绿色化学工艺课件-简化版

绿色化学工艺第一章绪论化工与人类社会化工与资源化工与环境环境污染治理一.化工与人类社会1.化工概述化学工业、化学工程和化学工艺。2.化工在人类社会发展中的作用(1)工业革命的助手(2)发展农业的支柱

(3)战胜疾病的武器

(4)改善生活的手段

二.化工与资源化学工业的资源：矿物资源（煤、石油、天然气、及其它相关矿源、硫铁矿、磷矿、盐矿）生物资源（粮食、农业废物、木材及其加工产品、生物质及相关物质）水（淡水、海水、盐湖水）资源分类：不可再生资源：煤、石油、天然气及其它矿物资源可再生资源：粮食、农业废物、木材及其加工产品、生物质及相关物质三.化工与环境1.人类面临的重大环境危机

(1)全球变暖(2)臭氧层破坏(3)大气污染(4)淡水资源的污染与短缺(5)海洋污染(6)生物多样性减少(7)垃圾围城(8)放射性污染(9)战争：生态环境的灾难(10)土地退化和沙漠化(11)森林锐减人类面临的这些环境问题中，前9个直接或间接与化工生产或化工产品有关。化工与环境密不可分2.化工生产与环境污染从化学工业的发展过程来看，化工污染大体可分为三个阶段：

化学工业污染发生期化学工业污染发展期化学工业污染泛滥时期化工污染物种类：

按性质无机化工污染有机化工污染

按形态废气废水废渣化工污染物产生原因、进入环境途径四.环境污染治理1.人类环境意识的觉醒标志事件：《寂静的春天（SilentSpring）》一书发表2.污染治理三个时期稀释废物来防治环境污染管制与控制时代

具体措施——末端控制防止污染

从源头上防止和消除污染第二章基本原理绿色化学工艺的定义和内容实现绿色化学工艺的途径绿色化学工艺应遵循的原则绿色化学工艺的评估一.绿色化学工艺的定义和内容绿色化学：是运用现代化学的原理和方法，来减少或消除化学产品的设计、生产和应用中有毒有害物质的使用与生产，使所设计的化学产品或过程更加环境友好。包括所有可以降低对人类健康与环境产生负面影响的化学方法、技术与过程。绿色化学工艺：是在绿色化学基础上发展的化学生产技术，又称环境友好工艺或清洁工艺。是一种新的创造性的思想（或理念），该思想将整体预防的环境战略应用于化工生产过程、产品和服务中，以增加生态效益，减少对人类、生物及环境的危险。

理论基础：物质和能量平衡理论(废物最小化、废物多功能性)；最优化理论(目标函数—废物最小化)特点：持续性预防性研究内容：绿色化学工艺起始原料性质的研究新型溶剂和各类助剂的研究开发新反应过程（新合成方法、新催化剂、新型反应器、新反应条件，高选择性）的研究与开发产物（终端产品或目标产品）性质的研究二、实现绿色化学工艺途径(1)改变原料路线——用可再生资源代替不可再生资源；用清洁原料代替有毒有害原料(2)改变反应条件——更新反应试剂；更新溶剂；更新催化剂(3)目标产品的安全设计(4)全过程分析与控制三.绿色化学工艺应遵循的原则(1)树立预防为主的理念(2)目标产品生产过程中应最大限度地利用合成所用的所有原料(3)生产过程使用和产生的物质对人类健康和环境基本无害(4)化工产品设计在降低毒性的同时必须保证功效(5)尽量不用辅助物质，必须用时采用无毒的(6)尽量减少能源需求，并考虑其环境与经济影响(7)在技术经济可行时应使用可再生原料(8)尽量避免不必要的衍生作用(9)催化助剂优于仅起化学计量配比的助剂(10)化学产品在其使用后应能分解为无害物(11)开发实时在线分析方法，在有害物形成前进行控制(12)选择化工过程使用的物质形态时应降低其产生意外事故原子经济性转化率(％)＝(反应物实际转化为产物的质量/理论上反应物转化为产物的质量)×100

产率或收率(％)＝(目的产品的质量/理论上原料变为目的产物所应得的产品的质量)×100概念：使用E和F作为起始原料，整个反应结束后只生成C，E和F中的原子得到了100%利用，也即没有任何副产物生成。原子经济性或原子利用率(%)=(被利用原子的质量/反应中所使用全部反应物分子的质量)×100原子经济性的特点是最大限度地利用原料和最大限度地减少废物的排放。有机合成中常见反应的原子经济性－分子间结构互变或异构化的重排反应－加成反应－取代反应－消去或降解反应提高化学反应原子经济性的途径开发新催化材料提高反应的原子经济性通过新反应加工途径提高反应的原子经济性采用新合成原料提高反应的原子经济性E-因子1992年荷兰有机化学家Sheldon提出了E-因子的概念，它是以化工产品生产过程中产生的废物量的多少来衡量合成反应对环境造成的影响。用生产每千克产品所产生的废弃物千克数来表示。

