精细化工第一二章绪论

精细化工工艺学精细化工工艺学教学内容：教学内容：精细化工的基本面貌、技术范畴、重要系列的精细精细化工的基本面貌、技术范畴、重要系列的精细化工产品、基本原理、生产工艺、性能应用和发展趋势。化工产品、基本原理、生产工艺、性能应用和发展趋势。参考书参考书:宋启煌等精细化工工艺学，化学工业出版社，宋启煌等精细化工工艺学，化学工业出版社，1995年；年；李和平，葛虹，精细化工工艺学，科学出版社，李和平，葛虹，精细化工工艺学，科学出版社，1998年；年；广东工学院精细化工教研室，精细化工基本生产技术及其应广东工学院精细化工教研室，精细化工基本生产技术及其应用广东科技出版社，用广东科技出版社，1995年；年；刘程，表面活性剂应用大全，北京工业出版社，刘程，表面活性剂应用大全，北京工业出版社，1994年；年；曾繁涤，精细化工产品及工艺学，化工出版社，曾繁涤，精细化工产品及工艺学，化工出版社，1997年；年；闫鹏飞等，闫鹏飞等，精细化学品化学精细化学品化学，化工出版社，化工出版社，2004年。年。1.1 精细化工的定义精细化工的定义1.2 精细化工的范畴和分类精细化工的范畴和分类1.3 精细化工的特点精细化工的特点1.4 精细化工在国民经济中的作用精细化工在国民经济中的作用1.5 精细化工的原料资源精细化工的原料资源 第一章第一章 绪论绪论1.1 精细化工的定义精细化工的定义一、化工产品的分类一、化工产品的分类化工化工产品产品通用化通用化工产品工产品（1）大吨位，非差别性化学品。同一）大吨位，非差别性化学品。同一产品，各厂生产的都有统一的规格产品，各厂生产的都有统一的规格(如如尿素、甲醇、醋酸）。尿素、甲醇、醋酸）。（2）大吨位，差别性化学品。同一类）大吨位，差别性化学品。同一类中，各厂生产的品种可能有不同的规格、中，各厂生产的品种可能有不同的规格、性能和用途（如三大合成材料）。性能和用途（如三大合成材料）。精细化精细化工产品工产品（1）小吨位，非差别性化学品。产品）小吨位，非差别性化学品。产品生产量少，但有统一的商品标准（如生产量少，但有统一的商品标准（如表面活性剂、医药农药的原料）。表面活性剂、医药农药的原料）。（2）小吨位，差别性化学品。这些）小吨位，差别性化学品。这些产品能有专门用途，注重产品配方产品能有专门用途，注重产品配方（如化妆品、洗涤用品）。（如化妆品、洗涤用品）。二、精细化工的定义精细化工的定义 生产精细化工产品的工业叫精细化工。生产精细化工产品的工业叫精细化工。1.2 精细化工的范畴和分类精细化工的范畴和分类 十九世纪前出现的精细化工行业有：医药、染料、油十九世纪前出现的精细化工行业有：医药、染料、油漆、肥皂、农药等；漆、肥皂、农药等；新兴的精细化工行业正在不断发展，一些老行业也不新兴的精细化工行业正在不断发展，一些老行业也不断充实了新内容：如染料从棉布用转向合成纤维用；油漆断充实了新内容：如染料从棉布用转向合成纤维用；油漆转向涂料；肥皂转向合成洗涤剂。转向涂料；肥皂转向合成洗涤剂。精细化工产品指对基本化学工业生产的初级化学品精细化工产品指对基本化学工业生产的初级化学品（三烯、三苯、乙炔、萘）或次级化学品（醇、醛、酸、（三烯、三苯、乙炔、萘）或次级化学品（醇、醛、酸、卤代烃等）进行深加工而取得的具有特定功能、特定用途、卤代烃等）进行深加工而取得的具有特定功能、特定用途、小批量的系列产品小批量的系列产品.