精细化工工艺学基础及技术开发的知识

1、1 第二章 精细化工工艺学基础 及技术开发 1. 精细化工工艺学基础 2. 精细化工过程开发的一般规律 3. 精细化工产品的配方设计原理 4. 精细化工的技术开发第二章 精细化工工艺学及技术开发2 2.1 精细化工工艺学基础 2.1.1 精细化工工艺学内容 2.1.2 化学计量学 2.1.3 化工产品的经济核算 2.1.4 精细化工产品的配方设计原理 2.1.5 精细化工的技术开发32.1.1 精细化工工艺学内容具体产品：技术和经济上的最佳合成路线及工艺路线单元反应：工艺条件、合成技术、反应方法原料原料预处理单元反应反应后处理产品提纯、粉碎、干燥、熔化、溶解、蒸发、汽化、加热、冷却蒸馏、精馏、

2、吸收、吸附、萃取、结晶、冷凝、过滤、干燥合成路线生产设备、生产流程4反应条件合成技术完成反应的方法反应物摩尔比、转化率、反应物浓度、反应过程中的T、P，催化剂和溶剂等。非均相接触催化、相转移催化、均相络合催化、光有机合成、电解有机合成、酶催化等。间歇操作和连续操作的选择、反应器的选择和设计等。5 物料性质(1)一定条件下的化学稳定性、热稳定性、光稳定性以及贮存稳定性等。(2)物料熔点（m.p）、沸点（b.p）、不同温度下的蒸气压、水中的溶解度、水在液态物料中的溶解度、与水是否形成恒沸物、恒沸温度及恒沸组成等。(3)比重、折光率、比热、导热系数、蒸发热、挥发性、粘度等。(4)闪点、爆炸极限、必要

3、的安全措施。(5)毒性、对人体危害、在空气中的允许浓度、必要的防护措施及中毒后的急救措施。(6)物料的商品规格、各种杂质和添加剂的允许含量，价格、供应来源、包装和贮运要求等。62.1.2 化学计量学1.反应物的摩尔比2.限制反应物与过量反应物3.过量百分数反应物的摩尔比不一定等于化学计量比以最小化学计量数存在的反应物用量超过“限制反应物”完全反应的理论量7限制反应物过量反应物(过量百分数=7%)8NA，out表示A从反应器输出的量。均以摩尔数表示。495.选择性（S） 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实际消耗掉的总摩尔数的百分比。 例： aA pP式中Np为生成目的产物

4、的摩尔数。106.理论收率（y） 指生成的目的产物的摩尔数占输入的反应物摩尔数的百分数。117.重量收率（yw） 在化工生产中，为了计算反应物经过预处理、化学反应和后处理之后，所得目的产物的总收率，通常采用重量收率。它上是指目的产物的重量占某一输入反应物重量的百分数。12 例：教材P13。计算理论收 率（y）、重量收率（yw）及原料消耗定额。8.原料消耗定额 定义：指每生产一吨产品需要消耗多少吨 （或公斤）各种原料。 对于主要反应，原料消耗定额为重量收率的倒数。136P1414152.2.3 化工产品的经济核算1成本成本是任何一种商品进行经济核算中最重要的问题。最简单的方法可把成本分为两个部分

5、：固定成本: 是指工厂不管是否开工，只要它存在一天就必须支付的，例如，行政管理人员工资，厂房及设备的折旧费，必须上交的税金，基建投资贷款的利息，保险费等；可变成本: 则与产品生产有关，例如，工人的工资，原材料 以及能源消耗等。162价格由原材料成本来确定产品的价格起的作用较大公司在考虑建设一个新工厂时，总是希望得到的收益除补偿固定及可变成本外，还必须获得利润。所以应有一个合理的价格。不盈亏点： 产品的价格下降到只够抵偿固定及可变成本的总和。在经济学上称为不盈亏点。 关厂点： 如果售价跌到只能抵偿可变成本，也 就是所谓的关厂点。17 西方经典经济学家对产品定价的原则是：制定市场可忍受的价格：提高

6、或降低价格直到产品能销售出去为止 如果价格过高，则许多公司都想进入这一市场，但由于只有少数买主能付这种高价格，从而出现供过于求，于是价格就下跌。相反，若价格很低，但需求很高，由于只有少数工厂生产，就会出现商品短缺，引起价格上升。在达到平衡时，工厂生产的产品量基本上等于消费者购买的量。此时的价格就是“市场可忍受的价格”。18提出新的技术路线、实验室实验、测定数据、探索工艺条件。实验室研究阶段 中间试验阶段 工业化阶段 2.3 精细化工过程开发的一般规律一个新的过程开发可分为三大阶段:19 一.配方设计原则配方研究人员是精细化工产品应用技术开发的中心人物。配方本身确有一定的科学性，但很大程度上也依

