精细化工工艺学-1绪论.ppt

精细化工工艺学,Chapter 1 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。,1.1 精细化工的定义,化学工业行业范畴与产品分类,按4类分：原料工业（煤、石油、天然气等）无机化工（酸、碱、盐）有机化工（合成材料、加工业）合成工业（制药、精细化工）,化学工业，是一个包含多个行业的工业部门。,按8类分：石油炼制和裂解工业煤焦化及煤焦油工业有机合成工业高分子工业氯碱工业制酸工业肥料工业精细化学工业。,精细化学品当今世界各国竞相发展的重点和热点！是我国在本世纪调整大中型企业产品结构的发展战略重点之一。,1960 日本最先提出精细化学品的概念1980精细化工学会成立1983年，我国框定精细化工的范围，并提议建立精细化工专业1986年，化工部提出了精细化工产品暂行分类办法,精细化工的诞生,精细化工：生产精细化学品（fine chemicals）的工业。精细化学品：指一些具有特定应用性能、合成工艺中合成步骤较多、反应复杂、产量小、品种多、产品附加值高的商品。,精细化学品与通用化学品的区别,通用化学品（大宗化学品）：指一些应用范围广泛、生产中化工技术要求高、产品吨位大，附加值与利润较低的产品。原料：天然资源如煤、天然气、石油、农副产品。产品：乙烯、合成NH3、苯及三大合成材料（塑料、纤维、橡胶）中国和日本称谓的精细化学品在欧美国家又分为两类：,精细化学品：销售量小的化学型产品。（按分子组成来销售，强调的是产品的规格、纯度）专用化学品：销售量小的功能型产品。（据功能来销售，强调的是产品功能）,精细化学品与专用化学品的区别,精细化学品-化学型产品:强调产品的化学结构规格和纯度，产品按分子组成（化合物）来销售的；如：,3-氯-4-氟-苯胺,1-乙基-6-氟-1，4-二氢-4-氧代-7-（1-哌嗪基）-3-喹啉羧酸,3，5-二甲氧基-苯甲酸,专用化学品-功能型产品，强调产品的功能性，按 功能来销售。如 农药乳化剂；乳胶漆、阻燃剂FR88、汽车蜡,各种品牌车蜡,各种品配涂料,1.2 精细化工的范畴和分类,精细比工的范畴相当广泛。包括的范围也无定论，各国对精细化工范畴的规定是有差别的。纵观世界主要工业国家关于精细化学品的范围可以看出，虽然有些不同，但并无多大差别，只是划分的宽窄范围不同而己。随着科学技术的不断发展，一些新兴的精细化工行业正在不断出现，行业越分越细。日本1984年版精细化工年鉴中共分为35个行业类别，而到1985年，就发展为51个类别：,医药、农药、合成染料、有机颜料、涂料、粘合剂、香料、化妆品、盥洗卫生用品、界面活性剂、合成洗涤剂、肥皂、印刷用油墨、塑料增塑剂，其它塑料添加剂、橡胶添加剂、成像材料、电子用化学品与电于材料、饲料添加剂与兽药、催化剂、合成沸石、试剂、燃树油添加剂、润滑剂、润滑油添加剂、保健食品、金属表面处理剂、食品添加剂、混凝土外加剂、水处理剂、高分子絮凝剂、工业杀菌防霉剂、芳香除臭剂、造纸用化学品、纤维用化学品、溶剂与中间体、皮革用化学品、油田用化学品、汽车用化学品、炭黑、脂肪酸及其衍生物、稀有气体、稀有金属、精细陶瓷、无机纤维、贮氢合金、非晶态合金、火药与推进剂、酶、生物技术、功能高分子材料等。,日本提出51个类别的精细化工产品：,中国把精细化工产品分为11大类，分别是：(1)农药(2)染料(3)涂料(包括油漆和油墨)(4)颜料(5)试剂和高纯物(6)信息用化学品(包括感光材料、磁性材料等能接受 电磁波的化学品)(7)食品和饲料添加剂(8)粘合剂(9)催化剂和各种助剂(10)化学药品(原料药)和日用化学品(11)功能性高分子材料(包括功能膜、偏光材料等)。