1、精 细 化 工,主讲人：顾学芳,绪 论,精细化学工业（简称精细化工）是生产精细化学品的工业。精细化工是当今世界各国发展化学工业的战略重点，也是一个国家综合技术水平的重要标志之一。其基本特征是以高新技术为依托，为全球经济和人民生活生产提供高质量、多品种、专用或多功能的精细化学品。,第一节精细化工的分类和特点,精细化工的形成和发展 精细化学品的定义 精细化学品的分类 精细化学品的特性,精细化工的形成和发展,精细化学品十九世纪以前即已有，以天然物为原料。 如15,6世纪古埃及人香料涂抹木乃伊。李时珍用丁香麝香治病。18世纪法国发明香水。我国用皂角,草木灰洗涤。这些都采用天然原料。19世纪取得一定发展
2、，品种增多如药物，油漆，肥皂，酿造，农药等。 在20世纪初，随着石油化工的发展，以合成化学品为原料的精细化学品产生了第一次飞跃。其特征是：以合成化学品为原料的精细化学品，在数量上和品种上均逐渐居于主体(特别是精细有机化学品)。但是50年代大化工主要以煤,石油,天然气为原料,70年代中东危机,石油价格暴涨.促使化工产业结构升级,产品向精细化发展.如美国,日本,德国.如德国采用高能高分子塑料-工程塑料代替金属,取得较好经济效益.,精细化工的形成和发展,在20世纪中叶，随着高分子化学的发展和高分子材料的大量出现，为精细化学品带来了第二次飞跃，其特征之一是部分老行业更新换代，如合成洗涤剂的出现，油漆扩
3、展为涂料；其另一特征是新生行业崛起如合成聚合物胶粘剂、合成材料用助剂、信息化学品、功能高分子等。 20世纪80年代中期后，主要工业国家化学工业结构重整，产品结构升级，产品精细化、功能化精细化工。 精细化学品发展的基本特征是以高新技术为依托，为全球经济和人民生活提供高质量、多品种、专用或多功能的精细化学品。 同时，伴随着人们对环保的认识，对可持续发展的共识，人们认识到：传统的化学工业必须变革，以适应可持续发展的要求。精细化学品工业也必须朝着低污染甚至无污染的“绿色”方向发展，并且应该成为整个化学工业的典范。除“绿色”外，近年来，精细化工已经向追求更高功能化方向发展。,精细化工的形成和发展,时至今
4、日，精细化工已经是世界工业化国家的支柱产业之一，在化工总产值中的比例越来越高，精细化率反映了一个国家的发达水平和综合技术水平。精细化率=精细化工产品的总值 *100%化工产品的总值目前世界上主要发达国家的精细化工率已超过50以上，如日本的精细化工率已超过60，而我国还处于较低的水平，需要进一步的发展。如中关村号称我国技术含量最高的地方，但实质大多为组装，缺乏自己的知识产权，真正的技术含量只有0.5%，离标准技术率的35%还有一定距离,具有固定熔点或沸点，能以分子式或结构式表示基结构的,不具备上述条件的,大量生产的无差别化学品（无机酸、碱、甲醇等）,较大量生产的差别化学品（塑料、合成纤维等）,小
5、量生产的无差别化学品（原料医药、原料农药等）,小量生产的差别化学品（医药制剂、农药制剂等）,美国克林教授的释义,欧美,产量小、纯度高的化工产品。,精细化学品的定义,精细化学品的定义,凡生产具有专门功能，研究开发制造及应用技术密集度高，配方技术能左右产品性能，附加价值高，收益大，小批量，多品种的化工产品，称为精细化学品。生产精细化学品的工业，称为精细化学工业(fine chemical industry)，简称精细化工。 我国化工界得到多数人公认的定义是：凡能增进或赋予一种(类)产品以特定功能，或本身拥有特定功能的小批量、高纯度的化学品，称为精细化工产品，有时称为专用化学品(speciality
