第二章精细化工工艺学基础

第二章精细化工工艺学基础及技术开发目的要求:了解精细化工的发展策略。掌握精细化工的生产特点、精细化工工艺学基础、精细有机合成及工艺过程开发的一般步骤、精细化工的技术开发。第二章精细化工工艺学基础及技术开发教学主要内容第一节、精细化工产品的生产特点第二节、精细化工工艺学基础第三节、精细化工过程开发的一般步骤第四节、精细化工的技术开发第五节、精细化工发展的策略第六节、精细化工发展的重点和动向第一节、精细化工的生产特点1、多品种、小批量、专用品种、定制品种愈来愈多。2、多种多样的生产装置和生产过程。3、技术高度密集。4、商品性强。精细化工产品品种繁多，用户对商品选择性很高，商品性很强，市场竞争剧烈，因而应用技术和技术的应用服务是组织生产的两个重要环节，在技术开发的同时，积极开发应用技术和开展技术服务工作，以增强竞争机制，开拓市场，提高信誉。一、概述1、精细化工工艺学研究的主要内容（1）、对某一具体产品：主要是选择和确定在技术上可行和经济上最合理的合成路线和工艺路线。（2）、对某一单元反应：主要是确定最佳反应条件、合成技术和完成反应的方法，以得到高质、高产的产品以及了解该产品的主要应用及发展动向。第二节、精细化工工艺学基础第二节、精细化工工艺学基础A、合成路线主要指的是选用什么原料，经由那几步单元反应来制备目的产品。B、工艺路线主要指的是对原料的预处理和生成物的后处理应采取的哪些化工过程。采用什么设备和什么生产流程等。C、反应条件主要指的是反应物的之间分子比，主要反应物的转化率（反应深度）、反应物的浓度、第二节、精细化工工艺学基础反应过程的温度、时间、压力和反应剂、辅助反应剂、催化剂和溶剂的使用和选择等。D、合成技术主要指的是非均相接触催化、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等。E、完成反应的方法主要指的是间隙操作或连续操作的选择，反应器的选择和设计等。第二节、精细化工工艺学基础2、各反应物、生成物的理化性质（1）、物料的稳定性。化学、热、光、储存、介质等稳定性。（2）、物料的熔点（凝固点）、沸点及不同温度下的蒸汽压、物料在溶剂的溶解度、水在液态物料中的溶解度、物料是否与水形成恒（共）沸物，以及共沸物温度和组成等。（3）、物料的密度、折光率、比热、导热系数、蒸发热、挥发性和粘度等。第二节、精细化工工艺学基础（4）、闪点、爆炸极限和必要的安全措施。（5）、物料的毒性，对人体的危害性，在空气中的允许的浓度，必要的防护措施以及中毒的急救措施。（6）、物料的商品规格，各种杂质和添加剂的允许含量，价格、供应来源，包装和储运要求等。（7）、产品分析、测试和检验、环境保护、“三废”治理等相关内容。二、化学计量学1、各反应物间的质量比（摩尔比）2、限制反应物和过量反应物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叫做过量百分数。过量百分数=(Ne-Nt)/Nt*100%4、转化率（以x表示）第二节、精细化工工艺学基础第二节、精细化工工艺学基础某一反应物A反应掉的量NAR占其向反应器中输入量NAin的百分数，叫做A的转化率:XA=NAR/NAin*100%=(NAin-NAout)/NAin*100%5、选择性（以S表示）指某一反应物转化成目的产物其理论消耗的摩尔数占该反应物在反应中实际消耗掉的总摩尔数Nt的百分数：如aA+bB→pP+qQS=a/p*Np/(NAin-NAout)Np为目标产物的摩尔数第二节、精细化工工艺学基础6、理论收率（以y表示）：指生成目的的产物的摩尔数占输入的反应物摩尔数的百分数：y=a/pNp/NAin*100%7、重量收率（以yw表示）：用来计算某一反应步骤的收率：yw=所得的产物的重量/某输入反应物的重量*100%8、原料消耗定额：指每生产1吨产品需消耗多少吨（或公斤）各种原料。