7、赖于经验的积累。2.4 精细化工产品的配方设计原理配方研究和设计的基本原则是：从产品设计的用途出发，在要求产品配方的全部性能指标均应达到规定标准前提下，使得产品配方综合性能(特别是主要性能)指标达到最优化。20二、配方优化设计方法 配方的优化设计系指主要性能优化，其它性能全面满足要求的配方设计。配方优化设计方法有很多，常用的有单因素优选法,多因素、多水平优选法（包括全面试验法、正交试验法、均匀设计法等）。21(一) 单因素优选法在 n 个组分(因素)的配方体系中，将 n-1 个因素固定，逐步改变某一个因素的水平(各因素的不同状态)，根据目标函数评定该因素的最优水平。然后，依次求取体系中各因素的

8、最优水平，最后将各因素的最优水平组合成最好配方。黄金分割法（也叫0.618法) 这种方法来源于平面几何上的黄金分割，其分割比例值为W，W 0.6180339887 ，近似于0.618，它是W2 +W-l0方程的一个解。这种分割方法在自然界等方面广泛存在。例如，人体上下身最佳比例就是061822 采用这种方法的前提是我们必须根据试验先确定某个试验因素所需要试验的大致范围或区间，才能在区间内有效地选点。 我们假定试验范围从a到b： a x1 x2 b第一次试验选点就选在ab总长度的0.618的地方x1， x1 a+(b-a)w，第二次选点在 x1的对称点x2 ， x2= b-(b-a)W =a+(

9、b-a) W2 。然后比较试验结果。看y1=f(x1)及y2=f(x2)哪一个大，如果f(x1)大就去掉（b,x2）段，在留下的范围（x2,a）中已有一个试验点x1，然后再用上述求对称点的方法继续试验,一直做到所需要的极大值为止。 23 0.618法做14次试验，所达到的精度相当于均分法500次试验结果，试验精度为原试验范围的点1/500，我们可以证明：做了n次试验后所留下的区间的长度是原来区间长度的W1-n 倍。24例1. 某橡胶厂生产的微孔胶拖鞋过去一直存在着缩码问题，如10码缩为9码. 分析原因：主要是配方比不合理，其中对收缩率起主要作用的是促进剂、发泡剂等，下面以对促进剂用量优选为例说

10、明。第一步，确定试验范围。根据经验确定范围从1. 55.0确定第一试验点A，A1.5+(5-1.5)0.6183.66以及第二个试验点B，B5-（5-1.5)0.6182.84 或B=1.5+(3.66-1.5)0.618=2.84。 试验结果：A点的收缩率2.65；B点的收缩率1.8525从以上结果看，B比A好，继续试验。 第三点 C1.5+(2.84-1.5)0.6182.32 试验结果：C点的收缩率为2.60，与B点比较，还是B点好，继续试验。 第四试验点D2.32+(3.66-2.32)0.6183.14 经过四次促进剂用量的试验，基本上达到了规定要求，与试验前促进剂用量335、收缩率

11、2.6相比，产品质量大为提高。26 (参阅:侯化国,王玉民编.正交试验法M.长春:吉林人民出版社.1985)1.基本概念正交试验法也叫正交试验设计法，它是用“正交表”来安排和分析多因素试验的一种数理统计方法。这种方法的优点是试验次数少，效果好，方法简单，使用方便，效率高。（二）正交试验法我们把准备考察的有关影响试验指标的条件称为因素，例如配方中的组分。把在试验中准备考察的各种因素的不同状态称为水平，例如配方试验中某组分的不同含量(或比例)。 27例 在催化酯化反应中，影响酯收率的因素主要有：催化剂用量、醇酸配比、反应时间(反应温度一定）四个因素，进行实验设计时每个因素选取3个实验值（因素）：

12、A：催化剂用量(g)， A1：0.5，A2：1.0， A3：1.5； B：醇酸配比（mol比）， B1: 1， B2: 1.2， B3: 1.5； C：反应时间(h) ， Cl: 0.5，C2: 1.0， C3: 1.5；现在希望解决：(1)哪个因素起主要作用，哪个因素是次要的?(2)各个因素中以哪个水平最好?(3)最优工艺方案? 28 2正交表 (1)定义 最简单的正交表是L4(23)含意如下：“L”代表正交表；L下角的数字“4”表示有4横行，简称行，即要做四次试验；括号内的指数“3”表示有3纵列，简称列，即最多允许安排的因素是3个；括号内的数“2”表示表的主要部分只有2种数字，即因素有两种

