第五章-綠色化學方法課件

可編輯課件PPT1第五章綠色化學方法第一節(jié)催化劑在化學反應中的作用第二節(jié)綠色化學與催化第三節(jié)高效無害催化劑的設計第四節(jié)改變反應原料第五節(jié)改變反應試劑第六節(jié)改變反應溶劑第七節(jié)化學反應的過程監(jiān)控和化工過程強化本章習題可編輯課件PPT2第一節(jié)

催化劑在化學反應中的作用

可編輯課件PPT催化劑的重要作用？

催化方面的相關知識催化科學的發(fā)展:公元前，用發(fā)酵的方法釀酒和致醋——生物催化劑；1740年，英國Ward.J第一次使用非生物催化劑:硫磺+硝石（硝酸鉀）硫酸1806年，法國Chenent，N闡明了在NO的作用下，SO2氧化成SO2的催化機理。1835年瑞典的Berzelius首次提出“催化劑”的概念?？删庉嬚n件PPT反應物產(chǎn)物催化劑催化劑－反應物什么是催化劑？催化劑是一種能夠改變一個化學反應的速率,卻不改變化學反應熱力學平衡位置,本身在化學反應中不被明顯地消耗的化學物質(zhì)?？删庉嬚n件PPT催化作用特征？循環(huán)過程；熱力學可行；改變速度不改變平衡位置；具有選擇性。催化劑的研究方法？設計——制備——表征——活性測試催化劑的評價指標？活性、選擇性、穩(wěn)定性可編輯課件PPT催化劑的分類多相反應固體催化劑（石化工業(yè)應用最多）Al2O3/SiO2催化裂化生產(chǎn)汽油均相反應催化劑（精細化學品、聚合）茂金屬絡合物生產(chǎn)聚乙烯酶催化劑（生物化工）可編輯課件PPT固體催化劑的構(gòu)成主催化劑（合成NH3中的Fe）助催化劑（合成NH3中的K2O）共催化劑（石油裂解SiO2-Al2O3）載體（Al2O3

）可編輯課件PPT載體的選擇可編輯課件PPT催化劑的一般制備方法不同制備方法,成分、用量相同,但催化劑的性能可能不同催化是一門科學,也是一門藝術沉淀法浸漬法可編輯課件PPT沉淀法沉淀劑加入金屬鹽類溶液,得到沉淀后再進行處理金屬鹽溶液NaOH(Na2CO3)沉淀洗滌活化成型干燥焙燒研磨催化劑可編輯課件PPT單組分沉淀法制備非貴金屬的單組分催化劑或載體Al3++OH-Al2O3.nH2O焙燒α-Al2O3,γ-Al2O3,η-Al2O3載體Al2O3可編輯課件PPT共沉淀法多個組分同時沉淀（各組分比例較恒定,分布也均勻）Cu(NO3)2Zn(NO3)2Al(NO3)3

溶液Na2CO3三元混合氧化物沉淀PH中性合成甲醇CuO-ZnO-Al2O3可編輯課件PPT浸漬法將載體放進含有活性物質(zhì)的液體中浸漬載體（如Al2O3）的沉淀洗滌干燥載體的成型用活性組份浸漬干燥焙燒分解活化還原負載型金屬催化劑可編輯課件PPT浸漬法（多次浸漬）實例鎳/氧化鋁-----重整催化劑—將甲烷或石腦油重整制合成氣Al2O3+鋁酸鈣水泥+石墨+水成型16*16*6mm預處理:120oC干燥、1400oC焙燒,得載體熔融浸漬硝酸鎳10-20%

干燥、活化焙燒分解熔融浸漬硝酸鎳10-20%干燥、活化焙燒分解負載型鎳催化劑可編輯課件PPT典型催化反應的例子(P80)反應編號反應物體系產(chǎn)物催化劑體系溫度/K壓力/MPa相催化劑作用11/2N2＋3/2H2NH3Fe-K2O/Al2O372340.53氣固加快反應速率2aC2H4＋1/2O2CH3CHOPdCl2-V配合物5200.1013液相同反應物,不同催化劑作用下獲得不同產(chǎn)物。催化劑控制化學物種的選擇性可編輯課件PPT2bC2H4＋1/2O2C2H4OAg/Al2O35200.1013氣固

2cC2H4＋3O22CO2＋2H2ONi5200.1013氣固3anC3H6[C3H6]nO2過氧化物420~450202.6氣相同反應物，不同催化劑作用下得到不同立體規(guī)整結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，催化劑控制了產(chǎn)物的立體規(guī)整結(jié)構(gòu)3bnC3H6[C3H6]nCr2O3·SiO2·Al2O3orMO3·Al2O3