6、 chemicals)或精细化学品(fine chemicals)。按照国家自然科学技术学科分类标准，精细化工的全称应为“精细化学工程”(fine chemical engineering)，属化学工程(chemical engineering)学科范畴。,精细化学品的定义,精细化学品是与大宗化学品相对应的一类化工产品，是指对化学工业生产的初级或次级产品进行深加工而制成的具有某些或某些种特殊功能的化学品。 这些功能可以是自身具有或赋予他物具有，突出功能可以是化学功能、物理功能或生物活性。 它可以是单一组份的纯物质，也可以是多元复配的产物。一般其产量相对较小的、附加价值相对较高。,精细化学品可以
7、分为三大类，即精细有机化学品、精细无机化学品及精细生物制品。 日本等发达国家的精细化工产品归纳为40个门类：医药、农药、染料、颜料、各种中间体、涂料、香料与香精、化妆品与盥洗卫生用品、合成洗涤剂、表面活性剂、印刷油墨、水处理剂与高分子絮凝剂、造纸化学品、试剂、胶粘剂、感光材料、磁记录材料、催化剂、皮革化学品、合成材料助剂、纺织印染助剂与整理剂、食品添加剂、动物用药、饲料添加剂、石油添加剂、石油炼制助剂、油田化学品、合成润滑油与润滑油添加剂、混凝土外加剂、矿物浮选剂、铸造用化学品、金属表面处理剂、汽车用化学品、芳香除臭剂、工业用防菌防霉剂、精细陶瓷、电子信息化学品、功能性高分子材料和智能材料等。
8、,精细化学品的分类,中国精细化工产品包括11个产品类别：农药、染料、涂料（包括油漆和油墨）、颜料、试剂和高纯物、信息化学品（包括感光材料、磁性材料等能接受电磁波的化学品）、食品和饲料添加剂、粘合剂、催化剂和各种助剂、化工系统生产的化学药品（原料药）和日用化学品、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）。 在催化剂和各种助剂中可分为催化剂、印染助剂、塑料助剂、橡胶助剂、水处理剂、纤维抽丝用油剂、有机抽提剂、高分子聚合物添加剂、表面活性剂、皮革助剂、农药用助剂、油田用化学品、混凝土添加剂、机械和冶金用助剂、油品添加剂、炭黑、吸附剂、电子工业专用化学品、纸张用添加剂、其它助剂等二十个
9、小类。,精细化学品的特性,1.生产特性小批量、多品种、大量采用复配技术；采用间歇式、多功能的生产装置；技术密集度高； 2.经济特性投资效率高、利润率高、附加价值高、 3.商业特性市场从属性（重视市场调研，适应市场需求）；独家经营，技术保密；配有应用技术和技术服务 4.产品特性具有一定的功能。包括物理功能、化学功能和生物活性,1.生产特性 小批量、多品种、复配型居多；复配是指两种或两种以上物质通过恰当比例，按照一定的方式去混合，而获得一种新产品的技术或过程。 技术密集度高；精细化工产品市场竞争激烈，产品的更新换代快。这要求生产企业，要经常不断的根据市场的需要、客户的需求开发出性能更高的产品。因此
10、，企业必须开展科学研究，及时掌握各种技术情报与市场信息，不断采用新技术、新工艺。所以说精细化工属于技术密集型产业。技术密集还表现在生产过程的流程长，单元反应多，原料复杂，中间过程控制要求严格，技术保密性强，专利垄断性强等方面。 多采用间歇式生产装置；精细化工生产设备还具有“轻、薄、短、小”的特点。从生产过程上看，产品生产从单一产品、单一流程、单元操作装置的生产方法，一方面向具有多功能的生产装置(一机多能，多功能化)发展；另一方面向所谓的柔性生产系统(FMS，柔性化)发展，即具有相近的工艺流程的同一类型品种，使用同一套设备生产。 生产流程多样化。针对同一产品，不同的厂家拥有不同的生产技术，这些技
11、术各具特色，具有鲜明的自主知识产权的特征。从原料，到反应原理，再到工艺过程的组合均不相同。,2.经济特性投资效率高，投资效率为附加价值与固定资产的比值。由于精细化学品的产量小，所以固定资产投资比例相对较少，同时精细化工产品的附加价值较高，所以精细化工产品投资效率高。 附加价值高， （附加价值：指在产值中扣除原材料、税金、设备、厂房的折旧费所剩余部分的价值。它包括工人劳动、利润、动力消耗以及技术开发等费用）附加价值高反映出产品加工中，所需要的劳动，技术利用情况，以及利润等。 利润率高，精细化学品利润高的原因在很大程度上源于技术垄断。,3.商业特性 独家经营，技术保密； 重视市场调研，适应市场需求
