第二章精细化工工艺学基础及技术开发

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如果进行正交试验设计，利用正交表安排试验，对于三因素三水 平的试验来说，需要作9次试验，用“Δ”表示，标在图中。 如果每个平面都表示一个水平，共有九个平面，可以看到每个平 面上都有三个“Δ”点，立方体的每条直线上都有一个“Δ”点，并且这 些“Δ”点是均衡地分布着。
正交表是正交试验设计的工具。 Ln(qm) L：正交表；n：实验总数；q：因素的水平数；m：表的列数。 L表示一张表，它的数字，有三层不同的含义。 表的列数 L9(34)
62.0 63.2 58.8 20.7 21.1 19.6 1.5
56.3 62.0 65.7 18.8 20.7 21.9 3.1
• 在A因子水平相同的三组试验中,极差 RA 22.9 17.6 5.3 它表示成型水分为11％与9％相比，强度提高5.3 kgf/cm2 • 用同样的方法可以比较B因子和C因子各水平的好与差.
N AR N A,in N A,out xA N A,in N A,in
7 选择性(s)：某一种反应物转变为目的产物， 其理论消耗的摩尔数占该反应物自反应中实 际消耗掉的总摩尔数的百分数
a NP p S 100% N A,in N A,out
8 理论收率(yp)
a NP p 1 0 0 % N A,in
2.2.1 概述
主要内容：对具体产品，选择和确定在技术上和经 济上最合理的合成路线；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，以得到优质、 高产的产品以及了解该产品的主要应用及发展动向。 合成路线：原料经几步单元反应得目的产品 工艺路线：原料预处理、后处理、采用的单元操作 和设备流程等 反应条件：反应物的摩尔比、浓度、反应温度时间 压力等 合成技术：催化方法（非均相、相转移、均相络合 没、酶）光有机合成和电有机合成 完成反应的方法：间歇、连续、反应器的设计和选 择
2.4 精细化工的技术开发
2.4.1 精细化工新产品开发程序
1 选择研究课题 2 课题的可用性分析和论证 3实验 研究 4中间试验 5 性能、质量检测和鉴定
2.4.2 精细化工新产品开发的新技术
1 精细化工与高技术的关系 2 新技术 3 关键技术－ 过程模型化
2.4.3精细化工新产品发展的一般规律
成型水分对强度影响最大，其次 是一次碾压料重，再其次是碾压时间。
结
论
成型水分是11％好，一次碾压料重是 400kg好，碾压时间是10min好。 最好的生产工艺是A3B2C3： 即
成型水分 碾压时间 一次碾压料重
11％;
10min; 400kg.
2.2.4 化工产品的经济核算
1 成本 2 价格
2.3 精细化工过程开发的一般步骤 实验室研究阶段 中间试验阶段 工业化阶段
单因素优选法、多因素多水平试验设计法（全 面试验法、正交试验法、均匀设计法、计算机辅助 配方设计）
正交试验法（★）
1、应用范围：
（1）影响考察指标的因素较多,而且暂时无法确定主要因素。 （2）影响考察指标的因素较多,而且指标之间又有矛盾。 （3）试验因素多，周期长，希望一批做几个试验。 （4）试验误差大，对实验结果带来干扰。
5 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。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：
N e Nt 过量% 100 Nt
例：氯苯二硝化为二硝基氯苯
ClC6 H5 2HNO3 ClC6 H5 ( NO3 ) 2H 2O
实际试验次数
因素的水平数
选择原则：
正交表的因素数与水平数等于或大于要进行试验的因 素数与水平数，使试验数最少。

4、正交设计应用
[例] 利用工业废烟灰制砖。通过试验寻求生产工艺参 数达到砖的强度指标，指标愈大，砖的质量愈好。已知 影响砖的强度的因素有三个，每个因素又有三个水平， 具体如下:
因素 水平 A 成型水分(％) B 碾压时间(min) C 一次碾压料重 （kg）
R R NA N ,in A, out R A, Iin
N N
100 %
