精细有机合成工艺学基础

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二、物料衡算与热量衡
算
1、物料衡算
根据反应方程式，运用化学计量系数进行计算
“直接计算法”
2、能量衡算
以物料衡算为基础，选定计算基准，298K。 系统中积累的能量 ＝输入系统中的总能量－从系统中输出的能量 或：系统与环境换热量的和 =离开系统各物料的焓-进入系统各物料的焓
无极性溶剂 μ＜2.5D的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等。 μ主要影响在溶质（分子或离子）周围溶剂分子的定向。
2）介电常数（ε）也叫电容率或相对电容率
表示溶剂分子本身分离出电荷的能力，或溶剂使它偶极定向 的能力。是表示电介质或绝缘材料电性能的一个重要参数。
具有永久偶极或诱导偶极的溶剂分子被充电的电容器板强制 形成一个有序排列，即极化作用。极化作用越大，介电常数 越大。
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1、按结构和用途分类 2、按材质分类
容器、塔器、换热器、 金属设备：碳钢、合金钢、铸铁、
反应器（反应釜、塔式、 铝、铜、不锈钢、铂
管式、固定床、流化床 非金属设备：陶瓷、玻璃、塑料、
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三、工艺流程的组织
1、确定合成路线
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2、工艺流程图
1）初步设计阶段—带控制点的工艺流程图 包括：设备、物料管路及主要的辅助管路、表示出控制 点和主要的阀件、主要管路的管径等。
常用溶剂介电常数。
每生产1吨产品需要消耗的 各种原料的量（t或kg）。
NH2
+ H2SO4
质量 100kg
纯度
99％
相对分子量 93
SO3H
217kg ≥97％ 231.2
Y
217 97％ 100 99％
231.2 931
100%
85.6%
Y质 217 100100％＝217％
苯胺的消耗定额＝100÷217＝ 0.461t＝461kg
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3、过量百分数
过量反应物超过理论量 部分占所需理论量的百 分数。
4、转化率(X)
某一反应物A反应掉的量 nA,R占其投料量nA,in的百分数 叫做反应物A的转化率XA。
过量百分数＝ ne nt 100% nt
XA＝
nA,R nA,in
100%＝nA,in nA,out nA,in
100%
1）偶极矩（μ）
指偶极分子中电量相等的两个相反电荷中的一个电荷的电
量q，与这两个电荷间距离d的乘积，单位：德拜（D）。
即： q d
Cl
1.54d μ有机溶剂=0～5.5D
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极性溶剂：分子中具有永久偶极的溶剂。 分子中没有永久偶极的溶剂，如环己烷、苯等。
一、溶剂的作用
1、溶解作用 2、与溶质发生各种相互作用
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库仑力(静电引力)：离子-离子力、离子-偶极力 非专一性力
(普遍） 范德华力(内聚力)：偶极-偶极力、偶极-诱导偶极力
瞬时偶极-诱导偶极力 专一性力：包括氢键缔合作用、电子对给体－受体作用、
（特定）
溶剂化作用、离子化作用和离解作用等。
100-2 Y = X苯胺 S 98% 88.7% 87%
87 100% 100 1
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少量
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7、质量收率(Y质)
目的产物的质量占某一输入 反应物的质量百分数。
例：
NH2
8、原料消耗定额
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生产磷酸二铵 (DAP) 的工艺流程图
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热塑性聚氨酯弹性体 （TPU）的工艺流程图
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四、精细化工常用设备
1、按结构和用途分类 2、按材质分类 3、按受压情况分类
ne——过量反应物的物质的量； nt——与限制反应物完全反应 所消耗的过量反应物物质的量。
硝酸过量多少？
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5、选择性(S)
6、理论收率(Y)
某一反应物转化为目 生成的目的产物的物质的量占
2）施工图阶段—管道仪表流程图 包括：全部工艺设备、物流管路、阀件，进出设备的辅 助管路、工艺和自控仪表的图例、符号等。 区别：更详细；着重表达全部设备的全部管道连接关系、 测量、控制和调节手段。 图组成：图形、标注、图例、标题栏等
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1、方案设计 1）工艺路线的确定
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2）生产流程的设计
原料的预处理 (提纯、粉碎、干燥、溶解、蒸发等) 化工过程（即单元反应） 产物后处理 (精馏、吸收、萃取 、结晶、过滤、干燥等)
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9、单程转化率(X单)和总转化率(X总)
X单
n
R A,in
-
n
R A,out
nR A,in
100%
X总
nS A,in
-
nS A,out
nS A,in
100%
nR A,in
，nRA,out
第十二章 缩合和环合
化学化工学院应用化学教研室
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第一章 精细有机合成工艺学基础
1.1 工艺学主要内容 1.2 精细有机合成中的溶剂效应 1.3 精细有机合成新技术
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二、溶剂的分类和性质大庆石学院1、按化学结构分无机溶剂 有机溶剂
