《绿色过程工程基础》PPT课件.ppt

绿色过程工程 Green Process Engineering,1 绪 论 绿色过程工程与可持续发展 绿色过程工程基础 过程工程绿色化模式 过程工程生态学 过程强化与设备微型化 过程系统工程,3 绿色过程工程基础,3.1 原子经济性反应 3.2 原料绿色化与生物质资源 3.3 溶剂绿色化 3.4 能源绿色化 3.5 绿色催化剂与催化技术 3.6 分离过程绿色化 3.7 非传统过程 3.8 产品绿色化,3 绿色过程工程基础,3.1 原子经济性反应 3.2 原料绿色化与生物质资源 3.3 溶剂绿色化 3.4 能源绿色化 3.5 绿色催化剂与催化技术 3.6 分离过程绿色化 3.7 非传统过程 3.8 产品绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,目前90%以上的化工过程是在催化剂存在下实现的。 催化剂的作用是有选择地降低化学反应活化能，有选择地提高化学反应速率，有选择地改变化学反应的方向，而在整个化学反应过程中，催化剂的加入是很少的，催化剂本身没有发生变化，经适当处理可反复使用,3.5 绿色催化剂与催化技术,传统的催化剂与催化技术，常常过于追求生产过程的高效性和经济性，而忽略了环境效益和生态效应，以至于目前过程工业所使用的催化剂与催化技术中绝大多数都对生态环境造成或多或少的污染。因此，研究、开发和使用对环境友好的绿色催化剂与催化技术就成为当前重要的前沿热点课题之一,3.5 绿色催化剂与催化技术,3.5.1 酸碱催化剂绿色化 3.5.2 分子筛催化剂 3.5.3 选择性催化氧化 3.5.4 生物催化剂 3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,3.5.1 酸碱催化剂绿色化 3.5.2 分子筛催化剂 3.5.3 选择性催化氧化 3.5.4 生物催化剂 3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,酸碱定义、分类、表征 *酸碱电离论（Arrhenius acid-base concept） *酸碱电子论（Lewis acid-base concept） *酸碱质子论（Brnsted-Lowry acid-base concept）,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,酸强度 对质子酸是指给出质子的能力，对路易斯酸是指接受电子对的能力,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,碱强度 对质子碱是指其吸附酸以转变成共轭碱的能力，对路易斯碱是指其给出电子对以吸附酸的能力，常用碱强度函数H-表征,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,超强酸是指酸强度超过100% H2SO4的酸强度的酸性物质。因为100% H2SO4的H0=-11.93，所以，H0-11.93的酸可称为超强酸。如SbF3-FSO3H的H0-20，酸强度为100% H2SO4的108倍，是很强的液体超强酸,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,超强碱定义为强度比中性物质的H0=7高出19个单位的碱性物质，即H-26者称之为超强碱。如Al2O3-NaOH-Na的H-=37，是很强的超强碱,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,酸碱催化剂（acid-base catalyst） 因物质的酸碱性质而起催化作用的催化剂。有液体酸碱催化剂和固体酸碱催化剂。按酸碱的性质可分为:质子酸碱(亦称布朗斯台德酸碱，简称B酸、B碱)催化剂和路易斯酸碱(简称L酸、L碱)催化剂,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,过程工程使用的催化剂中，酸碱催化剂占绝对优势，特别是硫酸、盐酸、磷酸、氢氟酸、三氟化硼、三氯化铝等均相酸性催化剂，占70%以上。在烃类异构化、烷基化、歧化、酯化、酰化、水解、水合等领域有广泛的应用,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,固体酸碱催化剂 固体酸催化剂（solid acid catalyst）催化功能来源于固体表面上存在的酸性位的催化剂。