第一章-精细化工工艺基础1

1、精细化学品合成工艺,第一章 精细化工工艺基础,1.1 概述 1.2 精细化工产品的配方设计原则 1.3 配方优化设计方法,1.1 概述,1.1.1 精细化工的定义 1.1.2 精细化工的范畴 1.1.3 精细化工的特点 1.1.4 绿色化学 1.1.5 精细化工产品简介,1.1.1 精细化工的定义,化工产品分为： 通用化工产品或大宗化学品（heavy chemicals) 精细化工产品或精细化学品（fine chemicals) 通用化工产品可分为： 无差别产品硫酸、烧碱、乙烯、苯等 有差别产品合成树脂、合成橡胶、合成纤维,1.1.1 精细化工的定义,精细化学品中间体、医药、农药、香精的原料，

2、是通用化工产品的次级产品，有时是以化学名称及分子式表示，而且规格有时也是以其主要物质的含量为基础，但其往往具有较明确的功能指向，与通用化工产品相比，商品性强，生产工艺精细。 专用化学品医药成药、农药配剂、各种香精等，是化工产品精细化后的最终产物，其功能性更强。一种精细化学品可以制成多种专用化学品。 例如：铜酞菁有机颜料，同一种分子结构，由于加工成晶型不同、粒径不同、表面处理不同或添加剂不同，可以制成纺织品着色用、汽车上漆用、建筑涂料用或作催化剂用等。,1.1.1 精细化工的定义,1.1.1 精细化工的定义,20世纪70年代，美国化工战略研究专家根据化工产品“质”与“量”引出差别化的概念，把化工

3、产品分为通用化学品、有差别的通用化学品、精细化学品、专用化学品四大类。 精细化学品：是指按分子组成（即作为化合物）来生产和销售的小吨位产品，有统一的商品标准，强调产品的规格和纯度； 专用化学品：是指小量而有差别的化学品，强调其功能。,1.1.1 精细化工的定义,现代精细化工：生产精细化学品和专用化学品的工业，是以高新技术为基础，以市场需求为导向，以产品具有特定功能、附加值高、小批量、多品种、系列化为特点的化学工业,1.1.2 精细化工的范畴,以产品功能为主要分类依据，分为以下11类 1.医药和兽药 2.农用化学品 3.涂料 4.粘合剂 5.染料和颜料 6.表面活性剂和合成洗涤剂 7.塑料、合成

4、纤维和橡胶用助剂 8.香料 9.感光材料 10.试剂和高纯物 11.食品和饲料添加剂 12.石油用化学品 13.造纸用化学品 14.功能高分子材料 15.化妆品 16.催化剂 17.生化酶 18.无机精细化学品,1.1.3 精细化工的特点,一、精细化工产品研发特性 （1）知识密集度高 在日本，将机械制造业的知识密集度定为100， 化学工业248，医药品340。 资本密集度，是化学工业的0.30.5 化肥工业的0.20.3 乙烯工业的0.1 表现：研发过程中的品种多，费用高，生产难度大，时间长，成功率低。,（2）研发难度大 美国，研发一个医药新品种所需时间和费用 60年代 5年 300500万美

5、元 80年代 912年 60008000万美元 90年代 1012年 2.31亿美元,（3）技术和产品更新快，品种多 以表面活性剂为例 作用：改变不同两相界面的界面张力 性能：润湿、洗涤、乳化、分散、增溶、起泡、消泡、凝聚、平滑、柔软、杀菌、抗静电、匀染等 类型：洗涤剂、扩散剂、起泡剂、消泡剂、乳化剂、破乳剂、分散剂、杀菌剂、润湿剂、柔软剂、抗静电剂、抑制剂、防锈剂、防结块剂、防雾剂、增溶剂等,二、 产品的生产特点,（1）综合生产流程和多功能生产装置 由于批量小，应设计、制造用途广、多功能的生产装置，即在同一套生产装置中，使用同一流程、不同原料，生产多种产品。 FMS（又可称为柔性生产系统）：

