1、水相有机合成及高效清洁分离技术在化工工业中的应用 冯维春 二O一七年十一月 济宁0102030405技术创新化工行业现状精细化工工艺清洁指数技术创新打造新旧动能转换新引擎未来发展方向目录化工行业现状01我省现状 占全国化工的1/5 占全省工业的1/5 中国化工第一大省技术水平 创新能力弱 落后于欧美等国家 落后于江浙省份 化工大省而非强省环保现状 安全系数低 产品档次低 三废排放量大 生态环境压力巨大我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾中央环保督察组入驻山东山东省化工产业安全生产转型升级专项行动领导小组两个月内山东化工企业关闭200余家，停业整顿上
2、千家以牺牲环境和资源为代价谋求经济利益的化工发展时代已经结束化工安全环保的问题，归根到底还是技术问题技术创新02高校 优势：基础研究，揭示科学规律 劣势：对工程化问题不够重视企业 优势：工程技术，产业化实施 劣势：专业基础理论相对薄弱缺乏科学向技术转化的纽带创新性技术与欧美差距较大为打通向科技成果转化的最后一公里以推进供给侧结构性改革为主线，实现新旧动能转换为目标利用现代合成技术改造传统产业，变劣势产能为优势产能结束以牺牲环境为代价的时代，发展绿色化学、清洁化学 开发集技术、环保、安全、质检、设计、经济效益分析于一体的整体工艺实施成效 工艺技术开发团队 中试放大工程团队 工程技术设计团队 中控
3、分析保障团队 安全环保保障团队 经济效益分析团队团队建设让专业的人干专业的事，做到人尽其才，才尽其用。不断进行技术创新，致力于水相有机反应及清洁分离共性关键技术的产学研一体化研究。突破制约精细化工产业发展的瓶颈，从源头上控制污染物的产生，助力山东从化工大省迈向“化工强省”。绿水青山就是金山银山，天蓝地绿的大美中国重现眼前精细化工工艺清洁指数03国际评价工艺标准E因子用来衡量一个产品在生产过程中对环境造成的影响定义：每生产1kg期望产品与同时产生的废物质量的比值实际工业化生产中，固体废物较易定量，而废气、废液难统计准确文献调研科学探索技术创新成果转化=产出的产品质量/投入原料的质量100%（投入
4、水不计算在内）清洁指数90-100%：清洁工艺80-90%：较清洁工艺70-80%：一般工艺60-70%：污染工艺60%：重污染工艺叔丁醇-尿素法 该工艺以硫酸为催化剂，由叔丁醇与尿素缩合生成叔丁脲，然后在氢氧化钠溶液中，叔丁脲水解而成叔丁胺。清洁指数=产出的产品质量/投入原料的质量100%=20%异丁烯直接氨化法 该工艺在催化剂条件下，以异丁烯和氨为原料，直接氨化制备叔丁胺。清 洁 指 数=产 出 的 产 品 质 量/投 入 原 料 的 质 量100%=96.5%叔丁胺的制备己二醇法 该工艺以骨架镍为催化剂，1,6-己二醇与氨反应生成1,6-己二胺。清 洁 指 数=产 出 的 产 品 质 量
5、/投 入 原 料 的 质 量100%=68.8%己二腈法 在催化剂作用下，在溶剂中己二腈直接加氢制备得到己二胺。清 洁 指 数=产 出 的 产 品 质 量/投 入 原 料 的 质 量100%=97.6%己二胺的制备反映原子利用率反映产率、转化率更直观的指导实际工业化生产清洁指数技术创新打造新旧动能转换新引擎04甜菜碱盐酸盐无盐工艺叠氮化钠水相合成新工艺酮肟法盐酸羟胺全水相合成新工艺2,4-二氯苯氧乙酸清洁生产新工艺硼酸锌生产新工艺NS制备新工艺DM制备新工艺糠醛生产新工艺甜菜碱盐酸盐无盐工艺 甜菜碱盐酸盐是一种季铵盐型生物碱，广泛应用于养殖、食品及化妆品行业，我国年需求量约10万吨。存在问题：
6、收率低（约85%）、灼残高（约1.0%），三废量大（1.75吨/吨）传统工艺采用钠法工艺生产1t甜菜碱盐酸盐需要投入氯乙酸0.64t，三甲胺0.43t，氢氧化钠0.27t，盐酸（以纯HCl计）0.25t清洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（甜菜碱盐酸盐）/m（氯乙酸）+m（三甲胺）+m（氢氧化钠）+m（盐酸）100%=62.8%（污染工艺）开创了甜菜碱盐酸盐无盐新工艺突破1 氯乙酸甲酯和三甲胺季铵化反应制备甜菜碱甲酯盐酸盐新技术突破2 高效催化甜菜碱甲酯盐酸盐高效催化水解制备甜菜碱盐酸盐技术突破3 低浓度甲醇水相合成氯乙酸甲酯新技术采用新工艺生产1t甜菜碱盐酸盐需要投入氯乙酸