如膨润士、天然沸石和合成分子筛、氧化铝、硅铝胶、阳离子交换树脂，以及一些金属的硫酸盐(如NiSO4、CuSO4)、磷酸盐(如AlPO4、BPO4)、卤化物(如AlCl3、TiCl3、CuCl2)，载于硅胶、硅藻土等上的H2SO4、H3PO4、H3BO3等无机酸。用于催化裂化、催化重整、加氢裂化、异构化、甲苯歧化、醇类脱水、烯烃水合等反应过程,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,固体酸碱催化剂 超强酸固体催化剂是用超强酸处理固体载体而制得的。一般用于制备固体超强酸的载体有非金属氧化物、金属氧化物、离子交换树脂和杂多酸等，通常的制备方法是真空浸渍、焙烧。应用最多的是各类酯化反应,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,固体酸碱催化剂 固体碱催化剂（solid base catalyst）因表面具有碱性位而起催化作用的固体催化剂。如载于硅胶或氧化铝上的碱(NaOH、KOH等)，分散在硅胶、氧化铝或高沸点矿物油中的碱金属或碱土金属，载于氧化铝上的胺、氨，碱金属和碱土金属的氧化物或碳酸盐，混合氧化物(SiO2CaO、SiO2CrO、SiO2BaO等)，用氨、胺处理过的活性炭，碱金属或碱土金属交换的分子筛，阴离子交换树脂等。用于缩合、异构化、烷基化、聚合等反应过程,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,杂多酸催化剂 杂多酸（heteropolyacid ）是由不同的含氧酸缩合而制得的含氧多元酸的总称，是以杂原子P+5、P+3、Ge+4、B+3、As+5、Si+4为中心原子，以WO3、MoO3、V2O5等为配体，形成的一类结构单元为四面体，八面体，少数为二十面体的化合物,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,杂多酸催化剂 *活性炭负载杂多酸 *SiO2负载杂多酸 *MCM-41分子筛负载杂多酸 *TiO2负载杂多酸,3.5.1 酸碱催化剂绿色化,3.5 绿色催化剂与催化技术,3.5.1 酸碱催化剂绿色化 3.5.2 分子筛催化剂 3.5.3 选择性催化氧化 3.5.4 生物催化剂 3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,3.5.1 酸碱催化剂绿色化 3.5.2 分子筛催化剂 3.5.3 选择性催化氧化 3.5.4 生物催化剂 3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,分子筛作为催化剂属于固体酸类催化剂，无毒、无味、可再生、无污染，是一类理想的环境友好的催化剂。,3.5.2 分子筛催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,分子筛又称沸石或沸石分子筛，是一类结晶型的硅铝酸盐，具有均一的孔结构而能在分子水平筛分物质。最早使用的分子筛是天然沸石，主要用于气体的吸附分离。自然界有丰富的沸石矿，但含杂质较多，分离提纯困难而不适宜作催化剂，用作催化剂的主要是A、X、Y、M等类型的合成分子筛。,3.5.2 分子筛催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,第二代中以高硅三维交叉直通结构为代表，型号以ZSM来区别，目前已达ZSM-35，主要用于石油化工中的择形催化和定向反应。Silicalite和沸石分子筛的出现，拓展了第二代合成沸石分子筛的应用领域,3.5.2 分子筛催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,第三代沸石分子筛是非硅、铝骨架的磷酸盐系列分子筛，最简单的是磷酸铝分子筛，以APO表示，如果再引人其他金属，则以MeAPO表示。若再将硅引入骨架，就以MeAPSO表示，称为杂原子磷酸盐分子筛。,3.5.2 分子筛催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,沸石分子筛作为催化剂，广泛用于催化裂化、芳烃烷基化、歧化、异构化、芳构化、加氢、脱氢、聚合、水合以及烷基转移等石油加工和石油化学工业。