6、指的是一套装备生产同类多个品种的产品。它设有自动清洗的装置，清洗后用摄像机确认清洗效果。,例如：,英国的帝国化学工业公司的一个子公司，曾经用一套装备、三台计算机可以生产当时的74个偶氮染料中的50个品种，年产量3500吨。 日本1993年制造的移动釜式多用途间歇生产系统，它的反应釜是可移动的，自动清洗，无管路，计算机控制。 很多厂家开发一机多能的设备，如在一台设备中，可以进行过滤、洗涤、干燥等操作。,（2）制剂加工技术 产品除少数直接上市，为满足专用化学品特殊的功能、便于使用和储存的稳定性，大都需要加工成各种剂型的制剂，工艺、配方保密。 剂型：是指将专用化学品加工制成适合使用的物理形态或分散形

7、式，如制成溶剂、混悬液、粉剂、颗粒、片剂。例如 洗涤剂：可以制成溶液、颗粒和半固体； 牙膏： 制成半固体； 医药： 为缓释和保护敏感成分，制成微胶囊。,（3）采用复配技术 复配技术，具有增效、改性、扩大应用范围等功能，组成可达一、二十种。 香精：常常由几十种甚至上百种香料复配而成。,三、 产品的商业特性 （1）技术保密，专利垄断 配方和剂型加工技术严格保密 （2）重视市场调研，适应市场需求 产品的市场寿命取决于质量、性能、对市场需求变化的适应性 （3）重视应用技术和技术服务 国外技术开发、生产经营管理、产品销售（包括技术服务）人员配比2：1：3 掌握产品性能，研究应用技术和操作条件，指导用户正

8、确使用,四、 产品的经济效益评价 1.附加价值与附加价值指数 附加价值：在产品的产值中扣除原材料、税金、设备和厂房折旧费后，剩余部分的价值。 包括：利润、人工劳动、动力消耗、技术开发等费用。 反映：产品加工中，所需的劳动、技术利用情况，利润,美国商业部工业经济调查局资料： 石油化工原料：50亿元 产出：初级化学品100亿元 再产：有机中间体240亿元+最终成品40亿元 进一步加工（塑料、树脂、合成橡胶、化纤、塑料和橡胶制品等）： 中间产品400亿元 +最终成品270亿元 精细化程度的提高，附加价值不断提高,以氮肥为基数的有关行业的附加价值指数（有关行业附加价值/氮肥附加价值）如下： 氮肥100

9、 石油化工产品335.8 染料、有机颜料1219.2 塑料1213.2 合成纤维606 涂料732.4 医药制剂4078,2.投资效率高 投资效率=（附加价值/固定资产）100% 一般投产35年，可收回全部设备投资。 3.利润率 国际标准 低利润率：销售利润率小于15% 中利润率：销售利润率15%20% 高利润率：销售利润率大于20% 近年统计数据：高、中利润率的均为精细化工产品的公司,1.1.4 绿色化学,绿色化学： 是20世纪90年代出现的具有明确的社会需求和科学目标的新兴交叉科学。 目标： 运用现代科学技术的原理和方法从源头上减少或消除化学工业对环境的污染，从根本上实现化学工业的“绿色化

10、”，走经济和社会可持续发展的道路。,一、 绿色化学研究的内容和特点,1、绿色化学的含义 绿色化学（Green Chemistry），又称为环境友好化学（Environmental Friendly Chemistry）或可持续发展的化学（Sustainable Chemistry），是运用化学原理和新化工技术来减少或消除化学产品的设计、生产和应用中有害物质的使用与产生，使所研究开发的化学产品和过程更加环境友好。,2、绿色化学的研究内容,清洁合成（Clean Synthesis）工艺和技术，减少废物排放，目标是“零排放”（Zero Emission）； 改革现有工艺过程，实施清洁生产（Clean

