精細(xì)化工設(shè)備-精細(xì)化工基礎(chǔ)知識

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1,精細(xì)化工設(shè)備,2015～2016第2學(xué)期,參考教材 《精細(xì)化工設(shè)備》劉紅波 等 科學(xué)出版社 《精細(xì)化工過程與設(shè)備》楊春暉 等 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社版社 《精細(xì)化工過程與設(shè)備》濮存恬 化工工業(yè)出版社 任課教師： 任寶東 1015170065@qq.com 137 5871 0157,第01次課,第1章 精細(xì)化工基礎(chǔ)知識 第2章 精細(xì)化工設(shè)備材料與防護(hù) 第3章 物料輸送設(shè)備 第4章 粉碎和篩分機器設(shè)備 第5章 混合機械設(shè)備 第6章 乳化和均質(zhì)設(shè)備 第7章 容器和反應(yīng)設(shè)備,《精細(xì)化工設(shè)備》主要內(nèi)容,課程主要內(nèi)容,第8章 分離設(shè)備 第9章 產(chǎn)品成型設(shè)備 第10章 裝料和包裝設(shè)備 第11章 管道與閥門,3,本節(jié)內(nèi)容： 1.1 精細(xì)化學(xué)品的概念 1.2 精細(xì)化學(xué)品的分類 1.3 精細(xì)化工的特點 1.4 精細(xì)化工發(fā)展概況 1.5 精細(xì)有機合成的原料資源 1.6 精細(xì)有機合成的主要單元反應(yīng) 1.7 精細(xì)化工對設(shè)備的要求 1.8 精細(xì)化工設(shè)備的類型,第1章 精細(xì)化工基礎(chǔ)知識,第1章 精細(xì)化工基礎(chǔ)知識,4,精細(xì)化工 ：是生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品（fine chemicals）和專用化學(xué)品(special chemicals)的工業(yè)，它是在20世紀(jì)70年代開始形成的獨立學(xué)科和高新產(chǎn)業(yè)，是正在發(fā)展之中的一門新興學(xué)科。,1.1 精細(xì)化學(xué)品的概念,1.1 精細(xì)化學(xué)品的概念,5,精細(xì)化學(xué)品 ：傳統(tǒng)定義是 “批量小、純度或質(zhì)量要求高，而且利潤高的化學(xué)品”。 對化學(xué)品可以首先根據(jù)其 “是否具有固定的熔點或沸點，是否能以分子式或結(jié)構(gòu)式表示其結(jié)構(gòu)”，劃分為無差別化學(xué)品和差別化學(xué)品，然后再根據(jù)其用途進(jìn)行分類：,1.1 精細(xì)化學(xué)品的概念,6,（1） 通用化學(xué)品 大量生產(chǎn)的無差別化學(xué)品，如無機物的酸、堿、鹽，及有機物的甲醇、乙酸、硝基苯等。 （2） 準(zhǔn)通用化學(xué)品 大量生產(chǎn)的差別化學(xué)品，如塑料、合成纖維、合成橡膠等。 （3） 精細(xì)化學(xué)品 小量生產(chǎn)的無差別化學(xué)品，如原料醫(yī)藥、原料農(nóng)藥、原料染料等。 （4）專用化學(xué)品 小量生產(chǎn)的差別化學(xué)品，如醫(yī)藥制劑、農(nóng)藥制劑、商品染料等,1.1 精細(xì)化學(xué)品的概念,7,1.2 精細(xì)化學(xué)品的分類,不同的國家根據(jù)自身的生產(chǎn)和管理體制分類有所差別，有些國家分的細(xì)一些，有的國家粗一些。 精細(xì)化工與國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，以及人們的日常生活密切相關(guān)，因此門類很多。,1.2 精細(xì)化學(xué)品的分類,8,●歐美 將專用化學(xué)品（小量生產(chǎn)的差別化學(xué)品）細(xì)分3大類，每一類又細(xì)分為許多小類 ●“聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作及發(fā)展組織” 將專用化學(xué)品細(xì)分為47類 ●日本 1993年《化學(xué)工業(yè)統(tǒng)計月報》《工業(yè)統(tǒng)計表》將精細(xì)化學(xué)品分為32個門類。,1.2 精細(xì)化學(xué)品的分類,9,●中國 1986年3月原化學(xué)工業(yè)部《精細(xì)化工產(chǎn)品分類暫行規(guī)定》將其分為11類。