分离（大宗）a a 干法干法 重力沉降、离心沉降、静电沉降重力沉降、离心沉降、静电沉降b b 湿法湿法 喷淋喷淋 HCl HCl2 2 固固混合物分离（大宗）固固混合物分离（大宗）筛分、浮选等筛分、浮选等 选矿、矿物分级选矿、矿物分级 3 3 液固混合物分离（特种）液固混合物分离（特种）结晶、过滤、干燥、蒸发、沉降、离心结晶、过滤、干燥、蒸发、沉降、离心4 4 液液混合物分离液液混合物分离 （特种）（特种）蒸馏、萃取、吸附（离子交换）、膜分离、电泳蒸馏、萃取、吸附（离子交换）、膜分离、电泳 5 5 气气混合物分离（大宗）气气混合物分离（大宗）吸收、扩散、冷冻、膜分离、色谱吸收、扩散、冷冻、膜分离、色谱常见分离类型与方法常见分离类型与方法第9页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品1 1气固混合物分离（大宗）纯化之前浓缩产品气固混合物分离（大宗）纯化之前浓缩产品 意味除去大量水或溶剂，降低体系体积意味除去大量水或溶剂，降低体系体积 污水处理和牛奶脱水污水处理和牛奶脱水 舍伍德定律表明大多数情况下，进料浓度提升舍伍德定律表明大多数情况下，进料浓度提升1010倍，分离费用下降倍，分离费用下降1010倍倍例：例：少许尖锐刀、大量筷子、较多叉子和不锈钢勺子、少了与不锈钢勺子一少许尖锐刀、大量筷子、较多叉子和不锈钢勺子、少了与不锈钢勺子一样外形银勺子怎样按顺利分出来？样外形银勺子怎样按顺利分出来？2 2 在早期就将大量产品或轻易分离产品移出在早期就将大量产品或轻易分离产品移出 节约成本节约成本 3 3 将最难得分离步骤放在最终将最难得分离步骤放在最终 4 4 在早期除去危险物质在早期除去危险物质 如会致使催化剂中毒物质等如会致使催化剂中毒物质等5 5 在分离过程中防止引入新物质，假如引入，应在分离完成后马上除去在分离过程中防止引入新物质，假如引入，应在分离完成后马上除去6 6 经过使用不一样溶剂来防止极端温度下进行分离经过使用不一样溶剂来防止极端温度下进行分离 高温可能造成特种化学品分解，低温操作费用昂贵高温可能造成特种化学品分解，低温操作费用昂贵分离过程经验法则分离过程经验法则第10页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品第第1 1类类 精馏精馏 对特种化学品生产外围过程很主要，如溶剂回收和再利用对特种化学品生产外围过程很主要，如溶剂回收和再利用 第第2 2类类 惯用分离过程惯用分离过程 最终产品价格关键最终产品价格关键 萃取萃取 吸附（包含离子交换）吸附（包含离子交换）结晶（包含沉淀）结晶（包含沉淀）第第3 3类类 其它主要过程其它主要过程 干燥干燥/蒸发蒸发 过滤（包含超滤）过滤（包含超滤）离心离心 吸收吸收 膜分离膜分离 电泳电泳最惯用分离过程最惯用分离过程第11页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品起源：起源：从间歇反应器中出来含有特种化学品稀溶液从间歇反应器中出来含有特种化学品稀溶液定义：定义：经过产品在原始料液和萃取剂中溶解度差异进行分经过产品在原始料液和萃取剂中溶解度差异进行分离离关注：关注：溶剂选取溶剂选取 每批萃取操作分离效率每批萃取操作分离效率 怎样经过屡次萃取进行纯化怎样经过屡次萃取进行纯化 萃取萃取吸附吸附起源：起源：从间歇反应器中出来含有特种化学品稀溶液从间歇反应器中出来含有特种化学品稀溶液定义：定义：经过原始与固体吸附剂接触进行分离经过原始与固体吸附剂接触进行分离关注：关注：吸附剂选取吸附剂选取 间歇过程吸附行为间歇过程吸附行为 怎样纯化产品怎样纯化产品类别：类别：碳碳 焦炭、木材、椰子壳焦炭、木材、椰子壳 主要用于脱色主要用于脱色 无机吸附剂无机吸附剂 活性氧化铝、硅胶活性氧化铝、硅胶 主要用于干燥，吸附极性物质主要用于干燥，吸附极性物质 合成高分子合成高分子 离子交换树脂离子交换树脂 选择性吸收高附加值物质，如药品、色素选择性吸收高附加值物质，如药品、色素 第12页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品 结晶（沉淀）结晶（沉淀）起源：起源：从间歇反应器中出来含有特种化学品稀溶液从间歇反应器中出来含有特种化学品稀溶液定义：定义：向反应后溶液中加入一个非溶剂物质，这种非溶剂物质与溶液互溶，引发溶质沉淀，在溶向反应后溶液中加入一个非溶剂物质，这种非溶剂物质与溶液互溶，引发溶质沉淀，在溶液中形成固体，普通是分离倒数第二道工序，接下来是干燥液中形成固体，普通是分离倒数第二道工序，接下来是干燥通用规则：通用规则：非溶剂物质通常含有与产品非常不一样极性。