E-因子=废弃物的质量（kg）/预期产物的质量（kg）其中废弃物指预期产物之外的所有副产物，包括反应后处理过程产生的无机盐等。注意问题：要减少废弃物使E-因子较小，其有效途径之一就是改变经典化学合成中以中和反应进行后处理的常规方法。用原子经济性或E-因子考察化工流程有些过于简化，对于合成过程所产生的环境影响的更全面评价还应考虑废弃物对环境的危害程度。环境商（EQ）：以化工产品生产过程中产生的废物量的多少、物理性质、化学性质及其在环境中的毒性行为等综合评价指标，来衡量合成反应对环境造成的影响。EQ=E×QE——E-因子Q——根据废物在环境中的行为所给出的对环境不友好度。EQ值的相对大小可以作为化学合成和化工生产中选择合成路线、生产过程和生产工艺的重要因素。四.绿色化学工艺的评估分阶段评估的方法：从原料、反应条件、反应类型、目标产品出发

-可否再生

-是否安全

-原子经济性

-无害毒性能耗安全性试剂类型具体实施应考虑：

对人类是否安全是否损害野生生物对局部环境的影响对全球环境的影响第三章绿色化学工艺研究与开发催化剂与绿色化学工艺计算机与绿色化学工艺化学工程与绿色化学工艺一.催化剂与绿色化学工艺1.催化剂(1)催化剂——神奇的反应导向工具催化剂：催化剂（Catalyst）又称触媒，一种能改变化学反应速度，而在反应中自身并不消耗的物质。作用：降低反应活化能；有选择地加快化学反应速率；改变化学反应方向。

特点：整个化学反应过程，催化剂加入量少；本身不参加反应，反应前后不发生任何变化；处理后可多次反复使用。分类：按组成分酸、碱、盐、金属氧化物、硫化物、氯化物有机金属络合物、以蛋白质为主要成分的酶按形态分均相催化剂——在溶液中靠与反应物质均匀溶合的形态起作用(硫酸、氢氧化钠等)非均相催化剂——靠固体表面起作用(金属、氧化铝、氧化硅)(2)催化剂的两面性用于解决环境污染问题；造成环境污染2.绿色化学工艺对催化剂提出的要求考察角度——环境友好和经济性环境友好要求催化剂自身应该是无毒的。催化剂构成材料应该是环境友好的，特别杜绝催化剂在高温下分解，产生有毒气体；催化剂所涉及的反应原料和反应产物应该是无毒的。原料无毒容易实现，但反应副产物产生不可避免，要求副产物无毒；催化反应的后序分离过程也无毒。如萃取操作萃取剂加入。经济性要求催化剂自身的制造成本低，应由非金属构成，催化剂制造工序简单催化剂具有良好的操作特性。有好的稳定性和使用寿命。防止使用过程分解变性，增强其抗毒性；催化剂应有较好的活性及选择性。3.新型绿色催化剂(1)新型酸碱催化剂-超强酸固体催化剂

将100%浓度的硫酸的酸度作为比较标准，酸度大于100%硫酸的酸就认为是超强酸。-超强碱固体催化剂

碱度的大小用碱强度函数H-表示，H-越大，碱强度越大，一般H->26，被认为是超强碱。-杂多酸催化剂以杂原子P+5、P+3、Ge+4、B+3、As+5、Si+4等为中心原子，以WO3、MoO3、V2O5等为配体，形成的一类结构单元为四面体、八面体、少数为二十面体的化合物。(2)夹层催化剂定义：以层状化合物为基材，在层与层之间插入金属、金属离子、有机金属络合物离子或无机氧化物，形成一种新型的夹层化合物。基材：大多数选用天然粘土，如膨润土、高岭土、蒙脱土等，也有用人工合成层状云母作基材，如氟四硅酸特点：活性中心在夹层内金属的引入，在夹层内部形成了特有的电场反应物必须进入夹层才能被催化，反应物分子的大小、形状、以及带电荷情况必需和夹层催化剂匹配调节手段：催化剂夹层的距离可以通过外部操作加以调节活性中心的电荷分布可以通过插入不同种类的离子调节(3)相转移催化剂背景：多相反应中，存在相界面，极大阻碍了反应物的接触，使化学反应几乎不能进行。采用添加少量特殊表面活性剂的办法，使反应变得容易进行。定义：能促进多相间化学反应的表面活性剂。特点：分子结构中有两个特征基团——亲水基团、亲油基团有亲水性、又具亲油性在水相和油相中都有一定的溶解度，能富集于相界面上，减少界面张力，使体系稳定。特殊性：作为相转移催化剂的表面活性剂，必须能与某一相中的反应物结合，并把反应物带进另一相中去进行化学反应，反应结束后又返回原来的相中，继续和反应物结合，周而复始的在两相间运输反应物，而自身不发生任何变化(4)仿酶催化剂酶：是一种特殊的蛋白质，具有生物活性催化作用：对化学反应和生物化学反应都有催化作用不同于化学催化剂，酶的催化效率比化学催化剂高很多，一般是化学催化的107倍以上，甚至可达1014特点：酶对反应底物的生物结构和立体结构具有高度的专一性，特别是对反应底物的手性、旋光性和异构体具有高度的识别能力。只对一种反应起催化作用酶催化反应可以在常温常压下进行缺点：不稳定、易变性——温度稍高容易导致酶的失活