這11類分別為: (1)農(nóng)藥;(2)染料;(3)涂料（含油漆和油墨）;(4)顏料;(5)試劑和高純物;(6)信息用化學(xué)品(感光材料、磁材料等);(7)食品和飼料添加劑;(8)黏合劑;(9)催化劑和各種助劑;(10)(化工系統(tǒng)生產(chǎn)的)化學(xué)藥品（原料藥）和日用化學(xué)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）。 每一門類又可分為許多小類。,1.2 精細(xì)化學(xué)品的分類,10,精細(xì)化學(xué)品幾乎應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、民用等各個方面，如煉油助劑與油品添加劑、油田化學(xué)品、醫(yī)藥保健品、洗滌化妝用品以及其它各類助劑與添加劑等。,隨著生產(chǎn)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，精細(xì)化工在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展中將具有越來越重要的戰(zhàn)略地位。,1.2 精細(xì)化學(xué)品的分類,11,精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)過程（精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程），不同于基本化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，它是由化學(xué)合成（包括前處理和后處理）、劑型加工（制劑）和商品化（標(biāo)準(zhǔn)化）三部分才得到最終商品。 精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)主要表現(xiàn)出以下特點：,1.3 精細(xì)化工的特點,1.3 精細(xì)化工的特點,12,（1） 多品種與小批量,每種精細(xì)化工產(chǎn)品均具有其特定功能和專用性質(zhì)，生產(chǎn)的針對性很強，以滿足社會的不同需要，因此它們不可能象基本化工產(chǎn)品那樣大批量生產(chǎn)。,1.3 精細(xì)化工的特點,13,例如原油破乳劑，由于原油種類、組成的多樣性和復(fù)雜性，破乳劑的牌號也是多種多樣，新的品種也在不斷涌現(xiàn)。 再如表面活性劑，由于應(yīng)用對象的不同而出現(xiàn)了各種性能的產(chǎn)品，國外也已有5000多個品種投放市場。,1.3 精細(xì)化工的特點,14,精細(xì)化工是綜合性較強的技術(shù)密集型工業(yè)，不僅要考慮化學(xué)合成，還必須考慮如何使之商品化。這就要求多門學(xué)科知識相互配合，并綜合運用。涉及到的學(xué)科：化學(xué)、物理、生理、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多方面技術(shù)的綜合運用。,（2） 高技術(shù)密集度,1.3 精細(xì)化工的特點,15,（2） 常采用多品種綜合生產(chǎn)流程和多功能生產(chǎn)裝置,多數(shù)精細(xì)化工產(chǎn)品需要由基本原料出發(fā)，經(jīng)過深度加工才能制得，因而生產(chǎn)流程長（有的需要十幾步）、工序多。因產(chǎn)量小，故往往采用間歇生產(chǎn)。,1.3 精細(xì)化工的特點,16,精細(xì)化工產(chǎn)品的作用往往是多種化學(xué)組分的綜合效應(yīng)：為了滿足各種專門用途的需要，單一組分往往無法滿足其要求，必須進(jìn)行多組分復(fù)配（即通常講的配方）。,（4） 大量應(yīng)用復(fù)配技術(shù),1.3 精細(xì)化工的特點,17,裝置的規(guī)模小，多采用間歇生產(chǎn)方式，與連續(xù)化生產(chǎn)的大裝置相比，投資少，見效快。新產(chǎn)品的銷售利潤空間比較大。,（5） 投資小，附加價值高，利潤大商品性強,1.3 精細(xì)化工的特點,18,,1.4 精細(xì)化工發(fā)展概況,1.4.1 精細(xì)化工的產(chǎn)生和發(fā)展 精細(xì)化工的產(chǎn)生和發(fā)展是與人們的生活和生產(chǎn)活動緊密聯(lián)系在一起的，如日用化學(xué)品、農(nóng)用化學(xué)品。 目前的有些精細(xì)化學(xué)品，就其性質(zhì)與用途看，實際上在我國古代即已有之。