12、； 配有应用技术和技术服务 技术咨询、技术培训、技术支持等工作。,4.产品特性 具有一定的功能。包括物理功能、化学功能和生物活性 化学功能：系指在一定的环境条件下，此种化学品可增加或赋予其它物质以某种特定的影响或变化 如染色、脱污、去杂、粘合、增稠、阻燃等，有的可能同时伴有物理作用。 物理功能：精细化学品自身所具有的物理性质和能力，如耐高温、高强、超硬、绝缘、导体、超导、磁性、吸热、放热、吸音等，有的也可能同时伴有化学作用。表现为某种特定物理效应的，如热电、光电、激光等 某些特定的生物活性：系指精细化学品自身以其活性基团，增进或赋予生物体一定的能力(加新陈代谢能力、生长能力、抵抗能力和适应能力
13、)如食品添加剂中可预防贫血、增强免疫、延缓衰老、美容保健、减肥功能、调节血脂、调节血糖、改善肠胃功能、抑制肿瘤、改善记忆等方面的添加剂。,精细化学品的特性,第二节 精细化学品在国民经济中的作用和发展趋势,一、精细化学品在国民经济中的作用 二、精细化学品的发展趋势 三、我国精细化学品的发展重点,一、精细化工在国民经济中的作用,1）直接用作最终产品或它们的主要成分。,2）增加或赋予各种材料以特征,4）丰富和改善人民生活,3）增进和保障农、林、牧、渔业的丰产丰收,5）渗入其他行业、促进和推动科学技术发展、更新换代,6）高经济效益,二、精细化学品的发展趋势,品种门类继续增加 发展速度继续领先 结构调整
14、趋向优化 大力采用高新技术,一、基础与前期工作 了解新产品的分类;收集有关的信息和文献;做市场预测和技术调查;了解产品的标准化及标准级别 二、精细化工产品的研究与发展 三、精细化工过程开发试验及步骤,第三节 精细化工产品的研制与开发,企业要在市场经济中立于不败之地，只有不断地研制与开发新产品。 a.新产品的分类(确定开发新产品类型) (1)按新品地域特征分类 1)国际新产品 世界范围内首次生产销售的产品 2)国内新产品 国外已生产,国内首次生产销售的产品 3)地方或企业新品 市场已有,本地区,企业首次生产销售 (2)按新品创新和改进程度分类 1)全新产品 具有新原理,新技术,新结构,新的物理化
15、学特征的产品如生物工程技术的固定化酶等 2)换代新产品 基本原理不变,部分采用新技术,新结构,使产品功能,性能或经济指标显著提高的产品 3)改进新产品 对老产品采用技术改进,功能性能用途提高,b.信息收集和文献检索采用 采用计算机检索：输入关键词,作者,时间等. 回溯查找法： 从手头最新一篇文章综述出发 随意翻阅法： 更全方法：查CA 基本全部收录所有化工期刊 检索信息内容： 1)文献中介绍的新进展，新发现，新研究方法，新工艺 2)国家科技发展方向和科技发展规划 3)有关研究所，工厂新产品，新材料，新工艺，新设备开发及发展情况 4)市场动态，价格，资源及进出口变化信息 5)有关产品质量，产量工
16、艺技术，原料供应，消耗，成本及利润信息 6)有关厂家基建投资，技术项目，经济效益，技术指标信息 7)国际国内新标准及三废治理新法规 8)使用者对产品新要求等,文献的检索 美国化学文摘(CA)、日本科学技术文献速报、英国.德温特专利文献检索工具、英国科学文摘(SA)、美国工程索引( EI)等。 中国化工文摘、全国报刊索引(自然科学技术版)、精细石油化工文摘、涂料文摘、 中国石化文摘、 中国药学文摘、 日用化学文摘,c.市场预测和技术调查 1)注意掌握国家产业发展政策 如建材、有毒农药、卤系阻燃剂 2）了解同种类产品在发达国家命运 如卤系阻燃剂 3）了解产品在国内国际市场上供求总量及其变化动向 4
