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化工过程开发与设计化工过程开发是从一个化学新产品、新工艺概念的形成，通过实验室研究、中试放大、工艺设计、技术经济评价等环节，直至付诸工业化的全部过程。1. 化工过程开发概论科学：关于自然、社会和思维的知识体系。技术：根据自然科学原理和生产实践经验发展成的各种工艺操作方法和技能。研究：钻研、反复探索开发：开拓、发展、扩张的意思方法：是解决问题的手段、途径等1.1 收集材料方法（1）观察、测量（2）情报调研（3）实验、试验（4）模拟1.1.2 搜集事实材料的方法 1、观察法 2、测量法 3、实验法 4、模拟法1.1.3 思维加工方法 整理事实材料 建立系统理论 随即搜索性思维 数学处理化学工艺：凡是运用化学方法改变物质组成、结构，合成新物质的生产过程和技术。化学工业：运用化学工艺生产化学品的产业部门。化学工程：研究化学工业生产过程中的共同规律，解决规模放大，设计和生产操作的科学。化工过程研究与开发：从一个有关新产品、新技术或新工艺的概念的形成，到科研、设计、建设工厂，从实验室研究过渡到第一套工业规模生产装置，付诸实施的全部过程。化工过程研究与开发的目的： 产品开发工艺过程开发 工艺改进应用开发化工过程开发的基本内容：根据基础理论研究的成果和有关工程资料，按照科学的方法，寻求技术可靠、经济合理的途径来制备该化学品，然后进行扩大试验，评价过程的可行性，设计工业装置，实现工业化。1.3.1 实验室研究与工业生产的不 原料来源的影响 杂质的积累 传递规律变化1.3.2 化工过程开发的特点（1）原料、生产方法和产品的多样性和化工开发的多方案性 （2）化工过程开发要十分重视能量和资源的充分利用 （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 （4）在化工过程开发中技术经济观点十分重要1.3.3 放大是化工过程开发的核心1.4 化工过程开发的基本方法1.4.1 实验研究方法1.4.2 数学模型方法 数学模型方法放大是过程开发研究中的一个重要方向。1.5 化工过程开发的主要步骤化学实验 小型工艺实验 大型冷模实验 中间实验 概念设计 多级经济评价 基础设计 过程研究 工程研究 工程设计第一章 化工过程开发概论从以上案例中得到如下三点启迪： 产品的经济效益与社会效益是推进研究与开发的巨大动力；逐级放大的开发过程，化工过程开发经历了实验室小试、模试、中试与工业规模四个阶段；正确的理论指导是开发工作成功的捷径。小 结 了解化工过程开发的内容、特点、方法、步骤，掌握一些基本观点。 1、实验室研究的结果是确定一种有希望的反应方法；化工过程开发的结果是实现工业化。 2、化工过程研究与开发的基本方法有实验研究方法和数学模型方法，数学模型方法放大是过程开发研究的方向。 3、化工过程开发包括过程研究及工程研究，研究中要经常交换信息，反复交替展开工作。 4、技术经济观点十分重要，但不是唯一，必须考虑社会效益。3、绿色化学与技术3.1 绿色化学及其特点绿色化学(Green Chemistry )又称环境无害化学(environmentally benign chemistry)、环境友好化学(environmentally friendly chemistry)、清洁化学(clean chemistry)。绿色化学即用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生。3.1 绿色化学及其特点绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物。绿色化学的核心是利用化学原理从根本上减少或消除化学工业对环境的污染。3.2.3 最大限度地使用或产生无毒或毒性小的物质3.2.4 设计化学产品时应尽量保持其功效而降低其毒性3.2.5 尽量不用辅助剂而须使用也应采用无毒无害物质辅助物质可定义为能帮助处理和操作的化学品，但又不构成目标分子的物质。 选择环境友好的反应介质是绿色化学研究的一个重要方面。几种清洁的辅助剂 1. 采用超临界流体2. 水作溶剂3. 固定化溶剂4. 无溶剂反应3.2.6 能量使用应最小并应考虑其对环境及经济的影响3.2.7 最大限度地使用可更新原料3.2.8 尽量避免不必要的衍生步骤 （1）保护基团 （2）暂时改性（3）加入官能团提高反应选择性3.2.9 催化试剂优于化学计量试剂 催化剂的作用： 1. 提高选择性 2. 降低能耗催化剂的正确选择，对合成化学反应速度、反应的选择性和转化率，以及减少或消除产生副产物等有重要影响。无毒无害和高效催化剂的研究和开发是绿色化学的一个重要研究方向。