特种化学品

材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3确定需求提出方案遴选方案决定产品产品生产1大宗化学(产)品(苯系列、氢气、铁等)2特种化学(产)品(中间体、催化剂、油品添加剂、塑料和橡胶助剂、纺织/皮革化学品、电子化学品、涂料和胶粘剂、发泡剂和制冷剂替代品、食品和饲料添加剂以及医药等)3化学装置材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3特种化学品与大宗化学品的差异高附加值抗生素与甲苯产量年产1000吨为分界线反应器间歇与连续放大任务与时间要求放大倍率低、时间要求短风险药物的溶剂替代、医用导管的生产方式美食与米饭的关系，化学装置就是（饭碗或菜盘）实验室工作的延伸反应的工程化分离过程设计资料收集产品生产材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3产品设计者(化学家):A工程师：BA：我把粗类固醇溶于二氯甲烷……任何有智商的人都会做这个容易的反应，在零下40度下C+D——CD副反应：CD+D——CD2加入丙酮，产物析出，滤出溶剂，再加入DMF(二甲基甲酰胺)溶解：CD+H2O——COH+DH都是强放热反应，容易控制，总选择性不高40%B：为什么选择性低A：我不知道，这类化学反应经常这样B：可以使用不同溶剂吗A：可能无法替代二氯甲烷，它是最佳溶剂B：二氯甲烷是危险的致癌物质，可用醋酸丁酯替代吗走向生产的第一步——实验室结果的延伸材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3A：二氯甲烷效果非常好，取代它会带来麻烦B：考察过反应过程中出现的最大温升吗A：没有，但可能很大，足以使溶剂沸腾，但可通过停止搅拌来减慢反应速度B：为什么用圆底烧瓶？用管式可快速转化A：我希望反应速度慢下来，如果太快，会产生很多副产物B：怎么脱色A：实验室采用活性炭B：测量过中间沉淀物的纯度了吗A：没有，我认为这并不重要B：产品如何分离的A：我没分离，我取出固体物通过HPLCB：你知道怎么大规模提纯产物A：实验室里我知道怎么提纯，大规模提纯是你的工作材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3工程师了解的信息强放热反应，该反应的选择性与温度有关反应可能是质量传递控制的，反应速率依赖于搅拌待分离反应产物中包含原料和副产物通过吸附，可以实现分离过程，至少小规模上如此溶剂很重要，但几乎没被研究过工程师的验证工作——重复实验材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3产品设计者(化学家)证实了合成路线可行工程师需要发现该路线能安全生产多少产品(1)反应器的选择搅拌釜医药中间体的生产流化床药物的生产(2)工艺条件的优化转化率和选择性原料纯度、成本要计较操作条件实验室容易提供真空、工业生产容易提供高压(3)其它安全性静电设备材质耐腐蚀性酸溶剂和副产物的回收橡胶企业、精细化学品企业自动化废弃物的处理走向生产的第二步——反应的工程化材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3如何把盐和胡椒粉分离1溶解法2重力法3筛分法4静电法分离：根据产物各组分的物理和化学性质的差异(沸点、熔点、溶解度、吸附性、吸收性、密度、颗粒大小、电磁性能、化学反应性能等）精制产品的方法1确定分离过程的顺序经验法则2了解每一类分离过程所适用的产品范围3需要考虑投资和操作费用走向生产的第三步——分离材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/31气固混合物的分离（大宗）a干法重力沉降、离心沉降、静电沉降b湿法喷淋HCl2固固混合物的分离（大宗）筛分、浮选等选矿、矿物分级3液固混合物分离（特种）结晶、过滤、干燥、蒸发、沉降、离心4液液混合物分离（特种）蒸馏、萃取、吸附（离子交换）、膜分离、电泳5气气混合物的分离（大宗）吸收、扩散、冷冻、膜分离、色谱常见的分离类型与方法材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/31气固混合物的分离（大宗）纯化之前浓缩产品意味除去大量水或溶剂，减少体系的体积污水处理和牛奶脱水舍伍德定律表明大多数情况下，进料浓度提高10倍，分离费用下降10倍例：少量锋利的刀、大量筷子、较多的叉子和不锈钢勺子、少了与不锈钢勺子同样外形的银勺子如何按顺利分出来？