其中：绝大多数是专用化学品，强调功能化 Function,1)催化剂 2)印染助剂3)塑料助剂4)橡胶助剂5)水处理剂 6)纤维抽丝用油剂7)有机抽提剂8)高分子聚合物添加剂9)表面活性剂10)皮革助剂,11)农药用助剂12)油田用化学品13)混凝土用添加剂14)机械、冶金用助剂15)油用添加剂16)炭黑系添加剂17)吸附剂18)电于工业专用化学品19)纸张用添加剂20)其它助剂,催化剂各种助剂一项，又包括以下内容：,(A)以分子水平合成,提纯为主,结合少量的复配增效技术得到的有特定功能的化学品,如农药,染料,颜料等。(B)以配方技术为主要生产手段,配方技术能左右最终使用功能的化学品,如化妆品,洗涤剂,涂料，香料等。,从生产角度将精细化学品划分为以下两类:,在发展我国精细化工过程中，必须加强统筹规划，合理布局，在研究开发新产品的同时，不仅要注意数量，而且要注重质量，同时妥善解决“三废”治理问题。“十一五”期间，单位GDP减排20 全球变暖的步伐比科学家们预期的要快,极端天气的出现也会变得越来越常见。,1.3精细化工的特点,生产特性 小批量、多品种；技术密集度高；采用间歇式多功能生产装置；大量采用复配技术经济特性 投资少、附加价值高、利润大商业特性 独家经营，技术保密；重视市场调研，适应市场需求；配有应用技术和技术服务,精细化工生产的特点：,（1）多品种、小批量 精细化工的领域不断扩大。专用化学品不断增加。多品种是国家科技水平综合发展的重要标志。（2）技术密集度高 精细化学品生产工艺复杂;研究开发（R&D）费用高、周期长、成功率低；（3）附加值高，高利润。（4）商品性强。独家经营，技术保密，重视市场调研、适应市场需求，配有应用技术和技术服务,多数在液相中进行，一般又是非均相，反应效率受限制。合成步骤多，副产量大；反应产物组成复杂，不稳定，沸点高，纯度要求高，分离困难；物料腐蚀性大，毒性大，易燃易爆等；过程控制分析困难；合成工艺路线可供选择性大，如可采用不同的催化剂，或不同的反应形式如光化学、电化学、生物化学等。,复杂性体现在以下几个方面：,技术密集度高-工艺复杂,收率问题,20步过程，若每一步收率在90%，则总收率只有：0.920=12%精细化工生产要求高转化率、高选择性、反应条件尽量温和、操作安全、分离简单等，对合成技术要求更高。,附产问题,技术密集度高-工艺复杂,以美国新农药的开发情况为例：平均费用：1976年 1800万美元 80年代初 4000万美元 最近统计 1亿美元 成功率：60年代 3000：1 最近统计 30000：1 19611970年 开发成功19个新品种 19711979年 4个新品种 开发周期：60年代 3年左右 最近统计 10年,技术密集度高-研发费高、周期长、成功率低,筛选 实用性评价 开发与获取注册登记申请数据 注册登记 制造销售X 年 2-3 年 3-5 年 1-2年,农药开发程序,技术密集度高-研发费高、周期长、成功率低,美国商业部工业经济局统计资料：,石油化工 原料,脂肪烃、芳香烃等通用化学品,乙二醇、苯胺等有机中间体,农药配剂、医药原药、纺织印刷助剂、汽车材料等专用化学品,50亿美元 100亿美元 200亿美元 5300亿美元,吡啶5.8万/吨,3，5-二甲基哌啶85万/吨,哌啶8万/吨,替米考星（兽药原药）300万/吨,技术密集度高-附加值高,发达国家占据有机和精细化工的主要市场 