2、按Bronsted 酸碱理论分
质子给体溶剂：主要是酸，如H2SO4、CH3COOH 质子受体溶剂：主要是碱，如NH3、CH3CON(CH3)2 两性溶剂：既可接受质子，又可提供质子，如H2O 3、按偶极矩和介电常数分
3、化工计算
4、经常分析比较的技术经济指标
包括物料衡算、能量衡算、 1）产品成本
设备选型和计算。
原材料、 辅助材料、水电气、
在这三项计算的基础上绘制 工资、设备折旧和维修等 物料流程图、主要设备图、 2）基建投资 带控制点的工艺流程图。 3）劳动生产率、投资回报率、
消耗定额、劳动力需求量、
工资总额等。
的产物理论消耗的物质 输入的限制反应物的物质的量的
的量占该物质在反应中 百分数，叫做理论收率。
实际消耗的量物质的量 生成的目的产物的物质的量占
的百分数，叫做选择性。 理论上应得到的目的产物的物质
aA bB pP
的量的百分数，叫做理论收率。
SA＝
np
a p
nA,R
100%＝
np
a p
nA,in nA,out
——反应物A输入和输出反应器的物质的量
nS A,in
，nSA,out
——反应物A输入和输出全过程的物质的量
例：
回收 60mol
100mol 40mol 38mol
1mol 61mol
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60mol
限制反应物完全反应的理论量的反 应物叫做过量反应物。
例:
限制反应物
过量反应 物
化学计量比
1
投料摩尔数
5
反应物的摩尔比 1
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2
硝酸的过量百分数＝
10.7 2.14
10.7 5 2 100% 7% 52
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1、反应物的摩尔比
2、限制反应物和过量反应物
指加入反应器中的几种 化学反应物不按化学计量比投料
反应物之间的物质的量 时，以最小化学计量数存在的反应
（摩尔）之比。
物叫做限制反应物，而投入量超过
反应器）、搅拌器、分 搪瓷、木材
离器、贮存器
非金属材料衬里设备：衬橡胶、
塑料、耐火材料、搪瓷等
3、按受压情况分类
常压设备
（P≤0.07MPa）
低压设备（代号L） （0.1MPa≤P<1.6Mpa）
中压设备（代号M） （1.6MPa≤P<10Mpa）
高压设备（代号H） （10MPa≤P<100Mpa）
1.1 工艺学主要内容 一、化学计量学 二、物料衡算与热量衡算 三、工艺流程的组织 四、精细化工常用设备 五、工艺设计的主要内容
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1.1 工艺学主要内容
一、化学计量学
1、反应物的摩尔比 2、限制反应物和过量反应物 3、过量百分数 4、转化率 5、选择性 6、理论效率 7、重量收率 8、原料消耗定额 9、单程转化率与总转化率
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2、确定最佳单元反应的条件
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1）工艺条件（反应物分子比，反应温度、压力等） 2）合成技术（均相反应、非均相反应） 3）反应操作方法（间歇、连续、生产周期、生产规模等）
？mol
反应器
分离器
产物
苯 100mol
氯苯 38mol 二氯苯 1mol 苯 61mol
氯苯 38mol 二氯苯 1mol 苯 1mol
X单＝(100－61)÷100×100％＝39％ X总＝(100－61)÷(100－60)×100％＝97.5％
S＝38×1÷(100－61)×100％
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超高压设备（代号U）（P≥100Mpa）
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五、工艺设计的主要内容
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1、方案设计（包括工艺路线的确定和生产流程的设计） 2、对单元反应确定最佳工艺条件 3、化工计算（工艺设计的核心） 4、车间布置设计（绘制车间平面和立面布置图） 5、化工管路设计 6、提供设计条件 (非工艺专业的设计条件 ) 7、经济核算
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1.2 精细有机合成中的溶剂效应
一、溶剂的作用 二、溶剂的分类和性质 三、离子化作用和离解作用
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100%
Yp＝
np
a p
nA,in
100%
Yp＝
np nA,in
p a
100%
化学计量比
Y X S
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例：
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焦油
100mol
87mol 2mol
X苯胺＝101000 2 100%＝98% S＝ 871 100%＝88.7%
ε主要影响溶剂中离子的溶剂化作用和离子体的离解作用。
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ε越大,溶剂极性越强。
极性溶剂：ε＞15～20 F•m-1 非极性溶剂：ε＜15～20F•m-1
即：
极性溶剂：ε＞15～20 F•m-1或μ＞2.5D 非极性溶剂：ε＜ 15～20 F•m-1或μ＜2.5D
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化学化工学院应用化学教研室
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本课程主要内容
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绪论 第一章 工艺学基础 第二章 卤化 第三章 磺化和硫酸化 第四章 硝化及亚硝化
第五章 氢化和还原
第六章 重氮化
第七章 氨解和胺化 第八章 烃化 第九章 酰化 第十章 氧化 第十一章 水解