420~4503.1氣液固3cnC3H6[C3H6]nZiegler-Natta

催化劑3730.1013氣液固42-(6-甲氧基-2萘基)丙烯酸＋氫左旋二羥基苯丙氨酸(Lnaproxen)Ru手性膦配合物

氣、液定向不對稱合成旋光異構(gòu)體可編輯課件PPT5aCH3CH2OHC2H4＋H2OAl2O3623~683

氣、固相同反應物，相同催化劑、不同操作溫度下獲得不同產(chǎn)物。催化劑與溫度控制化學物種選擇性5bCH3CH2OH（C2H5）2O＋H2OAl2O3523

氣、固6aCH4＋O2CO＋H2Ni/Al2O3673~12730.1013氣體時空速率~105h－1)

氣、固相同反應物，相同催化劑，不同接觸時間下獲得不同產(chǎn)物。催化劑與接觸時間共同控制了產(chǎn)物化學物種選擇性6bCH4＋O2二氧化碳＋H2ONi/Al2O3＞6730.1013氣體時空速率~1000h－1氣、固

可編輯課件PPT催化劑被稱為分子機器WHY?在生命過程中,最需要高度的選擇性和原子經(jīng)濟性,在生物體內(nèi)進行的化學反應都是以酶作為催化劑的。這些酶催化的反應通常都是高專一、高選擇性和原子經(jīng)濟的。這種酶催化劑被稱為分子機器。起源？催化劑在化學反應中的作用可編輯課件PPT催化劑被稱為分子機器不管是酶催化劑還是傳統(tǒng)的化學催化劑,只要其具有高度的專一性,高的選擇性,高的反應物轉(zhuǎn)化率和反應的原子經(jīng)濟性,均可認為,它是在化學反應中具有特殊功能的分子機器?？删庉嬚n件PPT20第二節(jié)

綠色化學與催化

可編輯課件PPT催化與污染防治

新原料需新催化劑來活化

催化與反應過程的改善

可編輯課件PPT一、催化與污染防治可編輯課件PPT催化已經(jīng)在減少環(huán)境污染方面引起到了重要作用利用催化劑減少和消除發(fā)電廠廢氣及汽車尾氣中的NOx的排放,以改善空氣的質(zhì)量；利用催化劑以減少揮發(fā)性有機溶劑的使用；利用催化技術處理高濃度有機廢水；……可編輯課件PPT催化在新的、不產(chǎn)生污染的合成途徑中將繼續(xù)起重要作用1.利用催化劑,化學反應會更加有效,會具有更高的選擇性、轉(zhuǎn)化率,這樣就可以減少大量副產(chǎn)物和其他廢物成分的生成；2.利用催化劑,可改善化學反應的條件,比如降低反應溫度和反應壓力從而降低能耗,消除某些有毒反應介質(zhì)的使用等等。所以,催化劑的利用常可以同時滿足若干個綠色化學的要求。可編輯課件PPT二:新原料需要新催化劑來活化可編輯課件PPT鄰苯二酚的生產(chǎn):

傳統(tǒng)生產(chǎn)方法:苯為原料有毒害,合成路線長,產(chǎn)生副產(chǎn)物丙酮和對苯二酚,要使用二氧化硫等不安全物質(zhì)continue重要的醫(yī)藥中間體可編輯課件PPTDraths和Frost等采用安全無毒的反應原料葡萄糖:

避免了風險原料和試劑的使用,副產(chǎn)物大為減少。酶E.Coli可編輯課件PPT三:催化與反應過程的改善可編輯課件PPT乙醛的合成

more對苯二酚的合成more羰基化合物的合成more可編輯課件PPT(一)乙醛的合成可編輯課件PPT傳統(tǒng)合成方法CH2=CH2+O2PdCl2CuCl2水溶液

CH3CHO

缺點:這一方法需要使用大量的催化劑，這樣使得溶液中Cl-的濃度較大，溶液中大量的Cl-會導致有機氯化物副產(chǎn)物的生成,對人類健康和環(huán)境都有害。機理:在反應過程中,PdCl2被還原為Pd（零價),Pd（零價）與CuCl2反應生成PdCl2和（CuCl2）－，氧又將（CuCl2）－氧化，使CuCl2復原。可編輯課件PPT32新方法用釩的配合物代替CuCl2催化劑PdCl2的用量可大幅度減少,這樣溶液中Cl－的濃度也就大為減少,其減少幅度可達100~400倍,這樣就大大降低了生成氯化有機物的可能性。可編輯課件PPT(二):對苯二酚的合成傳統(tǒng)合成方法:缺點:

