精细化工工艺学(课堂PPT)

精细化工工艺学,1,课程性质及评分标准,课程性质：考试课学时总数：40学时考试方式：闭卷成绩评定：考勤10%课堂表现10%课后作业10%期末考试70%,2,主要教学内容,3,主要参考书,1.宋启煌主编.精细化工工艺学.第2版.北京：化学工业出版社，2004.,2.李和平主编.精细化工工艺学.第2版.北京：科学出版社，2007.,马榴强主编.精细化工工艺学.北京：化学工业出版社，2008.,选用教材,4,第1章绪论,为什么要学习这门课？,5,6,7,1.1精细化工和精细化学品,通用化学品（Heavychemicals）,大宗化学品,8,Chemicals:Dr.C.H.Cline,无差别化学品具有固定熔点或沸点，能以分子式或结构式表示其结构的化学品称为“无差别化学品”。差别化学品不具备上述条件的化学品。,9,化工产品的C.H.Cline分类,10,通用化学品（CommodityChemicals）：特点：非差别性、量大；定义：指从价廉，易得的天然资源开始，经一次或数次化学加工而制成的最基本的化工原料。拟通用化学品（Pseudo-commodityChemicals）定义：也称半（或准）通用化学品特点：差别性、量大，如炭黑、火药、合成纤维等。,11,精细化学品（FineChemicals，FC）：特点：非差别性、量少；例如：化学试剂、燃料、颜料、食品添加剂、催化剂、医药和农药的原药等。以化合物的形式销售，强调产品的规格和纯度；用初级产品深加工制成。专业化学品（SpecialtyChemicals，SC）特点：差别性、量少；定义：指全面要求产品功能和性能的一类化学品，可按商品使用性质分为准商品、多用途功能化合物和最终用途化学品，如化妆品、肥皂、洗衣粉、农药等；以混合物形式销售，主要以复配显示专门功能为特点。,12,精细化学品（finechemicals）：凡是增进或赋予一种（一类）产品以特定功能，或本身拥有某些特定功能的纯物质或多元复配物。换句话说：对基本化学工业生产的初级或次级化学品进行深加工而制取的具有特定功能、特定用途、小批量生产的系列产品。,13,精细化工：全称精细化学工程(finechemicalengineering)是指生产精细化学品的工业。属化学工程学科(chemicalengineering)范畴。精细化工与基础化工（如基本有机化工、无机化工）不同，后者多生产基本化工原料，而前者生产的产品，多为各工业部门广泛应用的辅助材料或人民生活的直接消费品。,是当今世界各国发展化学工业的战略重点。是一个国家综合技术水平的重要标志之一。是以高新技术为依托的工业。是生产高质量、多品种、专用或多功能精细化学品的工业。,14,精细化学品十九世纪以前即已有，如药物、油漆、肥皂、农药等等。天然物为原料。在20世纪初，随着石油化工的发展，以合成化学品为原料的精细化学品产生了第一次飞跃。在20世纪中叶，随着高分子化学的发展和高分子材料的大量出现，为精细化学品带来了第二次飞跃，其特征之一是部分老行业更新换代，如合成洗涤剂的出现，油漆扩展为涂料；其另一特征是新生行业崛起如合成聚合物胶粘剂、合成材料用助剂、信息化学品、功能高分子等。进入21世纪以来，精细化学品的发展基本特征是以高新技术为依托。环保意识的提高，提出了可持续发展的思路：精细化学品必须朝着“绿色”方向发展。,肥皂,油漆,药物,农药,随着时代的发展而发展向大宗化学品发展，或者走向衰亡技术密集和高附加值也非一成不变,发展特点,精细化工的发展,15,目前世界上主要发达国家的精细化工率已超过50以上，如日本的精细化工率已超过60，而我国还处于较低的水平，需要进一步的发展。,16,我国精细化工的发展,目前我国精细化工门类已达25个，品种达3万多种，已建成精细化工技术开发中心10个，精细化学品生产能力近1350万吨/年，年总产量近970万吨，年产值超过1000亿元。2004年，我国精细化工率已上升到45%。染料产量达到了59.83万吨，约占世界染料产量的60%，2004年出口量达到22.66万吨，约占世界出口总数的25%。涂料产量2004年达到298万吨，成为世界第二大涂料生产国。农药产量居世界第二位柠檬酸的年出口量已接近40万吨，约占全球总消费量的三分之一。维生素C的出口量已突破5万吨，占全球总消费量的50%以上,17,精细化工的发展与经济地位：,基本原料,精细化学品,大宗化学品,化工产品产业链,社会发展国民经济国防建设,附加值：11.5-55-100+,18,精细化工产品分类（1986年3月6日化工部颁布）,1农药；2染料；3涂料（包括油漆和油墨）；4颜料；5.