如我國四大發(fā)明之一的火藥，就是我國早期重要的精細(xì)化學(xué)品，它對人類的進(jìn)步曾做出過重大貢獻(xiàn)。,1.4 精細(xì)化工發(fā)展概況,19,1.4.2 中國精細(xì)化工發(fā)展概況,我國精細(xì)化工的基礎(chǔ)較為薄弱，與國外先進(jìn)水平相比差距較大，尤其是高新技術(shù)的精細(xì)化工發(fā)展水平更低。自改革開放后，我國已把精細(xì)化工的發(fā)展列入國民經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點，并在政策和資金上予以傾斜。,1.4 精細(xì)化工發(fā)展概況,20,精細(xì)化工是隨著有機合成的發(fā)展而發(fā)展起來的一門新型工業(yè)。而有機合成的發(fā)展與原料來源有著密切的關(guān)系。有機合成的原料非常廣泛，主要包括有機可燃礦產(chǎn)資源和天然生物有機質(zhì)，即煤、石油、天然氣及農(nóng)林產(chǎn)品以及副產(chǎn)品等均可作為有機化工生產(chǎn)的起始原料。,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,21,1.5.1 煤 十九世紀(jì)后半葉，鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展促進(jìn)了煤炭煉焦業(yè)的興起與發(fā)展。煉焦過程副產(chǎn)大量煤焦油。從煤焦油中提取的芳烴、含氮、含氧及含硫有機物可制造出多種有機化學(xué)品如藥物、染料等。因此，與煤焦油有關(guān)的化學(xué)工業(yè)非?；钴S。煤焦油工業(yè)的發(fā)展奠定了有機化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)，對有機化學(xué)工業(yè)的發(fā)展起了極大地促進(jìn)作用。,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,22,從煤炭資源看，我國已探明的煤炭儲量占世里煤炭儲量的33.8％，可采量位居第二，產(chǎn)量位居世界第一位，出口量僅次于澳大利亞而居于第二位，我國煤炭探明儲量僅供開采100年 。,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,23,因此，20世紀(jì)70年代以來，煤化工研究領(lǐng)域很活躍，主要集中在煤氣化制合成氣，再由合成氣合成有機化工產(chǎn)品、液體燃料及高分子材料。因此一個以煤氣化為龍頭的“一碳化學(xué)”新興領(lǐng)域迅速發(fā)展，是煤化工的一個新階段。此外，煤炭液化方面的研究也很活躍。,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,24,（1）煤焦油,煤在隔絕空氣下，在1000～1200℃進(jìn)行干餾，生成焦炭、煤焦油、粗苯和煤氣。 煤焦油為黑色黏稠液體，主要成分是芳烴和雜環(huán)化合物，已經(jīng)鑒定出得成分有400多種。 粗苯經(jīng)分離可得到苯、甲苯和二甲苯,煤化工主要包括三個方面：煤焦油、乙炔及合成氣化工。,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,25,1892年、加拿大人Thomas Lovel Willson發(fā)明了用焦炭和石灰石熔煉出電石。由電石可方便地得到乙炔。隨著對乙炔化學(xué)利用的開發(fā)，由乙炔可以合成出許多種有機化學(xué)品，如乙醛、丙酮、醋酐、乙醇、正丁醇等，從而使電石工業(yè)迅速發(fā)展起來。此后，由于高分子材料的發(fā)展，使乙炔制丁二烯、氯乙烯、丙烯睛、丁二醇、丙烯酸等的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模，達(dá)到了一個新水平。由此乙炔被稱為“有機合成工業(yè)之母”。,（2）乙炔,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,26,煤炭氣化可以制取合成氣。1880年開始的煤炭氣化最初只是作為燃料（城市煤氣）。1913年德國開始合成氨，20～30年代開始合成甲醇，之后各國開發(fā)出了大量有機化學(xué)品。合成氣是不同比例的一氧化碳和氫氣的混合氣。與以合成氣為原料有關(guān)的化學(xué)合成稱為“一碳化學(xué)”。石油危機以來，“一碳化學(xué)”研究領(lǐng)域異常活躍。