第2章精细化工工艺学基础ppt课件

第二章精细化工工艺学基础 一 精细化工的技术开发的一般步骤 一 技术开发的重要性 由于精细化工的技术密集度高 市场竞争性强 为了捷足先登或跟上发展的潮流 必须有一定的技术储备 守一看二望三一个拳头产品 二个储备产品 三个在研产品 二 研发步骤 从一个新的设计思想的提出 经过小试 中试到实现工业化生产取得经济效益并形成一套技术资料的过程 简单的 理想 变成 现实 的过程分为 新产品开发 新技术开发 新设备开发 老技术 设备的改造 实验室研究 中间试验阶段 工业化阶段 二 研发步骤 1开题 文献和市场调研 选择研究课题题目来源 国家下达 预研 攻关 国产化 用户要求 自选 设计思想 战略意义 非常重要 市场性先进性根据基本理论 试验现象 情报资料出发通过分析 提出新的技术思路 汇总形成 研究的可行性报告 一般包括 目的意义 国内外现状 别人的工作 有何不足 意义 技术路线 方案 难点 合理性 经济社会效益 承担优势 条件 风险 人员组成 预算 2实验室小试 通过探索性试验 确定基础数据 包括 原料选择 催化剂体系 工艺 最佳反应条件 中控指标热力学 动力学数据 传质 传热毒性分析 质量分析方法 3中试试验 试验的目的是检验试验的实用性 工艺的合理性原料变化的影响传递变化中试试验是消耗人 财 物最多的环节4工业化设计 成本核算5工业化生产 中试的10 50倍 精细化工的技术开发 开发步骤 数学模拟 对试验结果 过程的物理和化学规律通过计算机建立初级模型 通常是一组微分方程和代数方程 对数学模型校算 修正 使之符合试验结果对放大设计进行指导 二 精细化工工艺学基础 合成路线 选什么原料 经由哪些单元反应制备目的产品工艺路线 原料的预处理 产物的后处理 化工过程反应条件 摩尔比 转化率 浓度 温度 压力 时间 助剂 溶剂等合成技术 是否采用相转移催化 均相络合催化 电解有机合成等完成反应的方法 间歇 连续 反应器选择 一 化学计量学 化学计量学是研究反应物系组成改变关系的科学反应物的摩尔比 反应物之间的摩尔数之比 一般并不等于化学计量比限制反应物 若化学反应物的加入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过量反应物 超过限制反应物完全反应的理论量的反应物 1提高关键物料的转化率2分离 提纯方便3赋予产物功能性 1 过量百分数 过量百分数 Ne Nt Nt 100 Ne 过量反应物的摩尔数 实际投料量Nt 与限制反应物完全反应的摩尔数理论反应量 510 7 过量 Ne Nt Nt 100 10 7 10 10 100 7 2 转化率 某反应物A反应掉的量占其输入量的百分数 xa NAR NA in NA in NA out NA in 100 有多少用于了反应 一般反应物是关键组份NAR 反应物A 关键组分 反应掉的mol数NA in 输入量NA out 输出量 未反应的量 3 选择性 某反应物转化成目的产物时 理论消耗的摩尔数占该反应物实际消耗的百分数 即消耗的原料有多少转化成了目标产品 S NP a p NA in NA out NP 表示生成的目的产物的摩尔数a 反应物A的化学计量系数p 目的产物的化学计量系数 4 理论收率 生成的目的产物的摩尔数占输入的反应物的摩尔数的百分数 有多少生成了目的产物 y S x NP a p NA in 100 5质量收率 y质 目标产物的质量 反应物的质量 100 例题 100mol苯胺用浓硫酸磺化 反应产物中含87mol的对氨基苯磺酸 2mol未反应的苯胺 另外有一定数量的焦油物 求 苯胺的转化率 选择性 理论收率 苯胺的转化率 生成对氨基苯磺酸的选择性 生成对氨基苯磺酸的理论收率 质量收率 6消耗定额 