我国对精细化工产品的分类我国对精细化工产品的分类（1986年由化工部制定）年由化工部制定）(1)农药；农药；(2)染料；染料；(3)涂料涂料(包括油漆和油墨包括油漆和油墨)；(4)颜料；颜料；(5)试剂和高纯物；试剂和高纯物；(6)信息用化学品信息用化学品(包括感光材料、磁性材料等能接受电磁包括感光材料、磁性材料等能接受电磁 波的化学品波的化学品)；(7)食品和饲料添加剂；食品和饲料添加剂；(8)粘合剂；粘合剂；(9)催化剂和各种助剂；催化剂和各种助剂；(10)化学药品化学药品(原料药原料药)和日用化学品；和日用化学品；(11)功能高分子材料功能高分子材料(包括功能膜、偏光材料等包括功能膜、偏光材料等)。注意点：注意点：1、每一项都包括多项子项，如催化剂和助剂；、每一项都包括多项子项，如催化剂和助剂；2、仍在不断发展之中，种类在不断变化；、仍在不断发展之中，种类在不断变化；3、考虑到化工部的管辖范围，并未包含精细化工的全部内、考虑到化工部的管辖范围，并未包含精细化工的全部内容。（如化妆品，酶，精细陶瓷等）容。（如化妆品，酶，精细陶瓷等）1.3 精细化工的特点精细化工的特点一、小批量，多品种一、小批量，多品种 产品应用面窄，针对性强，一种类型的产品可以有多种产品应用面窄，针对性强，一种类型的产品可以有多种牌号，如洗发水、表面活性剂、染料。牌号，如洗发水、表面活性剂、染料。二、生产工艺精细、技术密集性高二、生产工艺精细、技术密集性高（1）生产过程长，包括化学合成和改性、复配，影响因素多。）生产过程长，包括化学合成和改性、复配，影响因素多。（2）技术含量高，开发投入多。）技术含量高，开发投入多。一个定型产品通常要从几十个甚至上百个配方中筛选出一个定型产品通常要从几十个甚至上百个配方中筛选出来。其研究开发要经过市场调查、产品合成、应用研究、市场来。其研究开发要经过市场调查、产品合成、应用研究、市场开发等过程。时间长、成功率低、耗资大。如开发一种新药需开发等过程。时间长、成功率低、耗资大。如开发一种新药需5-10年。年。（3）技术保密性强，更新换代快。）技术保密性强，更新换代快。因精细化工产品附加值高，市场寿命短，故有很强的保密因精细化工产品附加值高，市场寿命短，故有很强的保密性，一段时间内甚至会出现技术垄断；如保健品市场寿命通常性，一段时间内甚至会出现技术垄断；如保健品市场寿命通常只有只有3-4年。年。三、综合生产流程和多功能生产装置三、综合生产流程和多功能生产装置 虽然精细化工产品种类繁多，但合成单元反应不外乎十虽然精细化工产品种类繁多，但合成单元反应不外乎十几种，其反应、流程和设备有很多相似之处，厂家广泛采用几种，其反应、流程和设备有很多相似之处，厂家广泛采用多品种总合市场流程，一套流程可经常改变生产品种和牌号，多品种总合市场流程，一套流程可经常改变生产品种和牌号，以适应精细化工多品种、小批量的特点。以适应精细化工多品种、小批量的特点。四、大量采用复配技术四、大量采用复配技术 利用物理方法使多种组分均匀混合，使产品体现多种性利用物理方法使多种组分均匀混合，使产品体现多种性能和协同作用，配方的研究是决定性因素。能和协同作用，配方的研究是决定性因素。如化妆品、洗涤剂。如化妆品、洗涤剂。五、投资效率高、附加值高、利润大五、投资效率高、附加值高、利润大投资效率投资效率（%）=（附加价值（附加价值/固定资产）固定资产）%附加价值附加价值指产品的产值中扣去原材料、税金和厂房折旧指产品的产值中扣去原材料、税金和厂房折旧费后剩余部分的价值。费后剩余部分的价值。精细化学品产量小，装置规模小，多采用间歇操作，通精细化学品产量小，装置规模小，多采用间歇操作，通用性强、投资少、见效快。一般投产用性强、投资少、见效快。一般投产5年即可收回设备投资。年即可收回设备投资。（1）精细化工的附加价值在化学工业中是最高的；）精细化工的附加价值在化学工业中是最高的；（2）精细化工的利润率高，加工深度越深，获利润越大。）精细化工的利润率高，加工深度越深，获利润越大。