化工公司全球排名 发达国家精细化工比例 重要精细化工公司专用化学品的销售额和比例 在发展精细化工的同时固守有机化工原料的战略地位 重视石油化工基础原料的综合利用 有机化工基本原料的发达国家占主导地位 精细有机化学品中间体转向发展中国家 定制生产和一站式销售成为专用化学品的市场模式,国内外有机化工和精细化工的发展概况,美国化学周刊2003年对销售额在十亿美元以上的化工公司进行了排名,化工公司全球排名,发展现状-市场份额,back,杜邦公司是世界上最大的化学公司，成立于1802年。它从1980年前后才从石油化工大幅度地转向精细化工，比德国和日本起步晚，但发展速度却很快。该公司对以往通用产品以提高质量、降低成本和提高市场竞争力为目标，80年代以来，扩大了专用化学品的生产，主要为农药、医药、特种聚合物、复合材料等精细化工产品的生产。该公司的长远目标为发展生命科学制品，为保健品、抗癌、抗衰老等药物和仿生医疗品，1995年该公司利润为33亿美元,杜邦公司,陶氏化学公司（Dow，）成立于1897年。70年代末，通过产品的结构调整，加强了对医药和多种工程用聚合物的生产，特别是汽车涂料和黏合剂方面有所特长。该公司在1973年精细化学品产值只有5.4亿美元，精细化工率为18%，1996年猛增到50%。90年代初总产值为200亿美元，而精细化工产值占110亿美元。,陶氏化学公司,巴斯夫公司、赫斯特公司和拜尔公司是德国化工企业的三大支柱。重点开发保健医药用品、农用化学品、电子化学品、医疗诊断用品、信息影像用品、宇航用化学品和新材料等高新领域，大大提高了精细化工产品的科技含量和经济效益。拜尔公司1994年营业额为267亿美元。它们都非常重视开发高新技术，拜尔公司至1995年底已获得15.5万件专利，产品2.4万个，它在医药中的主导产品阿司匹林已有百年的历史。,巴斯夫公司、赫斯特公司和拜尔公司,瑞士的汽巴-嘉基公司是世界上著名的农药、医药、染料、添加剂、化妆品、洗涤剂、宇航用胶粘剂等的生产企业，是世界上唯一全部外购原材料发展精细化工的大企业。1994年，其营业额为161亿美元，其精细化工率占世界首位，高达80%以上。,汽巴-嘉基公司,目前全球精细与专用化学品的营业额：3800亿3900亿美元；其中 美国：1250亿1300亿美元（最高）欧洲：1000亿1050亿美元 日本：60亿65亿美元,发达国家全球精细化工市场的份额,美国、西欧和日本是全球精细与专用化学品生产和消费比较发达的国家和地区，他们是全球专用化学品的代言人。,三者的总营业额约占全球专用化学品营业额的77%左右,发展现状-市场份额,发展现状-市场份额,预计未来五年全球精细与专用化学品的市场将以年均3.1%的速度增长，预计2008年市场规模将达到4500亿美元，发展较快的领域有:原料药、酶制剂、特殊聚合物、纳米材料、分离膜、特种涂料、电子化学品和催化剂等，但农药、染料、和纺织化学品将呈下降趋势。,美国、西欧和日本主要精细与专用化学品市场规模(万美元),市场需求将继续健康发展,发展现状-市场份额,1.4 发展精细化工的战略意义,工业发达国家经过70年代两次石油危机，由于原料价格猛涨致使经济受到很大的冲击。这促使其大型石化企业大量采用高新技术，在节能、技改、降低成本的同时、调整产品结构,向下游深度加工，向产品精细化、功能化、向综合生产的方向发展，走高附加值的生产路线，来发展精细化工产品。,发展精细化工产品已成为发达国家生产经营发展战略的重心。美国精细化工在化学工业中的产值已由70年代的40上升为现在的55，德国由38.4上升为65。