试剂和高纯物；6.信息用化学品；7.食品和饲料添加剂；8.粘合剂；催化剂和各种助剂；化工系统生产的化学药品和日用化学品;11.高分子聚合物中的功能高分子材料.,精细有机化学品精细无机化学品精细生物制品,19,近年有人将其分为18类：医药和兽药、农药、粘合剂、涂料、染料和颜料、表面活性剂与合成洗涤剂、三大合成材料用助剂、香料、感光材料、试剂和高纯物、食品和饲料添加剂、石油用化学品、造纸用化学品、功能高分子材料、化妆品、催化剂、生化酶、无机精细化学品。(18类),20,1.2精细化工及精细化学品的特性,1.2.1精细化工的生产特性,小批量；多品种；大量采用复配技术；（协同作用）技术密集度高；间歇生产装置和多功能生产装置；生产流程呈多样化,21,1.2.2精细化工的经济特性,附加价值高；投资效率高；利润率高。,附加价值：指在产值中扣除原材料、税金、设备、厂房的折旧费所剩余部分的价值。它包括工人劳动、利润、动力消耗以及技术开发等费用。,投资效率：附加价值与固定资产的比值。,投资效率：化肥（62%）；纤维（94.3%）；感光材料（170.9%）；医药（2401.4%）,22,100美元变成10600美元的故事：,石油化工原料,初级化学品,最终成品,进一步加工为塑料中间产品,有机中间体,再进一步加工为家庭用品等,中间产品,100$,10600$,100$,480$,200$,380$,800$,540$,10600$,23,独家经营，技术保密；重视市场调研，适应市场需求；配有应用技术和技术服务。,1.2.3精细化工的商业特性,1.2.4精细化工的产品特性,多品种、小批量和具有特定功能、专用性质构成了精细化学品量与质的两个基本特性。特定功能：物理功能、化学功能和生物活性。,24,1.3精细化工的重要性,精细化工的发展，促进了其它行业如农业、医药、纺织印染、皮革、造纸等衣、食、行和用水平的提高，同时为这些行业带来了经济效益的提高。精细化工的发展，为生物技术、信息技术、新材料、新能源技术、环保等高新技术的发展提供了保证。精细化工的发展，直接为石油和石油化工三大合成材料的生产及加工、农业化学品的生产，提供催化剂、助剂、特种气体、特种材料、阻燃剂、膜材料、工业表面活性剂、环境保护治理化学品等各种添加剂，保证和促进了石油和化学工业的发展。,25,人民生活：,衣：纤维助剂、染料。食：食品添加剂（甜味剂、色素、香精、味精、防腐剂）、化肥、农药。住：装饰材料助剂、涂料、颜料、油漆、塑料。行：橡胶助剂、油料添加剂、防冻剂。健：药品、保健品、除臭剂。美：化妆品、洗涤剂、美容美发品、玻璃擦净剂、空气清新剂。,26,社会发展,工业：煤、石油、天然气的各种加工助剂和催化剂，电子材料，矿产品加工剂等。农业：农药、饲料添加剂、除草剂、植物生长剂、农副产品加工药剂等。国防：化学武器、防化武器、导弹材料、航空航天材料等。高新科技：信息材料、功能材料、人造器官、基因工程材料等。,27,精细化工的发展，提高了国家的化学工业的整体经济效益，增强了国家的经济实力。,据报道一台电视机与2000多种化学品有关，其中绝大部分是精细化学品。,28,1.4精细化工工艺学的内涵,初级原料、次级原料,精细化工产品,反应/复配,1、生产准备过程精细化工生产的原料主要是各种有机化合物。根据生产目的的不同，原料要求等级也不尽一致。控制住原料的来源、产地、纯度等，是保障生产顺利进行的首要条件。如：试剂等级及选用原则、试剂贮存原则、试剂预处理,化工生产过程主要由生产准备过程、化学反应过程、产品后处理过程所组成。,29,实验室用试剂等级包括以下几类：基准试剂（JZ，绿标签）：作为基准物质，标定标准溶液；优级纯（GR，绿标签，一级品）：主成分含量很高、纯度很高，适用于精确分析和研究工作，有的可作为基准物质；分析纯（AR，红标签，二级品）：主成分含量很高、纯度较高，干扰杂质很低，适用于工业分析及化学实验；化学纯（CP，蓝标签，三级品）：主成分含量高、纯度较高，存在干扰杂质，适用于化学实验和合成制备；实验纯（LR，黄标签）：主成分含量高、纯度较差，杂质含量不做选择，只适用于一般化学实验和合成制备；指定级（ZD）、高纯试剂（EP）、色谱纯（GC或LC）、指示剂（ID）、生化试剂（BR）、可替代指示剂、当量试剂、电泳试剂等。,30,单体原料的贮存应注意：防止与空气接触产生易爆炸的混合物或产生过氧化物；提供可靠的措施，保证在任何情况下贮罐不会产生过高的压力，以免贮罐爆破；防止有毒易燃的单体泄露出贮罐、管道和泵等输送设备；为防止单体贮存过程中发生自聚现象，必要时应添加阻聚剂；贮罐还应当远离反应装置，以减少着火危险；贮存气体状态单体的贮罐和贮存常温下为气体，经压缩冷却液化为液体的单体的贮罐应当是耐压容器。