在精细有机合成中，主要是用于醇类化合物、醛类化合物、酯类化合物、酮类化合物、醚类化合物、酚类化合物、胺类和吡啶类化合物、硝基化合物、肟类化合物、腈类化合物、烃类卤代物、含硫化合物的合成，杂环化合物的乙酰化以及催化氧化反应，使这些典型的精细有机合成反应绿色化。,3.5.2 分子筛催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,用B、P、Be、Ga、Ti等元素取代分子筛骨架中Si原子而构成的杂原子分子筛，例如在纯硅分子筛骨架中引入Ti构成的TS型分子筛，是很好的定向氧化催化剂，对有机物选择性氧化具有优异的催化功能。,3.5.2 分子筛催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,用TS型分子筛作催化剂，H2O2稀水溶液作氧化剂，还可使苯酚氧化合成苯二酚，苯胺氧化制氧化偶氮苯，丙胺氧化制丙醛肟，环己烷氧化制环己酮，四氢呋喃氧化为丁内酯等等严重污染环境的一些过程工程转变成原子经济性的绿色化生产过程工程。,3.5.2 分子筛催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,3.5.1 酸碱催化剂绿色化 3.5.2 分子筛催化剂 3.5.3 选择性催化氧化 3.5.4 生物催化剂 3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,3.5.1 酸碱催化剂绿色化 3.5.2 分子筛催化剂 3.5.3 选择性催化氧化 3.5.4 生物催化剂 3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,在催化过程生产的有机化学品中，催化选择氧化生产的产品约占25%。氧化反应大多采用氧气或空气在气相中进行，如甲醇在负载银催化剂上氧化制甲醛，丙烯氨氧化制丙烯腈等。,3.5.3 选择性催化氧化,3.5 绿色催化剂与催化技术,20世纪80年代以来随着石油化工原料逐步从烯烃转向资源丰富的天然气和饱和烷烃，烃类选择氧化发展迅速，大都采用烃与空气(或氧气)共进料模式在流化床反应器内反应。反应物在流化床中返混严重，加之选择氧化的目标产物大多是在热力学上不稳定的中间化合物，在反应条件下很容易进一步深度氧化为CO2和水，其选择性是各类催化反应中最低的，不仅造成资源浪费和环境污染，而且给产品分离和纯化带来困难。,3.5.3 选择性催化氧化,3.5 绿色催化剂与催化技术,技术关键： 控制氧化反应深度，提高目的产物的选择性始终是烃类选择氧化研究中最具挑战性的难题。,3.5.3 选择性催化氧化,3.5 绿色催化剂与催化技术,循环流化床 反应器 丁烷晶格氧氧化 制顺酐,3.5.3 选择性催化氧化,3.5 绿色催化剂与催化技术,由于晶格氧氧化具有潜在的优点，已成为选择氧化研究中的前沿。工业上重要的邻二甲苯氧化制苯酐、丙烯和丙烷氧化制丙烯腈均可进行晶格氧氧化反应的探索。关于晶格氧氧化的研究与开发，一方面要根据不同的烃类氧化反应，开发选择性好、载氧能力强、耐磨强度好的新催化材料；另一方面要根据催化剂的反应特点，开发相应的反应器及其工艺。,3.5.3 选择性催化氧化,3.5 绿色催化剂与催化技术,3.5.1 酸碱催化剂绿色化 3.5.2 分子筛催化剂 3.5.3 选择性催化氧化 3.5.4 生物催化剂 3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,3.5.1 酸碱催化剂绿色化 3.5.2 分子筛催化剂 3.5.3 选择性催化氧化 3.5.4 生物催化剂 3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,生命科学是当前科学发展的重要前沿，化学工程向生命科学领域渗透正是当前过程工程科学发展最活跃的领域。由于生物的生命过程可以局部地抗拒熵增的宇宙总趋势，表现为“反熵”过程，所以，生物催化的研究和发展就更具有特殊的科学意义。,3.5.4 生物催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,生命科学主要与两个化学反应有关 植物生命活动： 动物生命活动：,3.5.4 生物催化剂,+ O2,3.5 绿色催化剂与催化技术,这两个过程及其它重要的生命化学过程都是在生物催化剂酶存在下进行的。酶是一种特殊的蛋白质，对化学反应和生物化学反应有催化作用，但与化学催化剂不同，酶的催化效率比化学催化高得多，一般是化学催化的107倍，甚至可达1014倍。