步驟多,生成大量的鹽副產(chǎn)物還要多次使用硫酸、鹽酸等有腐蝕性的物質(zhì)。

可編輯課件PPT新的環(huán)境友好方法:優(yōu)點:這一新方法,雖然也不是原子經(jīng)濟的反應,但由于反應步驟減少,且只有最后一步會有副產(chǎn)物生成,其對環(huán)境的友好程度已大大優(yōu)于傳統(tǒng)方法?？删庉嬚n件PPT若能找到直接用分子氧氧化苯的新催化劑,則過程的效益會大為增加.挑戰(zhàn)？可編輯課件PPT（三）羰基化合物的合成可編輯課件PPT37R1C(OH)R2R1COR2催化劑微波Varma等利用微波與催化劑共同活化的方法:傳統(tǒng)的方法需要有機溶劑,還要使用像三氧化鉻,高錳酸鉀這一類會造成鹽污染的氧化劑。（三）羰基化合物的合成可編輯課件PPT38

第三節(jié)

設計高效無害催化劑可編輯課件PPT一、總體性分析反應的可行性,最大平衡產(chǎn)率；要求的最佳反應條件；可選用的原料；反應的原子經(jīng)濟性如何；在實際使用中可能會遇到什么問題；催化劑的經(jīng)濟性；催化反應的經(jīng)濟性等等?？删庉嬚n件PPT一、總體性分析分析催化劑設計參數(shù)的幾個要素:活性、選擇性、穩(wěn)定性或壽命、對人、對環(huán)境是否無害。可根據(jù)反應類型、反應分子的活化方式等選擇催化劑的類型和可選用材料，找出最適宜催化劑。用實驗證實設計的可行性，若實驗證明設計不合理，則又從頭開始重新進行設計?？删庉嬚n件PPT高效無害催化劑設計框圖(P85)目

標

產(chǎn)

物

可選用的反應原料（無毒無害）綠色合成路線設計、寫出化學計量式價格及環(huán)境等經(jīng)濟上、環(huán)境上是否可行否是擬定假設的反應機理可編輯課件PPT多重功能化

反應速率的預測和控制

定性的定量的微觀的反應條件的擬定催化劑的組成與制法否否反應條件是否滿足綠色化學要求催化劑及其制造過程是否滿足綠色化學要求是是反應工程與工藝的可行性否是可編輯課件PPT設計是否正確

設

計

完

成否可編輯課件PPT二、設計和開發(fā)

新型分子氧氧化催化劑常用的無機氧供體氧化劑:次氯酸鈉，次溴酸鈉，硝酸、亞硫酸氫鉀、三氧化鉻、高錳酸鉀、重鉻酸鉀等等。缺點:采用無機氧供體作氧化劑時，常常會生成大量的鹽廢物，不僅造成環(huán)境污染，同時也造成資源浪費?？删庉嬚n件PPT清潔氧化劑及其特點分子氧(O2):最清潔的氧化劑,但有時受反應條件限制,也采用過氧化氫或臭氧作為氧化劑?？删庉嬚n件PPT清潔氧化劑及其特點過氧化氫(H2O2):過氧化氫比氧和臭氧貴得多，但過氧化氫中含有47%的活性氧，其氧化產(chǎn)物為水，是環(huán)境可接受的副產(chǎn)物?？删庉嬚n件PPT清潔氧化劑及其特點臭氧(O3):臭氧也是環(huán)境可接受的氧化劑，它氧化其他產(chǎn)物后變?yōu)榉肿友?。其缺點是:使用時需要特殊的處理方法和特殊的發(fā)生裝置?？删庉嬚n件PPT清潔氧化劑及其特點氧化亞氮(N2O):氧化反應后產(chǎn)物為氮氣，對環(huán)境友好；N2O本身的生產(chǎn)復雜，價格不低。可編輯課件PPT清潔氧化劑及其特點采用氧化物晶格氧間接利用分子氧:反應物分子與催化劑的晶格氧反應生成氧化產(chǎn)物，失去晶格氧的催化劑被輸送到再生器中，用空氣中的氧將其氧化到原來的狀態(tài)，然后再送入反應器完成還原——再氧化循環(huán)?？删庉嬚n件PPT清潔氧化劑及其特點這種新方法在沒有氣相氧分子存在的條件下進行烴類的氧化反應,能大幅度提高烴類選擇氧化的選擇性,而且因不受爆炸極限的限制,可提高原料濃度,是有效的催化新技術?？删庉嬚n件PPT三、設計新型金屬配合物催化劑