17、）注意国家在原料基地建设方面的信息 5）了解用户产品信息 ，需求，产量 6）设法保护本企业产品，专利 7）技术调查和预测 技术状况及发展趋势，所处水平 8）注意边空少特新产品发展动向 边缘产品、行业交叉产品、市场需求量少的产品，特殊产品和最新产品，市场好 9）注意本地资源利用 充分利用本地资源,d 产品的标准化 产品标准是对产品结构、规格、质量检验和检验方法所作的技术规定。一定时期和范围内具有约束力，是产品生产、质量检验、验收、使用、保管和洽谈贸易的依据。分为： 1 国际标准 国际上权威的组织制定各国承认和通用的标准，如ISO9002。 2国家标准 一个国家对全国经济、技术发展有重大意义必须在
18、全国范围统一的标准。国家最高一级规范性技术文件，发布后，生产、科研、设计管理部门必须严格执行。如饮用水标准，三废排放标准等。 3 企业标准 生产企业制定并报当地技术监督部门审查备案的标准。有些产品无国家标准，企业根据用户需求自己制定。有些为提高质量，企业标准高于国家标准。,二、精细化工产品的研究与发展 1、课题的来源1） 起源于新知识的科研课题 研究者通过某种途径如文献资料、演讲、意外机遇、市场及日常生活了解到某一科学现象或一个新产品，在寻找科学现象或新产品应用过程中提出了课题，课题产生往往伴随灵感的闪现，具有较高独创性和新颖性。,2）解决具体问题的科研课题这类课题往往针对某一具体的精细化工产
19、品，通过缺点列举、希望列举所提出的也可以是工业生产中提出来的或攻关课题。这些课题研究具有明确目标和任务。绝大部分精细化学品开发采用这种方式。要求信息积累。毕业课题常是老师选定的解决某一问题课题。如图：,2、科研课题的研究方法 1） 模仿和类比研究法 模仿别人同类产品研究时的研究方法，或以已有产品为蓝本，根据其某一特征进行开发，通过模仿进行研究 2）仿天然物研究法 类比研究法的一种特殊形式，以天然界存在物质为蓝本，通过结构分析和机理研究，模拟天然物结构，研究出性能相近或更优越的产品，如麝香等研制 3）应用科学技术原理或现象法 查阅文献，了解有关科学原理、作用机理、特殊科学现象，应用原理进行研究
20、4）筛选研究法 通过大量物质和配方的尝试，找到所期望的物质或配方。 5）样品解剖分析法 如果掌握了某一精细化工产品样品，由于技术保密原因无法知道组成和配方，研制同类产品可采用分析化学方法对其组成进行定性、定量分析，了解产品大致配方，作为研究参考。如FT-IR、XPS、液质联用等。目前国内绝大部分研究都采用1）5）方法研究国外新配方、新产品，进行仿制。,三、精细化工过程开发试验及步骤 1 实验室研究（小试）根据理论或资料分析，提出新思路，实验室进行探索，测定基础数据，探索工艺条件 1）选择原料 常用纯试剂，杂质少，能确定反应条件和原料配比对产品收率影响，在此基础上逐步改用工业原料 2）确定催化体
21、系 尽量减少消耗和三废。3）提出和验证实施反应的方法、工艺条件范围、最优条件和指标， 通过正交试验得出结论 4）收集、测定必要的物理数据和热力学数据如密度、粘度、平衡常数等 5）动力学研究，研究主反应、副反应速度，动力学方程式等 6）传递过程研究 包括压降，速度分布，停留时间，传质、传热等 7）材料抗腐蚀性能研究 考虑所用原料对设备腐蚀性 8）毒性试验 如表面活性剂、化妆品等 9）质量分析 分析原料质量、工艺流程中间控制、三废处理等,2 中试放大 根据结果，估计各种指标，进行可行性研究 任务：1）确定和检验系统连续运转条件和可靠性2）全面提供工程设计如动力学、热力学数据，供模型或设计用3）考察
22、设备结构及材质影响4）考察杂质影响5）提供部分产品或副产品供应用、开发 6）解决三废问题7）研究生产控制方法8）确定实际经济消耗指标 9）修正和解决数学模型 主要方法：1）经验放大法 利用类似装置或产品生产经验进行放大 2）部分解析法 半经验、半理论，根据化学反应工程理论对某些部分进行分析，确定因素之间主次关系，结合经验，定出设计方法 3）数学模型放大法 运用计算机进行研究、设计和放大 3 大试（工业化生产试验） 一般放大1050倍，各种常数如腐蚀、物性常数清楚时放大100200倍，然后进行质量分析，经济分析等。最后进行生产。,精细化工工艺学的内涵,精细化工工艺学是指从初级原料、次级原料到精细