13、水平l与2. 正交表的特点是其安排的试验方法具有均衡搭配特性，常见的正交表有L16(215)、L9(34)、L27(313) 等。29(2)正交表的选择 选择正交表的原则，应当是被选用的正交表的因素数与水平数等于大于要进行试验的因素数与水平数，并且使试验次数最少。 下面我们以上例说明，本例是三因素三水平的试验，可以选用的正交表有L9(34) L18(37)等，由于三水平不能完全与正交表对号入座，所以，只能选用L9(34) 等虽然空出一列；但该表较之其它表，试验次数最少。30 具体的试验计划是在L9(34)表头的l、2、3列上分别写上因素A、B、C，空出第4列作别用途；在表2-l的各因素列中，分

14、别将水平数字l、2、3处放入该因素的1水平、2水平和3水平 3. 试验计划的制订 确定影响实验结果的因素及各因素的水平。 31试验号 因素1因素2因素3 因素41水平1水平1水平1水平121水平2水平2水平231水平3水平3水平34水平212352231623127水平3132832139332132试验号A（催化剂用量）B（醇酸摩尔比）C（反应时间）酯收率（%）10.51.00.585.520.51.21.089.330.51.51.592.541.01.01.086.751.01.21.590.261.01.50.593.871.51.01.588.581.51.20.591.891.51

15、.51.091.5334. 直观分析法 直观分析法又名极差分析法，它是对试验结果(数据)进行处理分析的基本方法，主要包括以下三个步骤：(1)确定同一因素的不同水平对试验指标的影响 首先计算A因素A1水平(0.5)在试验方案1、2、3中的总收率，再取平均值，得 A1平均值 90.1；同样求出A2平均值90.2；A3平均值90.6同理求出B1、B2、B3；C1、C2、C3的平均值，并分别确定三因素最好水平。(2)极差分析，确定各因素对试验指标的影响最好水平与最差水平之差称为极差，用R表示。对A因素来说，极差R1A3一A10.5. 同理求出R2B3一B14.7，R3C1一C2=2.2。34(3)最优

16、工艺方案的确定 根据每个因素的各水平之间的极差值大小，确定哪个因素是主要的。R大时，它便是主要因素，R小时，它便是次要因素，本例中R2R3R1，可以得出醇酸配比的影响是主要的，反应时间次之，催化剂用量再次之。加上第一步所得出的各因素的最好水平，最后得出最优工艺方案为：B3C1A3，即：醇酸摩尔比为1.5，反应时间0.5小时，催化剂用量1.5克的方案。 当然，如果各因素之间存在互相作用，可以通过交互作用的正交试验来优化.具体内容，可参考有关资料。35表头设计ABC试验结果 试验号12312345678911122233312312312312323131288.589.392.586.790.2

17、93.888.591.891.5i(1水平试验指标总和）i（2水平试验指标总和） i（3水平试验指标总和）270.3270.6271.8263.7271.2277.8274.2267.6271.2 / i=I/3 / i=I/3 / i=I/390.190.290.687.990.492.691.489.290.4 Ri0.54.72.236 2.5精细化工技术开发 2.5.1 精细化工新产品开发程序 1. 选择研究课题 2.课题可行性分析和论证 课题的意义、是否重复研究； 科学和技术上的可行性与合理性 经济效益和社会效益 3.实验研究 即所谓小试，考察生产方法、生产流程；寻找合适的工艺条件和

18、操作条件。 4.中间试验 5.性能、质量测定和鉴定 权威机构检测 用户试用 37 中间试验: 中间实验的目的在于检验实验室研究成果的实用性和工艺合理性，并在实际应用过程中不断完善产品性能。其目的是：（教材P20） 获取设计工业装置所必须的工艺数据和化学工程数据； 研究生产控制方法； 考虑杂质积累对过程的影响； 考核设备的选型及材料的耐腐蚀性能； 确定实际的经济消耗指标； 提供少量产品，考核产品的加工和使用性能； 修正和检验数学模型。 38 2.5.2 精细化工新产品发展的一般规律原型发现阶段如：从天然动植物中提取染料、香料，即合成染料和合成香料的前身和原型；天然动植物治病，是合成药物的原型。雏

19、形发明阶段 是精细化工产品研究的开始。性能改良阶段对雏形发明的性能、生产方式进行改革以及克服雏形发明的各种缺陷的应用研究工作。采用的方式： 通过机理研究，弄清楚雏形发明的作用机理，从机理上提出改进措施； 使雏形发明在工艺上、生产方法上以及价格上实用化。功能产品扩展阶段功能扩展的几个方面： 品种日益增多； 产品的性能和功能日益脱离原型； 产品的使用方式也日益多样化。39补充: 精细化工单元操作 过程与设备 通过学习，1。了解精细化工常用操作及设备。2.了解精细化工对生产工艺的要求及对实现生产工艺的设备的要求。3.了解反应设备的分类。4.了解塔式反应器和床类反应器的种类、结构、特点及应用范围。5.