2在早期就将大量产品或容易分离的产品移出节省成本3将最难得分离步骤放在最后4在早期除去危险物质如会致使催化剂中毒的物质等5在分离过程中避免引入新物质，如果引入，应在分离完成后立即除去6通过使用不同溶剂来避免极端温度下进行分离高温可能导致特种化学品分解，低温操作费用昂贵分离过程的经验法则材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3第1类精馏对特种化学品生产的外围过程很重要，如溶剂回收和再利用第2类常用的分离过程最终产品价格的关键萃取吸附（包括离子交换）结晶（包括沉淀）第3类其它重要过程干燥/蒸发过滤（包括超滤）离心吸收膜分离电泳最常用的分离过程材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3来源：从间歇反应器中出来的含有特种化学品的稀溶液定义：通过产品在原始料液和萃取剂中的溶解度的差异进行分离关注：溶剂的选取每批萃取操作的分离效率如何通过多次萃取进行纯化萃取吸附来源：从间歇反应器中出来的含有特种化学品的稀溶液定义：通过原始与固体吸附剂接触进行分离关注：吸附剂的选取间歇过程的吸附行为如何纯化产品类别：碳焦炭、木材、椰子壳主要用于脱色无机吸附剂活性氧化铝、硅胶主要用于干燥，吸附极性物质合成高分子离子交换树脂选择性吸收高附加值物质，如药物、色素材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3结晶（沉淀）来源：从间歇反应器中出来的含有特种化学品的稀溶液定义：向反应后的溶液中加入一种非溶剂物质，这种非溶剂物质与溶液互溶，引起溶质沉淀，在溶液中形成固体，一般是分离的倒数第二道工序，接下来是干燥通用规则：非溶剂物质通常具有与产品非常不同的极性。进料是水溶液，非溶剂物质可为丙酮或叔丁醇进料是乙醇类溶剂，非溶剂物质可为水经验法则：(1)沉淀随温度下降而增加(2)高分子量产品的沉淀比低分子量产品容易(3)溶质越多，沉淀越趋于容易(4)从水中沉淀溶质在离子强度0.1M左右时容易一些结晶过程比沉淀过程更好，其目标要形成大的晶体，更利于下一步的清洗和过滤结晶取决3个因素：(1)溶解度随温度和溶剂的组成而改变降低温度、改变溶剂组成实现(2)取决于晶体生长速率(3)依赖于冷却曲线巧克力材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3例青霉素的纯化青霉素是有机羧酸PH5.5溶于水PH5.0溶于有机萃取剂解决方案萃取第一步先酸化，再用醋酸戊酯萃取以酸存在的青霉素不稳定，该过程越快越好第二步用PH=7.5的水反萃，得到青霉素水溶液重复萃取过程直至青霉素浓度提高100倍最后，将正丁醇加入青霉素水溶液中结晶出青霉素的钠盐或钾盐材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3专门资料（与设计有关）物性数据物性数据包括：粘度、导热系数、扩散系数、蒸汽压、沸点、凝固点、气液平衡数据、表面张力、催化剂的各种物理性能等纯物质和混合物质的物性物性数据的来源手册、数据库、试验、图表、经验公式AspenplusChemicalEngineeringdata二化学平衡数据三转化率、收率和反应的选择性四化学反应速率走向生产的第四步——技术经济资料的收集材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3外围资料二产品方面的资料三副产物方面的资料四厂房建筑方面的资料1关于厂房的平面布置2关于厂房的柱网跨度3关于厂房的空间布置4防火墙和防爆墙五厂址选择方面的资料1气象6水源资料2地形7厂区及邻近地区情况3工程地质8排洪和排水4交通运输9供电和电讯5环境保护六能源方面的资料材料科学与化学工程学院上一页下一页特种化学品2020/3/3常用的搅拌器：