3.2.10 化学品应设计成使用后容易降解为无害物质3.2.11 分析方法应能实现在线监测并在有害物质形成前加以控制3.2.12 化工过程物质的选择与使用应使化学事故的隐患最小无毒 无害原料 可再生资源环境友好产品回归自然废物回收利用无毒无害催化剂无毒无害溶剂原子经济反应高选择性反应3.2 绿色化学原理从科学观点看，绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展；从环境观点看，绿色化学是从源头消除污染；从经济观点看，绿色化学合理利用资源和能源、降低生产成本，符合经济可持续发展的要求。 3.3 绿色化学的研究动向3. 3.1 氧化剂与催化剂开发无害的、耐用的、高循环性的催化剂。3. 3. 2 生物模拟多功能试剂3.3.3 组合绿色化学组合合成用一个构建模块的n个单元与另一个构建模块的n个单元同时进行一步反应，得到nn个化合物；若进行m步反应，则得到（nn）m个化合物。 有人作过统 计，一个化学家用组合化学方法在26周的工作量，十个化学家用传统合成方法要花费一年的时间才能完成。 3. 3. 4 可同时防止与解决污染问题的化学技术3. 3 .5 无溶剂反应与无溶剂分离技术 无溶剂反应：熔融态反应、等离子气体反应、纯的固体支撑反应等。3. 3. 6 能源相关的研究3. 3. 7 非共价键衍生物 3. 3. 8 无害介质水中的反应3. 3. 9 超临界CO2作为绿色溶剂的利用3. 3. 1 0 毒性与化学品设计中的计算机应用3. 3. 11 可持续性分析3. 3. 1 2 原子经济性反应的开发3.4.1 生物工程技术现代生物技术包括五大工程：（1）基因工程（遗传工程）（2）细胞工程（3）酶工程（4）微生物工程（发酵工程）（5）生物化学工程（1）基因工程（遗传工程）将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。基因工程在20世纪取得了很大的进展： 一是转基因动植物，二是克隆技术 （2）细胞工程 按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种 。（3）酶工程 酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质。 （4）微生物工程（发酵工程） 是利用微生物发酵作用，通过现代工程技术手段来生产有用物质，或者把微生物直接应用于生物反应器的技术。（5）生物化学工程 生物化学工程就是采用化学工程的技术和方法，设计制造最优化的生物发酵设备、生化反应器，以及与其配套的自动控制装置，还包括发酵产物、生化反应产物的分离提纯。3.4. 2 等离子体技术3. 4. 3 辐射加工技术3. 4. 4 新型绿色催化技术3.4.5 超临界流体技术 （1 ）超临界CO2技术 超临界CO2萃取的特点决定了其应用范围十分广阔 ,具体应用可以 分为以下几个方面： a、从药用植物中萃取生物活性分子，生物碱萃取和分离； b、用于类脂脂类回收，或从配糖和蛋白质中去除类脂脂类； c、从多种植物中萃取抗癌物质，特别是从红豆杉树皮和枝叶中获得紫杉醇防治癌症； d、维生素，主要是维生素E的萃取； e、对各种活性物质（天然的或合成的）进行提纯，除去不需要分子（比如从蔬菜提取物中除掉杀虫剂）或“渣物”以获得提纯产品； f、对各种天然抗菌或抗氧化萃取物的加工，如百里香、蒜、洋葱、春黄菊、辣椒粉、甘草和茴香子等。 （1 ）超临界水技术最有应用前景的领域是废弃聚合物的资源以及有毒有害物质的处理。3.4.6 传统工艺中的新技术 （1）电结晶（2）反应萃取（3）反应精馏3.5.1、清洁生产的定义 清洁生产是指将综合预防的环境策略持续地应用于生产过程和产品中，以便减少对人类和环境的风险性。 概括地说，清洁生产就是低消耗、低污染、高产出，是实现经济效益、社会效益与环境效益相统一的工业生产模式。 3.5.2、清洁生产的内容 清洁生产主要体现在： 尽量使用低污染、无污染的原料，替代有毒有害的原料； 采用清洁高效的生产工艺，使物料能源高效益地转化成产品，减少有害于环境的废物量，对生产过程中排放的废物实行再利用，做到变废为宝、化害为利； 向社会提供清洁的产品，这种产品从原材料提炼到产品最终的整个生命周期中，要求对人体和环境不产生污染危害或将有害影响减少到最低限度；在商品使用寿命终结后，能够便于回收利用，不对环境造成污染或潜在威胁；完善的企业管理，有保障清洁生产的规章制度和操作规程，并监督其实施。同时建设一个整洁、优美的厂容、厂貌；要求将环境因素纳入计划和所提供的服务中。3.5.3 清洁生产的特点 清洁生产是一项系统工程； 重在预防和有效性； 经济性良好；与企业发展相适应。