7、0.63t，三甲胺0.38t，醇0.03t清洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（甜菜碱盐酸盐）/m（氯乙酸）+m（三甲胺）+m（醇）100%=96.2%（清洁工艺）甜菜碱盐酸盐无盐新工艺技术成熟度 氯乙酸水解率仅为0.20.3%；三甲胺定量转化；酯的定量水解和甲醇的定量回收及套用技术优势 采用连续化反应技术和自动化控制装备，提高生产过程安全性安全优势 无三甲胺废气问题 不加酸不加碱，无废盐问题环保优势 与碱法工艺相比，生产成本降低约30%成本优势 灼残达到ppm级 优于美国药典USP35产品质量标准产品品质所处阶段产业化建设知识产权情况ZL201410192250.XZL20
8、1410059368.5ZL201520875348.5ZL201620748622.7ZL201620748609.1201510731878.7201510731536.5201510763346.1201610629688.9201610629991.9叠氮化钠水相合成新工艺 叠氮化钠是一种重要的精细化工产品，广泛应用于医药、农药和生物等领域。传统工艺 存在问题：有机溶剂用量大（乙醇），产品收率低（82-85%），三废量大（每吨产品排放三废约2.9吨）。生产1t叠氮化钠需要投入氢氧化钠0.74t，水合肼0.90t，亚硝酸钠1.07t，硫酸0.80t，乙醇0.28t，同时产出水1.11t清
9、洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（NaN3）+m（H2O）/m（NaOH）+m（N2H4H2O）+m（NaNO2）+m（H2SO4）+m（C2H5OH）100%=55.7%（重污染工艺）合成亚硝酸异丙酯联产硝酸钠新技术 叠氮化钠水相合成新技术 叠氮化钠母液循环套用新技术突破技术 创建硝酸-异丙醇法叠氮化钠水相合成新工艺 产品收率达95%以上 实现污染物零排放创新成果生产1t叠氮化钠需要投入氢氧化钠0.62t，水合肼0.83t，亚硝酸钠1.07t，硝酸（以纯HNO3计）1.03t，醇0.08t，同时联产硝酸钠1.39t，产出水1.11t清洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质
10、量100%=m（NaN3）+m（H2O）+m（NaNO3）/m（NaOH）+m（N2H4H2O）+m（NaNO2）+m（HNO3）+m（醇）100%=96.4%（清洁工艺）叠氮化钠水相合成新工艺技术成熟度 水代醇，工艺环保 中间体氧化性低，产品收率达到95%以上技术优势 中间体毒性低、沸点高，变带压反应为常压反应，生产过程中安全性更高安全优势 以高附加值硝酸钠代替硫酸钠，解决废盐问题 母液可套用150次以上，解决废液问题环保优势 生产成本降低约20%成本优势 优于国家标准GB 26754-2011优等品指标产品品质所处阶段已产业化知识产权情况ZL 201210140899.8 ZL201410
11、689245.XZL201520875598.9201410835669.2201510731290.1 201610629995.7201610629993.8酮肟法盐酸羟胺全水相合成新工艺 盐酸羟胺是一种重要的有机合成中间体，在医药、农药、染料、分析化学等领域有着广泛的用途。存在问题：原料毒性大（硫酸二甲酯），操作条件苛刻，产品收率低（56%），三废量大（废盐2t/t，废水16t/t，废气54m3/t)传统工艺采用硫酸二甲酯法生产1t盐酸羟胺需要投入硫酸二甲酯1.62t，亚硝酸钠1.78t，盐酸（以纯HCl计）0.75t清洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（盐酸羟胺）/m
12、（硫酸二甲酯）+m（亚硝酸钠）+m（盐酸）100%=24.1%（重污染工艺）突破技术 水相催化氨肟化新技术 肟化反应液一步脱氨除氧新技术 肟水解制备盐酸羟胺新技术 水解母液净化及回用新技术创建催化氨肟化-肟水解合成新工艺整个工艺只消耗双氧水、氨和盐酸，原子利用率高，操作条件温和。专利：201710123379.9；201710123424.0新工艺生产1t盐酸羟胺需要投入氨气0.25t，双氧水（以纯有效氧计）0.24t，盐酸（以纯HCl计）0.55t，丁酮0.06t污染指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（盐酸羟胺）/m（氨气）+m（双氧水）+m（盐酸）+m（丁酮）100%=94