日本为60，到2002年时，发达国家的精细化工产值率最高可达60一65；我国现在的精细化工产值率仅为40，致使石化工业和各项工业中所需的精细比学品有相当数量需要进口。,近几年来，我国在精细比工产品的开发、生产和应用上也有可观的成就，科研、教育和生产管理的技术队伍正在迅速成长。然而，这些只能看作是今后发展的一个起点。80年代以来，各国在高科技领域的发展上竞争激烈，因此我们必须要有紧迫感和危机感。必须大力加快精细化工的发展，争夺高新技术的优势，使我国精细化工在世界新科技发展中占有重要的地位。这对我国国民经济的发展，提高科学技术水平，增强产品的国际竞争力、提高社会和经济效益都具有重要的现实意义和深远的战略意义。,精细化工在国民经济中的意义,农业 农业是国民经济的重要命脉，高效农业成为当今世界各国农业发展的大方向。高效农业中需要高效农药、兽药、饲料添加剂、肥料及微量元素等。单就农药，它包括各种各样的杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂、除草剂、植物生长调节剂及生物农药等。全世界每年因病虫害造成粮食损失占可能收获量的三分之一以上。使用农药后所获效益是农药费用的 5 倍以上。使用除草剂其效益可达 10 倍于物理除草。兽药和饲料添加剂可使牲畜生病少、生长快、产值高、经济效益大。,轻工业,当今社会人们的生活水平越来越高，生活需求与日俱增。由原先的生活必需品增加到现在许多的高档消费品。各种用品讲求高效率、高质量、低价位。单就化妆品一项，其品种数量就够琳琅满目、百花争妍了。美容、护肤、染发、祛臭、防晒、生发、面膜、霜剂、粉剂、膏剂、面油、手油、早用品、晚用品、日用品等举不胜举。个人卫生用品也是争奇斗艳。过去的洗涤品只有肥皂、洗衣粉等几种，现在就很多了。如家用清洗剂中有：餐具洗洁净、油烟机及厨具清洗剂、玻璃擦净剂、地毯清洗剂等等。还有冰箱用、卫生间用、鞋用等除臭剂，家用空气清新剂等。各种用途的表面活性剂更是精细化工行业最重要、最广泛的物质。各种香料、香精、食品添加剂、皮革工业、造纸工业、纺织印染工业的各种助剂就更是不胜枚举了。总之，轻工业和人们的生活用品就是精细化工的一个很大的市场。,高技术领域,在军事工程、高空、水下、特殊环境等条件下需要各种不同性质和功能的材料。如宇宙火箭、航空与航天飞机、原子反应堆、高温与高压下的作业、能源开发等不同环境下需要的高温高强度结构料。从功能角度来说，各种具有热学、机械、磁学。电子与电学、光学、化学与生物等功能材料，这些都无一不与精细化学品有关。如在航空工业中，巨型火箭所用的液态氧、液态氢贮箱是用多层保温材料制造，这些材料难于用机械方法连接，而采用了聚氨酯型和环氧尼龙型超低温胶粘剂进行粘接。大型波音型客机所用的蜂窝结构以及玻璃钢和金属蒙面结构也都离不开胶粘剂。,材料的复合化可以集合各自的优点，从而满足许多特殊用途的要求。继玻璃纤维增强塑料以后，又研究开发出碳纤维、硼纤维和聚芳酰胺纤维等增强轻塑料复合材料，在宇航和航空中，特别需要这种轻质高强度耐高温材料。过去，火箭喷管的喉部是用石墨制造的，但随着火箭的大型化，用石墨制造就困难了，于是出现了比重更小的耐热复合材料，如以碳纤维或高硅氧纤维增强酚醛树脂做喉衬，以玻璃纤维增强塑料做结构部分。美国的阿波罗宇宙飞船着陆用发动机的燃烧室就是采用这些复合材料的。,1.5 精细化工发展的重点和方向,到本世纪末,化工科技发展要由仿制型向创新型过渡，并奠定由劳动密集型向技术密集型过渡的基础。