3.5.4 实施清洁生产的途径 在产品设计和原料选择时以保护环境为目标，不生产 有毒有害的产品，不使用有毒有害的原料，以防止原料及产品对环境的危害； 改革生产工艺，更新生产设备，尽可能提高每一道工序的原材料和能源的利用率，减少生产过程中资源的浪费和污染物的排放； 建立生产闭合圈，废物循环利用；加强科学管理。小结 1、熟悉绿色化学的十二条原则及特点； 2、了解绿色化学的研究动向及绿色化学技术； 3、掌握清洁生产的定义、特点，了解其实施途径。4.2.2 实验 实验能将研究对象置于严格控制条件之下，把自然过程加以简化和纯化，排除各种偶然、次要因素和外界的干扰，使对象的某种属性或联系以纯粹的形式呈现出来；实验可以在特殊条件下强化研究对象，以揭示研究对象的变化规律或本质；实验可以通过一定手段，使对象的属性及其变化过程重复出现。实验可以模拟研究对象的运动过程，从而认识对象的性质，对那些无法进行直接实验的对象，运用模拟方法可间接进行实验研究。4.2.3 实验分类 （1）预实验 （2）系统实验 严格按照“规划-实验及记录-分析整理-报告”的基本程序工作。 4.4.1 思想模型与理想实验方法 4.4.2 科学思维的逻辑方法 4.4.3 科学思维的非逻辑方法 4.4.4 创造性思维方法 4.4.5 数学方法4.5.1 实验室常见事故的预防和处理 （1）火灾的预防和灭火 预防火灾的发生必须注意： 实验装置安装一定要正确，操作必须规范；在使用和处理易挥发、易燃溶剂时不可存放在敞口容器中，要远离火源； 实验室内不能存放大量易燃物； 要经常检查煤气开关、煤气橡皮管及煤气灯是否完好。 灭火应注意： 一旦失火，首先采取措施防止火势蔓延，应立即熄灭附近所有火源(如煤气灯)，切断电源，移开易燃易爆物品。并视火势大小，采取不同的扑灭方法。 (a) 对在容器中(如烧杯、烧瓶，热水漏斗等)发生的局部小火，可用石棉网、表面皿或木块等盖灭。 (b) 有机溶剂在桌面或地面上蔓延燃烧时，不得用水冲，可撒上细沙或用灭火毯扑灭。 (c) 对钠、钾等金属着火，通常用干燥的细沙覆盖。严禁用水和CCl4灭火器，否则会导致猛烈的爆炸，也不能用CO2灭火器。 (d) 若衣服着火，切勿慌张奔跑，以免风助火势。化纤织物最好立即脱除。一般小火可用湿抹布，灭火毯等包裹使火熄灭。若火势较大，可就近用水龙头浇灭。必要时可就地卧倒打滚，一方面防止火焰烧向头部，另外在地上压住着火处，使其熄火。(e) 在反应过程中，若因冲料、渗漏、油浴着火等引起反应体系着火时，情况比较危险，处理不当会加重火势。扑救时必须谨防冷水溅在着火处的玻璃仪器上，必须谨防灭火器材击破玻璃仪器，造成严重的泄漏而扩大火势。有效的扑灭方法是用几层灭火毯包住着火部位，隔绝空气使其熄灭，必要时在灭火毯上撒些细沙。若仍不奏效，必须使用灭火器，由火场的周围逐渐向中心处扑灭。 （2）爆炸事故的预防 仪器装置应安装正确，常压或加热系统一定要与大气相通； 在减压系统中严禁使用不耐压的仪器； 在蒸馏醚类化合物之前，一定要检查并除去有机过氧化物后，再蒸馏，切勿蒸干； 在使用易燃易爆物如氢气、乙炔等要特别小心，必须严格按照实验规定操作； 有些化合物因反应过于激烈会使体系热量和气体体积突然猛增而发生爆炸，对这类反应，应严格控制加料速度，并采取有效的冷却措施，使反应缓慢进行。 （3）中毒事故的预防一切有可能产生毒性蒸气的工作必须在通风橱中进行，并有良好的排风设备。不能用手直接接触药品，不能在实验室吃东西。从事有毒工作必须穿工作服，防护面具，处理完毕后方能离开。每次实验必须清洁消毒桌面，并彻底洗手等。（4）化学灼伤酸灼伤：皮肤灼伤可用5%的碳酸氢钠溶液洗涤，眼睛灼伤可用1%的碳酸氢钠溶液清洗； 碱灼伤：皮肤灼伤用1-2%醋酸溶液洗涤，眼睛灼伤用1%硼酸溶液清洗。（5）割伤和烫伤 接装玻璃管时，注意割伤，带线手套，或用毛巾垫着操作 。烫伤后切勿用水冲洗，一般可在伤口处擦烫伤膏或用浓锰酸钾溶液擦至皮肤变为棕色，再涂上凡士林或烫伤药膏。 4.5.2 实验室安全用电 （1）保护接地和保护接零 （2）实验室用电的导线选择 4.6.1 常用玻璃仪器及其清洗干燥 （1）实验室常用玻璃仪器（2）清洗仪器（3）仪器的干燥 4.6.2 加热与冷却 （1）空气浴加热 这种加热方式较猛烈，不十分均匀，因而不适合于低沸点易燃液体的回流操作，也不能用于减压蒸馏操作。 （2）水浴 与空气浴加热相比，水浴加热均匀，温度易控制，适合于低沸点物质回流加热。 （3）油浴 常用的油浴浴液有石蜡油、硅油、真空泵油或一些植物油 。 （4）砂浴 通常将细砂装在铁盘中，把反应容器半埋在砂中，并保持其底部留有一层砂层，以防局部过热。 （5）致冷方法 可以将反应容器浸没在冷水中或冰水中； 如果水对反应无影响，还可以将冰块直接投入到反应容器中进行冷却。