13、.3%（清洁工艺）催化氨肟化-肟水解合成新工艺技术成熟度 开发水相催化氨肟化反应技术、肟水解技术、产品水相分离纯化技术，产品收率98%技术优势 以水为溶剂，解决有机废气问题；工艺无废盐；废液量与现有工艺相比减少56%以上环保优势 工艺操作简单、能耗低、过程绿色，生产成本降低40%以上成本优势 产品纯度99%，氨含量0.05%指标优于HG/T 3736-2013 优等品要求产品品质所处阶段已完成中试2,4-二氯苯氧乙酸清洁生产新工艺 存在问题：氯乙酸消耗量大（氯乙酸0.58t/t），产品颜色重，酚味大，三废量大（每吨产品排放三废约17吨）传统工艺 2,4-D是一种高效植物生长激素和选择性除草剂，
14、在农林业中应用广泛，我国年需求量约为3万吨。采用传统工艺生产1t2,4-二氯苯氧乙酸需要2,4-二氯苯酚0.77t，氯乙酸0.57t，氢氧化钠0.49t，盐酸（以纯HCl计）0.26t清洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（2,4-D）/m（酚）+m（氯乙酸）+m（氢氧化钠）+m（盐酸）100%=47.8%（重污染工艺）突破2突破4 突破3突破12,4-D甲酯制备新技术2,4-D甲酯催化水解新技术2,4-D晶型控制技术回收甲醇水相合成氯乙酸甲酯套用新技术创建2,4-D制备新工艺，产品收率98%，纯度99.5%，解决酚味重的问题，变废盐为高附加值的氯化钾，实现污染物零排放采用新工
15、艺生产1t2,4-二氯苯氧乙酸需要2,4-二氯苯酚0.74t，氯乙酸0.44t，醇0.03t，氢氧化钾0.28t，联产氯化钾0.37t清洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（2,4-D）+m（KCl）/m（酚）+m（氯乙酸）+m（氢氧化钾）+m（醇）100%=92.0%（清洁工艺）2,4-D制备新工艺技术成熟度 氯乙酸甲酯的定量转化和酚的定量回收，总收率98%；氯乙酸甲酯水相合成技术，解决稀甲醇去向问题技术优势 氯化钾代替低附加值的氯化钠，解决废盐问题；母液的净化及循环套用，解决废液问题环保优势 节约成本约1000元/吨成本优势 纯度99.0%、无酚味，规则晶型产品品质所处阶段
16、已产业化知识产权情况ZL201520875348.5ZL201620748622.7201510763346.1201610629918.1201610630006.6201610634242.5201610629688.9201610634204.X硼酸锌生产新工艺 2335型硼酸锌具有阻燃、成炭、抑烟、抑阴燃等特点，被广泛应用于塑料和橡胶的加工，以及涂料的生产中。存在问题：硼原子利用率低（仅为85.7%），产品品质低（1%热分解温度320左右）、电导率高（钠离子含量约为3000ppm），含硼酸的硫酸钠废盐量大（1.36吨/吨），成本高。传统工艺采用该工艺生产1t硼酸锌需硫酸锌0.35t，五
17、水硼砂1.15t，氧化锌0.043t清洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（硼酸锌）/m（硫酸锌）+m（五水硼砂）+m（氧化锌）100%=64.9%（污染工艺）次氧化锌制备硝酸锌新技术 硝酸钠和硼酸分离新技术 硼酸锌晶型控制新技术 无机盐替代物的回收和利用新技术突破技术 硼的原子利用率99%以上 粒径可调控（17m）重金属含量极低10ppm 热分解温度高340 硝酸钠代替硫酸钠，解决废盐问题创新成果采用该工艺生产1t硼酸锌需次氧化锌0.36t，硝酸（以HNO3计）1.03t，五水硼砂1.01t，氢氧化钠0.38t，产出1.42t硝酸钠，0.09t铅泥清洁指数=产出的产品质量/投
18、入的原料的质量100%=m（硼酸锌）+m（硝酸钠）+m（铅泥）/m（次氧化锌）+m（硝酸）+m（五水硼砂）+m（氢氧化钠）100%=90.3%（清洁工艺）2335型硼酸锌生产新工艺技术成熟度 硼的利用率达到99%以上，解决了传统工艺硫酸钠和硼酸难分离、硼原子利用率低等问题技术优势 以高附加值的硝酸钠代替低附加值的硫酸钠，解决了现有工艺含硼酸的硫酸钠量大难分离、附加值低的问题环保优势 原料生产成本低、每吨降低3000元左右成本优势 1%热分解温度340、重金属含量5ppm粒径可控（17m）、电导率低（氯离子含量200ppm、钠离子含量100ppm）产品品质所处阶段产业化建设NS制备新工艺 NS（