石油化工原料加工成三大合成材料可增值石油化工原料加工成三大合成材料可增值8倍，加工成精倍，加工成精细化学品可增值细化学品可增值100倍。倍。1.4 精细化工在国民经济中的作用精细化工在国民经济中的作用精细化工产品的作用主要体现在以下两个方面：精细化工产品的作用主要体现在以下两个方面：1、直接用作最终产品，如：染料、香料、农药、医药、涂、直接用作最终产品，如：染料、香料、农药、医药、涂料、料、黏合剂、化妆品。黏合剂、化妆品。2、作为过程添加剂赋予主产品特定的性能，如增塑剂、阻、作为过程添加剂赋予主产品特定的性能，如增塑剂、阻燃剂、抗静电剂。燃剂、抗静电剂。一、精细化工与农业的关系一、精细化工与农业的关系 精细化工在农业中的应用主要有农药、兽药、饲料添加精细化工在农业中的应用主要有农药、兽药、饲料添加剂和微量元素肥料。剂和微量元素肥料。使用农药所获效益是农药费用的使用农药所获效益是农药费用的5倍以上；除草剂的效率倍以上；除草剂的效率可十倍于物理除草；植物生长调节剂能阻止蔬菜休眠，促进可十倍于物理除草；植物生长调节剂能阻止蔬菜休眠，促进果树和花卉生根、调节开花促进成熟。果树和花卉生根、调节开花促进成熟。饲料添加剂以其完善的营养促进动物生长和防止疾病，饲料添加剂以其完善的营养促进动物生长和防止疾病，如美国肉食鸡上市日龄如美国肉食鸡上市日龄1934年为年为95天到天到1984年缩短为年缩短为47天，天，料肉比从料肉比从4.3降至降至1.96；德国的来航鸡年产蛋量；德国的来航鸡年产蛋量335-354个，平个，平均蛋重均蛋重63克，料蛋比克，料蛋比2.36。二、精细化工与轻工业和人民生活的关系二、精细化工与轻工业和人民生活的关系 以表面活性剂为例，可用于：以表面活性剂为例，可用于：洗涤剂工业：肥皂、合成洗涤剂、洗发水、餐具洗涤剂；洗涤剂工业：肥皂、合成洗涤剂、洗发水、餐具洗涤剂；纺织印染工业：柔软剂、抗静电剂及其他纺织助剂；纺织印染工业：柔软剂、抗静电剂及其他纺织助剂；食品工业和化妆品工业：食品添加剂、化妆品中使用的乳食品工业和化妆品工业：食品添加剂、化妆品中使用的乳化剂等。化剂等。与人民生活密切相关的精细化工产品还有香精、香料、与人民生活密切相关的精细化工产品还有香精、香料、各类化妆品、粘合剂、涂料、感光材料、纺织工业助剂（硬各类化妆品、粘合剂、涂料、感光材料、纺织工业助剂（硬挺整理剂、防水整理剂、阻燃剂等）。挺整理剂、防水整理剂、阻燃剂等）。三、精细化工与军工、高科技领域的关系三、精细化工与军工、高科技领域的关系 用于航空工业的特种黏合剂，如：巨型火箭上液态氢、用于航空工业的特种黏合剂，如：巨型火箭上液态氢、液态氧贮箱的粘接；人造卫星上太阳能电池的粘接；导弹液态氧贮箱的粘接；人造卫星上太阳能电池的粘接；导弹弹头的装配。生物陶瓷可被用作人工骨骼、关节、牙齿及弹头的装配。生物陶瓷可被用作人工骨骼、关节、牙齿及人造器官（心脏瓣膜、人造喉管），与生物体具有很好的人造器官（心脏瓣膜、人造喉管），与生物体具有很好的相容性、耐蚀、无毒、无刺激、有足够的机械强度。相容性、耐蚀、无毒、无刺激、有足够的机械强度。目前，精细化率已成为衡量一个国家现代化程度的标准。目前，精细化率已成为衡量一个国家现代化程度的标准。精细化率精细化率=精细化工总产值精细化工总产值化工总产值化工总产值发达国家精细化率在发达国家精细化率在60%以上，以上，1995年我国约年我国约35%。化学工业化学工业有机化工有机化工无机化工无机化工基本有机化工基本有机化工精细有机化工精细有机化工基本无机化基本无机化工工精细无机化精细无机化工工三酸（硫酸、盐酸、硝酸）三酸（硫酸、盐酸、硝酸）二碱（烧碱、纯碱）二碱（烧碱、纯碱）肥料（合成氨、尿素）肥料（合成氨、尿素）1.5 精细化工的原料资源精细化工的原料资源 精细化工的原料资源主要是煤、石油、天然气和农副产品。