化工實驗技術(shù)第1頁/共43頁第一部分《化工實驗技術(shù)》課程簡介一、《化工實驗技術(shù)》課程的目的及意義化工實驗技術(shù)是利用化工過程技術(shù)與設(shè)備、實驗方法學(xué)、現(xiàn)代測控原理等理論知識，進行化工過程及工藝試驗研究的一門實踐性課程。目的：加強化學(xué)理論知識在化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用性，豐富和強化應(yīng)用化學(xué)試驗研究的手段、方法和技術(shù)。第2頁/共43頁第一部分《化工實驗技術(shù)》課程簡介意義：為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)碩士研究生較系統(tǒng)學(xué)習(xí)化工實驗技術(shù)和方法以及實驗研究開發(fā)搭建了一個實踐課程平臺。以便在精細化工領(lǐng)域（石油、煤、新型材料制備與加工、有機合成、制藥與生物化工、食品工程等諸多領(lǐng)域）從事生產(chǎn)過程設(shè)計、新產(chǎn)品研制等研究工作提供必備的實驗技術(shù)支撐。第3頁/共43頁我國精細化工發(fā)展簡況中國把生產(chǎn)精細化學(xué)品的工業(yè)稱為精細化學(xué)工業(yè),簡稱精細化工。精細化工生產(chǎn)過程與一般化工(通用化工)生產(chǎn)不同,它是由化學(xué)合成(或從天然物質(zhì)中分離、提取)、精制加工和商品化等三個部分組成,大多以靈活性較大的多功能裝置和間歇方式進行小批量生產(chǎn),化學(xué)合成多數(shù)采用液相反應(yīng)、流程長、精制復(fù)雜、需要精密的工程技術(shù);從制劑到商品化需要一個復(fù)雜的加工過程,主要是迎合市場要求而進行復(fù)配,外加的復(fù)配物愈多,產(chǎn)品的性能也愈復(fù)雜。第4頁/共43頁我國精細化工發(fā)展簡況技術(shù)特點：精細化工技術(shù)密集程度高、保密性和商品性強、市場競爭激烈。第5頁/共43頁第6頁/共43頁第7頁/共43頁第8頁/共43頁第9頁/共43頁1987年,原化學(xué)工業(yè)部對中國的精細化工品頒布了一個暫行規(guī)定,將中國的精細化學(xué)品分為農(nóng)藥、染料、涂料(包括油漆和油墨)、顏料、試劑和高純物、信息用化學(xué)品(包括感光材料和磁性記錄材料)、食品和飼料添加劑、粘合劑、催化劑和各種助劑、化學(xué)藥品和日用化學(xué)品、功能高分子材料等11個大類。我國精細化工發(fā)展簡況第10頁/共43頁20世紀(jì)80年代,中國又把那些還未形成產(chǎn)業(yè)的精細化工門類稱為新領(lǐng)域精細化工。它們是飼料添加劑、食品添加劑、表面活性劑、水處理化學(xué)品、造紙化學(xué)品、皮革化學(xué)品、膠粘劑、生物化工、電子化學(xué)品纖維素衍生物、聚丙烯酰胺、現(xiàn)烯酸及其酯、氣霧劑等。并把精細化工行業(yè)的產(chǎn)值懷化工行業(yè)總產(chǎn)值的比率稱為精細化工率,以此表征中國精細化工發(fā)展的程度。我國精細化工發(fā)展簡況第11頁/共43頁并把精細化工行業(yè)的產(chǎn)值占化工行業(yè)總產(chǎn)值的比率稱為精細化工率,以此表征中國精細化工發(fā)展的程度。