19、N-叔丁基-2-苯并噻唑次磺酰胺）是目前国内外用量最大的橡胶硫化促进剂，仅国内年需求量就达10万吨以上。存在问题：无机废盐量大每生产1吨产品，产生800kg的无机废盐；整个工艺收率低（91%）；母液成分复杂难处理，无法循环套用；产品品质差（纯度约96%，初熔点104左右，颜色黄）等传统工艺采用该工艺生产1tNS需2-巯基苯并噻唑0.77t，叔丁胺0.34t，次氯酸钠0.34t清洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（NS）/m（2-巯基苯并噻唑）+m（叔丁胺）+m（次氯酸钠）100%=69.0%（污染工艺）创建NS制备新工艺，从源头上控制污染物的产生，产品收率达96%以上，NS产
20、品品质高（纯度99%，初熔点109，灰分0.01%），以技术的创新实现NS乃至整个橡胶促进剂行业的新旧动能转换。突破1：双氧水氧化合成NS新技术突破2：催化氧化反应新技术突破3：NS晶型晶貌控制新技术突破4：母液净化及循环套用新技术采用该工艺生产1tNS需2-巯基苯并噻唑0.71t，叔丁胺0.31t，双氧水（以纯有效氧计）0.068t清洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（NS）/m（2-巯基苯并噻唑）+m（叔丁胺）+m（双氧水）100%=91.9%（清洁工艺）NS生产新工艺技术成熟度 整个工艺收率96%（以M计），解决了传统工艺收率低的技术难题技术优势 无无机废盐产生，分离产
21、品后的母液经净化处理可循环套用，污染物零排放环保优势 纯度99%，初熔点109，粒径可调控，灰分0.01%，超过GB/T21840-2008产品质量指标要求产品品质所处阶段中试建设DM制备新工艺 DM，二硫化苯并噻唑，是天然胶及多种合成胶的硫化促进剂，还是一种重要的医药中间体，年需求量约为4万多吨，国内市场供不应求。存在问题：产生大量的废盐、废水，反应时间较长，产品品质低，游离M和灼残偏高等缺点，难于满足国内外高端用户的需求。传统工艺采用该工艺生产1tDM需要投入2-巯基苯并噻唑1.12t，硫酸0.054t，亚硝酸钠0.085t。清洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（DM）/
22、m（2-巯基苯并噻唑）+m（硫酸）+m（亚硝酸钠）100%=79.4%（一般工艺）双氧水催化氧化M制备DM新技术水相非均相选择性催化氧化技术制备DM开发母液净化及连续套用技术创建DM制备新工艺，收率达98%以上，生产效率提高约20%、能耗降低约30%，无三废排放、催化剂及母液可循环套用。采用新工艺生产1tDM需要投入2-巯基苯并噻唑1.027t，双氧水（以纯有效氧计）0.05t清洁指数=产出的产品质量/投入的原料的质量100%=m（DM）/m（2-巯基苯并噻唑）+m（双氧水）100%=92.8%（清洁工艺）DM制备新工艺技术成熟度 以水为反应介质、双氧水为氧化剂，清洁环保技术优势 母液循环套用
23、，解决废液问题 以双氧水为氧化剂，解决废盐问题环保优势 产品收率提高4个百分点，降低成本成本优势 产品纯度大于98%，初熔点稳定在170左右，游离M及灼残均小于0.1%。产品品质所处阶段中试建设糠醛生产新工艺糠醛化学性质活泼，可以通过氧化、缩合等反应制取众多的衍生物，被广泛应用于合成塑料、医药、农药等工业中。存在以下问题：（1）无机酸硫酸作催化剂易发生氧化、碳化反应，对设备腐蚀严重；（2）原料利用率低（1吨产品需9吨多玉米芯）；（3）高温精制过程易发生歧化反应，精制率低；（4）含催化剂硫酸的醛渣燃烧产生大量的SOX，环境污染严重。目前糠醛的工业化生产几乎全部都采用“一步法”。新型催化水解制备木
24、糖新技术 环化制备糠醛新技术 糠醛精制新技术突破技术 产品收率高（生产1吨产品需6吨玉米芯）不采用传统的硫酸催化剂（无SOX废气）精制率提高2-5个百分点 每吨生产成本降低30%以上创新成果糠醛生产新工艺技术成熟度 生产1吨糠醛产品仅需6吨玉米芯，精制率提高2-5个百分点技术优势 不使用硫酸，从源头上解决了传统工艺产生的SOX废气问题，环保优势 与传统一步法工艺相比每吨产品生产成本可降低30%以上成本优势 采用本工艺制备的糠醛产品在水分含量、糠醛含量、初熔点和总馏出物等各项指标与国内其他厂家产品相比优势明显产品品质所处阶段中试建设未来发展方向05 改变间歇法为主的生产现状，将微通道连续流反应装置应用到精细化工产业化生产中连续化 实时定量加入、实时定量描述、实时安全监测和实时有效控制的全自动远程控制自动化 能量流高效利用、物质流封闭循环、信息流智能管理，实现全封闭的智能化生产方式智能化 将人工智能应用于工业生产，实现无人操作无人化技术创新推动绿色发展