11、 Production）； 安全化学品和绿色新材料的设计和开发； 提高原材料和能源的利用率，大量使用可再生资源（Renewable Resource）； 生物技术和生物质（Biomass）的利用； 新的分离技术（New Separation Technologies）； 绿色技术和工艺过程的评价； 绿色化学的教育，用绿色化学变革社会生活，促进社会经济和环境的协调发展。,3、绿色化学的特点,绿色化学与传统化学的区别： 绿色化学更多地考虑社会的可持续发展，促进人和自然关系的协调。绿色化学是人类用环境危机的巨大代价换来的新认识、新思维和新科学，是更高层次上的化学。,绿色化学与环境治理的区别： 绿色化

12、学是从源头防止污染的生成，即污染预防（Pollution Prevention），而环境治理是对已被污染的环境进行治理，即“末端治理”，既浪费资源和能源，治理费用又大，综合效益差。,二、 绿色化学引发的产业革命,1、化学制药的绿色化 化学制药工业的特点： 品种多、更新快、反应步骤多、原辅材料用量大、总产率低、“三废”排放量大、成分复杂、容易造成环境污染。 如-舍曲林：抗抑郁症药物的活性成分 原合成路线： 原料：二氯苯基四氢萘酮、甲胺、氢气、D-扁桃酸、醋酸乙酯溶剂 溶剂：四氢呋喃或甲苯 助剂：四氯化碳作脱水剂，分离中间产物,Pfizer 公司改进后的工艺过程 溶剂：改用乙醇 助剂：中间产物在乙

13、醇中的溶解度很小，无需助剂分离 优点：每生产1t舍曲林产品， 溶剂用量：从227100dm3减少到22710dm3； 原料甲胺、二氯苯基四氢萘酮、D-扁桃酸分别节省60%、45%、20%； 每年废物减排：700t。 为此， Pfizer 公司获得2002年度美国“总统绿色化学挑战奖”。,2、农药工业的绿色化,绿色农药： 指那些对害虫和病菌高效，对人畜、害虫天敌和农作物安全，在环境中易于分解，在农作物中低残留或无残留的农药。 如生物调节剂：采用不同的活性物质来调节、改变和抑制有害生物体在不同阶段的生长、发育及繁殖，达到防治病虫害的目的。例如Rohm and Hass公司开发的一种杀虫剂，属于促蜕

14、皮类杀虫剂，促使害虫在不该蜕皮的时候提前蜕皮，使其脱水停止进食而快速死亡。,3、绿色新材料,又称生态材料，环境协调材料，是指那些具有良好使用性能或功能，对资源和能源消耗少，对生态环境污染小，有利于人类健康，可降解循环利用或再生利用率高，在制备、使用、废弃直至再生循环利用的整个过程中，都与环境协调友好的一大类材料。 近来，由难降解塑料制品造成的“白色污染”正殃及水体、土壤和城市环境。绿色材料主要包括生物降解型高分子材料、光降解型高分子材料，以及光-生物双降解型高分子材料。,4、能源工业绿色化,人类使用能源：石油、天然气、煤 石油：按世界石油生产量30亿桶计算，能开采46年； (2008年产量为3

15、6.41亿吨，2009年产量为35.25亿吨 ) 天然气：能维持66年； 煤炭：按目前的开采水平，能开采232年 重点解决三方面问题： （1）煤的清洁燃烧技术 我国煤炭85%用于直接燃烧，平均热效率不到30%； 煤炭燃烧产生的烟尘约占全国总排放量的90%，SO2占87%，NOx占65%，CO2占85%。,（2）生物质的转化技术 生物质： 植物光合作用直接产生或间接衍生的所有物质，是可再生的资源。向人类提供了世界能源消耗总量的15%。我国农村能源消耗的70%为生物质，但因主要为直接燃烧，效率低，影响环境。 有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。 生物质的能源来源于太