S S NA N ,in A,out S A,in
100 %
有关例题见教材p14
2.2.3 配方研究的重要性及配方设计原理
一. 重要性
二. 配方设计原理
1 配方设计研究原则：从产品设计的用途出发，在 要求产品配方的全部性能指标均应达到规定标准的 前提下，使得产品配方综合性能指标达到最优化。 2 配方优化设计方法：
6 物料的商品规格、各种杂质和添加剂的允许含量， 价格，供应来源，包装和贮存要求等
2.2.2 化学计量学
1 反应物的摩尔比：加入反应器中的几种反 应物的物质的量之比
2 化学计量比：化学反应式的物质的量之比 3 限制反应物：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 叫作限制反应物。 4 过量反应物：某种反应物的量超过限制反 应物完全反应的理论量，则该反应物就叫 过量反应物。
2、优点：
试验次数少，效果好，方法简单，使用方便，效率高，完 全表格化，试验均匀分散，整齐可比性。
3、正交试验统计的基本思想
考虑进行一个三因素、每个因素有三个水平的试 验。如果作全面试验，需作=27次。
因素 水平 温度， oC 时间， min 催化剂量， ％
1 2 3
200 400 600
60 90 120
1 原型发现阶段 3 性能改进阶段 2 雏形发明阶段 4 功能扩展阶段
2.4.4精细化工产品市场预测
1 掌握国家产业发展政策和新法规 2 了解同类产品在发达国家的情况 3 了解产品在国际国内市场上的供求总量及变化 动向 4 注意国家在原料基地建设方面的信息
5 了解同行业建厂情况
6 了解产品用户信息 7 要保护好自己的产品
1
2 3
9
10 11
8
10 12
330
360 400
正交表与直观分析法
试验计划表
因素 试验号 1 2 3 1 成型水分(％) A 1 1 1 9 9 9 2 碾压时间(min)B 1 2 3 8 10 12 3 一次碾压料重 （kg）C 1 2 3 330 360 400
4
5 6
2
2 2
10
10 10
yp
9 重量收率(yw)
所得目的产物的重量 yw 100% 某输入反应物的重量
转化率、选择性和理论收率的关系
y=S*x
有关例题见教材p13
10 原料消耗定额：每生产1吨产品需消耗多少 吨各种原料。对于主要反应物来说，它实际 上就是重量分率的倒数。 11 单程转化率和总转化率：
单程转化率 总转化率
2.5 精细化工发展的策略
1 依靠科技进步，以技术为核心
2 培植技术力量，注意人才培养 3 搞好行业内部、行业之间的协调 4 产品方案向横向纵向延伸 5 采取多种技术引进方式 6 加大科研开发投入和科技创新力度
1
2 3
8
10 12
2
3 1
360
400 330
7
8 9
3
3 3
11
11 11
1
2 3
8
10 12
3
1 2
400
330 360
Ⅰ （一水平试验结果总和） Ⅱ （二水平试验结果总和） Ⅲ （三水平试验结果总和） Ⅰ/3 Ⅱ/3 Ⅲ/3 极差R
52.7 62.5 68.8 17.6 20.8 22.9 5.3
物料 名称 氯苯 化学 计量比 1 投料 摩尔数 5.00 投料 摩尔比 1 投料化学 计量数 5
硝酸
2
10.70
2.14
5.35
硝酸过量百分数
10.7 10 5.355 2.14 2 7% 10 5 2
6 转化率(x):某一种反应物A反应掉的量NAR占 其向反应器中输入量NA,in的百分数
为了完成精细化学品的生产，需要对所涉及到的 各种物料的性质有充分的了解： 1 稳定性：化学、光、热、及贮存稳定性 2 物料的熔点、沸点不同温度下的蒸气压、溶解度
3 密度、折光率、比热、导热系数、蒸发热、挥发性 和黏度等
4 闪点 、爆炸极限和必要的安全措施
5 物料的毒性，对人体的危害性，在空气中的允许浓 度、必要的防护措施及中毒的急救措施
第二章 精细化工工艺学基础及技术开发
2.1 精细化工的生产特性
2.2 精细化工工艺学基础
2.3 精细化工过程开发的一般步骤
2.4 精细化工的技术开发
2.5 精细化工发展的策略
2.1 精细化工的生产特性
• • • • 多品种 多种多样的生产装置和生产流程 技术密集度高 商品性强
2.2 精细化工工艺学基础