精细化工的原料资源主要是煤、石油、天然气和农副产品。煤煤石油石油天然气天然气农副产品农副产品基本有机化工产品基本有机化工产品包括初级产品：包括初级产品：三烯、三苯、乙炔、三烯、三苯、乙炔、萘。萘。次级产品：醇、醛、次级产品：醇、醛、酸、卤代烃等酸、卤代烃等精细化工产品精细化工产品三大合成材料三大合成材料一、煤的加工一、煤的加工 煤的加工主要有焦化、气化、生产电石，其中与精细煤的加工主要有焦化、气化、生产电石，其中与精细化工有密切关系的是焦化，其副产物煤焦油和粗苯可分离化工有密切关系的是焦化，其副产物煤焦油和粗苯可分离出多种芳香族原料。出多种芳香族原料。粗苯中含有粗苯中含有50-70%的苯，的苯，12-22%的甲苯和的甲苯和2-6%的二的二甲苯，可通过精馏将其分离。甲苯，可通过精馏将其分离。煤焦油组成复杂，已验证的约有煤焦油组成复杂，已验证的约有500多种组分，其中多种组分，其中含有多种石油化工不能得到的组分，如萘、蒽、菲、苯酚含有多种石油化工不能得到的组分，如萘、蒽、菲、苯酚等。等。二、石油加工二、石油加工 石油先经常减压精馏分割成汽油、煤油、柴油、重油等石油先经常减压精馏分割成汽油、煤油、柴油、重油等馏分，将这些馏分进一步加工可得到各种化工原料。馏分，将这些馏分进一步加工可得到各种化工原料。以制取化工原料为目的的加工方法主要有以下几种：以制取化工原料为目的的加工方法主要有以下几种：1、催化重整、催化重整 烃类原料在催化剂存在下进行碳架结构的重新调整，以烃类原料在催化剂存在下进行碳架结构的重新调整，以制取芳烃，如：环烷烃脱氢芳构化、环烷烃异构化脱氢、烷制取芳烃，如：环烷烃脱氢芳构化、环烷烃异构化脱氢、烷烃脱氢芳构化。烃脱氢芳构化。2、烃类热裂解、烃类热裂解 将石油馏分经高温作用，使烃类分子发生碳链断裂或脱将石油馏分经高温作用，使烃类分子发生碳链断裂或脱氢反应，生成分子量较小的烯烃、炔烃和芳烃的过程。氢反应，生成分子量较小的烯烃、炔烃和芳烃的过程。2、氧化裂解制乙炔、氧化裂解制乙炔3、直接生产各种化工产品，如一氯甲烷、二氯甲烷、直接生产各种化工产品，如一氯甲烷、二氯甲烷、CHCL3四、农副产品的利用四、农副产品的利用1、含淀粉类物质经发酵制乙醇、丁醇、丙酮。、含淀粉类物质经发酵制乙醇、丁醇、丙酮。2、含纤维素、半纤维素的物质水解可得己糖和戊糖，己糖发、含纤维素、半纤维素的物质水解可得己糖和戊糖，己糖发酵得乙醇，戊糖水解得糠醛。酵得乙醇，戊糖水解得糠醛。3、各种动物油和植物油（油脂）水解可得甘油和各种脂肪酸。、各种动物油和植物油（油脂）水解可得甘油和各种脂肪酸。三、天然气的利用三、天然气的利用 天然气的主要成分是甲烷，其化工利用主要有三条途径：天然气的主要成分是甲烷，其化工利用主要有三条途径：1、经高温水蒸气转化生产合成气，进一步生产化工产品。、经高温水蒸气转化生产合成气，进一步生产化工产品。第一章第一章 思考题思考题1、化工产品通常分为哪些类别？其中哪些可列入精细化工、化工产品通常分为哪些类别？其中哪些可列入精细化工产品的范畴？产品的范畴？2、精细化工有哪些特点、精细化工有哪些特点?3、名词解释：投资效率、附加价值、精细化率。、名词解释：投资效率、附加价值、精细化率。4、简述精细化工与农业、轻工业、军工及高科技的关系。、简述精细化工与农业、轻工业、军工及高科技的关系。5、精细化工的原料资源有哪些？简述与精细化工密切相关、精细化工的原料资源有哪些？简述与精细化工密切相关的煤、石油的加工途径。的煤、石油的加工途径。