生产1吨产品消耗的某反应物的质量质量收率的倒数对氨基苯磺酸的消耗定额 100 194 8 0 513t即 生产1吨产品 消耗0 513吨的苯胺 二 精细化工产品的合成设计 合成设计又称有机合成方法论 即在有机合成中对拟采用的种种路线方法进行评价和比较 从而确定最经济有效的合成路线 有机合成 利用化学的方法从简单有机物制备结构较为复杂的有机化合物的过程 按照生产规模和产品的应用范围分为 基本有机合成和精细有机合成 二 精细化工产品的合成设计 精细化学品的结构复杂 通过一系列的单元反应如氧化 卤代 缩合 消除等达到目的 不同的组合形成不同的合成路线 合成路线的确定原则 原料易得 中间步骤少 产品易于纯化 转化率高 选择性好合成设计是精细化工产品的核心 关键技术 二 精细化工产品的合成设计 同一种原料经过不同的系列单元反应可得到同一精细化学品 磺化 羟基化 硝化 还原 重氮化羟基取代 二 精细化工产品的合成设计 不同原料可得到同一精细化学品 羟基取代反应 烷基取代 合成设计 1967年Corey首先提出合成设计的概念正向合成 起始原料中间体目标分子如表面活性剂的制备 优点 原料 系列产品把握性大 设备通用缺点 盲目性大 性能评价复杂逆向合成 目标分子中间体起始原料优点 目标产物是天然存在的已知的有效成分 逆向合成法retrosynthesis 官能团方面的转换 转换Functinggroupinterconversion除去Removal增加Additional FGI FGA FGR 逆向合成法retrosynthesis 碳链部分 切断 连接 重排合成子 合成元 逆向合成法中拆开目标分子所得的结构单元 碳负离子单元称为 电子供给体合成子 d 合成子碳正离子单元成为 电子接受体合成子 a 合成子 合成等效剂 合成等效剂 起合成子作用的试剂如C2H5 合成子的合成等效剂是C2H5MgX C2H5Li等R 的等效剂是 RX R2SO4等 逆向合成法 反合成分析 合成子a 合成子d 合成子合成等效剂合成中间体 Corey最初的例子 Nickeal反应 合成设计中的策略 官能团的保护 好的保护基具有引人和出去容易 对反应无影响如羟基 酯化 苄醚法 四氢呋喃醚化法 合成设计中的策略 导向基 磺基 氨基 硝基 叔丁基 硝化 水解 磺化 三 配方设计 1配方设计的重要性配方的筛选是精细化工常见的工作 是重点重要性 精细化工产品的应用性很强 对产品性能的要求各式各样 而原料性能有限 需要改性 复配增效 科学性和经验性 如涂料 香水 2配方设计原理 为了更快 更省 更合理地达到目的 试验需要设计 试验设计是数理统计中一个较大的分支原则 从产品的用途出发 在要求产品配方的全部性能指标均能满足标准的前提下 使得产品综合性能 特别是主要性能指标 达到最优化 配方设计需要考虑 最佳配方 应用工艺 降低成本 术语 试验指标 试验研究过程的因变量 常为试验结果特征的量 如产率 纯度等 因素 影响试验指标的条件 各个组份 温度 压力 时间 流量 浓度等 水平 准备考察的因素的不同状态 各个组份的含量 时间的长短等 析因分析 全面综合考察每个因素 水平的影响 设7个影响因素 3个水平 试验372187次 3单因素优选 在n个因素的配方体系中 n 1个因素固定 改变某个因素的水平 根据试验指标 产品主要性能 评定该因素的最优水平 因素选取时应根据因素对目标函数的敏感度 逐次选取 1 对分方法 适合于选合格点 2 黄金分割法0 618适合于求极值 14次试验相当于对分法500次的结果 4多因素优选法 等高线法 适用于2因素的优选 首先确定一个因素 单因素优选第2个因素 找到最佳点后 暂定 再变动第1个因素 找到最佳点 依次逐步逼近最佳点逐步提高法 在配方基本确定的情况下 不能大幅度变动时 