,3.5.4 生物催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,由于酶具有生物活性，其本身就是蛋白质，所以酶对反应底物的生物结构和立体结构具有高度的专一性，特别是对反应底物的手性、旋光性和异构体具有高度的识别能力。也就是说，如果反应底物有多种异构体，且具有旋光性，那么一种酶只对其中一种异构体的一种旋光体起催化作用。,3.5.4 生物催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,目前已发现的酶有几千种，可以在条件温和、设备简单、选择性好、副反应少、产品性质优良、环境友好的条件下生产多种化学品。已开发成功从葡萄糖酶催化反应制造苯醌、1,3-丙二醇、乙醇、丁二醇、乳酸、1,2-苯二酚等多种产品。,3.5.4 生物催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,从理论上讲，酶可以在常温常压下催化任何化学反应。但是酶催化剂的催化活性对体系的物理和化学因素特别敏感，体系的酸碱性，体系的温度、压力、某些金属离子对酶的催化活性有决定性影响。这反映了酶催化剂的不稳定性和易变性，给酶催化反应的控制带来很大困难。另外，酶的提取和纯化，酶的固定化等，也是一项技术难度较高的工作，这给酶催化剂的工业应用带来不少困难。,3.5.4 生物催化剂,3.5 绿色催化剂与催化技术,3.5.1 酸碱催化剂绿色化 3.5.2 分子筛催化剂 3.5.3 选择性催化氧化 3.5.4 生物催化剂 3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,3.5.1 酸碱催化剂绿色化 3.5.2 分子筛催化剂 3.5.3 选择性催化氧化 3.5.4 生物催化剂 3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,在非均相催化反应中，由于存在相界面，就会存在传质和传热阻力。相对于液体，SCF的扩散系数大，粘度小，张力也小，有利于反应物的扩散；物质在SCF中的溶解度比气体大，又具有液体所不具有的溶解选择性，可以提高反应物的浓度，加速反应。,3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,特别是SCF可以与一些气体如H2、O2等任意混合，使得氧化和氢化反应加快，并易于控制。相对气体而言，SCF具有很高的热导率，因此对于放热的气相反应来说，在SCF体系中，将有利于及时排除热量。,3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,SCF流体允许人为地控制相行为。反应物的溶解，产物和催化剂的析出以及反应速率和反应的选择性，都可以通过温度和压力的微小变化得以实现。,3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,非均相催化剂失活的主要原因是催化剂表面积炭、结焦，活性中心中毒，活性组分、载体烧结等。利用SCF优异的溶解能力可抽提出催化剂表面上的积炭、结焦和毒物，使催化剂恢复活性，延长催化剂的使用寿命。在易于失活的Y型分子筛催化的苯烷基化反应中，当反应在液相进行时，催化剂活性经过l2h后明显下降，而在SCF相中，却可以保持55h。,3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,SCF相转移催化和SCF酶催化过程将为非均相催化提供环境友好的新途径。由于SCF的特殊性质，使其在烷基化反应、氨基化反应、裂解反应、酯化反应、费托反应、加氢反应、异构化反应以及氧化反应等非均相催化反应中有着广泛的应用。,3.5.5 超临界非均相催化,3.5 绿色催化剂与催化技术,3.5.1 酸碱催化剂绿色化 3.5.2 分子筛催化剂 3.5.3 选择性催化氧化 3.5.4 生物催化剂 3.5.5 超临界非均相催化,3 绿色过程工程基础,3.1 原子经济性反应 3.2 原料绿色化与生物质资源 3.3 溶剂绿色化 3.4 能源绿色化 3.5 绿色催化剂与催化技术 3.6 分离过程绿色化 3.7 非传统过程 3.8 产品绿色化,3 绿色过程工程基础,3.1 原子经济性反应 3.2 原料绿色化与生物质资源 3.3 溶剂绿色化 3.4 能源绿色化 3.5 绿色催化剂与催化技术 3.6 分离过程绿色化 3.7 非传统过程 