16、阳，所以生物质能是太阳能的一种。生物质是是太阳能最主要的吸收器和储存器，生物质通过光合作用能够把太阳能富集起来，储存于有机物中，,中国已经开发出多种固定床和流化床气化炉，以秸秆、木屑、稻壳、树枝为原料生产燃气。 2006年用于木材和农副产品烘干的有800多台，村镇级秸秆气化集中供气系统近600处，年生产生物质燃气2,000万立方米。 中国政府及有关部门对生物质能源利用也极为重视，己连续在四个国家五年计划将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目，开展了生物质能利用技术的研究与开发，如户用沼气池、节柴炕灶、薪炭林、大中型沼气工程、生物质压块成型、气化与气化发电、生物质液体燃料等，取得了多

17、项优秀成果。 （3）绿色能源的开发 太阳能、水力能、海洋能、风力能、生物质能均属于清洁能源。,1.3 绿色精细化工,绿色精细化工： 运用绿色化学的原理和技术，尽可能选用无毒无害的原料，开发绿色合成工艺和环境友好的化工过程，生产对人类健康和环境无害的精细化学品。即实现化工原料的绿色化，合成技术和生产工艺的绿色化，精细化工产品的绿色化。,1.1.5 精细化工产品简介,一、 化妆品 二、 香料与香精,一、化妆品,分类：护肤、美容、美发、特殊用途等几大类 要求： （1）无毒、无刺激、无诱变致病作用 常规安全试验： 毒性： LD50 半数致死量 LD505000mg/kg，毒性较小 LD502000mg

18、/kg，低毒性物质 开发新的化妆品原料，应测定LD50。 刺激性： 指化妆品涂于人较为敏感的部位时，在一定的时间内，皮肤对化妆品所起的反应。,（2）稳定性 化妆品在储存运输及使用过程中，不应出现霉变、油水分离、氧化、酸败、降解等现象致使其失去作用-保质期。 （3）有效性 抗紫外线、青春痘、祛斑等 （4）舒适性 味道，感觉,原料 基质原料 （1）露类：以油脂为基质原料 油脂分为动物脂和植物脂两大类 动物脂： 羊毛脂（洗涤羊毛的废水中提取）、蜂脂（蜂房）、鲸脂（抹香鲸） 植物脂： 硬脂酸（植物或牛脂）、椰子油（椰子果肉） （2）粉类：香粉、胭脂 作用：滑爽、遮盖、吸收 主要成分：滑石粉、钛白粉（防

19、紫外线、遮盖）、氧化锌（遮盖、收敛、杀菌）、云母粉（珠光粉质） （3）香水类：常用乙醇 作用：溶剂，兼有一定的清凉及杀菌作用,辅助原料 （1）乳化剂 使油性原料与水制成乳化体的原料，是一种表面活性剂 （2）香精 赋予化妆品一定的香气，是制造过程中的关键原料之一，既受到消费者的喜爱，还可掩盖产品介质中某些不良气味。 （3）色素 赋予化妆品一定的颜色，是视觉方面的重要一环。 （4）防腐剂和抗氧化剂 要求：不影响产品的色泽，无气味；在用量范围内无毒性、对皮肤无刺激性；不会对产品的粘度、pH值有影响。,二、 香料与香精,指具有香气或香味的物质 香料的分类： 按用途：化妆品香料-以挥发香气为主； 食用香料-以产生香味为主。,按来源： 动物性天然香料-动物的分泌物或排泄物，常用的只有麝香等； 植物性天然香料-以芳香植物的采香部位（花、枝、叶、草、根、皮、茎、籽、果等）为原料，用水蒸气蒸馏、浸提、吸收、压榨等方法生产出来的精油、浸膏、酊剂、香脂等。 单离香料-使用物理或化学方法从天然香料中分离提纯出来的单体香料化合物。 合成香料-通过化学制取的香料化合物，特指以石油化工基本原料及煤化工基本原料为起点经过多步合成反应而制取的香料产品。,香精的分类 香精：在各种加香产品中使用的利用多种天然香料和合成香料调配而成的香料混合物。 分类：按香型 （1）花香型-以模仿天然花