,（3）合成氣,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,27,1.5.2 石油 石油化工的發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段，即煉廠氣的綜合利用階段和石油化工獨立發(fā)展階段。 20世紀(jì)二十年代，美國的煉油工業(yè)發(fā)展迅速。以煉油副產(chǎn)煉廠氣中的丙烯為原料，成功地合成出了異丙醇（1920年），這是第一個石油化學(xué)品，標(biāo)志著石油化工的誕生。異丙醇主要用于脫氫制丙酮。丙酮是飛機噴漆使用的重要溶劑。這是煉廠氣的綜合利用階段,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,28,1925年、美國聯(lián)合碳化物公司開始進(jìn)行乙烷、丙烷高溫裂解制造乙烯、丙烯的工業(yè)生產(chǎn)，為石油化工獨立發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。標(biāo)志著石油化工進(jìn)入了獨立發(fā)展階段。石油裂解制乙烯以及一系列以乙烯為原料的有機合成工藝的開發(fā)成功，極大地促進(jìn)了石油化工的發(fā)展，因為以乙烯、丙烯等為原料可以很方便地合成出從低分子到高分子的大量化工產(chǎn)品。而乙烯、丙烯可以很方便地以石油為原料通過裂解工藝得到。,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,29,石油作為化工原料需要進(jìn)行2次加工：一次加工就是石油煉制，是利用常減壓蒸餾將石油分割成直餾汽油、柴油和潤滑油等餾分。 提供化工原料的二次加工過程主要是催化重整和高溫?zé)崃呀狻?利用二次加工的產(chǎn)物作為原料，生產(chǎn)塑料、橡膠、合成纖維及基本有機原料的加工過程，叫做三次加工。,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,30,（1） 催化重整(catalytic reforming) : 將60～165℃的輕汽油餾分或石腦油餾分在480～510 ℃、2.0～3.0MPa氫壓和含鉑催化劑存在下，使原料中的由鏈烷烴和環(huán)烷烴轉(zhuǎn)化為芳烴，可以提高汽油的辛烷值和生產(chǎn)芳烴。,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,31,,Fig. catalytic reforming, generalized flow diagram,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,32,（2）高溫?zé)崃呀?(Pyrolysis）：生產(chǎn)基本有機化工原料，如乙烯(ethylene)。我們?nèi)粘Ｉ钪械木垡蚁㏄E(Polyethylene)、聚丙烯PP(polypropene)、聚苯乙烯PS(polystyrene，即泡沫包裝材料)、熱塑性聚酯樹脂PET(polyethylene terephthakate, 軟飲料瓶)，以及聚氯乙烯PVC（polyvinyl chloride）和合成，都要用到乙烯。,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,33,,Fig. Flow diagram of an ethylene cracker,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,34,天然氣的主要成分是甲烷，油型天然氣含C2以上烴約2％(v),煤型天然氣含C2以上烴約20～25％(v), 生物天然氣含甲烷97％(v)以上。天然氣中的甲烷是重要的化工原料，可以芳構(gòu)化生產(chǎn)輕質(zhì)芳烴、轉(zhuǎn)化為水煤氣或生產(chǎn)化肥等。,1.5.3 天然氣,1.5 精細(xì)有機合成的原料資源,鹵 化 磺化和硫酸化 + H2SO4 + H2O 硝化及亞硝化 ArH + HNO3 ArNO2 + H2O,1.6 精細(xì)有機合成的主要單元反應(yīng),1.6 精細(xì)有機合成的主要單元反應(yīng),,,還原 有機分子中增加氫或減少氧 氧化 有機分子中減少氫或增加氧 氨基化 R-Y + NH3 R-NH2 + HY 烴化 有機化合物分子中的C、N、Si、O、P、S等原子上引入烷基的反應(yīng) NH2－H NH2－R,,,RX,1.6 精細(xì)有機合成的主要單元反應(yīng),?；? 有機化合物分子中與C、N、O或S原子相連的氫被?