如果需要更低的温度(低于0)，可以采用冰盐混合物作冷却剂。 4.6.3 干燥 干燥方法可分为物理方法和化学方法 常见的物理方法有风干、加热、吸附、分馏、共沸蒸馏、超临界干燥等，也可采用离子交换树脂或分子筛、硅胶除水。 化学方法除水主要是利用干燥剂与水分发生可逆或不可逆反应来除水。 液体有机化合物的干燥 选择合适干燥剂的原则是：不与被干燥化合物发生化学反应；不溶解于该化合物；吸水量较大，干燥速度较快，并且价格低廉。 固体化合物的干燥 ：自然晾干 烘干 干燥器中进行干燥 4.6.4 重结晶 重结晶就是用少量溶剂使含有杂质的晶体溶解，然后再进行蒸发和结晶。 进行重结晶最关键的是选择合适的溶剂。 进行重结晶的溶剂必须具备以下条件： (1)不与被提纯物质起化学反应。 (2)在较高温度时被提纯物质的溶解度较大，而在室温或更低的温度时溶解度很小。 (3)对杂质的溶解度非常大或非常小（前一种情况是使杂质留在母液中，不随被提纯物晶体一同析出，后一种情况是使杂质在热过滤时被滤去）。 (4)溶剂容易蒸发，易与晶体分离除去。 (5)经济、安全、毒性小、易回收 。重结晶的步骤：（1）将需要纯化的固体溶解于沸腾或接近沸腾的适宜溶剂中；（2）将热溶液趁热抽滤，以除去不溶的杂质；（3）将滤液冷却，使结晶析出；（4）滤出结晶，必要时用适宜的溶剂洗涤结晶。 注意事项： （1）若使用易挥发的有机溶剂，一般都要采用回流装置如果所选溶剂是水，则可以不用回流装置。 （2）在采用易挥发溶剂时通常要加入过量的溶剂，以免在热过滤操作中，因溶剂迅速挥发导致晶体在过滤漏斗上析出。 （3）溶液中若含有色杂质，可以用活性炭来处理。 （4）热过滤操作是重结晶过程中的另一个重要的步骤。热过滤前，应将漏斗事先充分预热。热过滤时操作要迅速，以防止由于温度下降使晶体在漏斗上析出。 （5）热过滤后所得滤液应让其静置冷却结晶。如果滤液中已出现絮状结晶，可以适当加热使其溶解，然后自然冷却，这样可以获得较好的结晶。4.6.5 升华 利用升华不仅可以分离具有不同挥发度的固体混合物，而且还能除去难挥发的杂质。 升华的操作步骤：将待升华物质研细后置放在蒸发皿中，然后用一张扎有许多小孔的滤纸覆盖在蒸发皿口上，并用一玻璃漏斗倒置在滤纸上面，在漏斗的颈部塞上一团疏松的棉花(参见图)。 注意事项： (1)待升华物质要经充分干燥，否则在升华操作时部分有机物会与水蒸气一起挥发出来，影响分离效果。 (2)在蒸发皿上覆盖一层布满小孔的滤纸，主要是为了在蒸发皿上方形成一温差层，使逸出的蒸气容易凝结在玻璃漏斗壁上，提高物质升华的收率。必要时，可在玻璃漏斗外壁上敷上冷湿布，以助冷凝。 (3)为了达到良好的升华分离效果，最好采取砂浴或油浴而避免用明火直接加热，使加热温度控制在待纯化物质的三相点温度以下。如果加热温度高于三相点温度就会使不同挥发性的物质一同蒸发，从而降低分离效果。 4.6.6 蒸馏 蒸馏操作就是利用不同物质的沸点差异对液态混合物进行分离和纯化。 （1）普通蒸馏 有时，在有机反应结束后，需要对反应混合物直接蒸馏，此时，可以将三口烧瓶作蒸馏瓶组装成蒸馏装置直接进行蒸馏 。注意事项： 蒸馏烧瓶大小的选择依待蒸馏液体的量而定。通常，待蒸馏液体的体积约占蒸馏烧瓶体积的1/32/3。 当待蒸馏液体的沸点在140以下时，应选用直形冷凝管；沸点在140以上时，就要选用空气冷凝管，若仍用直形冷凝管则易发生爆裂。 如果蒸馏装置中所用的接引管无侧管，则接引管和接受瓶之间应留有空隙，以确保蒸馏装置与大气相通。否则，封闭体系受热后会引发事故。沸石是一种带多孔性的物质，如素瓷片或毛细管。当液体受热沸腾时，沸石内的小气泡就成为气化中心，使液体保持平稳沸腾。如果蒸馏已经开始，但忘了投沸石，此时千万不要直接投放沸石，以免引发暴沸。正确的做法是，先停止加热，待液体稍冷片刻后再补加沸石。 蒸馏低沸点易燃液体(如乙醚)时，千万不可用明火加热，此时可用热水浴加热。在蒸馏沸点较高的液体时，可以用明火加热。明火加热时，烧瓶底部一定要置放石棉网，以防因烧瓶受热不匀而炸裂。 无论何时，都不要使蒸馏烧瓶蒸干，以防意外。（2）水蒸气蒸馏 将水蒸气通入不溶于水（或难溶于水）的有机物中或使有机物与水经过共沸而蒸出，这个操作过程称为水水蒸气蒸馏常用于下列几种情况： 在常压下蒸馏易发生分解的高沸点有机物； 含有较多固体的混合物，而用一般蒸馏、萃取或过滤等方法难以分离； 混合物中含有大量树脂状的物质或不挥发性杂质，采用蒸馏、萃取等方法也难以分离。 注意事项： 水蒸气发生器与烧瓶之间的连接管路应尽可能短，以减少水蒸气在导人过程中的热损耗。 导入水蒸气的玻璃管应尽量接近圆底烧瓶底部，以利提高蒸馏效率。 在蒸馏过程中，如果有较多的水蒸气因冷凝而积聚在圆底烧瓶中，可以用小火隔着石棉网在圆底烧瓶底部加热。 