23、化工产品的加工方法和过程。其方法和过程可以采用化学反应，也可采用复配技术，但这些方法和过程应该是技术上可行的、工艺上先进的、经济上合理的、环保上允许的。,精细化工工艺学的内涵,化工生产过程主要由生产准备过程、化学反应过程、产品后处理过程所组成。除这三个主要过程外，还包括分离与回收、检验、计量、包装、储运及公用工程（水、电、气、汽）等过程。对于精细化工的生产，有时还包括精制加工和商品化部分。从生产的管理上，需要注意生产操作人员、机械设备、各种原辅料、生产工艺及法规及生产环境。,精细化工工艺学的内涵,各个生产单元按照一定的目的要求，有机地组合在一起，形成一个完整的生产工艺过程，并用图形描绘出来，即
24、是工艺流程图。属于工艺流程图性质的图样有若干种，它们都用来表达工艺生产过程。在工艺学上常用的有方块流程图、装备流程图、带控制点工艺流程图等。,工艺流程设计,围绕工艺流程的四个重要部分：其他相关措施及设计,1、生产准备过程,精细化工生产的原料主要是各种有机化合物。根据生产目的的不同，原料要求等级也不尽一致。控制住原料的来源、产地、纯度等，是保障生产顺利进行的首要条件。 如：实验室用试剂 、工业级的化工原料,原料预处理：,预热（冷） 汽化 干燥 粉碎筛分 提纯精制 混合 配制 压缩等,2、化学反应过程,鉴于精细化学品的特点，精细化学品的生产方式是多种多样的。以合成为主的精细化学品生产，需要明确采用
25、何种合成路线，即选用什么原料，经由哪几步单元反应来制备目的产物。,反应过程中涉及的问题：,(1)操作方式（连续、间歇）(2)能量供给、移出方式(3)催化反应,反应过程中涉及的问题：,转化率XA 选择性S 理论收率YP 重量收率YW,3、产品后处理过程,经反应得到的物料，多数情况下不是单纯的产物，而是含有部分原料、催化剂残渣、反应介质（水或有机溶剂）等的混合物。因此必须将产物与反应物、反应介质等进行分离。分离方法与反应所得到物料的形态有关。,产物后处理：,产物处理（分离净化） 产品处理（作为下一工序原料、筛选、包装、灌装、计量、贮存、输送等 ） 未反应物循环利用（返回反应过程或加工成副产物） 副
26、产物处理（设计制备、包装、贮运等）,三废处理：,三废： 废气 废液 废渣 所含有害物质在排放前应该达到排放标准；尽量综合利用，变废为宝；污染问题不解决，不允许投产。 相关政策法规,根据精细化学品定义，配方左右产品性能。 配方对精细化学品开发非常重要。配方设计人员是应用技术开发的灵魂人物，配方具有科学性，要靠理论知识的指导和经验的积累，还要有一定的经验和直觉，如酒厂的品酒员，化妆品厂的调香师。五粮液、“美加净”“巴黎之夜”等。 配方设计基本原则：从产品用途出发，在产品配方全部性能指标达到规定标准前提下，使产品配方综合性能指标达到最优化。,精细化工产品的配方设计原理,1 配方优化设计方法 单因素优
27、选法在n个组分(因素)的配方体系中，将n-1个因素固定，逐步改变某一个因素的水平(各因素的不同状态)，根据目标函数评定该因素的最优水平。然后，依次求取体系中各因素的最优水平，最后将各因素的最优水平组合成最好配方。有黄金分割法、一批做几个试验的选点法。,1）黄金分割法 来源于平面几何上的黄金分割。是方程x2+x-1=0 的一个解 x=0.618 。确定实验区间a,b,第一次试验点取在总长0.618的地方，x1=a+0.618(b-a) x2=a+b-x1，比较x1,x2点的试验结果看哪一个效果好，去掉另一区间，继续试验，直到最佳试验点。n 次试验后精度为0.618n-1。 2）中值法 取中值点进