可編輯課件PPT金屬配合物:這類催化劑常為金屬有機化合物,通常用于均相催化反應；這類反應主要包括有反應物的氧化加成或產(chǎn)物的還原脫出,同時,還有金屬原子和周圍原子化學鍵的重排。可編輯課件PPT表5-2已工業(yè)應用的過渡金屬配合物

過渡金屬配合物工業(yè)應用反應工業(yè)應用時間RuBINAP用于胺加氫反應1991年RuBINAP生物堿異喹啉化1987年（Isoquinolalkaloid）RuBINAP萜烯醇的加氫反應1987年RuBINAP丙酮加氫反應1911年CuSthiffbase配合物鏈烯環(huán)醛化1985年（Cyclopropanationofolefins）RhBINAP薄荷醇1990年可編輯課件PPT四、設計新型分子篩催化劑分子篩:分子篩是結(jié)晶態(tài)無機高聚物，由鋁硅酸鹽組成，具有開放的骨架結(jié)構(gòu)。天然分子篩（八面沸石）具有足夠大的孔結(jié)構(gòu)，可用于石油煉制。合成八面沸面分子篩現(xiàn)已可大規(guī)模商業(yè)應用，已成為石油工業(yè)的重要催化劑?？删庉嬚n件PPT分子篩的結(jié)構(gòu)特征從結(jié)構(gòu)上看，分子篩具有四面體形XO4結(jié)構(gòu)，其中X與其他X共用氧離子。X可以是三價的（鋁、硼、鎵），四價的（鍺，硅），或五價的（磷）原子。分子篩孔的大小由四面體單元數(shù)確定，按四面體單元數(shù)的多少可分為大孔、中孔和小孔分子篩，其相應的最大自由孔徑為0.75.0.67和0.43nm。可編輯課件PPT分子篩的結(jié)構(gòu)特征可編輯課件PPT分子篩催化劑的應用分子篩催化劑大量用于多相酸堿催化,如烴類轉(zhuǎn)化。分子篩的酸性是為保證中性而與表面結(jié)合的質(zhì)子造成的。可編輯課件PPT丁烯的烷基化反應:傳統(tǒng)方法:用氫氟酸或硫酸作催化劑，盡管反應的效率也較高，但要使用大量的腐蝕性酸，并產(chǎn)生大量的無機鹽，氫氟酸能循環(huán)使用，但硫酸卻不能，還需要不斷地移去?？删庉嬚n件PPT采用分子篩固體酸催化劑:不僅消除了腐蝕性酸的使用，不生成無機鹽、廢物。酸催化劑可編輯課件PPT分子篩的擇型催化作用對分子篩進行化學修飾可改變基于分子篩形狀的選擇性,這將使分子篩催化劑有十分廣闊的應用前景,并適用于各種不同方面的應用?？删庉嬚n件PPT例子一個成功的例子是2,6-二異丙基萘的合成。采用傳統(tǒng)的合成方法,通常得到2,6-異構(gòu)體、2,7異構(gòu)體及3,4異構(gòu)體的混合物。2,6-二異丙基萘+2,7-二異丙基萘+3,4-取代異構(gòu)體可編輯課件PPT例子傳統(tǒng)方法采用的SiO2/Al2O3催化劑具有大孔,不能區(qū)分3-取代和4-取代異構(gòu)體的差異,也不能區(qū)分2,6-、2,7-異構(gòu)體的差異。采用特殊聚合物液晶聚合物來分離2,6和2,7-異構(gòu)體不僅十分麻煩而且十分昂貴。可編輯課件PPT例子采用更小孔的分子篩可抑制3-取代及4-取代物的生成。但仍要生成等量的2，6及2，7取代異構(gòu)體。采用C型絲光沸石后，3-取代及4-取代異構(gòu)體的生成被完全抑制，2，6-異構(gòu)體與2，7-異構(gòu)體的比例為7:3，即大部分產(chǎn)物為2，6-異構(gòu)體。表5-3給出了采用不同催化劑時，所得產(chǎn)物的分配情況?？删庉嬚n件PPT表5-3,采用不同催化劑時,萘烷基化所得產(chǎn)物的分配情況催化劑孔徑/nm2，6-/2，7-2，6異構(gòu)體%SiO2/Al2O36.0132L分子篩0.710.822B分子篩0.73137C*絲光沸石0.72.770ZSM-5分子篩0.55活性很低