停止蒸馏时，一定要先打开T形管，然后停止加热。如果先停止加热，水蒸气发生器因冷却而产生负压，会使烧瓶内的混合液发生倒吸。减压蒸馏尤其适合于蒸馏那些沸点高、热稳定性差的有机化合物。 （3） 减压蒸馏 注意事项 在减压蒸馏装置中，从克氏蒸馏头直插蒸馏瓶底的是末端如细针般的毛细管，它起到引入气化中心的作用，使蒸馏平稳。如果蒸馏瓶中装入磁力搅拌子，在减压蒸馏过程中，开启磁力搅拌器，也可保持平稳蒸馏，这样就不必安装毛细管。 打开油泵后，要注意观察压力计。如果发现体系压力无多大变化，或系统不能达到油泵应该达到的真空度，那么就该检查系统是否漏气。如果是蒸馏装置漏气，可以在蒸馏装置的各个连接部位适当地涂一点真空脂，并通过旋转使磨口接头处吻合致密。若在气体吸收塔及压力计等其他相串连的接合部位漏气，可涂上少许熔化的石蜡，并用电吹风加热熔融(或涂上真空脂)。检查完毕，即可按实验方法所述程序开启油泵。 减压蒸馏时，一定要采取油浴(或水浴)的方法进行均匀加热。一般浴温要高出待蒸馏物在减压时的沸点30左右。使用油泵时，应注意防护与保养，不可使水分、有机物质或酸性气体侵入泵内，否则会严重降低油泵的效率。 图为封闭式水银压力计，常用于测量减压系统的真空度。其两臂汞面高度之差即为减压系统的真空度。使用时应当注意，当减压操作结束时，要小心旋开安全瓶上的双通旋塞，让气体慢慢进入系统，使压力计中的水银柱缓缓复原，以避免因系统内的压力突增使水银柱冲破玻璃管。 （4）共沸蒸馏 共沸蒸馏是指向被分离混合液中有目的的加入一种组分，此组分能与被分离混合物中的某一个或几个成分形成具有最低沸点的共沸物，从而使其它的成分的沸点增大，共沸物很容易从体系中蒸出来。（5）分子蒸馏 分子蒸馏的分离作用就是利用液体分子受热会从液面逸出,而不同种类分子逸出后其平均自由程不同这一性质来实现的。 分子蒸馏装置从结构上大致可分为3 大类:一是降膜式,二是刮膜式,三是离心式。 分子蒸馏技术的特点： 操作温度低 蒸馏压强低 受热时间短 分离程度高 分馏和精馏的区别：在分馏操作中，分馏的分离要求一般并不严格（否则就是精馏了），分馏塔一般理论板数不多，操作时回流比也较小。 精馏塔一般以从塔顶或塔底分离得到较高质量的产品为目的，一般理论板数相对较多，操作时回流比也有严格要求。简单说，精馏一般是高收率地分离得到较高质量的产品的重要手段，而分馏一般是产品精制前的预处理工序，只有在产品质量要求不高或杂质与产品的沸点差很大的条件下，分馏才能作为得到产品的手段。 4.6.8 萃取 用溶剂从固体或液体混合物中提取所需要的物质，这一操作过程就称为萃取。 萃取是利用同一种物质在两种互不相溶的溶剂中具有不同溶解度的性质。 (1)液液萃取 用选定的溶剂分离液体混合物中某种组分。一般来讲，选择萃取剂的基本原则是：对被提取物质溶解度较大；与原溶剂不相混溶。 (2)液固萃取 利用样品中被提取组分和杂质在同一溶剂中具有不同溶解度的性质进行提取和分离。 （3）超临界流体萃取 超临界流体萃取过程的实质是通过改变流体的密度以改变流体的溶解能力，从而实现物质的萃取和分离。 萃取过程之后，可以通过降低超临界流体的密度来选择性地使萃取物在分离器中分离出来。实施此分离，一般有三种调节方法：恒压升温，恒温降压，降压升温。 4.6.9 离子交换分离法 定义：利用离子交换剂与溶液中的离子之间所发生的交换反应进行分离的方法。原理：离子交换分离法是基于物质在固相与液相之间的分配。分离形式：柱分离，电渗析隔膜，离子交换色层，离子交换纤维薄层。特点：吸附的选择性高，适应性强，处理对象广，分离容易，使用设备简单。 应用：离子交换法分离对象广，几乎所有无机离子以及许多结构复杂性质相似的有机化合物都适用。 离子交换剂的分类：无机及有机两大类。离子交换树脂：是具有网状结构的复杂的有机高分子聚合物，网状结构的骨架部分一般很稳定，不溶于酸、碱和一般溶剂。在网的各处都有许多可被交换的活性基团。 离子交换树脂的分类： 最常用的分类是依据树脂离子交换功能团分类。主要可分为： （1）强酸性阳离子交换树脂（2）弱酸性阳离子交换树脂 （3）强碱性阴离子交换树脂（4）弱碱性阴离子交换树脂 离子交换分离操作： 树脂的选择和处理装柱交换洗脱树脂再生 4.6.10 膜分离 “膜分离”的定义：借助于膜而实现各种分离的过程称之为膜分离。利用具有选择透过性的薄膜,以及外界能量或化学位差为推动力,对双组分或多组分体系进行分离,分级,提纯或富集。“膜”的定义： 如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体分隔开来成为两部分，则这一薄层物质就是膜。