第二章精细化工工艺学及技术开发
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第二章 精细化工工艺学基础及 技术开发
授课人： 张 扬
本章内容
• 精细化工的生产特性 • 精细化工工艺学基础 • 精细化工过程开发的一般步骤 • 精细化工的技术开发 • 精细化工发展的策略
精细化工的生产特性
• 多品种
医药 染料 Color Index 5232种（1976年） 表面活性剂 日本（4000种） 合成香料 1950年（300种） 1980年（5000种）
精细化工的生产特性
• 多种多样的生产装置和流程
多为液相并联反应，生产流程长，工序多，主要采用间 歇生产方式。
精细化工的生产特性
• 技术密集度高
1.综合功能 协同作用。
2.新产品新技术开发的成功概率低、时间长、费用高。 美国、德国（1/10000）
日本（ 1/10000 - 1/30000 ）
精细化工的生产特性
精细化工工艺学基础
• 即对一具体产品，工艺学上要解决的问题主要包 括：合成路线的确定、原料预处理方法、反应方 式及反应条件的选择、产物后处理方法、工艺流 程的组织等。
• 这些问题既要从技术角度考虑，又要从经济角度 考虑，还要从对环境的影响（污染物、副产物的 处理与排放）上考虑。应使得最终产品高质量、 高收率、成本最低。
精细化工工艺学基础
精细有机合成反应过程主要特点：产品种类多、 原料多、反应种类多（各种单元反应）、反应形 式多（均相：气相、液相；非均相：气－液、气 －固、液－固等；光有机合成；电解有机合成； 酶催化等）、催化剂多（有固相、液相、气相， 还有光、热引发等）。
精细化工工艺学基础
原料、产物、催化剂之间纵横交错。如：同一种 产品可以用不同的原料、不同的催化剂、或不同 的反应形式得到。例如，苯酚的合成，工业上可 以采用的路线有5条：如苯磺化碱熔法、氯苯催化 水解法、异丙苯氧化法、甲苯氧化法等。
原料
反应器
产物
A
P
XA＝（nA,R / nA,in ）×100％ ＝ 100％ ×(nA,in — nA,out )/ nA,in
式中， nA,out ——从反应器输出的A量。 注意：同一个化学反应，用不同反应物作基准所得转化
率不同。
5 选择性 选择性（以S表示）。某一反应物转变成目的产
物理论消耗的物质的量占该反应物在反应中实际总 消耗量的百分数。
反应： aA
pP
S
a p
N
p
100%
N A,in N A,out
式中， Np ——生成的目的产物的摩尔数。
• 因此，S反映的是： 参加反应的A有百分之几转化成了目的产物 P。例： S＜100﹪，说明什么？ S=100﹪=1，又说明什么？
6 理论收率 （Yp ）
实际生成目的产物应需要 的限制反应物A的物质的量 占输入的A的物质的量的百 分数，叫做理论收率。
• 商品性强
用户对商品的选择性很高，市场竞争十分激烈。
精细化工工艺学基础
精细化工工艺学主要包括以下内容：对一 具体产品选择和确定技术上和经济上最合 适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，已得到高质量、高收入的产品。
精细化工工艺学基础
合成路线是指选用什么原料，经由哪几步单元反应 来制备目的产物。 工艺路线是指原料预处理和产物的后处理应采用哪 些化工过程，什么设备和什么生产流程。 合成技术主要指非均相接触催化、相转移催化、均 相络合催化、光有机合成、及酶催化等。 完成反应的方法是指间歇操作和连续操作的选择， 反应器的选择和设计。
例： H2N
加入反应器中的反应物之间的物质的量（摩尔）
比。根据反应需要而定，不一定与反应式中物质的
量之比相同。
Cl + 2HNO 3
Cl NO2 + 2H2O
化学计量比 1 2
NO2
投料摩尔数 5 10.7
反应物的摩尔比 1 2.14
2 限制反应物和过量反应物 不按化学计量比投料时，其中以最小化学计量
数存在的反应物叫限制反应物。而投入量超过限制
YP＝
nP
a p
nA,in ×100％
实际生成的目的产物的物 质的量占理论上应得到的目 的产物的物质的量的百分数， 叫做理论收率。