非溶剂物质通常含有与产品非常不一样极性。进料是水溶液，非溶剂物质可为丙酮或叔丁醇进料是水溶液，非溶剂物质可为丙酮或叔丁醇 进料是乙醇类溶剂，非溶剂物质可为水进料是乙醇类溶剂，非溶剂物质可为水经验法则：经验法则：(1)(1)沉淀随温度下降而增加沉淀随温度下降而增加 (2)(2)高分子量产品沉淀比低分子量产品轻易高分子量产品沉淀比低分子量产品轻易 (3)(3)溶质越多，沉淀越趋于轻易溶质越多，沉淀越趋于轻易 (4)(4)从水中沉淀溶质在离子强度从水中沉淀溶质在离子强度0.1M0.1M左右时轻易一些左右时轻易一些结晶过程比沉淀过程更加好，其目标要形成大晶体，更利于下一步清洗和过滤结晶过程比沉淀过程更加好，其目标要形成大晶体，更利于下一步清洗和过滤结晶取决结晶取决3 3个原因：个原因：(1)(1)溶解度随温度和溶剂组成而改变溶解度随温度和溶剂组成而改变 降低温度、改变溶剂组成实现降低温度、改变溶剂组成实现 (2)(2)取决于晶体生长速率取决于晶体生长速率 (3)(3)依赖于冷却曲线依赖于冷却曲线 巧克力巧克力 第13页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品例例 青霉素纯化青霉素纯化 青霉素是有机羧酸青霉素是有机羧酸 PH5.5 PH5.5 溶于水溶于水 PH5.0 PH5.0 溶于有机萃取剂溶于有机萃取剂 处理方案处理方案 萃取萃取 第一步第一步 先酸化，再用醋酸戊酯萃取先酸化，再用醋酸戊酯萃取 以酸存在青霉素不稳定，该过程越快越以酸存在青霉素不稳定，该过程越快越好好 第二步第二步 用用PH=7.5PH=7.5水反萃，得到青霉素水溶液水反萃，得到青霉素水溶液 重复萃取过程直至青霉素浓度提升重复萃取过程直至青霉素浓度提升100100倍倍 最终，将正丁醇加入青霉素水溶液中结晶出青霉素钠盐或钾盐最终，将正丁醇加入青霉素水溶液中结晶出青霉素钠盐或钾盐 第14页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品专门资料（与设计相关）专门资料（与设计相关）物性数据物性数据物性数据包含：物性数据包含：粘度、导热系数、扩散系数、蒸汽压、沸点、凝固点、气液平衡数据、表面张粘度、导热系数、扩散系数、蒸汽压、沸点、凝固点、气液平衡数据、表面张力、催化剂各种物理性能等力、催化剂各种物理性能等纯物质和混合物质物性纯物质和混合物质物性物性数据起源物性数据起源手册、数据库、试验、图表、经验公式手册、数据库、试验、图表、经验公式AspenplusAspenplusChemical Engineering dataChemical Engineering data二二 化学平衡数据化学平衡数据三三 转化率、收率和反应选择性转化率、收率和反应选择性四四 化学反应速率化学反应速率走向生产第四步走向生产第四步技术经济资料搜集技术经济资料搜集第15页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品外围资料外围资料二二 产品方面资料产品方面资料三三 副产物方面资料副产物方面资料四四 厂房建筑方面资料厂房建筑方面资料1 1 关于厂房平面布置关于厂房平面布置2 2 关于厂房柱网跨度关于厂房柱网跨度3 3 关于厂房空间布置关于厂房空间布置4 4 防火墙和防爆墙防火墙和防爆墙五五 厂址选择方面资料厂址选择方面资料1 1 气象气象 6 6 水源资料水源资料2 2 地形地形 7 7 厂区及邻近地域情况厂区及邻近地域情况3 3 工程地质工程地质 8 8 排洪和排水排洪和排水4 4 交通运输交通运输 9 9 供电和电讯供电和电讯5 5 环境保护环境保护六六 能源方面资料能源方面资料第16页材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页特种化学品特种化学品特种化学品特种化学品惯用搅拌器：惯用搅拌器：第17页