3.8 产品绿色化,3 绿色过程工程基础,3.6.1 结晶分离新技术 3.6.2 短程蒸馏技术 3.6.3 异构体的绿色分离技术 3.6.4 磁性分离技术 3.6.5 超声结晶分离技术 3.6.6 超临界络合萃取技术 3.6.7 反胶团萃取技术 3.6.8 新型亲和分离技术 3.6.9 纳滤膜分离技术 3.6.10 微波萃取技术 3.6.11 磁稳流化床分离技术,3.6 分离过程绿色化,3 绿色过程工程基础,3.1 原子经济性反应 3.2 原料绿色化与生物质资源 3.3 溶剂绿色化 3.4 能源绿色化 3.5 绿色催化剂与催化技术 3.6 分离过程绿色化 3.7 非传统过程 3.8 产品绿色化,3 绿色过程工程基础,3.1 原子经济性反应 3.2 原料绿色化与生物质资源 3.3 溶剂绿色化 3.4 能源绿色化 3.5 绿色催化剂与催化技术 3.6 分离过程绿色化 3.7 非传统过程 3.8 产品绿色化,3.7 非传统过程,非传统过程是指采用超临界、超声波、超短接触、等离子体、微波、辐射、光电磁能、非定态等极端操作条件去完成常规条件下难以进行的生产过程。 本节介绍等离子体、微波、辐射、非定态等非传统的绿色技术。,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,等离子体是电离状态的气体物质，由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的非凝聚体系，具有宏观尺度内的电中性与高导电性。与物质的固态、液态、气态并列，被称为物质存在的第四态。,3.7.1 等离子体技术,3.7 非传统过程,等离子体是由最清洁的高能粒子组成，不会造成环境污染，对生态系统无不良影响，加上等离子体反应速度快，反应完全，使原料的转化率大大提高，有可能实现原子经济反应。等离子体中的离子、电子、激发态原子、分子及自由基都是极活泼的反应性物种，使通常条件下难以进行或速度很慢的反应变得十分快速，尤其有利于难消解污染物的处理。,3.7.1 等离子体技术,3.7 非传统过程,根据等离子体的能量状态、气体温度和粒子密度，等离子体可分为： #高温等离子体（气体温度104K） *平衡等离子体(或热等离子体) *非平衡等离子体(或冷等离子体) #低温等离子体（气体温度104K）,3.7.1 等离子体技术,3.7 非传统过程,应用 甲烷等离子体化学转化过程 等离子体甲烷转化制合成气主要有等离子体甲烷部分氧化和等离子体甲烷CO2重整两个反应途径。 甲烷氧化制甲醇在热力学上是可行的。 等离子体甲烷转化正在被证明是一种工艺简单、设备小、不要求规模效益、原料利用率高、投资少、无污染、高效的合成方法,3.7.1 等离子体技术,3.7 非传统过程,分子筛催化中的等离子体技术 沸石分子筛具有很强的固体酸性、择形选择性以及阴阳离子之间形成的静电场，在催化领域的应用发展极为迅速。利用等离子体的独特性能对分子筛制备、活化、再生处理以及等离子体增强分子筛改性的研究相当活跃。 等离子体技术制备分子筛负载金属催化剂，具有金属分散度高、处理时间短、能耗少、温度低、不破坏分子筛骨架结构等特点。,3.7.1 等离子体技术,3.7 非传统过程,高分子材料等离子体表面改性 高分子领域中应用的等离子体表面处理技术，是指利用非聚合性气体(如Ar、N2、CO、NH3、O2、H2等)等离子体与高分子材料表面相互作用，使在表面上形成新的官能团和改变高分子链结构，以改善亲(疏)水性、粘接性、表面电学性能、光学性能、生物相容性等。参与表面反应的活性种有激发态分子、离子、自由基及紫外辐射光子。,3.7.1 等离子体技术,3.7 非传统过程,等离子引发接枝聚合 等离子体引发聚合是指利用等离子体产生的活性物种引发特定单体聚合的一种新的聚合方法，分为引发本体、溶液、乳液、悬浮聚合和引发单体在其他被处理材料的表面进行接枝聚合两大类型。,3.7.1 等离子体技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,微波作为一种高效、节能、方便、节时的特殊加热能源广泛应用于食品、材料、化工等领域。在食品加热、灭酶、焙烤、解冻、膨化和杀菌消毒等加工过程都有应用。应用在化学反应、化学分析和环境保护等领域，表现出节省能源和时间、简化操作程序、减少有机溶剂使用、提高反应速率和显著降低化学反应产生的废弃物对环境造成的危害等优点。,3.7.2 微波技术,3.7 非传统过程,微波作用到物质上，可能产生电子极化、原子极化、界面极化及偶极转向极化，其中偶极转向极化对物质的加热起主要作用。 