28、行实验。方法同上。黄金分割法精度远大于中值法。 应用示例：某橡胶厂生产微孔拖鞋，存在缩码问题，分析发现主要是促进剂量不合理。采用黄金分割法进行优选。 1 确定试验范围从1.55。如图：,确定第一个试验点A，A=1.5+0.618(5-1.5)=3.66, 以及第二个试验点B,B=1.5+5-A=2.84 进行实验，实验结果A收缩率2.65% B1.84%,实验结果表明B效果好，去掉A，5区间，继续试验。 第三点C=1.5+3.66-2.84=2.32 实验结果C点收缩率2.6%，还是B好，去掉1.5 ，C 区间，继续试验。 第四点D：D= 2. 32 +3.66-2.84=3.14 试验结果表
29、明基本达到规定要求，解决了缩码问题。确定最后促进剂用量为3.14，与试验前促进剂用量3.35，收缩率2.6%相比，产品质量大大提高。 多因素优选法 其实质是每次取一个因素，按0.618法优选，依次进行，达到各因素优选。,正交实验法(正交试验设计法)正交表 1因素：准备考察的有关影响试验指标的条件 2水平：在试验中准备考察的各种因素的不同状态 3正交表 正交表的特点是其安排的试验方法具有均衡搭配特性，常见的正交表有L4(23)、 L8(27)、 L16(215)、 L9(34)、 L18 (37)、 L27(313)、 L16(45)、 L25(56)、等。 4 直观分析法 直观分析法又名极差分
30、析法，它是对试验结果(数据)进行处理分析的基本方法。,正交试验法：采用正交表安排和分析多因素的一种数理统计方法，次数少，效果好，方法简单，使用方便。在复杂问题中，我们把影响各种指标的条件称为因素，如配方中的组分，各种因素的不同状态称为水平，如各组分含量，为了寻求最优化生产条件，必须对各因素、各水平进行试验，优选。,如：利用废料烟灰制砖，通过试验寻求生产工艺参数达到砖的折断力指标，指标越大，质量越好。影响因素三个，每个因素三个水平： A：成型水分，A1:9%,A2:10%,A3:11% B：碾压时间，B1:8min,B2:10min,B3:12min C：一次碾压料重；C1:330Kg,C2:3
31、60Kg,C3:400Kg 希望解决哪个因素起主要因素？哪个因素是次要因素？各因素中哪个水平最好？最优工艺方案。 三因素，三水平，如采用每个因素每个水平搭配实验需33=27次，如五因素五水平需55=3125次实验，实验次数太多，难以解决。采用正交实验很容易解决。,1 确定正交表 常见正交表L4(23),L16(45),L25(56) 等，L表示正交，下标4，16，25等表示有4行，16行，25行表示实验次数，括号内3，5，6等表示纵列最多3个、5个、6个影响因素，2、4、5为每个因素的水平，最后一列为实验结果 2 正交表的选择 选用的因素数与水平数大于或等于试验的因素数与水平数，试验次数最少。
32、 以本例说明，三因素，三水平，采用L9(34) 实验9次，实验次数最少，1，2，3列为三个因素，每一个因素有三个水平，空出一列为实验结果，如下表。,3 实验计划的制定 根据上述正交表，1，2，3列分别写上因素A，B，C，水平数字1、2、3分别写上该因素的1水平、2水平、3水平。进行实验，测试结果如下表：,4 结果分析 对每一因素，计算每一水平的折断力平均值，分别确定每一因素最好水平。计算每一因素最好水平与最差水平的差即 极差，极差最大的因素是最主要因素，以此类推。得出配方。数据分析结果表明，A因素是最主要的。确定配方：A3C3B2，如表：,本课程的主要内容,表面活性剂与洗涤剂 合成材料助剂 农药 涂料 染料与颜料 香料与香精 化妆品,作业,1、精细化学品的定义是什么？ 2、精细化学品与专用化学品的区别有哪些？ 3、精细化学品的分类如何？ 4、简述精细化工的特点？ 5、简述工艺学的内涵？ 6、国内外的精细化工文献检索的常用工具有哪些？ 7、 精细化工产品配方优化设计的方法有哪些？,