膜的种类繁多，大致可以按以下几方面对膜进行分类： 从材料来源上，可分为天然膜和合成膜，合成膜又分为无机材料膜和有机高分子膜； 根据膜的结构，可分为多孔膜和致密膜； 按膜断面的物理形态，固体膜又可分为对称膜、不对称膜和复合膜。 根据膜的功能，可分为离子交换膜、渗析膜、微孔过滤膜、超过滤膜、反渗透膜、渗透汽化膜和气体渗透膜等。 根据固体膜的形状，可分为平板膜、管式膜、中空纤维膜以及具有垂直于膜表面的圆柱形孔的核径蚀刻膜，简称核孔膜等。近几十年来，反渗透、超滤、微滤、电渗析、气体膜分离、无机膜分离、液膜分离等都取得很多新的进展。 各种膜分离过程简介 1)、反渗透反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂(通常是水)的性质。反渗透膜均用高分子材料制成，已从均质膜发展至非对称复合膜，膜的制备技术相对比较成熟。 2) 超滤 应用孔径为10到200(1 10-10m )的超过滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程称之为超滤。 超滤膜一般由高分子材料和无机材料制备，膜的结构均为非对称的。 3) 微滤 微滤与超滤的基本原理相同，它是利用孔径大于0.02m直到l0m的多孔膜来过滤含有微粒或菌体的溶液。4) 渗析 是利用多孔膜两侧溶液的浓度差使溶质从浓度高的一侧通过膜孔扩散到浓度低的一侧从而得到分离的过程。5) 电渗析 是基于离子交换膜能选择性地使阴离子或阳离子通过的性质，在直流电场的作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到从溶液中分离电解质的目的。6) 气体膜分离 气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解和扩散性能的不同，即渗透速率的不同来实现分离的技术7) 渗透汽化 渗透汽化也称渗透蒸发，它是利用膜对液体混合物中组分的溶解和扩散性能的不同来实现其分离的新型膜分离过程。8) 其它膜分离过程 其它膜分离过程尚有：膜蒸馏、膜萃取、膜分相、支撑液膜、生物膜分离等。4.6.11 色谱法色谱法利用不同物质在不同相态的选择性分配，以流动相对固定相中的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。 （1）薄层色谱法 吸附薄层色谱法 原理：组分在薄层板上吸附、解吸附、再吸附、再解吸附的过程。利用吸附系数不等实现分离。 最理想的Rf值为0.40.5，良好的分离Rf值为0.150.75，如果Rf值小于0.15或大于0.75则分离不好，就要调换展开剂重新展开。 未知物与已知物（标准物质）在相同条件下进行展开比较Rf值可提供定性依据。 定量方法 间接定量：将薄层分离后物质斑点定量地洗脱下来，再对洗脱液定量。 直接定量 斑点面积测量用透明纸覆盖在薄层表面，描出斑点界限，然后测量其面积。 目测法比较系列标准与样品的斑点面积大小、颜色深浅，得到样品的含量范围。 薄层仪扫描定量（2）柱色谱（3）气相色谱 气固色谱固定相通常是具有一定活性的固体吸附剂细小颗粒，常见的有：活性炭，三氧化二铝，硅胶，分子筛，高分子多孔微球（GDX系列）等。 气液色谱固定相是以一种惰性固体微粒作支持剂（称其为担体或载体），在其表面涂敷上一高沸点的物质（其在色谱分离操作温度下呈液态，称其为固定液）而构成。 4.6.12 红外光谱 主要用来迅速鉴定有机化合物的官能团及通过与红外标准光谱对照来确定化合物的结构。 4.6.13 核磁共振谱 用于准确地测定分子中不同氢原子的位置及数目，并可对照核磁共振标准谱来确定化合物的结构。4.6.14 催化剂反应性能的测试方法 催化剂反应性能测试目的： 催化剂常规质量控制检验 快速筛选大量催化剂 更详尽的比较几个催化剂 测定特定反应的机理 测定在特定催化剂上反应的详尽动力学模拟工业反应条件下催化剂的连续长期运转催化剂四个最重要性能： 活性 选择性 寿命 价格催化剂活性测定的方法： 流动法 微量催化色谱法 流动法：流动法测定活性时，将反应物以一定的空速通过填充催化剂的反应器，然后分析反应后产物的组成，或者在某些情况下，分析一种反应物或一种反应产物。催化剂活性测定的方法：微量催化色谱法：利用色谱分析法的原理研究催化剂的活性和催化反应动力学的方法。脉冲微量催化色谱法： 每隔一定时间向反应器中加入反应物，因而催化剂层中的化学反应是周期性的以脉冲的形式进行的，然后连接色谱仪进行分析。稳定流动微量催化色谱法：采用微型反应器的一般流动法的反应系统，反应器隔着取样器和分析系统相连。 除上述介绍的方法外，还有流动循环法、沸腾床技术和静态法等4.6.15 X射线衍射技术 X射线是一种波长很短的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光，照相乳胶感光、气体电离。