第二章精细化工工艺基本理论

精细化工工艺学魏雨黄淮学院化学化工系2.精细化工工艺基本理论52.1精细化工工艺开发12.4精细化工反应器42.3精细化工计量学32.2精细化工过程开发22.1精细化工工艺开发精细化工工艺学：从初级原料、次级原料到精细化工产品的加工方法和过程。化学反应，复配技术，2.精细化工工艺基本理论2.1精细化工工艺开发2.精细化工工艺基本理论对于具体的产品，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；合成路线：选用何种原料，经过哪些单元反应来制备目标产品。工艺路线：包括原料的预处理(提纯、精馏、干燥、融化、溶解、蒸发、气化、加热、冷却等)和反应物的后处理(蒸馏、精馏、吸收、吸附、萃取、结晶、冷凝、干燥等)，应采用哪些化工过程、采用什么设备和生产流程。对于单元反应，确定最佳反应条件、合成技术和完成反应的方法，以取得高质量、高产率的产品，以及了解产品的主要应用及动向。反应条件：反应物的物质的量的比值，主要反应物的转化率，反应物的浓度，反应过程的温度、时间和压力以及反应剂、辅助反应剂和催化剂的使用和选择。合成技术：非均相接触反应、相转移催化、均相络合催化、光有机合成和电解有机合成以及酶催化。完成反应的方法：间歇操作、连续操作的选择，反应器的选择和设计。2.精细化工工艺基本理论各个生产单元按照一定的目的要求，有机地组合在一起，形成一个完整的生产工艺过程，并用图形描绘出来，即是工艺流程图。属于工艺流程图性质的图样有若干种，它们都用来表达工艺生产过程。在工艺学上常用的有方块流程图、装备流程图、带控制点工艺流程图等。

保险粉的生产工艺2.精细化工工艺基本理论工艺流程草图带控制点工艺流程图（1）生产准备过程试剂等级及选用原则试剂贮存原则试剂预处理（2）生产过程明确何种工艺路线、采用那些设备和生产流程反应条件控制：pH、T、P

反应操作方式：间歇、连续、半间歇（半连续）反应效率：转化率、收率、选择性复配原则：经验重要性、计算机仿真、模拟（3）分离回收过程经反应得到的物料，多数情况下不是单纯的产物，而是含有部分原料、催化剂残渣、反应介质（水或有机溶剂）等的混合物。因此必须将产物与反应物、反应介质等进行分离。分离方法与反应所得到物料的形态有关。双氧水生产工艺流程图

2.精细化工工艺基本理论产品处理（作为下一工序原料、筛选、包装、灌装、计量、贮存、输送等）未反应物循环利用（返回反应过程或加工成副产物）副产物处理（设计制备、包装、贮运等）（5）精细加工和商品化超细碳酸钙：晶型不同，决定性能差异表面包覆，改变特性2.精细化工工艺基本理论2.2精细化工过程开发2.精细化工工艺基本理论现代化工技术的特点新技术大量涌现，从新的技术思路的提出、实验室研究到工业应用的时间大大缩短，放大倍数越来越大。化工过程开发指从实验室研究成果(新产品、新工艺等)过渡到实现工业化的科学技术活动。涉及：化学工艺、化学工程、机械设备、调节控制，材料与防腐，技术经济等各个领域，同时还包括实验、设计和试生产等各个环节，因此它是范围极广的一门综合性工程技术。2.2精细化工过程开发2.精细化工工艺基本理论步骤：从一个有关新的化学产品、新技术或工艺的概念的形成，到科研、设计、建厂，到第一套工业规模生产装置，付诸实施的生产取得经济效应并形成一整套技术资料的全过程。或者是把“设想”变成“现实”的过程。可以分为三个阶段：实验室研究阶段，中间试验阶段，工业化阶段。化工过程开发基本内容基础研究的成果、资料合理的途径扩大实验评价可行性工业装置。1、实验室研究阶段从基本理论、实验现象、情报分析等出发，提出技术思路，然后在实验室进行探索，明确过程的可能性和合理性，测定技术数据，探索工艺条件。要求研究人员具有扎实的基础知识和技巧，思维敏捷、视野开放，善于去伪存真，把握过程的规律并作出正确判断。2、中间试验阶段化工过程的复杂性，要求必须经过中间试验。要求：研究人员具有丰富的工程知识，掌握先进的测试手段，取得提供工业生产的工程数据。3、工业化阶段任务：设计工业生产装置，取得数据，完善研究成果。2024/9/816实验室研究与工业生产的主要不同比较内容实验室研究工业生产目的打通路线、确定方案提供产品、获利规模小，克大，吨总体行为不考虑经济强调经济指标原料试剂，含量95％杂质基本状态物料少，设备小，理想大，非理想反应温度及热效应小，易控，等温大，温度梯度操作方式间歇连续设备条件玻璃金属物料少考虑回收循环三废不处理处理能源少考虑综合利用①原料、生产方法和产品的多样性和化工开发的多方案性化工过程开发的特点(2)化工过程开发要十分重视能量和资源的充分利用①矿物原料；②生物原料：粮食、玉米秆、麦秆类农业废料等；②水(台海水、盐湖水等)和空气。(3)环境保护和过程安全是化工过程开发中必须重视的问题环境污染影响了人民健康，危害了生盗平衡(4)在化工过程开发中技术经济观点十分重要

