精细化工设备-精细化工基础知识

1,精细化工设备,20152016第2学期,参考教材精细化工设备刘红波 等 科学出版社精细化工过程与设备杨春晖 等 哈尔滨工业大学出版社版社精细化工过程与设备濮存恬 化工工业出版社任课教师：任宝东 1015170065qq.com 137 5871 0157,第01次课,第1章 精细化工基础知识第2章 精细化工设备材料与防护第3章 物料输送设备第4章 粉碎和筛分机器设备第5章 混合机械设备第6章 乳化和均质设备第7章 容器和反应设备,精细化工设备主要内容,课程主要内容,第8章 分离设备第9章 产品成型设备第10章 装料和包装设备第11章 管道与阀门,3,本节内容：1.1 精细化学品的概念 1.2 精细化学品的分类1.3 精细化工的特点1.4 精细化工发展概况 1.5 精细有机合成的原料资源1.6 精细有机合成的主要单元反应1.7 精细化工对设备的要求1.8 精细化工设备的类型,第1章 精细化工基础知识,第1章 精细化工基础知识,4,精细化工 ：是生产精细化学品（fine chemicals）和专用化学品(special chemicals)的工业，它是在20世纪70年代开始形成的独立学科和高新产业，是正在发展之中的一门新兴学科。,1.1 精细化学品的概念,1.1 精细化学品的概念,5,精细化学品 ：传统定义是 “批量小、纯度或质量要求高，而且利润高的化学品”。对化学品可以首先根据其 “是否具有固定的熔点或沸点，是否能以分子式或结构式表示其结构”，划分为无差别化学品和差别化学品，然后再根据其用途进行分类：,1.1 精细化学品的概念,6,（1） 通用化学品 大量生产的无差别化学品，如无机物的酸、碱、盐，及有机物的甲醇、乙酸、硝基苯等。（2） 准通用化学品 大量生产的差别化学品，如塑料、合成纤维、合成橡胶等。（3） 精细化学品 小量生产的无差别化学品，如原料医药、原料农药、原料染料等。（4）专用化学品 小量生产的差别化学品，如医药制剂、农药制剂、商品染料等,1.1 精细化学品的概念,7,1.2 精细化学品的分类,不同的国家根据自身的生产和管理体制分类有所差别，有些国家分的细一些，有的国家粗一些。 精细化工与国民经济的各个领域，以及人们的日常生活密切相关，因此门类很多。,1.2 精细化学品的分类,8,欧美 将专用化学品（小量生产的差别化学品）细分3大类，每一类又细分为许多小类“联合国经济合作及发展组织” 将专用化学品细分为47类日本 1993年化学工业统计月报工业统计表将精细化学品分为32个门类。,1.2 精细化学品的分类,9,中国 1986年3月原化学工业部精细化工产品分类暂行规定将其分为11类。这11类分别为: (1)农药;(2)染料;(3)涂料（含油漆和油墨）;(4)颜料;(5)试剂和高纯物;(6)信息用化学品(感光材料、磁材料等);(7)食品和饲料添加剂;(8)黏合剂;(9)催化剂和各种助剂;(10)(化工系统生产的)化学药品（原料药）和日用化学品;(11)(高分子聚合物中的)功能高分子材料（包括功能膜、偏光材料等）。每一门类又可分为许多小类。,1.2 精细化学品的分类,10,精细化学品几乎应用于国民经济的各个领域，包括工业、农业、国防、民用等各个方面，如炼油助剂与油品添加剂、油田化学品、医药保健品、洗涤化妆用品以及其它各类助剂与添加剂等。,随着生产的发展、科学技术的进步和人民生活水平的提高，精细化工在经济建设和社会发展中将具有越来越重要的战略地位。,1.2 精细化学品的分类,11,精细化学品的生产过程（精细化工产品生产过程），不同于基本化工产品的生产，它是由化学合成（包括前处理和后处理）、剂型加工（制剂）和商品化（标准化）三部分才得到最终商品。 