由于微波产生的交变电场以每秒高达数亿次的高速变向，偶极转向极化不具备迅速跟上交变电场的能力而滞后于电场，从而导致材料内部功率耗散，一部分微波能转化为热能，使物质本身加热升温。,3.7.2 微波技术,3.7 非传统过程,微波场中的液相有机合成反应，选择合适溶剂作为微波传递介质是关键。乙酸、丙酮、低碳醇、乙酸丁酯等极性溶剂吸收微波能力较强，可用作微波场中反应溶剂；环已烷、乙醚、苯等非极性溶剂不能直接吸收微波能，但若加入少量极性溶剂可提高其吸收微波的能力，也可作为反应溶剂；有些反应物本身即可作为反应溶剂。在微波场中进行氧化、重排、缩合等液相有机合成反应，往往能收到加快速度、提高转化率的效果。,3.7.2 微波技术,3.7 非传统过程,微波场中的化学合成实例 *选择性地合成光学活性物质 *合成吡咯、喹啉、噻吩等杂环化合物及其衍生物 *无溶剂反应 *淀粉水解制葡萄糖,3.7.2 微波技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,微波等离子体化学反应是将微波能转换为气体分子的内能，使之激发、离解、电离成活性物种，从而发生化学反应。 微波等离子体为无极放电，可获得纯净的等离子体且密度较高；可使反应在热力学非平衡态下进行，克服热力学与动力学因素的相互制约等。,3.7.3 微波等离子体技术,3.7 非传统过程,等离子体空间富集有常规“三态”下不易获得的活性物种，即便在非平衡条件下，高能电子(约llOeV，若折算成温度，leV相当于11600K)也能与分子(原子)进行非弹性碰撞，有效地促进分子(原子)的激发、离解与电离，激活高能量水平的化学反应。,3.7.3 微波等离子体技术,3.7 非传统过程,*等离子体催化反应 *等离子体化学气相沉积 A(气)+B(气)C(固)+D(气) *等离子体表面改性 A(固)+B(气) C(固) *等离子体刻蚀 A(固)+B(气) C(气),3.7.3 微波等离子体技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,辐射主要指电子束、离子束、 射线、中子束、紫外线等，这些射线或粒子流均是高能量的物质，当它们与被加工的物质碰撞时，释放能量并转移给物质中的分子、原子，使物质发生化学变化。,3.7.4 辐射技术,3.7 非传统过程,辐射技术的最大特点是在常温下就能引发一些必须在高温高压下才能进行的化学反应，而且这些射线是以能量形式参加反应，是目前世界上最清洁的反应物。因此，辐射技术作为一种绿色化高新技术，在国际上越来越受到重视 目前研究最多的是聚合、接枝、固化、降解、交联等高分子材料在射线作用下的变化。,3.7.4 辐射技术,3.7 非传统过程,*辐射聚合与固化 *辐射交联和降解 *辐射接枝与复合技术,3.7.4 辐射技术,3.7 非传统过程,采用辐射技术，可以将有机原料和无机原料进行复合反应，生成特殊的复合材料，如“塑木合金”就是将木材先预处理，再用甲基丙烯酸甲酯和(或)苯乙烯浸渍后经辐射处理而成的新型复合材料，这种材料坚硬，不易变形，机械性能好，适合于各种特殊用途,3.7.4 辐射技术,3.7 非传统过程,将玻璃纤维、碳纤维与活性树脂在辐射线作用下复合，生产特种玻璃钢。采用辐射技术制成的“混凝土-塑料”复合材料，具有良好的耐酸碱特性，同时在耐水性、耐气候性、机械性能等方面远优于普通混凝土，是理想的高档建筑材料。辐射技术还可用于制备“无机粉末-塑料”复合材料、“金属粉末-塑料”复合材料等新型材料,3.7.4 辐射技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,通常把频率为2104Hz109Hz的声波叫做超声波。它是由一系列疏密相间的纵波构成的，并通过媒质向四周传播。超声波作为一种波动形式，可作为探测与负载信息的载体或媒介；作为一种能量形式，当强度超过一定值时，就可以通过它与传声媒质的相互作用，去影响、改变甚至破坏后者的状态、性质及结构,3.7.5 超声技术,3.7 非传统过程,当超声波能量足够高时，就会产生“超声空化”现象。空化气泡的寿命约0.1s，爆炸时释放出巨大的能量，并产生速度约11Oms-1、具有强烈冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kgcm-2。空化气泡在爆炸的瞬间产生约4000K和l00MPa的局部高温高压环境，冷却速度可达1O9Ks-1。