這與世界精細化工率的含義相同。目前,世界發(fā)達國家精細化工率已達50%以上,日本的精細化工率最高,現(xiàn)已超過60%。我國精細化工發(fā)展簡況第12頁/共43頁我國精細化工發(fā)展簡況我國2001-2004精細化工率（%）第13頁/共43頁我國精細化工發(fā)展簡況第14頁/共43頁我國精細化工發(fā)展簡況第15頁/共43頁我國精細化工發(fā)展簡況與發(fā)達國家相比，差距是相當(dāng)巨大的：一是自主開發(fā)創(chuàng)新能力低，對國外精細化工發(fā)展的現(xiàn)狀和方向研究不透。對產(chǎn)品合成、工藝研究較多，而相應(yīng)的工程開發(fā)、裝備研究及“三廢”處理技術(shù)研究少，不能形成成套技術(shù)。應(yīng)用研究和市場開發(fā)研究更顯薄弱，許多產(chǎn)品處于仿制的狀態(tài)，缺少具有特色的產(chǎn)品。在國外產(chǎn)品更新時，很快被淘汰。第16頁/共43頁我國精細化工發(fā)展簡況二是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，形不成系列?！捌呶濉?、“八五”至今，從當(dāng)時的國際形式出發(fā)，我國發(fā)展精細化工產(chǎn)品的重點在“三劑”國產(chǎn)化，通過研究開發(fā)，大部分滿足了國內(nèi)對相應(yīng)精細化工品的需求，但造成了產(chǎn)品領(lǐng)域分散，沒有形成系列化工產(chǎn)品。在石化系統(tǒng)內(nèi)，還造成了“三劑”國產(chǎn)化取代了整個名目繁多的精細化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的局面。第17頁/共43頁三是科技投入少，缺乏專門的研究機構(gòu)和高層次的研究人才。與煉油和石油化工相比，精細化工的研究開發(fā)投入偏低，而且從事精細化工的高級專門人才相對缺乏。再者，對于科研的宏觀管理不夠，研究部門分散、課題分散、低水平重復(fù)的問題未能很好解決。第18頁/共43頁第一部分《化工實驗技術(shù)》課程簡介二、主要內(nèi)容：分三部分。第一部分：化工實驗研究方法及數(shù)據(jù)處理。第二部分：化工基礎(chǔ)實驗技術(shù)。第三部分：化工現(xiàn)代實驗技術(shù)。第19頁/共43頁第一部分《化工實驗技術(shù)》課程簡介三、要求重點掌握化工現(xiàn)代實驗技術(shù)及方法。第20頁/共43頁第一部分《化工實驗技術(shù)》課程簡介目前根據(jù)我院的培養(yǎng)方向和設(shè)備條件開設(shè)以下實驗內(nèi)容：實驗1：反應(yīng)精餾法制醋酸乙酯實驗2：超臨界萃取技術(shù)與實驗實驗3高壓反應(yīng)實驗（環(huán)己酮催化加氫實驗）實驗4：分子精餾技術(shù)與應(yīng)用實驗5：超過濾膜分離技術(shù)與實驗實驗6：噴霧干燥技術(shù)與實驗實驗7：發(fā)酵工程實驗-大腸桿菌5L分批發(fā)酵第21頁/共43頁第二部分實驗研究方法簡介一、工程實驗研究方法1、經(jīng)驗方法—應(yīng)用因次論進行實驗的規(guī)劃；典型示例：流體流動阻力測定2、半經(jīng)驗半理論方法（數(shù)學(xué)模型法）；3、經(jīng)驗參數(shù)和模型參數(shù)的估值方法—最小二乘法。例：y=axb待定系數(shù)a、b的獲得。第22頁/共43頁第二部分實驗研究方法簡介二、工藝實驗研究方法1、單因素法2、正交實驗設(shè)計3、多因子響應(yīng)曲面法（主要用于工藝條件的優(yōu)化）第23頁/共43頁第二部分實驗研究方法簡介多因子響應(yīng)曲面法簡介（以纖維素酶解還原糖為例）

進行響應(yīng)曲面設(shè)計之前,先通過單因子實驗確定響應(yīng)曲面法中每個因子的適宜范圍。響應(yīng)曲面法中采用五因素三水平二星點旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計。以單因子實驗的5個因素為考察因子,即自變量,自變量編碼及編碼水平如表1所示。實驗共32個獨立設(shè)計點,所有實驗點都進行重復(fù)。第24頁/共43頁第25頁/共43頁第二部分實驗研究方法簡介以還原糖產(chǎn)量作為響應(yīng)值Y,按式(1)擬合二階多項式方程。式中,C0