技术是为经济服务的。技术上先进必须在经济效益中体现出来，一般讲，没有经济效益的项目是没有开发价值的。

化工过程开发的特点4、精细化工过程放大相似放大法逐级经验放大通过小型反应器进行工艺试验，优选出操作条件和反应器型式、逐级放大到一定规模实验的研究，根据模型试验的结果，最后放大到工业规模的生产装置。如果放大倍数太大而无把握时．往往还要进行多次不同规模的中间试验，然后才能放大到所要求的工业规模。经验放大，放大倍数50倍以内，开发周期长、人力、物力消耗大数学模型方法其实质是通过数学模型来设计反应器，预测不同规模的反应器工况，优化反应器操作条件。建立数学模型参数计算式动力学方程式物料、热量、动量衡算式求解数学模型的计算方法计算机软件的实现及计算结果4、精细化工过程放大精细化工新产品的开发程序1、选择研究课题自己提出、用户提出、上级下达、产品国产化需要等。2.课题的可行性分析课题的意义，科学和技术上可行性，经济和社会效应。已知产品：容易分析。新产品：难度较大。3、实验研究制定研究方案—小试打通路线—修正方案—产品分析测试方法—提出保证产品质量和某一经济指标的控制参数4、中间试验目的：检验实验室成果的实用性和合理性，并不断完善产品的性能。5、性能、质量检测和鉴定权威机构检验：用户检验：质量监督部门检验2.3精细化工计量学2.精细化工工艺基本理论（1）反应物的摩尔比指加入反应器中的几种反应物之间的物质的量之比。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（按化学反应式的物质的量之比）。(2)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，其中以最小化学计量数存在的反应物叫作“限制反应物”。某种反应物的量超过“限制反应物”完全反应的理论量，该反应物称为“过量反应物”。2.3精细化工计量学2.精细化工工艺基本理论(3)过量百分数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数。

其中：Ne——过量反应物的物质的量，Nt——与限制反应物完全反应所消耗的物质的量。

限制反应物过量反应物(过量百分数=7%)2.精细化工工艺基本理论2.3精细化工计量学2.精细化工工艺基本理论（4）转化率（以x表示）某一种反应物A反应消耗掉的量NAR占其向反应器中输入量NA，in的百分数，叫做反应物A的转化率XA。

不过量价值最高转化率表示一个化学反应进行的程度，针对反应物而言以关键组分表示的转化率≦100%注意：2.3精细化工计量学2.精细化工工艺基本理论（5）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。未反应物合成原料产物副产物

2.3精细化工计量学2.精细化工工艺基本理论

例：aApPNP表示生成目的产物的摩尔数，则选择性为：2.3精细化工计量学2.精细化工工艺基本理论（6）理论收率（y）指生成的目的产物的摩尔数占输入的某一反应物摩尔数的百分数。2.精细化工工艺基本理论例题100mol苯胺在浓硫酸中进行焙烘磺化，产物中含87mol对氨基苯磺酸，2mol未反应的苯胺，另外还有一定数量的焦油物,苯胺的转化率?对氨基苯磺酸的选择性?对氨基苯磺酸的理论收率?2.精细化工工艺基本理论苯胺的转化率：

对氨基苯磺酸的选择性：

2.精细化工工艺基本理论对氨基苯磺酸的理论收率：

或

у=S•χ=87.78%×98%=87.00%

2.精细化工工艺基本理论2.3精细化工计量学2.精细化工工艺基本理论（7）质量收率（以уm表示）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处理、化学反应和后处理之后所得目的产物的总收率，常常采用质量收率yw,它是目的产物的质量占某一输入反应物质量的百分数。

例题100kg苯胺（纯度99%，分子量93），经焙烘磺化和精制后得217kg对氨基苯磺酸钠（纯度≥97%，分子量231.2）。对氨基苯磺酸钠的理论收率?对氨基苯磺酸钠的重量收率?

对氨基苯磺酸钠的理论收率：对氨基苯磺酸钠的重量收率：

2.3精细化工计量学2.精细化工工艺基本理论（8）原料消耗定额每生产1t产品所消耗的各种原料的量（多少吨或多少公斤）。对于主要反应物来说，它实际上就是重量收率的倒数。如上例，每生产1t对氨基苯磺酸钠，苯胺的消耗定额为100/217=0.461t=461kg2.3精细化工计量学2.精细化工工艺基本理论（8）单程转化率和总转化率<对于每次反应转化率很低，但反应物又可回收循环套用的反应。2.精细化工工艺基本理论