可編輯課件PPT分子篩催化的希望分子篩催化劑可取代對健康、對環(huán)境明顯有害的物質(zhì),如氫氟酸、硫酸等,因而分子篩催化劑被認為是對環(huán)境更友好的催化劑。同時,由于使用分子篩催化劑后,選擇性的增加、活性的增加,無疑將使分子篩催化成為綠色化學中最有希望的領域之一?？删庉嬚n件PPT66第四節(jié)

改變反應原料

可編輯課件PPT一、改變反應原料的一般原則（一）、考慮原料本身的危險性

是否對人對環(huán)境無害；是否具有比如毒性、發(fā)生意外事故的可能性；是否會破壞生態(tài)環(huán)境；是否具有其他不友好性質(zhì)?？删庉嬚n件PPT（二）、使用可再生資源目前，90%以上的有機化學品都是以石油為原料加工合成的。危機:1.石油加工是一個高耗能的產(chǎn)業(yè)，比如，在美國石油煉制所耗能量就占其總消耗量的15%。由于原油質(zhì)量在不斷下降，這種能耗還會不斷增加。2.在由石油轉(zhuǎn)化為有用的有機化學品的過程中，通常要發(fā)生氧化反應，而氧化步驟是歷史上污染嚴重的步驟。3.考慮到石油、天然氣、煤等化石資源面臨枯竭的危險，故應減少對這類資源的依賴?？删庉嬚n件PPT二、生物質(zhì)作為化學化工原料的利弊（一）、采用生物質(zhì)作為化學化工原料的優(yōu)點

優(yōu)點農(nóng)業(yè)資源和生物資源是很好的替代品。近期的研究表明,許多農(nóng)產(chǎn)品,比如玉米、馬鈴薯、大豆、糖漿等均可轉(zhuǎn)化為有用化學品比如紡織品和尼龍等。農(nóng)業(yè)廢物、生物質(zhì)和非食物性生物制品通常都含有木質(zhì)纖維素,也可作為化學化工原料。可編輯課件PPT1.生物質(zhì)可給出結(jié)構(gòu)多樣的產(chǎn)品材料生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元通常比原油的結(jié)構(gòu)單元復雜利用這種結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)的復雜性,則可減少副產(chǎn)物的生成2.由原油的結(jié)構(gòu)單元衍生所得物質(zhì),通常沒被氧化的,而在碳氫化合物中引入氧的方法是極其有限的,且常需要使用有毒試劑（比如鉻、鉛等）,造成環(huán)境污染。而由生物質(zhì)衍生所得物質(zhì)常常已是氧化產(chǎn)物,無需再通過氧化反應引入氧。優(yōu)點可編輯課件PPT3.增大生物質(zhì)的使用量可增長原油的使用時間為可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。為一些必須使用石油作原料的產(chǎn)品的生產(chǎn)提供保證。4.使用生物質(zhì)可減少CO2在大氣中濃度的增加因生物在形成過程中要吸收二氧化碳。故在大氣中濃度的二氧化碳凈增加會受到抑制,甚至達到平衡態(tài)。5.化學工業(yè)使用更多的可再生資源可使其本身在原料上更有保障原油僅產(chǎn)于世界少數(shù)國家和地區(qū),其價格易隨國際關系的變化而變化,進而使化學工業(yè)本身受到大的影響。6.生物質(zhì)資源比原油有更大的靈活性原油的組成和性質(zhì)與一系列地理因素有關,生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元具有結(jié)構(gòu)多樣性,可用于生產(chǎn)不同的產(chǎn)品,同時,利用基因工程,還可以對植物的生長進行調(diào)變,使植物長出更多的我們需要的化學品所需的結(jié)構(gòu)。優(yōu)點可編輯課件PPT（二）、生物質(zhì)作為化學化工原料的缺點1.在經(jīng)濟上還不具備競爭力石油工業(yè)已相當成熟，從石油開采到從原油中提取出各種有用的烴類，再將其加工成為中間物或最終化學品，已形成了大規(guī)模的、高效的生產(chǎn)系統(tǒng)。這些都使石油工業(yè)在經(jīng)濟上具有相當?shù)母偁幜?。而利用生物質(zhì)作原料的化學工業(yè)系統(tǒng)仍處于研究開發(fā)之中，經(jīng)濟上還沒有競爭力。2.食品原料改作化學化工原料的合理性現(xiàn)在考慮用作化學化工原料的生物質(zhì)是傳統(tǒng)的食品原料，把食品原料改作化學化工原料是否合適？生物質(zhì)也需要土地來種植，大面積的種植對環(huán)境又有何影響？是否有足夠的土地資源供種植化學化工上所需使用的植物？傳統(tǒng)的化石原料（石油、天然氣、煤）可從“三維”獲取，即在一個小面積范圍內(nèi)可集中大量的化石原料，但種植生物質(zhì)則是“二維”的，不可能在一小面積區(qū)域內(nèi)集中種植獲得大量的生物質(zhì)原料。缺點可編輯課件PPT3.生物質(zhì)的生產(chǎn)有明顯的季節(jié)性植物的生長有季節(jié)性,在一年中,一定時間種植,一段時間之后才能收獲,這就要求使用生物質(zhì)作原料的工廠要很好地制定生產(chǎn)計劃。而實際上,現(xiàn)在的化學品生產(chǎn)廠家要求天天有相同質(zhì)量的原料供應,改換為生物質(zhì)之后,很可能年初和年底得到的原料質(zhì)量就不盡相同,無疑將對生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響。4.生物質(zhì)的組成極為復雜不同種類的物質(zhì),其組成和性質(zhì)都可能不盡相同,若需要對每一類生物質(zhì)有針對性地修建工廠,這將使生物質(zhì)的利用變得十分困難。同時,傳統(tǒng)的化學品生產(chǎn)裝置可能還不能處理由生物質(zhì)提取得到的結(jié)構(gòu)單元,從而獲得我們需要的化學品,故傳統(tǒng)化學品生產(chǎn)商還需要要重新認識、學習這方面的知識,也還需要再投資,這是目前他們還不十分樂意做的。缺點可編輯課件PPT74