2.1 概述概述 化学工业：化学工业：v化学工业化学工业(chemical industry)(chemical industry)又称化学加工工业，泛指又称化学加工工业，泛指生产过程中化学方法占主要地位的过程工业。在化学工业生产过程中化学方法占主要地位的过程工业。在化学工业范围内，如果以化工产品分类，可包括无机化工、基本有范围内，如果以化工产品分类，可包括无机化工、基本有机化工、高分子化工、精细化工等。机化工、高分子化工、精细化工等。第二章第二章 精细化工工艺学基础精细化工工艺学基础化学工程学：化学工程学：化学工程学主要研究化学工业和其他过程工业生产中化学工程学主要研究化学工业和其他过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程的共同规律，它的一个重要所进行的化学过程和物理过程的共同规律，它的一个重要任务就是研究有关工程因素对过程和装置的效应，特别是任务就是研究有关工程因素对过程和装置的效应，特别是放大中的效应。放大中的效应。化学工程研究内容与方向化学工程研究内容与方向包括单元操作、化工热力学、包括单元操作、化工热力学、传递过程、化学反应工程、分离工程、过程系统工程及其传递过程、化学反应工程、分离工程、过程系统工程及其它学科分支。它学科分支。v化学工艺：化学工艺：v化学工艺（化学工艺（chemical technology）即化工生产技术，系指）即化工生产技术，系指将原料主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实将原料主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实现这种转变的全部化学的和物理的措施。现这种转变的全部化学的和物理的措施。化学工艺学：化学工艺学：v化学工艺学研究的范畴化学工艺学研究的范畴：一般包括原料的选择和预处理；生：一般包括原料的选择和预处理；生产方法的选择及方法原理；设备的作用、结构和操作；催化产方法的选择及方法原理；设备的作用、结构和操作；催化剂的选择和使用；操作条件的影响和选定；流程组织；生产剂的选择和使用；操作条件的影响和选定；流程组织；生产控制；产品规格和副产物的分离与利用；能量的回收和利用；控制；产品规格和副产物的分离与利用；能量的回收和利用；对不同工艺路线和流程的技术经济评比等问题。对不同工艺路线和流程的技术经济评比等问题。v化学工程与化学工艺相结合，可以解决化工过程开发、装置化学工程与化学工艺相结合，可以解决化工过程开发、装置设计、操作原理及方法等方面的问题。设计、操作原理及方法等方面的问题。精细化工工艺学包括的内容：对具体产品选择和确定合理精细化工工艺学包括的内容：对具体产品选择和确定合理的合成路线和工艺路线；对单元反应确定最佳工艺条件、合成的合成路线和工艺路线；对单元反应确定最佳工艺条件、合成技术和完成反应的方法，以得到高质量、高产率的产品。技术和完成反应的方法，以得到高质量、高产率的产品。合成路线合成路线指选用什么原料，经哪些单元反应来制备目的指选用什么原料，经哪些单元反应来制备目的 产品。产品。工艺条件工艺条件指反应物的摩尔配比、转化率、反应物浓度、指反应物的摩尔配比、转化率、反应物浓度、温度、压力、催化剂等条件。温度、压力、催化剂等条件。工艺路线工艺路线指对原料的预处理和粗产品的后处理采用哪些单元指对原料的预处理和粗产品的后处理采用哪些单元 操作来完成，采用什么设备和什么工艺流程等。操作来完成，采用什么设备和什么工艺流程等。合成技术合成技术指均相反应、非均相反应、均相络合催化、指均相反应、非均相反应、均相络合催化、酶酶 催化等。催化等。