精细化工工艺学基础.ppt

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1、精细化工工艺学基础精细化工工艺学基础 第一节第一节 化学计量学化学计量学 化学计量式可以用下列通式表示：化学计量式可以用下列通式表示：简单反应、复合反应简单反应、复合反应 概念概念简单反应简单反应复合反应复合反应一、反应物的摩尔比一、反应物的摩尔比 加入反应器中的几种反应物之间的摩尔数之比。加入反应器中的几种反应物之间的摩尔数之比。二、限制反应物和过量反应物二、限制反应物和过量反应物 以最小化学计量数存在的反应物叫做以最小化学计量数存在的反应物叫做“限制反应物限制反应物”。某某种种反反应应物物的的量量超超过过限限制制反反应应物物完完全全反反应应的的理理论论量量，则则该该反应物称为反应物称为“过

2、量反应物过量反应物”。过量百分数为：过量百分数为：ClC6H5+2HNO3 ClC6H3(NO2)2+2H2O物料名称物料名称 化学计量比化学计量比(系数系数)投料摩尔数投料摩尔数 投科摩尔比投科摩尔比 投料化学计量数投料化学计量数 氯苯氯苯 1 5.00 1 5 硝酸硝酸 2 10.70 2.14 5.35因此氯苯是限制反应物，硝酸是过量反应物：因此氯苯是限制反应物，硝酸是过量反应物：三、转化率三、转化率 四、选择性四、选择性 五、理论收率五、理论收率 转化率、选择性和理论收率三者之间的关系是：转化率、选择性和理论收率三者之间的关系是：y=Sx 例如，例如，100mol苯胺在用浓硫酸进行焙烘

3、磺化时，反应产物苯胺在用浓硫酸进行焙烘磺化时，反应产物中含中含87mo1对氨基苯磺酸，对氨基苯磺酸，2mol未反应的苯胺，另外还有未反应的苯胺，另外还有一定数量的焦油物，则得：一定数量的焦油物，则得：生成对氨基苯磺酸的选择性生成对氨基苯磺酸的选择性:生成对氨基苯磺酸的理论收率生成对氨基苯磺酸的理论收率:六、质量收率六、质量收率例如，例如，100kg苯胺苯胺(纯度纯度98，分子量，分子量93)经焙烘磺化和精经焙烘磺化和精制后得制后得217kg对氨基苯碳酸钠对氨基苯碳酸钠(纯度纯度97，分子量，分子量231.2)，则按苯胺计：，则按苯胺计：a.对氨基苯磺酸钠的理论收率对氨基苯磺酸钠的理论收率 b对

4、氨基苯磺酸钠的质量收率对氨基苯磺酸钠的质量收率 七、原料消耗定额七、原料消耗定额 指每生产指每生产1t产品需要消耗多少吨产品需要消耗多少吨(或千克或千克)各种原各种原料料 在在上上例例中中每每生生产产一一吨吨对对氨氨基基苯苯磺磺酸酸钠钠，苯苯胺胺的的消消耗耗定定额是：额是：100/217=0.461 t=461kg八、单程转化率和总转化率八、单程转化率和总转化率 RR例：在苯一氯化制氯苯时，为减少副产二氯苯的生成量，例：在苯一氯化制氯苯时，为减少副产二氯苯的生成量，每每100mol苯用苯用40mol氯，反应产物中含氯，反应产物中含38mol氯苯，氯苯，1mol二氯苯，二氯苯，还有还有61mol

5、未反应的苯，经分离后可回收未反应的苯，经分离后可回收60mol苯，损失苯，损失1mol 苯，苯，如图所示：如图所示：第二节第二节 精细化工产品的合成设计精细化工产品的合成设计 一、逆向合成法一、逆向合成法 d-合成子合成子a-合成子合成子逆向切断逆向切断逆向连接逆向连接逆向重排逆向重排二、逆向切断技巧二、逆向切断技巧 1、优先考虑骨架的形成、优先考虑骨架的形成 2碳碳杂键先切断杂键先切断 3目标分子活性部位先切断目标分子活性部位先切断 4添加辅助基团后切断添加辅助基团后切断 5回推到适当阶段再切断回推到适当阶段再切断 6利用分子的对称性利用分子的对称性 三、导向基的应用三、导向基的应用 1活化