第五節(jié)

改變反應試劑

可編輯課件PPT試劑的選擇目前綠色化學在這方面的研究已取得許多進展例如:借助于光照取消一些試劑的使用；盡可能使用可復原的催化劑來實現(xiàn)反應；將反應試劑負載化而實現(xiàn)反應等。氧化劑、還原劑等均可使之負載化。

合成效率高可實施對人類健康和環(huán)境無害可編輯課件PPT76

第六節(jié)

改變反應溶劑

“反應必須要使用溶劑嗎？”可編輯課件PPT一、水溶液系統(tǒng)二、離子溶液:液體狀態(tài)的離子化合物。離子化合物在常溫下都是固體。這是由于離子鍵是很強的化學鍵，而且沒有方向性和飽和性，強大的離子鍵使離子間彼此靠攏，形成固體。離子液體:將帶正電的陽離子或帶負電的陰離子做得很大，而且其中之一結(jié)構(gòu)極不對稱，難以在微觀空間做有效的緊密堆積，離子之間作用力也將減小，就有可能得到常溫下呈液態(tài)的離子化合物，這就是離子液體?？删庉嬚n件PPT1.在負100攝氏度至200攝氏度之間均呈液體狀態(tài),具有良好的熱穩(wěn)定性和導電性；2.對大多數(shù)無機物、有機物和高分子材料來說,離子液體是一種優(yōu)良的溶劑；3.表現(xiàn)出酸性及超強酸性質(zhì),使得它不僅可以作為溶劑使用,而且還可以作為某些反應的催化劑使用；離子液體的優(yōu)勢可編輯課件PPT4.蒸汽壓很小,不會產(chǎn)生對大氣造成污染的有害氣體；5.價格相對便宜,多數(shù)離子液體對水具有穩(wěn)定性,容易在水相中制備得到；6.離子液體還具有優(yōu)良的可設計性,可以通過分子設計獲得特殊功能的離子液體。離子液體的優(yōu)勢可編輯課件PPT三、溶劑的固定化—高分子溶液以現(xiàn)有溶劑為基礎進行聚合反應得到現(xiàn)行溶劑的聚合衍生物,它們在化學合成、分離和清潔等過程中具有現(xiàn)行溶劑的溶劑化作用,但卻不會揮發(fā)到空氣中和釋放到水介質(zhì)中造成污染。通過過濾等即可分離回收高分子溶劑。可編輯課件PPT四、無溶劑化