发展重点和动向可归纳如下：传统大宗化学品更新换代 化学农药工业重点是发展高放、安全、经济的新产品，如杀虫剂、杀菌剂等。近期以新制剂和新剂型的加工为主。尽量满足农业对各种剂型产品的需求。远期优先选择开发新的原药。,染料工业重点发展纺织印染需求量大的活性染料、分散染料、还原染料等；以及涂料、油墨和塑料加工用的高档有机颜料及助剂。近期以外引内联嫁接的办法发展后加工技术为主。涂料工业以发展满足建筑、汽车、电器、交通(船舶、路标)、家具需要的高档涂料，解决恶劣条件下的防腐难题、着重抓好低污染、节能型新品种的研制。主要有水性涂料、高固体份涂料、粉末涂料、光固化涂料等；同时重视涂料用无机颜料和配套树脂、助剂、填料、溶剂的开发。,粘合剂工业重点是发展低毒（或无毒），中低温固化和高强耐候品种，开发功能型的新品种，尤其注重开发鞋用粘合剂。化学试剂重点加强分离提纯技术研究，狠抓试剂门类品种的开发，实现超净高纯试剂、生物工程用试剂、临床诊断试剂、有机合成试剂的产品系列化。,感光材料和磁记录材料要瞄准世界先进水平。走“先仿后创”的路子。摄影化学材料要在现有各种冲洗套药的基础上，主攻柯达和富士彩色胶卷冲洗套药的国产化；感光化学材料主攻高纯硝酸银（彩卷尺）；磁记录材料要发展国际上有竞争能力的出口创汇产品，同时实现数字磁记录产品系列的配套。并加强有关方面的研究开发力量，建立相应的研究与开发中心。,加快精细化学品新领域开发 包括：各类新型化工材料（功能高分子材料、复合材料）、新能源、电子信息技术、生物技术(包括发酵技术、生物酶技术、细胞融合技术、基因重组技术等)、航空航天技术和海洋开发技术等。,优先发展的关键技术新催化技术：合成反应是精细化工产品生产的基础，化工生产工艺与新催化技术密切相关。新催化技术的重点是开发能促进石油化工发展的膜催化剂、稀土络合催化剂、沸石择型催化剂、固体超强酸催化剂等，发展与精细化工新产品开发密切相关的相转移催化技术、立体定向合成技术、固定化酶发酵技术等特种技术。加强工业规模的研究和应用，加强与新型催化剂相适应的反应器放大、制造等技术开发。使能设计和开发出若干具有高活性、高选择性、立体定向、稳 定性好、寿命长的高效催化剂和相应的催化技术，以满足精细化工发展和国内外市场的需要。,新分离技术 开发工业规模的多组分分离，特别是不稳定化合物及功能性物质的高效精密分离技术的研究，对精细化工产品的开发与生产至关重要。重点开发超临界萃取分离技术，研究用超临界萃取分离技术制取出口创汇率极高的天然植物提取物（如天然色素、天然香油、中草药有效成分等），为超临界萃取分离技术的实用化、国产化提供理论和技术依据。它在精细化工、食品、香料、医药以及石油的深度加工等领域内正在开发应用，发展前景广泛。,增效复配技术 发达国家化工产品数量与商品数量之比为1：20，我国目前仅为1：1.5，不仅品种数量少，而且质量差。关键原因之一是复配增效技术落后。所以加强这方面的应用基础研究及应用技术研究是当务之急，如专门研究表面活性剂的分离方法、洗涤作用、表面改性、微胶囊化、薄膜化及超微粒化技术等。由于应用对象的特殊性，很难采用单一的化合物来满足用户要求，于是配方以及复配技术的研究就成为产品好坏的决定性国素，因而需要大力加强这方面的研究。,超细粉体技术 超细粉体技术是70年代兴起的一门固体材料加工技术，可用于精细化学品的后加工。在超细状态下，粉体的物性及化学性质会发生明显的变比。超细粉体技术可使药品的生化作用更趋有效；使油漆、油墨的色彩艳美而光亮；使涂料粘合得更为牢固；作为橡胶与塑料的填充物时，可以改善两者的物化性质，使其更好地满足技术要求等。