為常數(shù)項;ai

為線性系數(shù)項;bij(i=j)為二次項系數(shù);bij(i≠j)為交互作用項系數(shù)。實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析以及工藝參數(shù)的優(yōu)化均采用SAS軟件完成。第26頁/共43頁第27頁/共43頁第三部分化工現(xiàn)代實驗技術(shù)簡介一、

反應(yīng)與分離集成技術(shù)1、反應(yīng)精餾集成技術(shù)反應(yīng)精餾是一種將反應(yīng)過程和精餾過程結(jié)合在一起的新型技術(shù),是在同一個蒸餾塔內(nèi)進行的耦合過程。與傳統(tǒng)的反應(yīng)、分離分別進行的方法相比,它具有投資少、流程簡單、節(jié)能、產(chǎn)品收率高等優(yōu)點,可以替代某些傳統(tǒng)工藝過程如醚化、芳烴烷基化、加氫、醋化等反應(yīng)。目前許多工藝已較成熟,且借助于計算機模擬手段,研究范圍得到進一步擴大,出現(xiàn)了許多新的應(yīng)用類型。

第28頁/共43頁第三部分化工現(xiàn)代實驗技術(shù)簡介20世紀(jì)80年代初,美國化學(xué)研究特許（CR&L)公司)首先將催化精餾應(yīng)用于醚化過程。該技術(shù)在國內(nèi)外迅速發(fā)展并已成熟,除了MBTE合成的催化精餾技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)之外,公司開發(fā)了MBTE催化精餾裂解生產(chǎn)高純度異丁烯的技術(shù)并實現(xiàn)了工業(yè)化。中國石化齊魯石化公司開發(fā)的催化精餾生產(chǎn)的系列技術(shù)應(yīng)用廣泛,效益明顯,獲多項中國專利及美國專利。第29頁/共43頁第三部分化工現(xiàn)代實驗技術(shù)簡介2、基于滲透汽化過程的集成過程滲透汽化與醋化反應(yīng)藕合在此類研究中,醋化反應(yīng)與滲透汽化的藕合倍受關(guān)注,這是因為經(jīng)酸醋具有重要的工業(yè)價值,而醋化反應(yīng)是一種受平衡限制的反應(yīng),且水是反應(yīng)產(chǎn)物之一,利用親水性滲透汽化膜的高選擇性脫水作用可使反應(yīng)突破原有平衡的限制,繼續(xù)向有利于產(chǎn)物生成的方向進行,從而提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。第30頁/共43頁第三部分化工現(xiàn)代實驗技術(shù)簡介滲透汽化與其他技術(shù)結(jié)合連續(xù)精餾與的集成系統(tǒng),可以生產(chǎn)無水酒精。與傳統(tǒng)工藝比較,精餾護組合工藝代替了恒沸精餾,省去了恒沸精餾塔和溶劑回收塔。當(dāng)料液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為時,對不同的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品醇的純度要求精餾護組合過程比精餾順沸精餾工藝節(jié)省費用。精餾組合過程還能生產(chǎn)無水異丙醇。無水異丙醇生產(chǎn)工藝組合了過程,省去了萃取精餾塔和溶劑回收塔嘆滲透汽化法與萃取法結(jié)合能從水溶液中回收有機化合物,處理含微量有害、有毒有機物的污水,在一定條件下,比之其他的處理方法,具有費用節(jié)省、操作簡便的優(yōu)點。第31頁/共43頁第32頁/共43頁分子蒸餾簡介在沸騰的薄膜和冷凝面之間的壓差是蒸汽流向的驅(qū)動力，對于微小的壓力降就會引起蒸汽的流動。在1mbar下運行要求在沸騰面和冷凝面之間非常短的距離，基于這個原理制作的蒸餾器稱為短程蒸餾器。短程蒸餾器（分子蒸餾）有一個內(nèi)置冷凝器在加熱面的對面，并使操作壓力降到0.001mbar。