对主反应物而言实际上是其重量收率的倒数。第二节、精细化工工艺学基础9、单程转化率和总转化率：例子：ClCl2C6H6C6H5ClC6H6Cl2付产C6H4Cl2反应器分离器60molC6H640mol100mol61molC6H638molC6H5Cl1molC6H4Cl2余1mol38mol1molC6H4Cl2解：苯的单程转化率=（100-61）/100*%=39%苯的总转化率=(100-61)/(100-60)*%=97.5%生成氯苯的选择性S=38/(100-61)*%=97.44%生成氯苯的总收率Y=38/(100-60)*%=95%三、配方研究的重要性由于应用对象的特殊性，很难采用单一的化合物来满足要求，于是配方的研究成为决定性的因素。配方的研究，即通过将两种或两种以上主产品或主产品与助剂复配，以取得远优于单一主产品性能的应用效果，通常将这一技术统称为复配技术，即1+1〉2技术。如由水杨酸制成阿司匹林要复配成复方阿司匹林；洗涤精它是由各种表面活性剂及助剂配合而成。又如，洗衣粉，除了表面活性物之外，还需加入磷酸盐类螯合剂，以螯合碱土金属离子、软化硬水，提高表面活性物的可用性，同时它本身也具有洗涤去污作用；加入碳酸钠，可与污垢中的酸性物质反应成皂，提高去污力，使溶液pH值不会下降；加入抗再沉积剂，可以通过分散、悬浮、胶溶、乳化等方式防止脱除的污垢重新返回沉积到被织物上。加入硫酸钠等填充剂，可以增加洗衣粉固含量，提供电解质效应，降低表面活性剂的临界胶束浓度，改善洗衣粉料浆的加工性能；加入水溶助长剂可以增加洗涤剂的总固体含量，提高洗衣粉料浆的流动性和可增溶性。除此之外，还可加入胶溶悬浮剂、漂白剂、酶、荧光增白剂、色素和香精等，以提高洗衣粉的综合洗涤性能和商品性。第二节、精细化工工艺学基础四、精细有机化工产品的经济核算1、成本固定成本：原材料、税金、设备和厂房折旧费可变成本2、价格与国家政策法规、市场供应、新品种、是否垄断技术等带来的高利润。第三节精细化工过程开发的一般步骤一般而言，精细化工过程的开发。系指从一个新的技术思想的提出通过实验室试验；中间试验到实现工业化生产取得经济实效并形成一整套技术资料这一全过程。综合而言，新的化工过程开发可分为三个阶段：1、实验室研究阶段2、中间实验阶段3、工业化（生产）阶段第三节精细化工过程开发的一般步骤1、实验室研究阶段它包括根据物理的、化学的基本理论或从实验现象的启发与推演、或从科技情报资料的分析等出发，提出一个新的技术思路，然后在实验室进行探索，明确过程的可能性与合理性，测定基础数据，摸索工艺条件等。这一步是带有战略性的。它要求研究人员要有扎实的基础知识和技巧，又要求其思想敏锐与视野开阔，善于去伪存真把握过程的内在规律，从而作出正确的判断。第三节精细化工过程开发的一般步骤2、中间实验阶段由于过程的极端复杂性，往往不能把实验室的研究成果直接用生产中，而必须经过中间规模的考察（有时还要辅以大型冷模试验）。这一步是从实验室过度到生产的关键阶段。在此阶段中，化学工程知识和手段是十分重要的。中试的时间对一个过程的开发周期往往具有决定性的影响。中试要求研究人员具有丰富的工程知识，掌握先进的测试手段，并能取得提供工业生产装置设计足够的工程数据，进行数据处理从而修正为放大设计所需的数学模型。第三节精细化工过程开发的一般步骤此时，对新过程的经济评价也是中试的重要组成部分。3、工业化（生产）阶段：对于研究开发人员，其主要任务是根据前两个阶段的研究结果作出工业装置的基础设计，然后由工程设计部门进行工程和施工设计。但研究人员应在工业装置建成后，取足必要的现场数据以最后完善研究开发的各项成果，并形成一整套技术资料，作为专利推广之用。第三节精细化工过程开发的一般步骤由于化工过程的复杂性，就精细化工过程开发而言，不论是实验室研究还是中试，都要做大量的实验。因此对实验方法的选择会关系到实验成败、时间长短的主要因素。