YP＝
nP nA,in
p a
×100％
Yp＝S×X
• 理论收率一般用于计算某一步反应的收率。 但在工业生产中，还需要计算反应过程的 总收率。
总收率(Y总)
反应物经过预处理、化学反应和后处 理之后，所得目的产物的收率为总收率。
精细化工工艺学基础
（3）产品合格化和综合利用。符合产品标准(国家、 行业、企业)。
（4）环境保护：切实可行。 （5）特殊材料及设备：来源有保障或有代用品。 （6）消耗指标：主要原材料消耗指标、热、能耗指
标低。技术路线选择的合适与否，最终表现在消 耗指标上。
2.2.2 化学计量学（9个基本概念）
1 反应物的摩尔比
ne nt 100% nt
例：
Cl
+
2HNO 3
限制反应物 过量反应物
化学计量比 1
2
投料摩尔数 5
10.7Байду номын сангаас
投料摩尔比 1
2.14
硝酸过量百分之多少？
Cl NO2 + 2H2O
NO2
硝酸的过量百分数＝
10.7 5
5 2
2
100%
7%
4 转化率 转化率通常以X 表示。某反应物A反应掉的量
(nA,R)占反应器输入量(nA,in)的百分数。
反应物完全反应所需要的理论量的反应物，叫过量
反应物。
Cl
+
2HNO 3
限制反应物 过量反应物
Cl NO2 + 2H2O
NO2
化学计量比 1 投料摩尔数 5 投料摩尔比 1
2 10.7 2.14
3 过量百分数 过量反应物超过限制反应物所需理论量部分，
占所需理论量的百分数。若以ne表示过量反应物的 物质的量，nt表示它与限制反应物完全反应所消耗的 物质的量，则过量百分数为：
精细有机合成过程的复杂性，给工艺路线选择带来 很大困难。
精细化工工艺学基础
工艺（技术）路线选择的主要原则
（1）原料价廉可靠。在一般生产中，原料成本是 产品成本的主要部分。要考虑：首先选择价格便宜、 来源可靠的原料；还要考虑原料的质量和辅助原料 的供应。
精细化工工艺学基础
（2）技术先进可靠。考虑目前生产合理的现实意 义与持续生产的长远意义。技术先进包括能使用 廉价可靠的原料、先进的反应装置、高效的催化 剂、设备少、流程短、能耗低、污染物少、以及 管理方便、操作安全等。
授课人： 张 扬
本章内容
• 精细化工的生产特性 • 精细化工工艺学基础 • 精细化工过程开发的一般步骤 • 精细化工的技术开发 • 精细化工发展的策略
精细化工的生产特性
• 多品种
医药 染料 Color Index 5232种（1976年） 表面活性剂 日本（4000种） 合成香料 1950年（300种） 1980年（5000种）
精细化工的生产特性
• 多种多样的生产装置和流程
多为液相并联反应，生产流程长，工序多，主要采用间 歇生产方式。
精细化工的生产特性
• 技术密集度高
1.综合功能 协同作用。
2.新产品新技术开发的成功概率低、时间长、费用高。 美国、德国（1/10000）
日本（ 1/10000 - 1/30000 ）
精细化工的生产特性
精细化工工艺学基础
• 即对一具体产品，工艺学上要解决的问题主要包 括：合成路线的确定、原料预处理方法、反应方 式及反应条件的选择、产物后处理方法、工艺流 程的组织等。
• 这些问题既要从技术角度考虑，又要从经济角度 考虑，还要从对环境的影响（污染物、副产物的 处理与排放）上考虑。应使得最终产品高质量、 高收率、成本最低。
精细化工工艺学基础
精细有机合成反应过程主要特点：产品种类多、 原料多、反应种类多（各种单元反应）、反应形 式多（均相：气相、液相；非均相：气－液、气 －固、液－固等；光有机合成；电解有机合成； 酶催化等）、催化剂多（有固相、液相、气相， 还有光、热引发等）。
精细化工工艺学基础
原料、产物、催化剂之间纵横交错。如：同一种 产品可以用不同的原料、不同的催化剂、或不同 的反应形式得到。例如，苯酚的合成，工业上可 以采用的路线有5条：如苯磺化碱熔法、氯苯催化 水解法、异丙苯氧化法、甲苯氧化法等。
原料
反应器
产物
A
P
XA＝（nA,R / nA,in ）×100％ ＝ 100％ ×(nA,in — nA,out )/ nA,in