4.6.16 热分析技术 热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质随温度变化的一类技术。程序控制温度：指用固定的速率加热或冷却。物理性质：包括物质的质量、温度、热焓、尺寸、机械、声学、电学及磁学性质等。差热分析法（DTA） 应用范围：熔化及结晶转变、氧化还原反应、裂解反应等的分析研究，主要用于定性分析。 差示扫描量热法（DSC） 应用范围：分析研究范围与DTA大致相同，但能定量测定多种热力学和动力学参数，如比热、反应热、转变热、反应速度和高聚物结晶度等。热重法（TG）应用范围：沸点、热分解反应过程分析与脱水量测定等，生成挥发性物质的固相反应分析、固体与气体反应分析等。4.6.17 电子显微镜法 电子显微镜基本分为两种类型： 透射电子显微镜，扫描电子显微镜。 透射电镜是透射成像，图像是二维的，靠欠焦形成一定的图像反差。 扫描电镜是反射成像，图像是三维的，有很好的立体感，但分辨率低于透射电镜，目前指标分辨率可以达到3个纳米。 4.6.18电子能谱法 电子能谱分析法是采用单色光源（如X射线、紫外光）或电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来，然后测量这些电子的产额（强度）对其能量的分布，从中获得有关信息的一类分析方法。 4.6.19 常用测量技术 （1）温度测量 温度的测量方法分为接触式、非接触式测量。 实验室常用的有玻璃温度计、热电阻温度计、热电偶温度计等。 （2）压力测量压力测量装置简称压力计或压力表，按转换原理的不同，可以分为液柱式压力计、弹性压力计和电气压力计等。弹性压力计是利用弹性元件受压后所产生的弹性变形来测量压力。它包括弹簧管压力计、波纹管压力计和薄膜式压力计。压力表量程应根据稳定压力为表量程上限的1/3-3/4来选择，交变压力不大于2/3量程上限来选择。 （3）气体流量的测量技术 转子流量计 皂膜流量计 毛细管流量计 4.7 实验优选和数据处理 优化法：通过少量次数的实验并根据实验结果的比较，来迅速找出使某种指标最优的有关因素值的方法。4.7.1 单因素实验优选 步骤：确定评定结果好坏的方法和影响指标的主要因素； 确定实验范围； 进行实验； 实验结果分析； 进行下一轮实验，结果分析，直至得到满意结果； 如果发现3-5个实验点对指标的改变并不大，可认为在实验范围内该因素不是主要影响因素，不必继续对该因素进行研究。 （1）平分法（中点取点） 作法：每次实验点都取在实验范围的中点，即中点取点法。 适用情况：适用于预先已了解所考察因素对指标的影响规律，能从一个试验的结果直接分析出该因素的值是取大了或取小了的情况。即每做一次实验，根据结果就可确定下次实验方向的情况，这无疑使平分法应用受到限制。 （2）黄金分割法（0.618法）适用情况：实验中指标函数为单峰函数。 步骤： 确定实验范围 选实验点 根据“留好去坏”的原则对实验结果进行比较，留下好点，从坏点处将实验范围去掉，从而缩小了实验范围； 在新实验范围内按0.618、0.382的特殊位置再次安排实验点，重复上述过程，直至得到满意结果，找出最佳点。分数法具体作法分两种情况： 所有可能进行的实验总次数m=Fn -1；则前两个实验点分别放在Fn-1和Fn-2位置上；此时，可在实验范围两端增加虚点，人为使实验个数达到Fn -1。分数法的特点： 1)具体搜索步骤与前述0.618法基本一致，所不同之处仅仅是选的实验点位置是分数，且要求预先给出实验总次数。 2)在实验点能取整数时，或由于某种条件限制只能做几次实验时，或由于某种原因，实验范围由一些不连续的、间隔不等的点组成或实验点只能取某些特定值时，利用分数法安排实验更为有利、方便。 3)适合于单峰函数 通过数学计算可知，经过同样次数的分割 后，分数法的缩减速度比0.618法快，当N很大时， 分数法比0.618法效率高17%。 4.7.2 正交试验设计法 正交试验设计是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。 它是从试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验，通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况，找出最优的水平组合。