Bandger等使用環(huán)境友好催化劑與微波作用相結(jié)合,成功地實現(xiàn)了由二甲氧基（或二羥基）苯甲醛（或酮酚）與Meldrum氏酸合成3-羰基香豆素的反應。微波與催化劑結(jié)合而不使用溶劑的方法,在有機合成中保護反應、去保護反應、氧化反應、還應反應、重排反應等方面均十分有效。可編輯課件PPT五、超臨界流體當流體的溫度和壓力處于它的臨界溫度和壓力以上時,稱該流體為超臨界流體。將純物質(zhì)沿氣液飽和線升溫,當達到臨界點時氣液界面消失,體系的性質(zhì)變得均一,不再分為氣體和液體。（一）超臨界流體可編輯課件PPT表5-4一些常用超臨界流體的臨界性質(zhì)物質(zhì)二氧化碳

乙烷

乙烯

丙烷

丙烯

臨界溫度Tc/K304.2305.4282.4369.8365.0臨界壓力Pc/Mpa4.074.764.894.1122.05

環(huán)己烷

異丙醇

苯

甲苯

水臨界溫度Tc/K353.4508.3562.1591.7647.3臨界壓力Pc/Mpa7.374.885.044.254.62可編輯課件PPT（二）超臨界流體的傳遞性質(zhì)超臨界流體:密度與液體的密度相近,粘度卻比液體小近百倍,因此其流動性要比液體好得多。所以傳遞系數(shù)也比液體中大得多。溶質(zhì)在超臨界流體中的擴散系數(shù)雖然比在氣體中要小幾百倍,但卻比在液體中大幾百倍。這些都表明,物質(zhì)在超臨界流體中的傳遞比在液體中要好得多?？删庉嬚n件PPT（三）超臨界流體用作化學反應溶劑的優(yōu)點我們可以通過壓力和溫度的變化，在“像氣相”和“像液相”之間調(diào)節(jié)流體的性質(zhì)，這樣為更好地實現(xiàn)化學反應提供了方便。例:可通過調(diào)節(jié)壓力來改變其密度，從而調(diào)節(jié)一些與密度相關的溶劑性質(zhì)，如介電性、粘度等。超臨界流體又具有某些氣體的優(yōu)點，如粘度低、大的氣體溶解度、大的擴散系數(shù)等，這對快速化學反應、尤其是擴散控制化學反應或包含有氣體反應物的反應是十分有利的?？删庉嬚n件PPT1.在超臨界水中,易溶有氧氣,可使氧化反應加快,是一種綠色的“焚化爐”。應用舉例:4.超臨界二氧化碳可輕易穿過細菌的細胞壁,在其內(nèi)部引起劇烈的氧化反應,殺死細菌。2.由于超臨界流有密度大且粘稠度小的特點,可將天然氣化為超臨界態(tài)后在管道中運送,這樣既可以節(jié)省動力,又可以增加運輸速率。3.超臨界二氧化碳易溶解多種物質(zhì)、且無毒無害,可用于清洗各種精密儀器,亦可代替干洗所用的氯氟碳化合物,以及處理被污染的土壤。可編輯課件PPT（四）超臨界二氧化碳作化學反應溶劑二氧化碳是超臨界流體技術中最常用的溶劑,它的臨界溫度為304.2K（即31.5℃）,可在室溫下實現(xiàn)超臨界操作；它的臨界壓力為4.37MPa,也不算高,設備加工并不困難。這樣能耗也比較節(jié)省。研究表明,超臨界二氧化碳對多數(shù)物質(zhì)具有較大的溶解度,而水的溶解度卻很小,這些性質(zhì)使得在超臨界二氧化碳中分離有機物和水十分方便。二氧化碳還具有不可燃、無毒、化學性質(zhì)穩(wěn)定、價廉易得等優(yōu)點。優(yōu)勢？可編輯課件PPT1.物質(zhì)在超臨界二氧化碳中的溶解性是其發(fā)展的最大限制:分子量小于400的非極性有機物，如烷烴、烯烴、芳烴、酮、醇等均可溶于超臨界二氧化碳中；高極性的化合物，如糖、氨基酸等則不溶；聚硅烷和氟代聚合物可溶，而其他聚合物則不溶。（四）超臨界二氧化碳作化學反應溶劑的局限可編輯課件PPT2.鹽類不溶于超臨界二氧化碳不能用超臨界二氧化碳作離子間反應的溶劑,也不能用超臨界二氧化碳作用離子作催化劑的反應。（四）超臨界二氧化碳作化學反應溶劑的局限可編輯課件PPT3.二氧化碳是親電性的,它會與一些路易斯堿發(fā)生化學反應。不能用作路易斯堿反應物的溶劑。（四）超臨界二氧化碳作化學反應溶劑的局限可編輯課件PPT91

第七節(jié)