酶的提取和纯化，酶的固定化技术难度高(5)沸石分子筛催化剂沸石分子筛：也称沸石或分子筛，是一种多孔固体颗粒，具有均一的孔结构，能在分子水平筛分物质。作用：提供催化活性中心吸附载体择定向反应发展：最早天然沸石第二代人工合成分子筛，代表——高硅三维交叉直通结构，型号以ZSM来区别第三代美国联合碳化公司

非硅、铝骨架的磷酸盐系列分子筛APO目前控制和精细调节合成分子筛的结构及孔径定向合成符合工艺需求的不同类型分子筛二.计算机与绿色化学工艺1.计算机在绿色化学工艺中的作用2.计算机在绿色化学工艺中的主要应用(1)在分子尺度上，应用计算机辅助有机合成；(2)预测体系物理性质及反应动力学参数；(3)在设备尺度上，应用计算机辅助反应、分离设备的开发、设计和优化；(4)优化配置工艺的局部环节；(5)在全系统尺度上，计算机优化各模块间的功能和模块间的组合方式。三.化学工程与绿色化学工艺1.化学工程(1)化学工程含义以物理学、化学和数学的原理为基础，广泛应用各种实验手段，研究化学工业和其他过程工业(processindustry)生产中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。重要任务：研究有关工程因素对过程和装置的效应，特别是在放大中的效应，以解决关于过程开发、装置设计、操作理论和方法等问题。(2)化学工程发展历程化学工程的萌芽学科基础的奠定单元操作概念提出，化工热力学的诞生学科体系的形成

单元操作，三传一反(3)学科内容单元操作化工产品生产的物理过程可归纳为有限的几种基本过程——流体输送、换热(加热和冷却)、蒸馏、吸收、蒸发、萃取、结晶、干燥等。化学反应工程化学反应是化工生产的核心，决定着产品的收率,对生产成本有重要影响。反应器内的返混、反应相内传质和传热、反应相外传质和传热、反应器稳定性。传递过程是单元操作和反应工程的共同基础。化工热力学是单元操作和反应工程的理论基础，研究传递过程的方向和极限，提供过程分析和设计所需的有关基础数据。化工系统工程化工过程中，各个过程单元相互影响，相互制约。过程动态学及控制为了保持操作的合理和优化(4)研究对象

复杂性过程本身的复杂性：既有化学的，又有物理的，两者常同时发生物系的复杂性：既有流体(气体和液体)，又有固体，时常多相共存；流体性质变化大——低粘度和高粘度、牛顿型和非牛顿型；物性显著改变，例聚合过程中反应物系从低粘度向高粘度的转变。物系流动时边界的复杂性：由于设备的几何形状是多变的，填充物的外形也是多变的，使流动边界复杂且难以确定和描述。(5)研究方法

早期的研究方法：经验放大——通过多层次的、逐级扩大的试验、探索放大的规律。耗资大、费时长、效果差。20世纪初的研究方法：相似论和因次分析——将影响过程的众多变量通过相似变换或因次分析归纳成为数较少的无因次数群形式,然后设计模型试验，求得这些数群的关系。但对反应过程，不可能在满足几何相似和物理量相似的同时满足化学相似条件，所以用无因次数群关联实验结果以获得反应过程规律的思路归于无效。50年代以后的研究方法：数学模型方法。使研究方法出现了革新。但即使采用了这个方法，实验工作仍占重要地位——基础数据依靠实验测定，模型通过实验得到鉴别，模型参数由实验求取，模型可靠性由实验验证。

各种化学工程研究方法的基础是实验2.化学工程与绿色化学工艺的关系3.利用化工单元操作控制污染(1)单元操作定义：化学工业和其他过程工业中进行的物料粉碎、输送、加热、冷却、混合和分离等一系列使物料发生预期的物理变化的基本操作的总称分类：按照所依据的基本原理

流体动力过程动量传递例：流体输送、沉降、过滤传热过程热量传递例：换热、蒸发传质分离过程质量传递例：蒸馏、吸收、萃取热质传递过程热量和质量传递例：增湿、减湿、干燥、结晶热力过程热力学例：制冷粉体工程固体颗粒加工、运动例：粉碎、流态化、颗粒分级(2)控制污染(3)新单元操作电结晶、反应萃取、反应精馏4.利用反应工程知识指导绿色化学工艺开发化学反应工程：以工业反应过程为研究对象，以反应技术研发、反应过程的优化和反应器设计为主要目的的一门过程学科。反应工程研究内容：研究与反应过程密切相关的流动－传递－反应耦合过程。研究尺度：催化剂颗粒尺度和床层尺度对绿色化学工艺的指导作用：分析出工艺过程中的控制步骤