6、导向活化导向 2钝化导向钝化导向 3封闭特定位置进行导向封闭特定位置进行导向 四、保护基的作用四、保护基的作用 一个合适的保护基应具备下列条件：一个合适的保护基应具备下列条件：引入时反应简单，产率高；引入时反应简单，产率高；能经受必要的和尽可能多的试剂的作用；能经受必要的和尽可能多的试剂的作用；除去时反应简单、产率高，其它官能团应不受影响；除去时反应简单、产率高，其它官能团应不受影响；对不同的官能团能选择性地保护。对不同的官能团能选择性地保护。第三节第三节 精细化工产品的配方技术精细化工产品的配方技术 一、配方研究一、配方研究1，精细化学品的一般生产方法，精细化学品的一般生产方法 2，配方研究

7、一般方法，配方研究一般方法 A，配方设计的前提配方设计的前提(1)对产品性能要求的了解对产品性能要求的了解(2)对原材料特征的了解对原材料特征的了解(3)对生产工艺与条件的掌握对生产工艺与条件的掌握 B，配方设计的基本原则配方设计的基本原则(1)配方的适用性配方的适用性(2)配方的经济性配方的经济性(3)配方生产工艺的可行性配方生产工艺的可行性 3，配方实施的步骤，配方实施的步骤 收集相应资料收集相应资料 拟定基本配方和相应的各组分变量范围拟定基本配方和相应的各组分变量范围对基本配方的主要组分进行配方优化对基本配方的主要组分进行配方优化 确定小试配方确定小试配方 中试考核、小批生产、固定配方，

8、向大批量生产推广中试考核、小批生产、固定配方，向大批量生产推广 4，配方设计的主要内容，配方设计的主要内容 A，配方的功能优化设计配方的功能优化设计 B，配方的稳定性设计配方的稳定性设计 配制过程的自由能变化可用下式表示：配制过程的自由能变化可用下式表示：G=H-TS对于两种高分子化合物的互熔过程、体系的热焓可用下式对于两种高分子化合物的互熔过程、体系的热焓可用下式表示：表示：(12)1.72.0时，溶解过程还能进行；时，溶解过程还能进行；(12)2.0时时,溶解无法进行。溶解无法进行。二、配方优化设计方法二、配方优化设计方法(一一)单因素优选法单因素优选法1，黄金分割法，黄金分割法(1)基本

9、原理基本原理 W=x1a+(b-a)W x2b-(b-a)Wa十十(b-a)W2(2)0.618优选法实例优选法实例 然后比较试验结果然后比较试验结果y1f(x1)及及y2f(x2)确定取舍确定取舍 某橡胶厂生产的徽孔胶拖鞋过去一直存在着缩码问题，某橡胶厂生产的徽孔胶拖鞋过去一直存在着缩码问题，如如10码缩为码缩为9码。码。分析原因：主要是配方比不合理，其中对收缩率起主要作分析原因：主要是配方比不合理，其中对收缩率起主要作用的是促进剂、发泡剂等，下面以对促进剂用量优选为例用的是促进剂、发泡剂等，下面以对促进剂用量优选为例说明。说明。第一步，确定试验范围。根据经验确定试验范围从第一步，确定试验范

10、围。根据经验确定试验范围从1.55 A1.5十十(5-1.5)0.6183.66 B=（1.5+5）-3.662.84。结果：结果：A点的收缩率点的收缩率2.65；B点的收缩率点的收缩率1.85%第三点第三点C(1.5十十3.66)-2.842.32C点的收缩率为点的收缩率为2.60 D(2.32十十3.66)2.843.14 经过四次促进剂用量的试验，基本上达到了规定要求经过四次促进剂用量的试验，基本上达到了规定要求 2一批做几个试验的选点一批做几个试验的选点 其规定是第一批试验将范围均匀等分，得出试验点进行比其规定是第一批试验将范围均匀等分，得出试验点进行比较。第二批及以后各批都是在好点的