完成反应的方法完成反应的方法指间歇操作还是连续操作及反应器的指间歇操作还是连续操作及反应器的选择等问题。选择等问题。几个重要指标几个重要指标一、反应物的摩尔比一、反应物的摩尔比 指加入反应器的几种反应物间的摩尔配比。指加入反应器的几种反应物间的摩尔配比。2.2 化学计量学化学计量学二、限制反应物和过量反应物二、限制反应物和过量反应物 反应物不按化学计量投料时，以最小化学计量数存在的反应物不按化学计量投料时，以最小化学计量数存在的反应物叫限制反应物，超过的叫过量反应物。反应物叫限制反应物，超过的叫过量反应物。xA=反应掉原料反应掉原料A的量的量通入原料通入原料A的量的量四、选择性四、选择性 转化为目的产物消耗的转化为目的产物消耗的A量与反应掉量与反应掉A的总量之比。的总量之比。S=转化为目的产物的转化为目的产物的A量量反应掉的反应掉的A量量三、转化率三、转化率 反应掉的反应掉的A量占通入反应器量占通入反应器A量的百分数。量的百分数。五、收率五、收率 生成目的产物消耗的生成目的产物消耗的A量与通入反应物的量与通入反应物的A量之比。量之比。yp=转化为目的产物的原料转化为目的产物的原料A量量通入的原料通入的原料A量量六、重量收率六、重量收率 yw=所得目的产物的重量所得目的产物的重量通入某反应物的重量通入某反应物的重量转化率、选择性、收率之间的关系：转化率、选择性、收率之间的关系：收率收率=转化率转化率选择性选择性七、单程转化率和总转化率七、单程转化率和总转化率 对有循环物料的反应系统，单程转化率指原料一次通过反对有循环物料的反应系统，单程转化率指原料一次通过反应器时的转化率；总转化率指原料经过整个系统的转化率。应器时的转化率；总转化率指原料经过整个系统的转化率。2.3 化学反应器化学反应器一、间歇操作和连续操作一、间歇操作和连续操作 间歇操作是将反应物料一次加入反应器中，经一定时间间歇操作是将反应物料一次加入反应器中，经一定时间完成特定的反应后，将产物从反应器中取出。完成特定的反应后，将产物从反应器中取出。连续操作是将各种反应物按一定比例和恒定的速度连续连续操作是将各种反应物按一定比例和恒定的速度连续加入反应器中，同时以恒定的速度连续排出反应产物。加入反应器中，同时以恒定的速度连续排出反应产物。二、常用反应器类型二、常用反应器类型管式：管式：长度长度远较远较直径直径大，大，内部中空内部中空，多，多用于均相反应用于均相反应.管管 式式 裂裂 解解 炉炉釜式：釜式：高度高度与与直径大致相当，用于均直径大致相当，用于均相相或多相反应或多相反应.串联反应釜塔式：塔式：高度高度为为直径直径数倍至十余倍，数倍至十余倍，用于用于两两流体流体相相反应过程反应过程（气（气液、液液、液液），可液），可逆流、也可并流操作。逆流、也可并流操作。固定固定床：床：反应器内装有固定反应器内装有固定不动的不动的固体颗粒固体颗粒，它，它可以可以是是催化催化剂剂或或固体反应物固体反应物.G流化床：流化床：颗粒处于运动颗粒处于运动状态，如状态，如沸腾的液体。沸腾的液体。G GS移动床：固体颗粒从顶部连续加入，自上而下移动，由底部移动床：固体颗粒从顶部连续加入，自上而下移动，由底部 卸出卸出.第二章思考题第二章思考题1、解释下列名词：合成路线、工艺路线、合成技术。、解释下列名词：合成路线、工艺路线、合成技术。2、几个重要指标：转化率、选择性、收率、重量收率、几个重要指标：转化率、选择性、收率、重量收率、单程转化率和总转化率的概念及应用。单程转化率和总转化率的概念及应用。3、工业上常用化学反应器有那些？了解其结构。、工业上常用化学反应器有那些？了解其结构。4、分别简述化学工程学和化学工艺学研究的主要内容。、分别简述化学工程学和化学工艺学研究的主要内容。