20、了解精细化工生产中的分离操作及设备。40 由于精细化工产品种类繁多，其生产工艺千差万别，所采用的工艺单元操作过程有所不同，对设备的要求也各有差异。 41精细化工操作： 原 料预处理单元反应产物后处理产品提纯、粉碎干燥、熔化溶解、蒸发汽化、加热冷却 蒸留、精留吸收、吸附萃取、结晶冷凝、过滤干燥42增塑剂生产工艺DBP间歇式生产工艺冷凝酯化硫 酸活性炭苯 酐丁 醇醇水共沸物醇水分离水丁醇中和纯碱液分离水活性炭脱醇压滤成品稀醇脱水回收醇脱色水洗43精细化工对生产工艺的要求： 在能够实现目标产品要求的前提下，工艺简单、流程简短、条件不苛刻、操作方便、生产成本低、原料来源广泛。 对实现生产工艺的设备要求

21、： 满足生产工艺要求、安全可靠性高、使用耐久性好、经济合理性佳。 生产工艺能否顺利实现，与设备的型式、结构、尺寸以及操作条件等因素均密切相关。 441.1 物料的输送 精细化工生产过程中涉及的物料形态常常是固态、液态和气态三种。实现物料输送的设备种类有很多，一般可分为：液体输送设备、固体输送设备和气体输送设备三类。 451.1.1 液体物料的输送 液体物料形态种类很多。由于其粘性大小、腐蚀性强弱不同，液体中可能悬浮固体和气体颗粒，温度、压强也有高有低等等，因此液体输送中可选用的设备种类很多。 精化生产中输送液体最常用的设备还是泵。 46泵是实现液体输送或增压的机械。 泵的主要作用是输送液体包括

22、水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。 泵通常按工作原理分为： 容积式泵，如往复泵、回转泵、柱塞泵、齿轮泵、蠕动泵、滑片泵等； 动力式泵，如离心泵、轴流泵、旋涡泵等； 其他类型泵，如射流泵、水锤泵、电磁泵、气体升液泵等。 47 射流泵水锤泵 电磁泵48 泵除按工作原理分类外，还可按其他方法分类和命名。例如： 按驱动方法可分为电动泵和水轮泵等； 按结构可分为单级泵和多级泵； 按用途可分为锅炉给水泵和计量泵等； 按输送液体的性质可分为水泵、油泵和泥浆泵等。491.1.2 固体物料的输送 固体物料的形态多样，包括粉末状、颗粒状、大粒状、块状等等，

23、对于不同形态的固体物料应采用不同的输送方式及设备。 常见的固体物料输送设备见讲义。 501.1.3 气体物料的输送 输送和压缩气体物料的设备统称为气体压送机械。按其出口压力可分为： 通风机(终压小于1.47104Pa表压)， 鼓风机(终压为1.47104Pa2.94104Pa表压)， 压缩机(终压大于2.94104Pa表压)。51鼓风机压缩机52真空泵：旋片式真空泵水环真空泵531.2 物料的反应 精细化工产品的生产涉及的化学反应很多，但反应的过程基本上是在反应器内完成的，因此反应器是核心的设备。 正确选择反应设备的形式、结构尺寸、确定最适宜的反应温度、浓度和物料流动状态是精细化工生产能否达到

24、工艺要求的关键，是保证主产品的生成、分离提纯和减少污染的关键。541.2.1 反应设备分类按几何结构形式的不同，反应器可分为釜式、管式和塔式等类型。 按操作方法的不同，反应器可分为间歇式、半间歇式和连续式几种。 按体系的相态，化学反应可分为均相和非均相反应。 按吸热放热要求，反应器可分为等温反应器、不等温反应器和绝热反应器三种。 551.2.2 反应器的结构形式及操作方式 决定设备构造的因素主要有：物料的聚集状态和混合物的稠度、混合的强度、操作温度和压力、热效应和传热强度以及物料的化学性质等。 最主要的影响因素: 传热强度和混合强度。 56釜式反应器 大量用于气-液、液-液和液-固相反应过程。