第33頁/共43頁分子蒸餾簡介短程蒸餾器是一個工作在1~0.001mbar壓力下熱分離技術(shù)過程，它較低的沸騰溫度，非常適合熱敏性、高沸點物。其基本構(gòu)成：帶有加熱夾套的圓柱型筒體，轉(zhuǎn)子和內(nèi)置冷凝器；在轉(zhuǎn)子的固定架上精確裝有刮膜器和防飛濺裝置。內(nèi)置冷凝器位于蒸發(fā)器的中心，轉(zhuǎn)子在圓柱型筒體和冷凝器之間旋轉(zhuǎn)。

第34頁/共43頁分子蒸餾簡介短程蒸餾器由外加熱的垂直圓筒體、位于它的中心冷凝器及在蒸餾器和冷凝器之間旋轉(zhuǎn)的刮膜器組成。

第35頁/共43頁分子蒸餾簡介蒸餾過程是：物料從蒸發(fā)器的頂部加入，經(jīng)轉(zhuǎn)子上的料液分布器將其連續(xù)均勻地分布在加熱面上，隨即刮膜器將料液刮成一層極薄、呈湍流狀的液膜，并以螺旋狀向下推進。在此過程中，從加熱面上逸出的輕分子，經(jīng)過短的路線和幾乎未經(jīng)碰撞就到內(nèi)置冷凝器上冷凝成液，并沿冷凝器管流下，通過位于蒸發(fā)器底部的出料管排出；殘液即重分子在加熱區(qū)下的圓形通道中收集，再通過側(cè)面的出料管中流出。

第36頁/共43頁分子蒸餾簡介分子蒸餾的優(yōu)勢優(yōu)點優(yōu)點：1.蒸餾溫度低，分子蒸餾是在遠低于沸點的溫度下進行操作的，只要存在溫度差就可以達到分離目的，這是分子蒸餾與常規(guī)蒸餾的本質(zhì)區(qū)別。2.蒸餾真空度高，分子蒸餾裝置其內(nèi)部可以獲得很高的真空度，通常分子蒸餾在很低的壓強下進行操作，因此物料不易氧化受損。3.蒸餾液膜薄,傳熱效率高。第37頁/共43頁分子蒸餾簡介4.物料受熱時間短，受加熱的液面與加冷凝面之間的距離小于輕分子的平均自由程，所以由液面逸出的輕分子幾乎未經(jīng)碰撞就達到冷凝面。因此，蒸餾物料受熱時間短，在蒸餾溫度下停留時間一般幾秒至幾十秒之間，減少了物料熱分解的機會。5.分離程度更高，分子蒸餾能分離常規(guī)不易分開的物質(zhì)6.沒有沸騰鼓泡現(xiàn)象，分子蒸餾是液層表面上的自由蒸發(fā)，在低壓力下進行，液體中無溶解的空氣，因此在蒸餾過程中不能使整個液體沸騰，沒有鼓泡現(xiàn)象。

第38頁/共43頁分子蒸餾簡介7.無毒、無害、無污染、無殘留，可得到純凈安全的產(chǎn)物，且操作工藝簡單，設(shè)備少。分子蒸餾技術(shù)能分離常規(guī)蒸餾不易分離的物質(zhì)。8.分子蒸餾設(shè)備價格昂貴，分子蒸餾裝置必須保證體系壓力達到的高真空度，對材料密封要求較高，且蒸發(fā)面和冷凝面之間的距離要適中，設(shè)備加工難度大，造價高。9.產(chǎn)品耗能小，由于分子蒸餾整個分離過熱損失少，且由于分子蒸餾裝置獨特的結(jié)構(gòu)形式,內(nèi)部壓強極低,內(nèi)部阻力遠比常規(guī)蒸餾小,因而可大大節(jié)省能耗。

第39頁/共43頁分子蒸餾簡介從分子蒸餾技術(shù)以上的特點可知,它在實際工業(yè)化的應(yīng)用中比常規(guī)蒸餾技術(shù)具有以下明顯的優(yōu)勢:(1)對于高沸點、熱敏及易氧化物料的分離,分子蒸餾提供了最佳分離方法。因為分子蒸餾在遠低于物料沸點的溫度下操作,而且