正因为正交试验是用部分试验来代替全面试验的，它不可能像全面试验那样对各因素效应、交互作用一一分析；当交互作用存在时，有可能出现交互作用的混杂 正交表的基本性质：（1）正交性 任一列中，各水平都出现，且出现的次数相等 任两列之间各种不同水平的所有可能组合都出现，且出现的次数相等（2）代表性 任一列的各水平都出现，使得部分试验中包括了所有因素的所有水平； 任两列的所有水平组合都出现，使任意两因素间的试验组合为全面试验。（3）综合可比性 任一列的各水平出现的次数相等；任两列间所有水平组合出现次数相等，使得任一因素各水平的试验条件相同。这就保证了在每列因素各水平的效果中，最大限度地排除了其他因素的干扰。从而可以综合比较该因素不同水平对试验指标的影响情况。正交表的选择原则：在能够安排下试验因素和交互作用的前提下，尽可能选用较小的正交表，以减少试验次数。 所谓表头设计，就是把试验因素和要考察的交互作用分别安排到正交表的各列中去的过程。在不考察交互作用时，各因素可随机安排在各列上；若考察交互作用，就应按所选正交表的交互作用列表安排各因素与交互作用，以防止设计“混杂” 。小 结一、了解实验室工作的一般程序及实验室研究的方法论。二、掌握实验室常用的基础实验技术（原理）。三、熟悉单因素实验优化及多因素实验优化中的正交实验设计及均匀试验设计。5 化工过程放大 一个新的化工过程能否在工业上得到实施、完成开发的时间长短、达到的水平如何，从技术上看，关键的问题依次是：（1）是否开发出高效催化剂；（2）是否具有可靠的放大技术，特别是化学反应器的放大技术；（3）是否具有工业化过程要求的材料；（4）能否选购或制造出过程所需设备；（5）是否具有合适的计量与检测技术。化工过程放大是科学理论与实践经验相结合，质和量相结合的工程科学问题。5.1.1 基本概念 在未充分认识放大规律之前，因过程规模变大所引起的指标不能重复的现象称为放大效应。 从小型装置过渡到大型装置，下列条件的差别非常重要：装置的形状； 装备的几何尺寸 操作模式； 装置的结构与材料；散热问题；边壁和终端效应。5.1.2 反应过程放大基本方法化工过程采用的模拟放大方法有：经验放大法、数学模拟法、部分解析法、相似放大法。 一般来讲，分离过程理论比较成熟，在取得可靠的平衡数据后，就可以用现有的数学模型直接放大到工业装置。而反应过程比较复杂，除化学反应的规律外，同时还受到传递过程因素的影响，故只有少数简单的可用数学模型法，现在大多还采用经验放大法和部分解析法。相似放大法主要应用在单元操作设备的放大中。5.1.2.1 逐级经验放大 是从实验室规模的小试开始，逐级放大到一定规模实验的研究，最后将模型研究结果放大到生产装置的规模。基本特征： 着眼于外部联系，不研究内部规律； 着眼于综合研究，不试图进行过程分解； 人为的规定了决策序列。 5.1.2.2 数学模型方法化工过程的数学模型可以将实验装置、中试装置，甚至大型生产装置的测试数据，通过数学回归，获得纯经验的数学关系，这就是经验模型；从化工过程的机理推导，并经实验验证的过程数学模型，即机理模型。如何对过程进行合理简化，是建立数学模型的关键问题。 数学模型方法的一般步骤：实验室研究（研究化学反应特征）主要任务：测定反应动力学、热力学的特征规律及其参数；研究目的：掌握过程的内在规律；要尽可能的排除外界因素对研究对象的影响。大型冷模实验（研究传递过程的特征） 冷模实验：在没有化学反应参与的情况下，专门考察设备内物料的流动与混合，以及传热、传质等物理过程规律的实验。目的：是研究化学反应属性，了解反应器形式和结构对于反应过程的影响。小型试验目的：考察物理过程对化学反应的影响、工业原料的影响及工艺条件框架等。 建立反应器数学模型 当可用数学方法将两种规律予以综合，就形成数学模型中间试验（检验数学模型的等效性） 按上述步骤取得的数学模型是否能够模拟实际生产过程，还有待于通过实践检验。因此应建立试装置进行中试，以检验数学模型与实际过程的等效性。数学模型法的基本特征：着眼于过程的内部规律，对过程进行分解和综合； 抓住主要矛盾，忽略次要因素，对过程进行简化；在反应工程理论和传递过程理论指导下建立数学模型；设计模型来源于实践，又为实践所检验。与逐级经验放大法相比，数学模型法有许多优点：可以实现高倍数放大，缩短开发周期，减少人力和物力的消耗，但建立可靠的数学模型比较困难。该方法的科学性和优点决定了它是今后化工过程开发技术发展的方向。5.2.1 传递过程5.2.1.1 动量传递过程返混和不均匀流动返混：在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混合。不均匀流动：是流体流动时呈现的速度分布不均匀。返混的特点：（1）返混是不同时刻进入反应器的物料间的混合，它起因于空间的反向运动和不均匀流动。 （2）返混造成两种后果 改变了反应器内的浓度分布； 造成物料的停留时间分布；（3）返混的利弊取决于反应的动力学特征。