第四节精细化工的技术开发精细化工过程的技术开发包括：新产品的开发；新设备的开发；新技术的开发；老技术、老设备的革新改造等。1、精细化工新产品的技术开发程序（步骤）：（1）、选择研究课题；（2）、对该课题的可行性分析与论证；（3）、实验室研究；（4）、中间试验；（5）、产品性能、质量检验和鉴定；第四节精细化工的技术开发（1）、选择研究课题它包括根据物理的、化学的基本理论或从实验现象的启发与推演、或从科技情报资料的分析等出发，提出一个新的技术思路。课题可以来源于上级部门；如国家的产品产业化的要求；省、市级的各种机构科研项目等。或来源于企业生产单位的技术需求；也可来源于有关科技情报等。第四节精细化工的技术开发（2）、对该课题的可行性分析与论证查找与课题相关的文献资料，写出文献总结；从中分析比较论证。无论课题来源是什么，都必须明确课题的目的、意义，是否重复研究，在科学和技术上的合理性、经济和社会效益等进行全面的分析。这一步是带有战略性的。它要求研究人员要有扎实的基础知识和技巧，又要求其思想敏锐与视野开阔，善于去伪存真把握过程的内在规律，从而作出正确的判断。第四节精细化工的技术开发（3）、实验室研究在对研究项目进行详细的分析和论证后，便可制定研究方法，在实验室进行小试探索，通常要进行流程和生产方法的考察（所谓打通流程），并寻找合适的操作条件；明确过程的可能性与合理性，测定基础数据，摸索工艺条件等。第四节精细化工的技术开发（4）、中间试验这一步是从实验室过度到生产的关键阶段。在此阶段中，化学工程知识和手段是十分重要的。中试的时间对一个过程的开发周期往往具有决定性的影响。中试要求研究人员具有丰富的工程知识，掌握先进的测试手段，并能取得提供工业生产装置设计足够的工程数据，进行数据处理从而修正为放大设计所需的数学模型。此时，对新过程的经济评价也是中试的重要组成部分。第四节精细化工的技术开发其目的在于检验实验室研究成果的实用性和工艺的合理性，并在实际应用过程中不断完善产品的性能。中试的主要目的是为了：A、获得设计工业装置所必需的工艺数据和化学工程数据；B、研究生产控制方法；C、考虑杂质积累对过程的影响；第四节精细化工的技术开发D、考核设备的选型及材料的耐腐饰性能；E、确定实际的经济消耗指标；F、提供少量产品，考核产品的加工和使用性能；G、修正和检验数学模型。第四节精细化工的技术开发（5）、产品性能、质量检验和鉴定一般由权威部门或专业机构检测及用户试用两方面进行。第四节精细化工的技术开发2、精细化工新产品发展的一般规律依据辨证唯物主义的原理，世界上任何一种事物的发展都有其自身的内在发展规律，只要掌握了事物发展的规律，就能对其发展的方向有个正确的预测。因此说只要掌握了新事物发展的一般规律。就能对产品的发展动向有个正确的预测，提出具有先进水平的科研课题，预测明天的新产品。任何一种事物从其产生、发展、壮大直到死亡，都有规律；同样，任何一种化工新产品都要经历以下四个阶段：第四节精细化工的技术开发（1）原型的发现阶段：是一类事物的起点。（2）雏形的发明阶段：导致一类化工产品的发现。（3）性能的改进阶段：是机理、工艺、方法、价格、实用化研究。（4）功能扩展阶段：品种的增多；性能、功能的增强；使用方法的多样化。第四节精细化工的技术开发3、精细化工产品市场预测了解和把握市场前景；做到“人无我有”、“人有我优”、“人优我创”。因此在这个竞争十分激烈的年代，如何做好市场预测是十分重要的。（1）注意掌握国家的产业发展政策和新法规；（2）注意了解同类产品在发达国家中的情况；（3）了解产品在国际、国内市场上的总的需求量及其变化动向；第四节精细化工的技术开发（4）注意了解国家在原料基地建设方面的信息；（5）注意了解同行业建厂情况；（6）了解产品用户信息；（7）注意保护自己的产品，利用专利法、商业法规等保护自己。第五节、精细化工发展的策略1、依靠科技进步；以技术为核心，开发系列产品；做到品种、规模、市场与效益的协调发展。2、培植技术力