精細化工設備-精細化工基礎知識

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1,精細化工設備,2015～2016第2學期,參考教材 《精細化工設備》劉紅波 等 科學出版社 《精細化工過程與設備》楊春暉 等 哈爾濱工業(yè)大學出版社版社 《精細化工過程與設備》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 精細化工基礎知識 第2章 精細化工設備材料與防護 第3章 物料輸送設備 第4章 粉碎和篩分機器設備 第5章 混合機械設備 第6章 乳化和均質設備 第7章 容器和反應設備,《精細化工設備》主要內容,課程主要內容,第8章 分離設備 第9章 產(chǎn)品成型設備 第10章 裝料和包裝設備 第11章 管道與閥門,3,本節(jié)內容： 1.1 精細化學品的概念 1.2 精細化學品的分類 1.3 精細化工的特點 1.4 精細化工發(fā)展概況 1.5 精細有機合成的原料資源 1.6 精細有機合成的主要單元反應 1.7 精細化工對設備的要求 1.8 精細化工設備的類型,第1章 精細化工基礎知識,第1章 精細化工基礎知識,4,精細化工 ：是生產(chǎn)精細化學品（fine chemicals）和專用化學品(special chemicals)的工業(yè)，它是在20世紀70年代開始形成的獨立學科和高新產(chǎn)業(yè)，是正在發(fā)展之中的一門新興學科。,1.1 精細化學品的概念,1.1 精細化學品的概念,5,精細化學品 ：傳統(tǒng)定義是 “批量小、純度或質量要求高，而且利潤高的化學品”。 對化學品可以首先根據(jù)其 “是否具有固定的熔點或沸點，是否能以分子式或結構式表示其結構”，劃分為無差別化學品和差別化學品，然后再根據(jù)其用途進行分類：,1.1 精細化學品的概念,6,（1） 通用化學品 大量生產(chǎn)的無差別化學品，如無機物的酸、堿、鹽，及有機物的甲醇、乙酸、硝基苯等。 （2） 準通用化學品 大量生產(chǎn)的差別化學品，如塑料、合成纖維、合成橡膠等。 （3） 精細化學品 小量生產(chǎn)的無差別化學品，如原料醫(yī)藥、原料農(nóng)藥、原料染料等。 （4）專用化學品 小量生產(chǎn)的差別化學品，如醫(yī)藥制劑、農(nóng)藥制劑、商品染料等,1.1 精細化學品的概念,7,1.2 精細化學品的分類,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，有些國家分的細一些，有的國家粗一些。 精細化工與國民經(jīng)濟的各個領域，以及人們的日常生活密切相關，因此門類很多。,1.2 精細化學品的分類,8,●歐美 將專用化學品（小量生產(chǎn)的差別化學品）細分3大類，每一類又細分為許多小類 ●“聯(lián)合國經(jīng)濟合作及發(fā)展組織” 將專用化學品細分為47類 ●日本 1993年《化學工業(yè)統(tǒng)計月報》《工業(yè)統(tǒng)計表》將精細化學品分為32個門類。,1.2 精細化學品的分類,9,●中國 1986年3月原化學工業(yè)部《精細化工產(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)化學藥品（原料藥）和日用化學品;(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 精細化學品的分類,10,精細化學品幾乎應用于國民經(jīng)濟的各個領域，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、科學技術的進步和人民生活水平的提高，精細化工在經(jīng)濟建設和社會發(fā)展中將具有越來越重要的戰(zhàn)略地位。,1.2 精細化學品的分類,11,精細化學品的生產(chǎn)過程（精細化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程），不同于基本化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，它是由化學合成（包括前處理和后處理）、劑型加工（制劑）和商品化（標準化）三部分才得到最終商品。 精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)主要表現(xiàn)出以下特點：,1.3 精細化工的特點,1.3 精細化工的特點,12,（1） 多品種與小批量,每種精細化工產(chǎn)品均具有其特定功能和專用性質，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 精細化工的特點,14,精細化工是綜合性較強的技術密集型工業(yè)，不僅要考慮化學合成，還必須考慮如何使之商品化。這就要求多門學科知識相互配合，并綜合運用。涉及到的學科：化學、物理、生理、技術、經(jīng)濟等多方面技術的綜合運用。,（2） 高技術密集度,1.3 精細化工的特點,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 精細化工的特點,16,精細化工產(chǎn)品的作用往往是多種化學組分的綜合效應：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，必須進行多組分復配（即通常講的配方）。,（4） 大量應用復配技術,1.3 精細化工的特點,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 精細化工的特點,18,,1.4 精細化工發(fā)展概況,1.4.1 精細化工的產(chǎn)生和發(fā)展 精細化工的產(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，如日用化學品、農(nóng)用化學品。 目前的有些精細化學品，就其性質與用途看，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化學品，它對人類的進步曾做出過重大貢獻。,1.4 精細化工發(fā)展概況,19,1.4.2 中國精細化工發(fā)展概況,我國精細化工的基礎較為薄弱，與國外先進水平相比差距較大，尤其是高新技術的精細化工發(fā)展水平更低。自改革開放后，我國已把精細化工的發(fā)展列入國民經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點，并在政策和資金上予以傾斜。,1.4 精細化工發(fā)展概況,20,精細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，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 精細有機合成的原料資源,1.5 精細有機合成的原料資源,21,1.5.1 煤 十九世紀后半葉，鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展促進了煤炭煉焦業(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品如藥物、染料等。