因而对该技术的实用化应用技术的研究，前景广阔。,气雾剂无污染替代技术 臭氧层被破坏这一全球性的环境问题，自70年代以来就引起世界各国的极大关注，由于受控物质的禁用时间表不断提前，所以研究其替代物质就更为迫切。研究在空调制冷、塑料发泡、高效杀虫气雾剂等方面氟氯烃(CFC)无污染替代物及替代技术；因而使研究可工业化的合成路线及其实用化技术具有重要意义。,气雾剂,系指含药、乳液或混悬液与适宜的抛射剂共同装封于具有特制阀门系统的耐压容器中，使用时借助抛射剂的压力将内容物呈雾状物喷出，用于肺部吸入或直接喷至腔道粘膜、皮肤及空间消毒的制剂。气雾剂可用于局部或全身治疗作用。局部治疗作用诸如：治疗咽喉炎的咽速康气雾剂、治疗鼻炎的复方萘甲唑啉喷雾剂、治疗阴道炎的复方甲硝唑气雾剂、局麻止痛利多卡因气雾剂等；全身治疗作用诸如：受体激动剂布地奈德气雾剂、抗心绞痛的硝酸甘油气雾剂、解热镇痛的吲哚美辛气雾剂等。,气雾剂,气雾剂用于多肽与蛋白质类药物的给药比较引人注目。多肽与蛋白质类药物由于分子量大难以从胃肠道吸收，而且不耐受胃肠道酶的破坏，只能注射给药，这对长期用药的患者是十分痛苦的。近年来，多肽与蛋白质类药物的非注射途径给药进展迅速，其中比较成功的就是将其制成气雾剂、粉雾剂或喷雾剂，通过肺部、口腔或鼻腔给药。如降钙素等药物的鼻腔给药系统已经上市；胰岛素的几种肺部、口腔或鼻腔给药系统均进入了临床研究阶段。,气雾剂,气雾剂与其他大多数剂型不同的是：这类制剂的包装需要耐压容器、阀门系统和特殊的生产设备，故产品成本较高。此外，作为气雾剂重要组成部分的抛射剂（主要是氟氯烷烃类）可破坏臭氧层，具有严重的环境保护问题，而且在动物或人体内达到一定的浓度都可以致敏心脏，造成心律失常。由140多个国家签定的蒙特利尔条约要求在2005年全面禁止使用氟氯烷烃类抛射剂，因此，开发性能优良的非氟氯烷烃类抛射剂面临着严峻的挑战。,抛射剂,抛射剂（propellents）是直接提供气雾剂动力的物质，有时可兼作药物的溶剂或稀释剂。由于抛射剂的蒸气压高，液化气体在常压下沸点低于大气压。因此，一旦阀门系统开放，压力突然降低，抛射剂急剧汽化，可将容器内的药液分散成极细的微粒，通过阀门系统喷射出来，达到作用或吸收部位。理想的抛射剂应具有以下特点：要有适当的沸点，在常温下其蒸气压应适当大于大气压；无毒、无致敏性和刺激性；不易燃易爆；不与药物或容器反应；无色、无臭、无味；价廉易得。,氟氯烃的危害及替代物的发展现状,氟氯烃(以下简称CFCs)与其他制冷剂相比有许多优点：极其稳定，不易燃烧，无毒，对人体无害，沸点低，在常温下具有较高的蒸汽压。这些优良的性质，赋予CFCs广泛的用途。自20世纪30年代问世以来，CFr4一直被作为最好的制冷剂，用于冷冻机、汽车和家用空调器、电冰箱等行业。直到1974年加利福尼亚大学的两位科学家提出如果大量使用CFCs可能会耗尽同温层臭氧的论断。由于CFCs具有极高的化学稳定性，上升到同温层，在紫外线作用下发生光分解，释放出极活泼的氯原子催化臭氧分解，导致臭氧层的破坏。而臭氧层是保护生物体免遭紫外线伤害的天然屏障。如果遭到破坏或减少将会使整个生物圈出现危险，还会引起天气和气候的变化，并且越来越多的证据表明，普遍使用CFCs是造成臭氧层变薄的主要原因，所以寻找CrCs的替代产品就成为当务之急。新的制冷剂应具备CFCs的一切优点：稳定、无毒、沸点低，同时它还不能对环境造成污染。,思考题：,精细化学品的主要类别有那些？精细化学品与专用化学品的区别？精细化工发展的重点和方向是什么？,