精细化工产品的生产主要表现出以下特点：,1.3 精细化工的特点,1.3 精细化工的特点,12,（1） 多品种与小批量,每种精细化工产品均具有其特定功能和专用性质，生产的针对性很强，以满足社会的不同需要，因此它们不可能象基本化工产品那样大批量生产。,1.3 精细化工的特点,13,例如原油破乳剂，由于原油种类、组成的多样性和复杂性，破乳剂的牌号也是多种多样，新的品种也在不断涌现。再如表面活性剂，由于应用对象的不同而出现了各种性能的产品，国外也已有5000多个品种投放市场。,1.3 精细化工的特点,14,精细化工是综合性较强的技术密集型工业，不仅要考虑化学合成，还必须考虑如何使之商品化。这就要求多门学科知识相互配合，并综合运用。涉及到的学科：化学、物理、生理、技术、经济等多方面技术的综合运用。,（2） 高技术密集度,1.3 精细化工的特点,15,（2） 常采用多品种综合生产流程和多功能生产装置,多数精细化工产品需要由基本原料出发，经过深度加工才能制得，因而生产流程长（有的需要十几步）、工序多。因产量小，故往往采用间歇生产。,1.3 精细化工的特点,16,精细化工产品的作用往往是多种化学组分的综合效应：为了满足各种专门用途的需要，单一组分往往无法满足其要求，必须进行多组分复配（即通常讲的配方）。,（4） 大量应用复配技术,1.3 精细化工的特点,17,装置的规模小，多采用间歇生产方式，与连续化生产的大装置相比，投资少，见效快。新产品的销售利润空间比较大。,（5） 投资小，附加价值高，利润大商品性强,1.3 精细化工的特点,18,1.4 精细化工发展概况,1.4.1 精细化工的产生和发展 精细化工的产生和发展是与人们的生活和生产活动紧密联系在一起的，如日用化学品、农用化学品。 目前的有些精细化学品，就其性质与用途看，实际上在我国古代即已有之。如我国四大发明之一的火药，就是我国早期重要的精细化学品，它对人类的进步曾做出过重大贡献。,1.4 精细化工发展概况,19,1.4.2 中国精细化工发展概况,我国精细化工的基础较为薄弱，与国外先进水平相比差距较大，尤其是高新技术的精细化工发展水平更低。自改革开放后，我国已把精细化工的发展列入国民经济的战略重点，并在政策和资金上予以倾斜。,1.4 精细化工发展概况,20,精细化工是随着有机合成的发展而发展起来的一门新型工业。而有机合成的发展与原料来源有着密切的关系。有机合成的原料非常广泛，主要包括有机可燃矿产资源和天然生物有机质，即煤、石油、天然气及农林产品以及副产品等均可作为有机化工生产的起始原料。,1.5 精细有机合成的原料资源,1.5 精细有机合成的原料资源,21,1.5.1 煤 十九世纪后半叶，钢铁工业的大发展促进了煤炭炼焦业的兴起与发展。炼焦过程副产大量煤焦油。从煤焦油中提取的芳烃、含氮、含氧及含硫有机物可制造出多种有机化学品如药物、染料等。因此，与煤焦油有关的化学工业非常活跃。煤焦油工业的发展奠定了有机化学工业的基础，对有机化学工业的发展起了极大地促进作用。,1.5 精细有机合成的原料资源,22,从煤炭资源看，我国已探明的煤炭储量占世里煤炭储量的33.8，可采量位居第二，产量位居世界第一位，出口量仅次于澳大利亚而居于第二位，我国煤炭探明储量仅供开采100年 。,1.5 精细有机合成的原料资源,23,因此，20世纪70年代以来，煤化工研究领域很活跃，主要集中在煤气化制合成气，再由合成气合成有机化工产品、液体燃料及高分子材料。因此一个以煤气化为龙头的“一碳化学”新兴领域迅速发展，是煤化工的一个新阶段。此外，煤炭液化方面的研究也很活跃。,1.5 精细有机合成的原料资源,24,（1）煤焦油,煤在隔绝空气下，在10001200进行干馏，生成焦炭、煤焦油、粗苯和煤气。 煤焦油为黑色黏稠液体，主要成分是芳烃和杂环化合物，已经鉴定出得成分有400多种。 粗苯经分离可得到苯、甲苯和二甲苯,煤化工主要包括三个方面：煤焦油、乙炔及合成气化工。