；〈姆磻?yīng),1.6 精細(xì)有機合成的主要單元反應(yīng),水解 水解是指有機化合物Y－X與水的復(fù)分解反應(yīng)。水中的H進(jìn)入一個產(chǎn)物，氫氧基OH則進(jìn)入另一個產(chǎn)物。通式： Y－X ＋ H－OH ?? Y－OH ＋ HX,1.6 精細(xì)有機合成的主要單元反應(yīng),縮合 縮合是兩個分子通過反應(yīng)失去一個小分子生成一個較大分子的反應(yīng)，以及兩個分子通過加成反應(yīng)生成一個較大分子的反應(yīng)。,1.6 精細(xì)有機合成的主要單元反應(yīng),聚合 用于制備高分子化合物 縮合聚合,1.6 精細(xì)有機合成的主要單元反應(yīng),加成聚合,1.6 精細(xì)有機合成的主要單元反應(yīng),1.7 精細(xì)化工對設(shè)備的要求,1.7 精細(xì)化工對設(shè)備的要求,（1）安全可靠 化工設(shè)備的使用年限一般是10-15年，要求在使用的年限內(nèi)有足夠的強度、剛度（抵抗變形的能力）、穩(wěn)定性，良好防腐性與可靠的密封性。 跑冒滴漏現(xiàn)象造成的安全事故較多。,（2）滿足工藝條件的要求 需根據(jù)工藝選擇反應(yīng)器的壓力及體積，輸送設(shè)備類型及型號，混合干燥方式及速率，成型及包裝設(shè)備的類型。,1.7 精細(xì)化工對設(shè)備的要求,（3）制造、安裝、維修及操作要方便 （4）要講究經(jīng)濟(jì)效益 在安全可靠的基礎(chǔ)上，盡量降低成本。,1.7 精細(xì)化工對設(shè)備的要求,精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)條件復(fù)雜，技術(shù)含量高，不同的任務(wù)設(shè)備也不同。 （1）輸送設(shè)備 將原料、半成品及成品從一個設(shè)備送到另一個設(shè)備，包括泵（送液體），壓縮機和鼓風(fēng)機（多用于氣體），,1.8 精細(xì)化工對設(shè)備的類型,1.8 精細(xì)化工設(shè)備的類型,帶式傳送機和斗式傳送機（多用于輸送固體），及配套的管線和閥門等。,1.8 精細(xì)化工對設(shè)備的類型,（2）粉碎和篩選設(shè)備 大塊物料變小塊為破碎；小塊物料變細(xì)粉為粉磨，破碎和粉磨統(tǒng)稱粉碎。,1.8 精細(xì)化工對設(shè)備的類型,物料直徑 100~200mm 為粗碎 20~70mm為中碎 3~20mm為細(xì)碎 0.1~0.3為粗磨 0.06~0.1為細(xì)磨 0.004~0.02或更細(xì)為超細(xì)磨 篩分機械可以將不同粒徑的物料按粒徑分級。,1.8 精細(xì)化工對設(shè)備的類型,（3）混合機械設(shè)備 將兩種或兩種以上的物料從不均勻狀態(tài)混合到相對均勻狀態(tài)。 1、液-液相：可以有互溶或乳化等現(xiàn)象。 2、固-固相：粉粒體的物理混合。 3、固-液相：液相多固相少，形成溶液或懸乳液。液相少固相多，依然是粉粒狀或團(tuán)粒狀。固液相比例在一特定范圍內(nèi)，可能形成粘稠狀物料或不定型團(tuán)塊。,1.8 精細(xì)化工對設(shè)備的類型,50,（4）均質(zhì)和乳化設(shè)備,借助于流體中產(chǎn)生的剪切力將物料細(xì)化、將液滴碎化的操作，其作用是將諸如洗發(fā)液、化妝品等物料進(jìn)行細(xì)化、混合、均質(zhì)處理，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次。 乳化液：兩種互不相容的液體放在一起攪拌，一種液體成為液珠，分散在另一種液體中。 乳化后再經(jīng)過均質(zhì)，也就是再細(xì)化，更均勻，形成穩(wěn)定的乳狀液。,51,容器和反應(yīng)設(shè)備,反應(yīng)設(shè)備：為化學(xué)反應(yīng)提供反應(yīng)空間和反應(yīng)條件的裝置。 精細(xì)化學(xué)反應(yīng)的類型：皂化、酯化、還原、氧化、縮合、硝化 容器：儲存原料、半成品、成品的器皿稱為容器,52,分離設(shè)備,液-固分離：粉體的制備。 液-液分離：有效成分的萃取。 例如：離心式分離機、萃取設(shè)備、過濾設(shè)備。,53,產(chǎn)品成型設(shè)備,將固態(tài)產(chǎn)品加工成一定的商品形態(tài)：洗衣粉成型設(shè)備、醫(yī)藥產(chǎn)品成型設(shè)備。 噴霧干燥機。,54,裝料和包裝設(shè)備,將成品裝到容器中進(jìn)行包裝 固體裝料機 液體裝料機,管道和閥門,