化學反應的過程監(jiān)控和化工過程強化

可編輯課件PPT化學反應的過程監(jiān)控化工過程強化第七節(jié)化學反應的過程監(jiān)控和化工過程強化可編輯課件PPT反應條件、反應體系中各組分的原位監(jiān)測

反應條件控制、反應進料情況的控制

有效地控制化學反應的進行使反應變?yōu)闊o害反應

一、化學反應的過程監(jiān)控

可編輯課件PPT一、化學反應的過程監(jiān)控比如:某反應進行過程中會生成微量污染物X，且反應溫度和壓力過高時，污染物X的生成量會急劇增大。我們就可利用原位過程監(jiān)控技術，在反應過程中連續(xù)不斷地分析檢測X的生成量，當X的生成量超過預定值時，立即改變反應條件（溫度和壓力）以減少其生成。可編輯課件PPT二、化工過程強化

強化化工過程的目的:設備體積/產(chǎn)量比小、能量消耗小、廢物排放少、成本降低。也就是說，使反應體積變得更小、使過程變得更清潔、使能量的利用更為有效的任何化學工程的進步都可認為是化工過程強化?；み^程強化包括發(fā)展新設備和新技術?？删庉嬚n件PPT(一）通過設備改進實現(xiàn)過程強化可編輯課件PPT通過設備改進實現(xiàn)過程強化典型的對進行化學反應的設備的改進有:旋轉(zhuǎn)盤反應器（SpinningDiskReactor）靜態(tài)混合反應器（StaticMixerReactor或簡記為SMR）靜態(tài)混合催化劑（StaticMixingCatalysts或簡記為KATAPAKs）整體式反應器（MonolithicReactor）微型反應器（Microreactors）熱交換（HEX）反應器（HeatExchangeReactors）超聲波氣體/液體反應器（SupersonicGas/LiquidReactor）射流碰撞反應器（Jet-ImpingementReactor）轉(zhuǎn)動填充床反應器（RotatingPacked-BedReactor）等?？删庉嬚n件PPT典型的對操作過程設備進行的改進有:靜態(tài)混合器（StaticMixers）緊湊熱交換器（CompactHeatExchangers）微孔道熱交換器（MicrochannelHeatExchangers）轉(zhuǎn)子/定子混合器（Rotor/StatorMixer）轉(zhuǎn)動填充床（RotatingPackedBeds）離心吸附器（CentrifugalAdsorber）等。通過設備改進實現(xiàn)過程強化可編輯課件PPT1.靜態(tài)混合反應器靜態(tài)混合反應器是化工過程強化的一個很好的例子,與傳統(tǒng)設備相比,它的體積更小、能量利用更充分。攪拌技術:強化傳質(zhì)和傳熱。有趣的是,攪拌技術的改進并非是通過改進攪拌機械而完成的,剛好相反,這一改進正是摒棄了攪拌機械,采用靜態(tài)混合器而實現(xiàn)的。可編輯課件PPT強化傳熱。Sulzer型靜態(tài)混合反應器,其混合單元由熱傳導管構(gòu)成,可用于反應需要提供大量的熱能或產(chǎn)生大量熱而需要移去的過程,比如硝化反應、中和反應等。靜態(tài)混合器的一個重要缺陷是容易堵塞?？删庉嬚n件PPT2.整體式催化劑用于催化的整體式基質(zhì)的材料:金屬材料，非金屬材料。它們具有很多的細孔道和規(guī)整均一的橫截面。

可編輯課件PPT整體式結(jié)構(gòu)的最重要的特征1.與傳統(tǒng)的填充床相比,其壓力降很小,通常比傳統(tǒng)方法低一到兩個數(shù)量級；2.單位反應器體積的幾何面積高,通常比顆粒催化劑床反應器高1.5-4倍；3.因為涂層很薄,故擴散途徑很短,因而具有高的催化效率,實際可達100%；4.可提高由于傳質(zhì)阻力的影響而選擇性差的過程的選擇性?？删庉嬚n件PPT3.微型反應器微型反應器的體積極小,具有類似于三明治的層狀結(jié)構(gòu),每層之間有通道,每一層都有多種功能,包括混合、催化反應、熱傳遞、分離等。將多種功能集成于一個單元中是微型反應器的最重要的優(yōu)點,其傳熱速度很快,可使高放熱的反應在等溫下進行,這有利于動力學研究。可編輯課件PPT（二）改進方法實現(xiàn)過程強化可編輯課件PPT過程強化的另一個重要方面是方法上的改進，主要有:逆流反應器（Reverse-FlowReactors）反應蒸餾（ReactiveDistillation）反應提取（ReactiveExtracti