因此，與煤焦油有關的化學工業(yè)非常活躍。煤焦油工業(yè)的發(fā)展奠定了有機化學工業(yè)的基礎，對有機化學工業(yè)的發(fā)展起了極大地促進作用。,1.5 精細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 精細有機合成的原料資源,23,因此，20世紀70年代以來，煤化工研究領域很活躍，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”新興領域迅速發(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。隨著對乙炔化學利用的開發(fā)，由乙炔可以合成出許多種有機化學品，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)技術和生產(chǎn)規(guī)模，達到了一個新水平。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的化學合成稱為“一碳化學”。石油危機以來，“一碳化學”研究領域異?；钴S。,（3）合成氣,1.5 精細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品，標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。標志著石油化工進入了獨立發(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 精細有機合成的原料資源,29,石油作為化工原料需要進行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熱裂解。 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)烷烴轉化為芳烴，可以提高汽油的辛烷值和生產(chǎn)芳烴。,1.5 精細有機合成的原料資源,31,,Fig. catalytic reforming, generalized flow diagram,1.5 精細有機合成的原料資源,32,（2）高溫熱裂解 (Pyrolysis）：生產(chǎn)基本有機化工原料，如乙烯(ethylene)。我們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 精細有機合成的原料資源,33,,Fig. Flow diagram of an ethylene cracker,1.5 精細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，可以芳構化生產(chǎn)輕質芳烴、轉化為水煤氣或生產(chǎn)化肥等。,1.5.3 天然氣,1.5 精細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 精細有機合成的主要單元反應,1.6 精細有機合成的主要單元反應,,,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 NH2－H NH2－R,,,RX,1.6 精細有機合成的主要單元反應,?；? 有機化合物分子中與C、N、O或S原子相連的氫被酰基所取代的反應,1.6 精細有機合成的主要單元反應,水解 水解是指有機化合物Y－X與水的復分解反應。水中的H進入一個產(chǎn)物，氫氧基OH則進入另一個產(chǎn)物。通式： Y－X ＋ H－OH ?? Y－OH ＋ HX,1.6 精細有機合成的主要單元反應,縮合 縮合是兩個分子通過反應失去一個小分子生成一個較大分子的反應，以及兩個分子通過加成反應生成一個較大分子的反應。,1.6 精細有機合成的主要單元反應,聚合 用于制備高分子化合物 縮合聚合,1.6 精細有機合成的主要單元反應,加成聚合,1.6 精細有機合成的主要單元反應,1.7 精細化工對設備的要求,1.7 精細化工對設備的要求,（1）安全可靠 化工設備的使用年限一般是10-15年，要求在使用的年限內有足夠的強度、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)工藝選擇反應器的壓力及體積，輸送設備類型及型號，混合干燥方式及速率，成型及包裝設備的類型。,1.7 精細化工對設備的要求,（3）制造、安裝、維修及操作要方便 （4）要講究經(jīng)濟效益 在安全可靠的基礎上，盡量降低成本。,1.7 精細化工對設備的要求,精細化學品生產(chǎn)條件復雜，技術含量高，不同的任務設備也不同。 （1）輸送設備 將原料、半成品及成品從一個設備送到另一個設備，包括泵（送液體），壓縮機和鼓風機（多用于氣體），,1.8 精細化工對設備的類型,1.8 精細化工設備的類型,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 精細化工對設備的類型,（2）粉碎和篩選設備 大塊物料變小塊為破碎；小塊物料變細粉為粉磨，破碎和粉磨統(tǒng)稱粉碎。,1.8 精細化工對設備的類型,物料直徑 100~200mm 為粗碎 20~70mm為中碎 3~20mm為細碎 0.1~0.3為粗磨 0.06~0.1為細磨 0.004~0.02或更細為超細磨 篩分機械可以將不同粒徑的物料按粒徑分級。,1.8 精細化工對設備的類型,（3）混合機械設備 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，依然是粉粒狀或團粒狀。固液相比例在一特定范圍內，可能形成粘稠狀物料或不定型團塊。,1.8 精細化工對設備的類型,50,（4）均質和乳化設備,借助于流體中產(chǎn)生的剪切力將物料細化、將液滴碎化的操作，其作用是將諸如洗發(fā)液、化妝品等物料進行細化、混合、均質處理，以提高產(chǎn)品的質量和檔次。 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，也就是再細化，更均勻，形成穩(wěn)定的乳狀液。,51,容器和反應設備,反應設備：為化學反應提供反應空間和反應條件的裝置。 精細化學反應的類型：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、萃取設備、過濾設備。,53,產(chǎn)品成型設備,將固態(tài)產(chǎn)品加工成一定的商品形態(tài)：洗衣粉成型設備、醫(yī)藥產(chǎn)品成型設備。 噴霧干燥機。,54,裝料和包裝設備,將成品裝到容器中進行包裝 固體裝料機 液體裝料機,管道和閥門,