25、常为圆筒形，容积可大可小，多带有夹套、蛇管或列管等表面传热构件；附有长温度计或热电偶；能承受31054105Pa压力;反应罐内常装有搅拌器。釜式反应器 动画57搅拌器 浆式、锚式和框式搅拌器涡轮式搅拌器螺旋浆式搅拌器螺带式搅拌器消泡浆式搅拌器 （具体见讲义及“液体搅拌4-1-1”） 适用于低、中粘度的有桨式、涡轮式、旋桨式等。 适用于高粘度的有大叶片、低转速搅拌器，如锚式、框式、螺带式、螺杆式等。 58管式反应器 : 传热面积大、耐压高、结构简单、 加工方便。 : 适用于气相及均液相反应、气液相反应、有悬浮固体或催化剂存在时的液固和气液固反应。在强放热反应和高压反应时，有釜式反应器不具备的优势

26、。特别适用于高压反应、混合物为气体的反应体系 特点应用59塔式反应器 适用于气液相逆流操作反应。 鼓泡塔 填料塔 板式塔 喷雾塔 分类：60鼓泡塔 圆柱形塔体内设挡板及鼓泡器构成鼓泡塔式反应器，液体物料从塔顶加入，从底部流出；气体物料从塔底部通入，分散成气泡沿液层上升，从塔顶排出。适用于气一液相反应及气一固三相反应，是生产中应用较广泛的气液反应设备。 结构简单、造价低、易控制和维修；不同的选材可以适用于腐蚀性的反应物料 ；用于高压操作也很方便。61填料塔 塔内部有填充物，填充物可为圆环、螺旋环或马鞍环等，是广泛使用的气体吸收设备。填料塔适宜于处理气体物料量大而液体物料量小的过程 。板式塔 塔体

27、内部有塔板结构，可采用筛板或泡罩板，在每块塔板上，气体分散于液体中，故气体为分散相，液体为连续相。适用于气液相逆流操作的反应和要求伴随蒸馏的化学反应。 喷雾塔 喷雾塔系将液体分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相。塔体内部可有搅拌装置或脉冲振动装置，适用于气液、液液、液固等非均相反应、气液相进行的快速反应及要求伴随萃取的化学反应。 62床类反应器 固定床反应器 移动床反应器 流化床反应器 流化状态动画63悬浮液的分离 使固体颗粒与液体相分离的操作。 悬浮液的分离分为过滤和沉降两类。 64影响过滤操作的因素物料性质、过滤介质和过滤条件 。物料中的固体颗粒具有不同的几何形状的影响；悬浮液中固体颗

28、粒的粒径的影响；悬浮液的粘度、密度及固液间密度差的影响。 物料性质的影响：65粘度的影响：料液粘度愈大，物料的过滤速度愈慢。解决办法：提高悬浮液温度；加入絮凝剂或净化剂或助滤剂。66物料的蒸发 将含有非挥发性溶质和挥发性溶剂组成的溶液进行浓缩的过程称为蒸发 。是精细化工生产常用的溶液浓缩方式。 按操作温度可将蒸发分为在沸点温度下的沸腾蒸发和低于沸点温度下的自然蒸发两大类。 蒸发操作可以在常压、加压或减压下的条件下进行。 蒸发操作的流程根据对蒸汽的利用方法，可分为单效蒸发流程和多效蒸发流程两大类。蒸发流程67单效蒸发流程 单效蒸发流程不再利用溶液蒸发时所产生的二次蒸汽，使用的设备简单、投资少，但

29、热能利用率相对较低，比较适用于规模不太大的精细化工生产。多效蒸发流程 为了降低能源消耗，可将生产中产出的二次蒸汽加以利用，依次作为下一蒸发器的加热蒸汽。一个蒸发器称为一效蒸发器，多个蒸发器串联可构成多效蒸发器。常用的为2-4效多效蒸发器。68蒸发设备 蒸发器是蒸发操作单元的主要设备。生产中使用的蒸发器的类型很多，按溶液的流动方式主要分为单程型和循环多程型两大类。 蒸发器分类单程型蒸发器(薄膜蒸发器 )长管型 圆筒型 刮膜板型 离心型 循环多程型 蒸发器 中央循环管式蒸发器 悬框式蒸发器 外加热式蒸发器 列文式蒸发器 强制循环蒸发器 标准蒸发器降膜蒸发器升膜蒸发器式刮板蒸发器691.3 物料的结晶 结晶是溶质以晶体状态从溶液中析出的过程 。70影响结晶的因素： 影响因素：溶液组成、溶剂性质、pH值、溶液的过饱和度及过冷度、搅拌速