,1.5 精细有机合成的原料资源,25,1892年、加拿大人Thomas Lovel Willson发明了用焦炭和石灰石熔炼出电石。由电石可方便地得到乙炔。随着对乙炔化学利用的开发，由乙炔可以合成出许多种有机化学品，如乙醛、丙酮、醋酐、乙醇、正丁醇等，从而使电石工业迅速发展起来。此后，由于高分子材料的发展，使乙炔制丁二烯、氯乙烯、丙烯睛、丁二醇、丙烯酸等的生产技术和生产规模，达到了一个新水平。由此乙炔被称为“有机合成工业之母”。,（2）乙炔,1.5 精细有机合成的原料资源,26,煤炭气化可以制取合成气。1880年开始的煤炭气化最初只是作为燃料（城市煤气）。1913年德国开始合成氨，2030年代开始合成甲醇，之后各国开发出了大量有机化学品。合成气是不同比例的一氧化碳和氢气的混合气。与以合成气为原料有关的化学合成称为“一碳化学”。石油危机以来，“一碳化学”研究领域异常活跃。,（3）合成气,1.5 精细有机合成的原料资源,27,1.5.2 石油 石油化工的发展经历了两个阶段，即炼厂气的综合利用阶段和石油化工独立发展阶段。 20世纪二十年代，美国的炼油工业发展迅速。以炼油副产炼厂气中的丙烯为原料，成功地合成出了异丙醇（1920年），这是第一个石油化学品，标志着石油化工的诞生。异丙醇主要用于脱氢制丙酮。丙酮是飞机喷漆使用的重要溶剂。这是炼厂气的综合利用阶段,1.5 精细有机合成的原料资源,28,1925年、美国联合碳化物公司开始进行乙烷、丙烷高温裂解制造乙烯、丙烯的工业生产，为石油化工独立发展奠定了基础。标志着石油化工进入了独立发展阶段。石油裂解制乙烯以及一系列以乙烯为原料的有机合成工艺的开发成功，极大地促进了石油化工的发展，因为以乙烯、丙烯等为原料可以很方便地合成出从低分子到高分子的大量化工产品。而乙烯、丙烯可以很方便地以石油为原料通过裂解工艺得到。,1.5 精细有机合成的原料资源,29,石油作为化工原料需要进行2次加工：一次加工就是石油炼制，是利用常减压蒸馏将石油分割成直馏汽油、柴油和润滑油等馏分。提供化工原料的二次加工过程主要是催化重整和高温热裂解。利用二次加工的产物作为原料，生产塑料、橡胶、合成纤维及基本有机原料的加工过程，叫做三次加工。,1.5 精细有机合成的原料资源,30,（1） 催化重整(catalytic reforming) : 将60165的轻汽油馏分或石脑油馏分在480510 、2.03.0MPa氢压和含铂催化剂存在下，使原料中的由链烷烃和环烷烃转化为芳烃，可以提高汽油的辛烷值和生产芳烃。,1.5 精细有机合成的原料资源,31,Fig. catalytic reforming, generalized flow diagram,1.5 精细有机合成的原料资源,32,（2）高温热裂解 (Pyrolysis）：生产基本有机化工原料，如乙烯(ethylene)。我们日常生活中的聚乙烯PE(Polyethylene)、聚丙烯PP(polypropene)、聚苯乙烯PS(polystyrene，即泡沫包装材料)、热塑性聚酯树脂PET(polyethylene terephthakate, 软饮料瓶)，以及聚氯乙烯PVC（polyvinyl chloride）和合成，都要用到乙烯。,1.5 精细有机合成的原料资源,33,Fig. Flow diagram of an ethylene cracker,1.5 精细有机合成的原料资源,34,天然气的主要成分是甲烷，油型天然气含C2以上烃约2(v),煤型天然气含C2以上烃约2025(v), 生物天然气含甲烷97(v)以上。天然气中的甲烷是重要的化工原料，可以芳构化生产轻质芳烃、转化为水煤气或生产化肥等。