,3.7.5 超声技术,3.7 非传统过程,超声足以使有机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧或热分解，促进非均相界面间的扰动和相界面更新，加速界面间的传质和传热过程。化学反应和物理过程的超声强化作用主要是由于液体的超声空化产生的能量效应和机械效应引起的。,3.7.5 超声技术,3.7 非传统过程,*超声催化 *超声波在纳米材料制备中的应用 *水体中有机污染物的超声降解技术,3.7.5 超声技术,3.7 非传统过程,超声辐射降解水体中有机污染物的研究，尚处于探索阶段，要使其发展成为一项成熟的水处理技术，还有许多问题亟待解决。相信在声学、化学化工及水处理等各方面学者的共同努力下，这一集高级氧化、燃烧、超临界水氧化等多种水处理技术特点为一身，且使用条件温和、操作简单方便，可单独或与其他水处理技术联合使用的新型水处理技术，必将发挥出巨大的潜力,3.7.5 超声技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,用于放热反应的流向变换非定态反应技术己经用于有色金属冶炼、烟气制硫酸、清除工业废气中的挥发性有机物(VOCs)、NOx的氨还原等，具有广阔的应用前景。,3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,李成岳等在低浓度S02 (0.53%，摩尔分数) 氧化、低浓度COx(0.35%，摩尔分数)加氢合成甲醇和清除工业废气中VOCs(510-4)等方面利用这一反应技术的思想，实验室研究、模型化研究和中试开发取得的主要成果。,3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,与传统反应技术相比，非定态反应技术流程集成度更高、自热操作区更宽、热回收效率更高、热回收成本更低、更适于可逆放热反应。,3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程, 流程集成度更高 热回收效率更高 热回收成本更低 自热操作区更宽 更适于可逆放热反应,3.7.6 非定态反应技术,3.7 非传统过程,3.7.1 等离子体技术 3.7.2 微波技术 3.7.3 微波等离子体技术 3.7.4 辐射技术 3.7.5 超声技术 3.7.6 非定态反应技术,3 绿色过程工程基础,3.1 原子经济性反应 3.2 原料绿色化与生物质资源 3.3 溶剂绿色化 3.4 能源绿色化 3.5 绿色催化剂与催化技术 3.6 分离过程绿色化 3.7 非传统过程 3.8 产品绿色化,3 绿色过程工程基础,3.1 原子经济性反应 3.2 原料绿色化与生物质资源 3.3 溶剂绿色化 3.4 能源绿色化 3.5 绿色催化剂与催化技术 3.6 分离过程绿色化 3.7 非传统过程 3.8 产品绿色化,3.8 产品绿色化,化肥、农药、塑料、橡胶、合成纤维、洗涤剂、化妆品、添加剂、燃料、水处理剂、粘合剂、涂料等等化工产品对人类社会的进步和生活质量的提高做出了巨大贡献，但同时也对人类的生存环境造成了危害。迫切需要开发出对人类和环境无害的绿色化工产品,3.8 产品绿色化,“绿色”象征着自然、生命、健康、舒适和活力，使人回归自然的颜色。在面对环境污染时，被选择为无污染、无公害和环境保护的代名词。绿色化学产品应该对人类健康和环境无毒害，这是对一个绿色化学产品最起码的要求。当产品的原始功能完成后，它不应该原封不动地留在环境中，而是以降解产物的形式，或是作为产品的原料循环，或是作为无毒的物质留在环境中。这就要求在绿色化工产品设计中，产品功能与环境影响并重。,3.8 产品绿色化,美国“总统绿色化学挑战奖”的设计更安全化学品奖，更是体现了这一领域具有最高水平的最新成就。,3.8 产品绿色化,3.8.1 新型海运涂料 3.8.2 新型抗菌剂 3.8.3 新型化学杀虫剂 3.8.4 新型白蚁诱杀剂 3.8.5 绿色表面活性剂,3 绿色过程工程基础,3.1 原子经济性反应 3.2 原料绿色化与生物质资源 3.3 溶剂绿色化 3.4 能源绿色化 3.5 绿色催化剂与催化技术 3.6 分离过程绿色化 3.7 非传统过程 3.8 产品绿色化,绿色过程工程 Green Process Engineering,1 绪 论 绿色过程工程与可持续发展 绿色过程工程基础 过程工程绿色化模式 过程工程生态学 过程强化与设备微型化 过程系统工程,