11、两旁均匀地设计等个较。第二批及以后各批都是在好点的两旁均匀地设计等个数的试验点。数的试验点。(二二)多因素优选法多因素优选法 1等高线法等高线法 主要适合于两个因素的优选主要适合于两个因素的优选 2陡度法和逐步提高法陡度法和逐步提高法 称为称为A上升到上升到B的陡度的陡度 横线横线 上的上的0.382和和0.618处处各做一次试验各做一次试验A和和B 竖线竖线上的上的0.6l 8和和0.382处做处做两次试验两次试验C和和D 对其任何两个试验分别算出对其任何两个试验分别算出它们的陡度它们的陡度 若若BD方向陡度特别大方向陡度特别大 由由B上升到上升到D这个方向上，选这个方向上，选取取E作试验，

12、可能会获得较作试验，可能会获得较好的结果好的结果(三三)改进的单纯形法改进的单纯形法(四四)正交试验正交试验法法 1基本概念基本概念 用用“正交表正交表”来安排和分析多因素试验的一种数理统计方法。来安排和分析多因素试验的一种数理统计方法。例：利用工业废料烟灰制砖，通过试验寻求生产工艺参数例：利用工业废料烟灰制砖，通过试验寻求生产工艺参数达到砖的折断力达到砖的折断力(kg/cm2)指标，指标愈大指标，指标愈大,砖的质量愈好。砖的质量愈好。已知影响砖的折断力的因素有三个，每个因素又有三个水已知影响砖的折断力的因素有三个，每个因素又有三个水平，具体如下：平，具体如下：A：成型水分，成型水分，A1：9

13、%；A2：10；A3：11B：碾压时间，碾压时间，B1：8min;B2：10min;B3:12minC：碾压料重，碾压料重，C1：330kg;C2：360kg；C3：400kg现在希望解决：现在希望解决：(1)哪个因素起主要作用，哪个因素是次哪个因素起主要作用，哪个因素是次要的要的?(2)各个因素中以哪个水平最好？（各个因素中以哪个水平最好？（3）最优工艺方）最优工艺方案？案？2正交表正交表 最简单的正交表是最简单的正交表是L4(23)，含意如下：含意如下：“L”代表代表正交表；正交表；“4”表示有表示有4横行，简称行，即要做四次试横行，简称行，即要做四次试验；验；“3”表示有表示有3纵列，简

14、称列，即最多允许安排的纵列，简称列，即最多允许安排的因素是因素是3个；个；“2”表示表的主要部分只有表示表的主要部分只有2种数字，种数字，即因素有两种水平即因素有两种水平1与与2。常见的正交表有：常见的正交表有：L4(23)、L8(27)、L16(215)、L9(34)、L18(37)、L27(313)、L16(45)、L25(56)等。等。(2)正交表的选择正交表的选择(1)定义定义 选择正交表的原则，应当是被选用的正交表的因选择正交表的原则，应当是被选用的正交表的因素数与水平数等于或大于要进行试验的因素数与水平素数与水平数等于或大于要进行试验的因素数与水平数并且使试验次数最少。数并且使试验

15、次数最少。3，试验计划的制订，试验计划的制订 4直观分析法直观分析法(1)确定同一因素的不同水平对试验指标的影响确定同一因素的不同水平对试验指标的影响(2)极差分析，确定各因素对试验指标的影响极差分析，确定各因素对试验指标的影响 取平均值取平均值,分别确定三因素最好水平。分别确定三因素最好水平。最好水平与最差水平之差称为极差，用最好水平与最差水平之差称为极差，用R表示。表示。(3)最优工艺方案的确定最优工艺方案的确定 根据每个因素的各水平之间的极差值大小，确定哪根据每个因素的各水平之间的极差值大小，确定哪个因素是主要的。个因素是主要的。本例中本例中RlR3R2 最后得出最优工艺方案为：最后得出