其它：用氮气保护贮罐以防止进入空气；为防止单体受热后发生自聚，应当防止阳光照射并采取隔热措施；或安装冷却水管，必要时进行冷却。,31,聚合反应过程的引发剂贮存注意事项：过氧化物采用小包装、低温环境、防火、防撞击；固体过氧化物，如过氧化二苯甲酰中加适量水，使之保持潮湿状态；液态的过氧化物，通常加适当溶剂使之稀释以降低其浓度；烷基金属化合物最危险，低级烷基的铝化合物常制备为15%25%的溶液，并且用惰性气体（如氮气）予以保护；过渡金属卤化物接触潮湿空气易水解，生成腐蚀性烟雾，因此应严格防止接触空气；贮存地点应当与生产区、单体贮存区隔离开，并要有适当的安全地带；酸性催化剂具有腐蚀性，应注意容器的密闭性，防止泄露而伤人。,32,2、生产过程,以合成为主的精细化学品，需明确：合成路线：选用什么原料，经由哪几步单元反应；工艺路线：原料的预处理和反应物的后处理应采用哪些化工过程、采用什么设备和生产流程等；反应条件控制：反应物的总摩尔比、反应物和生成物的初始浓度、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、选择性以复配为主的精细化学品，应明确：采用什么原料、方法、设备、过程、条件；复配技术：经验重要性、计算机仿真、模拟,33,3、产品后处理过程,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。,34,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）,后处理过程：,三废处理：,三废：废气、废液、废渣所含有害物质在排放前应该达到排放标准；尽量综合利用，变废为宝；污染问题不解决，不允许投产。相关政策法规,35,围绕工艺流程的四个重要部分：,工艺流程设计,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。,工艺流程图有方块流程图、装备流程图、带控制点工艺流程图等。,36,保险粉的生产工艺,（保险粉：连二亚硫酸钠，广泛用于纺织工业的还原性染色、漂白）,37,1.5精细化工的发展方向,指在生产过程中，或产品生命周期中均对环境无危害。这包括原料来源广泛，最好是可再生资源；生产工艺安全有效、节能、无废弃物排放或废弃物可资源化；设备使用寿命长，无跑冒滴漏现象，废弃的设备也不对环境产生威胁；产品使用安全，无污染，废弃的产品可作为资源再生，或经处理成为无污染的物质等。,绿色精细化工（清洁精细化工、环境友好精细化工）,38,纳米技术，是指研究由尺寸在0.1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用，以及可能的实际应用中技术问题的科学技术。,纳米技术与精细化工的结合,由于纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性，使纳米微粒的热磁、光、敏感特性、表面稳定性，扩散和烧结性能，以及力学性能明显优于普通微粒，所以在精细化工上纳米材料有着极其广泛的应用。,39,贮氢材料FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金，吸氢很慢，必须活化处理，即多次进行吸氢脱氢过程。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。催化剂由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置，因此很适宜作催化材料。如超细硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药的有效催化剂；超细的铂粉、碳化钨粉是高效的氢化催化剂；超细银粉可以为乙烯氧化的催化剂；铜及其合金纳米粉体用作催化剂，效率高、选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂；纳米镍粉具有极强的催化效果，可用于有机物氢化反应、汽车尾气处理等。,应用实例,40,现代生物化工与精细化工的结合,与传统的化学工业相比，生物化工有以下几个特点：a.主要以可再生资源作主要原料。b.反应条件温和，多为常温、常压，能耗低，选择性好，效率高。c.环境污染较少。d.设备简单，投资较少。e.能生产目前不能生产或还不为人知的性能优异的化合物，并能开发生产新品种。f.原子利用率高，是理想的绿色化学技术。,41,生物农药农业生产中