逐渐变动 逼近最佳点 熔结型环氧粉末涂料 长庆最优配方 酚醛改性环氧树脂25 50 环氧树脂0 25 固化剂20 甲基咪唑1 安息香1 流平剂3 颜料 二氧化钛 酞菁蓝 柠黄5 填料 沉淀硫酸钡 滑石粉 轻质碳酸钙20 12因素选3水平试验531441 正交试验设计是利用 正交表 进行科学地安排与分析多因素试验的方法 其主要优点是次数少 L1837 2187 效果好 方法简单 效率高 能在很多试验方案中挑选出代表性强的少数几个试验方案 并且通过这少数试验方案的试验结果的分析 推断出最优方案 同时还可以作进一步的分析 得到比试验结果本身给出的还要多的信息 5 正交试验设计 1 正交试验设计的发展 1926美国农业科研工作开始运用 第2次世界大战中 英国军火局战后 英国公布了这项技术 美国戴明教授引进日本 日本50年代田口玄一带头研究 简化 并大力推广 一个工程技术人员若不掌握正交试验设计法 只能算半个工程师 1991年 美国J 格林姆 也是当今日本工业遥遥领先的主要原因 中国数学家张里千教授发明了中国型正交试验设计法 2 正交表的记号及含义 记号及含义 3 正交表的特点 均衡分散性 正交表中任意一列中 不同的数字出现的次数相等 表示 在试验安排中 所挑选出来的水平组合是均匀分布的 每个因素各水平出现的次数相同 如第一列 1 2 3各出现3次 整齐可比性 正交表中任意两列 把同行的两个数字看成有序数对时 所有可能的数对对在任意两列中出现的次数相同 表示 任意两因素的各种水平的搭配在所选试验中出现的次数相等 均衡分散性和整齐可比性是设计正交试验表的基本准则 4 常用正交表与选用 常见的正交表 L423 L827 L16215 L934 L1837 L27313 L1645 L2556正交表的选用 因素数与水平数等于或大于要进行试验的因素数和水平数 并试验数最少 如三因素三水平的正交试验 可选L934 L1837 L27313等 但是L934次数最少 5 正交试验设计的基本步骤 例1 某化工厂想提高某化工产品的质量和产量 对工艺中3个主要因素 温度 压力 加碱量 各按3个水平进行试验 试验的目的是为提高合格产品的产量 试验指标为合格率 寻求最适宜的操作条件 确定目标 选定因素 确定水平 在确定因素的水平数时 主要因素宜多安排几个水平 次要因素可少安排几个水平 选用合适的正交表 先看水平数 若各因素全是2水平 就选用L2表 若各因素全是3水平 就选L3表 若各因素的水平数不相同 就选择适用的混合水平表 每一个交互作用在正交表中应占一列或二列 要看所选的正交表是否足够大 能否容纳得下所考虑的因素和交互作用 为了对试验结果进行方差分析或回归分析 还必须至少留一个空白列 作为 误差 列 在极差分析中要作为 其他因素 列处理 要看试验精度的要求 若要求高 则宜取实验次数多的L表 选择正交表的基本原则 若试验费用很昂贵 或试验的经费很有限 或人力和时间都比较紧张 则不宜选实验次数太多的L表按原来考虑的因素 水平和交互作用去选择正交表 若无正好适用的正交表可选 简便且可行的办法是适当修改原定的水平数 对某因素或某交互作用的影响是否确实存在没有把握的情况下 若条件许可 应尽量选用大表 让影响存在的可能性较大的因素和交互作用各占适当的列 某因素或某交互作用的影响是否真的存在 留到方差分析进行显著性检验时再做结论 这样既可以减少试验的工作量 又不致于漏掉重要的信息 设计表头 确定试验方案 所谓表头设计 就是确定试验所考虑的因素和交互作用 在正交表中该放在哪一列的问题 有交互作用时 表头设计则必须严格地按规定办事 此处不讨论 请查阅有关书籍 若试验不考虑交互作用 则表头设计可以是任意的 下列各种方案都是可用的 表头设计与填表 组织实施试验 试验结果分析极差分析