RinAN,为反应物A输入反应器的摩尔数；

RoutAN,为反应物A输出反应器的摩尔数；

SinAN,为反应物A输入全过程的摩尔数；

SoutAN,为反应物A输出全过程的摩尔数；

则：%100%100,,,,,,´-=´-=SinASoutASinARinARoutARinANNNNNN总转化率单程转化率

反应器

分离器

C6H660mol

c

b

a

a:C6H6100mol

b:C6H661mol

C6H5Cl38mol

C6H4Cl21mol

c:C6H61mol

C6H5Cl38mo

C6H4Cl21mol

苯的单程转化率=39.0%苯的总转化率=97.5%

生成氯苯的选择性=97.44%

生成氯苯的总收率=95.0%

2.4精细化工反应器2.精细化工工艺基本理论化学反应过程分类一、按反应系统涉及的相态分类，分为：1.均相反应，包括气相、液相、固相均相反应。2.非均相反应，包括气—固相，气—液相，气—液—固相反应3.使用催化剂与否：催化反应，非催化反应。常见反应器类型管式反应器釜式反应器塔式反应器固定床反应器流化床反应器移动床反应器滴流床反应器。。。。2.4精细化工反应器2.精细化工工艺基本理论2.精细化工工艺基本理论①、管式反应器

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。特别适用于高压反应、混合物为气体的反应体系应用管式反应器的特征是，长度远较管径为大，内部中空，不设置任何构件它多用于均相反应。2024/9/8管式反应器的结构2.精细化工工艺基本理论轻油裂解制乙烯管式非催化反应器釜式反应器又称反应釜或搅拌反应器，其高度一般与其直径相等或稍高，一般用于均相反应，也可用于多相反应，如气液反应、液液反应、液固反应以及气液固反应。搅拌装置传热构件2.精细化工工艺基本理论②、釜式反应器③、塔式反应器2.精细化工工艺基本理论适用于气液相逆流操作反应。①板式塔②填料塔③鼓泡塔④喷雾塔塔式反应器的高度一般为直径的数倍以至十余倍，内部设有为了增加两相接触的构件如填料、筛板等。塔式反应器主要用于两种流体相反应的过程，如气液反应和液液反应。无论哪一种型式的塔式反应器，参与反应的两种流体可以逆流、也可以并流，视具体情况而定。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。

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。

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。

床类反应器

①固定床反应器②移动床反应器③流化床反应器

2.精细化工工艺基本理论2.精细化工工艺基本理论④、固定床反应器固定床反应器是一种被广泛采用的多相催化反应器。反应器内填充有固定不动的固体颗粒，这些固体颗粒可以是固体催化剂，也可以是固体反应物。管内装催化剂、反应物料自上而下通过床层，管间的载热体与管内的反应物料进行换热，以维持所需的温度条件。除多相催化反应外，固定床反应器还用于气固及液固非催化反应。gg2.精细化工工艺基本理论⑤、流化床反应器流化床反应器：有固体颗粒参与，颗粒处于运动状态，且其运动方向是多种多样的。又称沸腾床反应器。可用于气—固、液—固以及气—液—固催化或非催化反应，是工业生产中较广泛使用的反应器，反应器下部设有分布板，板上放置固体颗粒，流体自分布板下送入，均匀地流过颗粒层。当流体速度达到一定数值后，固体颗粒开始松动，再增大流速即进入流化状态。2.精细化工工艺基本理论⑥、移动床反应器移动床反应器也是一种固体颗粒参与的反应器，与固定床反应器相似，不同之处是固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出，如固体颗粒为催化剂，则用提升装置将其输送至反应器顶部返回反应器内。反应流体与颗粒成逆流、此种反应器适用于催化剂需要连续进行再生的催化反应过程和固相加工反应。2.精细化工工艺基本理论化学反应过程分类二、按操作方式分类，分为：1.间歇操作，是指一批物料投入反应器后，经过一定时间

的反应再取出的操作方法。2.连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方式。3.半连续操作，指反应器中的物料，有一些是分批地加入

或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。2.精细化工工艺基本理论间歇操作：非定态，随时间而变无物料输入与输出，恒容。釜式反应器，反应速率慢，产量小，医药工业2024/9/8精细化工过程与设备

55ARS？2.精细化工工艺基本理论2.连续操作定态操作，浓度温度随位置而变，不随时间改变大规模生产，易于实现自动化。石油炼制改变品种难2024/9/8精细化工过程与设备

56AA+RL2.精细化工工艺基本理论3.半连续操作兼具连续操作与间歇操作特性组成随时间和位置而变管式、釜式、塔式以及固定床反应器都有采用半连续方式操作的。2.精细化工工艺基本理论（一）壳体（二）搅拌装置（三）换热装置（四）传动装置及密封釜式反应器的结构反应器的筒体皆为圆筒形。底、盖常用的形状有平面形、碟形、椭圆形和球形，也有的釜底为锥形。

1釜式反应器的基本结构壳体结构反应釜的顶盖也叫上封头，通过法兰将顶盖与筒体相连接。在顶盖上通常开有工艺接管、人孔、手孔、视镜等。此外，反应釜的传动装置也大多直接支承在顶盖上。工艺接管口主要用于进、出物料及安装温度、压力的测定装置手孔或人孔的安设是为了检查内部空间以及安装和拆卸设备内部构件视镜主要是为了观察反应器内物料的混合情况及反应情况