,1.5.3 天然气,1.5 精细有机合成的原料资源,卤 化磺化和硫酸化 + H2SO4 + H2O 硝化及亚硝化 ArH + HNO3 ArNO2 + H2O,1.6 精细有机合成的主要单元反应,1.6 精细有机合成的主要单元反应,还原 有机分子中增加氢或减少氧氧化 有机分子中减少氢或增加氧氨基化 R-Y + NH3 R-NH2 + HY烃化 有机化合物分子中的C、N、Si、O、P、S等原子上引入烷基的反应 NH2H NH2R,RX,1.6 精细有机合成的主要单元反应,酰化 有机化合物分子中与C、N、O或S原子相连的氢被酰基所取代的反应,1.6 精细有机合成的主要单元反应,水解 水解是指有机化合物YX与水的复分解反应。水中的H进入一个产物，氢氧基OH则进入另一个产物。通式： YX HOH YOH HX,1.6 精细有机合成的主要单元反应,缩合 缩合是两个分子通过反应失去一个小分子生成一个较大分子的反应，以及两个分子通过加成反应生成一个较大分子的反应。,1.6 精细有机合成的主要单元反应,聚合 用于制备高分子化合物缩合聚合,1.6 精细有机合成的主要单元反应,加成聚合,1.6 精细有机合成的主要单元反应,1.7 精细化工对设备的要求,1.7 精细化工对设备的要求,（1）安全可靠 化工设备的使用年限一般是10-15年，要求在使用的年限内有足够的强度、刚度（抵抗变形的能力）、稳定性，良好防腐性与可靠的密封性。 跑冒滴漏现象造成的安全事故较多。,（2）满足工艺条件的要求 需根据工艺选择反应器的压力及体积，输送设备类型及型号，混合干燥方式及速率，成型及包装设备的类型。,1.7 精细化工对设备的要求,（3）制造、安装、维修及操作要方便（4）要讲究经济效益 在安全可靠的基础上，尽量降低成本。,1.7 精细化工对设备的要求,精细化学品生产条件复杂，技术含量高，不同的任务设备也不同。（1）输送设备将原料、半成品及成品从一个设备送到另一个设备，包括泵（送液体），压缩机和鼓风机（多用于气体），,1.8 精细化工对设备的类型,1.8 精细化工设备的类型,带式传送机和斗式传送机（多用于输送固体），及配套的管线和阀门等。,1.8 精细化工对设备的类型,（2）粉碎和筛选设备大块物料变小块为破碎；小块物料变细粉为粉磨，破碎和粉磨统称粉碎。,1.8 精细化工对设备的类型,物料直径 100200mm 为粗碎 2070mm为中碎 320mm为细碎 0.10.3为粗磨 0.060.1为细磨 0.0040.02或更细为超细磨筛分机械可以将不同粒径的物料按粒径分级。,1.8 精细化工对设备的类型,（3）混合机械设备 将两种或两种以上的物料从不均匀状态混合到相对均匀状态。1、液-液相：可以有互溶或乳化等现象。2、固-固相：粉粒体的物理混合。3、固-液相：液相多固相少，形成溶液或悬乳液。液相少固相多，依然是粉粒状或团粒状。固液相比例在一特定范围内，可能形成粘稠状物料或不定型团块。,1.8 精细化工对设备的类型,50,（4）均质和乳化设备,借助于流体中产生的剪切力将物料细化、将液滴碎化的操作，其作用是将诸如洗发液、化妆品等物料进行细化、混合、均质处理，以提高产品的质量和档次。乳化液：两种互不相容的液体放在一起搅拌，一种液体成为液珠，分散在另一种液体中。乳化后再经过均质，也就是再细化，更均匀，形成稳定的乳状液。,51,容器和反应设备,反应设备：为化学反应提供反应空间和反应条件的装置。精细化学反应的类型：皂化、酯化、还原、氧化、缩合、硝化容器：储存原料、半成品、成品的器皿称为容器,52,分离设备,液-固分离：粉体的制备。液-液分离：有效成分的萃取。例如：离心式分离机、萃取设备、过滤设备。,53,产品成型设备,将固态产品加工成一定的商品形态：洗衣粉成型设备、医药产品成型设备。喷雾干燥机。,54,装料和包装设备,将成品装到容器中进行包装固体装料机液体装料机,管道和阀门,