式中， nA,out ——从反应器输出的A量。 注意：同一个化学反应，用不同反应物作基准所得转化
率不同。
5 选择性 选择性（以S表示）。某一反应物转变成目的产
物理论消耗的物质的量占该反应物在反应中实际总 消耗量的百分数。
反应： aA
pP
S
a p
N
p
100%
N A,in N A,out
式中， Np ——生成的目的产物的摩尔数。
• 因此，S反映的是： 参加反应的A有百分之几转化成了目的产物 P。例： S＜100﹪，说明什么？ S=100﹪=1，又说明什么？
6 理论收率 （Yp ）
实际生成目的产物应需要 的限制反应物A的物质的量 占输入的A的物质的量的百 分数，叫做理论收率。
• 商品性强
用户对商品的选择性很高，市场竞争十分激烈。
精细化工工艺学基础
精细化工工艺学主要包括以下内容：对一 具体产品选择和确定技术上和经济上最合 适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，已得到高质量、高收入的产品。
精细化工工艺学基础
合成路线是指选用什么原料，经由哪几步单元反应 来制备目的产物。 工艺路线是指原料预处理和产物的后处理应采用哪 些化工过程，什么设备和什么生产流程。 合成技术主要指非均相接触催化、相转移催化、均 相络合催化、光有机合成、及酶催化等。 完成反应的方法是指间歇操作和连续操作的选择， 反应器的选择和设计。
例： H2N
加入反应器中的反应物之间的物质的量（摩尔）
比。根据反应需要而定，不一定与反应式中物质的
量之比相同。
Cl + 2HNO 3
Cl NO2 + 2H2O
化学计量比 1 2
NO2
投料摩尔数 5 10.7
反应物的摩尔比 1 2.14
2 限制反应物和过量反应物 不按化学计量比投料时，其中以最小化学计量
数存在的反应物叫限制反应物。而投入量超过限制
YP＝
nP
a p
nA,in ×100％
实际生成的目的产物的物 质的量占理论上应得到的目 的产物的物质的量的百分数， 叫做理论收率。
YP＝
nP nA,in
p a
×100％
Yp＝S×X
• 理论收率一般用于计算某一步反应的收率。 但在工业生产中，还需要计算反应过程的 总收率。
总收率(Y总)
反应物经过预处理、化学反应和后处 理之后，所得目的产物的收率为总收率。
精细化工工艺学基础
（3）产品合格化和综合利用。符合产品标准(国家、 行业、企业)。
（4）环境保护：切实可行。 （5）特殊材料及设备：来源有保障或有代用品。 （6）消耗指标：主要原材料消耗指标、热、能耗指
标低。技术路线选择的合适与否，最终表现在消 耗指标上。
2.2.2 化学计量学（9个基本概念）
1 反应物的摩尔比
ne nt 100% nt
例：
Cl
+
2HNO 3
限制反应物 过量反应物
化学计量比 1
2
投料摩尔数 5
10.7Байду номын сангаас
投料摩尔比 1
2.14
硝酸过量百分之多少？
Cl NO2 + 2H2O
NO2
硝酸的过量百分数＝
10.7 5
5 2
2
100%
7%
4 转化率 转化率通常以X 表示。某反应物A反应掉的量
(nA,R)占反应器输入量(nA,in)的百分数。
反应物完全反应所需要的理论量的反应物，叫过量
反应物。
Cl
+
2HNO 3
限制反应物 过量反应物
Cl NO2 + 2H2O
NO2
化学计量比 1 投料摩尔数 5 投料摩尔比 1
2 10.7 2.14
3 过量百分数 过量反应物超过限制反应物所需理论量部分，
占所需理论量的百分数。若以ne表示过量反应物的 物质的量，nt表示它与限制反应物完全反应所消耗的 物质的量，则过量百分数为：
精细有机合成过程的复杂性，给工艺路线选择带来 很大困难。
精细化工工艺学基础
工艺（技术）路线选择的主要原则
（1）原料价廉可靠。在一般生产中，原料成本是 产品成本的主要部分。要考虑：首先选择价格便宜、 来源可靠的原料；还要考虑原料的质量和辅助原料 的供应。
精细化工工艺学基础
（2）技术先进可靠。考虑目前生产合理的现实意 义与持续生产的长远意义。技术先进包括能使用 廉价可靠的原料、先进的反应装置、高效的催化 剂、设备少、流程短、能耗低、污染物少、以及 管理方便、操作安全等。