16、最优工艺方案为：A3C3B2 即：成型水分即：成型水分11，一次碾压料重，一次碾压料重400kg，碾压时碾压时间为间为10min的方案。的方案。三、计算机辅助配方设计三、计算机辅助配方设计(一一)配方最优化设计的原理及过程配方最优化设计的原理及过程 原理：应用数理统计理论设计变量因子的水平试验，原理：应用数理统计理论设计变量因子的水平试验，用计算机处理实验数据，根据回归分析建立变量因子指标用计算机处理实验数据，根据回归分析建立变量因子指标之间的数学关系，采用最优化方法在配方体系中寻找最优之间的数学关系，采用最优化方法在配方体系中寻找最优解，再从全部最优解中得出最佳配方。解，再从全部最优解中得出

17、最佳配方。步骤：步骤：变量因子水平设计变量因子水平设计配方设计配方设计建立数学模型建立数学模型配方最配方最优化优化验证实验验证实验最优配方最优配方 特点：实验次数少，数据处理快，可求得最优配方，特点：实验次数少，数据处理快，可求得最优配方，节省经费。节省经费。(二二)配方最优化设计配方最优化设计 1变量因子水平设计及配方试验变量因子水平设计及配方试验 胶粘剂配方组成：四官能环氧树脂胶粘剂配方组成：四官能环氧树脂(AG80)，固化剂固化剂(4,4二氨基二苯砜，二氨基二苯砜，DDS)，改性树脂和填料。改性树脂和填料。变量因子水平：参考正交回归设计安排变量因子水平：参考正交回归设计安排 以胶粘剪切强

18、度为试验目标值，目标值越大越好。以胶粘剪切强度为试验目标值，目标值越大越好。以环氧树脂胶粘剂为例以环氧树脂胶粘剂为例,变量因子水平和性能指标值变量因子水平和性能指标值 2建立数学模型建立数学模型 一般采用回归分析方法求得性能指标与变量因子一般采用回归分析方法求得性能指标与变量因子之间的回归方程。之间的回归方程。设变量设变量y与与x1,x2,，xn的关系为的关系为y=0+1x1+2x2+nxn则回归方程为：则回归方程为：y=b0+b1x1+b2x2+bnxn根据求极值原理根据求极值原理b0,b1,b2,bn应是下列方程组的解：应是下列方程组的解：此例尚可采用多变量的任意多项式回归模型此例尚可采用

19、多变量的任意多项式回归模型 最后得到如下的回归方程：最后得到如下的回归方程：回回归归方方程程的的相相关关系系数数为为0.995，根根据据变变量量个个数数及及误误差差自自由由度度，得得置置信信水水平平1的的相相关关系系数数临临界界值值0.010.706，这这说说明回归方程中变量间存在着明显的线性关系。明回归方程中变量间存在着明显的线性关系。通通过过分分析析证证明明:回回归归方方程程较较好好地地反反映映了了变变量量y与与x1,x2,x3之之间间的关系。的关系。3配方最优化设计配方最优化设计 逐步搜索法：在变量因子取值范围内按一定步长，逐步搜索法：在变量因子取值范围内按一定步长，逐步改变每个变量值，按回归方程计算逐步改变每个变量值，按回归方程计算y值。与前面求得值。与前面求得的的y值比较，选出最大值并求出相应的变量因子水平，获值比较，选出最大值并求出相应的变量因子水平，获得最佳配方。得最佳配方。单纯形加速法：单纯形寻优方法是一种直接试验方法。单纯形加速法：单纯形寻优方法是一种直接试验方法。按照一定法则不断运行单纯形，使试验结果趋向最优化。按照一定法则不断运行单纯形，使试验结果趋向最优化。胶接剪切强度预测值胶接剪切强度预测值ymax12.56MPa，实测值为实测值为11.93 MPa，证明优化结果可信，最优化方案是正确的。证明优化结果可信，最优化方案是正确的。