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1、过程工程导论过程工程导论Introduction to Process Engineering主讲：马紫峰(上海交通大学化学工程系)http:/ Chemical Engineering to Process Engineering?Raw materialsIndustrial ProcessesUseful Product矿矿 物物植植 物物动动 物物水水大大 气气石油炼制石油炼制 煤气化煤气化 分离分离浸取浸取 萃取萃取 分离分离油脂加工油脂加工 牛油脱脂牛油脱脂电解电解 水热合成水热合成 水解水解空气分离空气分离燃料油燃料油 化学品化学品 药品药品食用油食用油 香料香料 药品药品润滑润
2、滑 护肤护肤 药品药品氢气氢气氮气氮气 氧气氧气何谓过程工业？何谓过程工业？* * * * 第第第第190190190190次香山科学会议，次香山科学会议，次香山科学会议，次香山科学会议，2002200220022002，9 9 9 9从化学工程学到过程工程学从化学工程学到过程工程学From Chemical Engineering to Process Engineering?化学工业化学工业过程工业过程工业From Chemical Industry to Process Industry化工过程化工过程化学反应化学反应-反应器反应器物理过程物理过程单元操作单元操作实实例例例例:V:VA
3、A 生生生生产产分离提纯分离提纯甲基庚烯酮合成脱氢芳樟脱氢芳樟醇生产醇生产重排为柠檬醛异戊二烯氯化氢VA紫罗兰酮乙炔B胡萝卜素过程工业的基本特点过程工业的基本特点u工工业生生产使用的原材料主要是自然使用的原材料主要是自然资源（源（矿物、生物物、生物质、空气和水等）；空气和水等）；u生生产过程主要程主要为连续化生化生产；u原材料在生原材料在生产过程中程中经历许多化学多化学变化和物理化和物理变化；化；u产量的增加主要依靠量的增加主要依靠扩大工大工业生生产规模来达成，或者模来达成，或者说依依靠靠“放大生放大生产规模模”（Scale-up）来达到；）来达到；u有相当高比例的有相当高比例的过程工程工业产
4、品作品作为产品工品工业的基的基础原料；原料；利用化工与催化过程（催化裂化、催化重整）将石油炼制生产出利用化工与催化过程（催化裂化、催化重整）将石油炼制生产出利用化工与催化过程（催化裂化、催化重整）将石油炼制生产出利用化工与催化过程（催化裂化、催化重整）将石油炼制生产出各种燃料（汽油、柴油和煤油）去驱动汽车、飞机等交通工具各种燃料（汽油、柴油和煤油）去驱动汽车、飞机等交通工具各种燃料（汽油、柴油和煤油）去驱动汽车、飞机等交通工具各种燃料（汽油、柴油和煤油）去驱动汽车、飞机等交通工具炼油过程工业炼油过程工业过程工业实例过程工业实例氨合成氨合成氨合成氨合成过过过过程解决了全世界粮食问题。催化过程设计
5、是核心程解决了全世界粮食问题。催化过程设计是核心程解决了全世界粮食问题。催化过程设计是核心程解决了全世界粮食问题。催化过程设计是核心氨合成催化剂的研究与改进已经尝试氨合成催化剂的研究与改进已经尝试10万多个配方，至今仍是工业催化界万多个配方，至今仍是工业催化界研究的方向之一研究的方向之一生物医药产品生产离不开过程工业技术进步生物医药产品生产离不开过程工业技术进步生物医药产品生产离不开过程工业技术进步生物医药产品生产离不开过程工业技术进步需求需求: 推动化工学科与过程工业的发展源动力推动化工学科与过程工业的发展源动力推动化工学科与过程工业的发展源动力推动化工学科与过程工业的发展源动力化学工程与技
6、术学科发展沿革化学工程与技术学科发展沿革工工程程学学科科支支柱柱土木工程土木工程机械工程机械工程电机工程电机工程化学工程化学工程瓦特发明蒸汽机瓦特发明蒸汽机(1736-1819)伏特伏特法拉第法拉第爱迪生爱迪生(1800-)英国土木工程师学会成立英国土木工程师学会成立(1750-)美国化学工程师学会成立美国化学工程师学会成立(1908-)1921年，美国麻省理工年，美国麻省理工(MIT)设立世界上第一个化工系，设立世界上第一个化工系，1922年，系主任年，系主任A.D.Little在在MIT尝试开设尝试开设”工业化学工业化学”课程，课程，将化学与机械、电工和土木等工程知识有机结合起来进行化将化
7、学与机械、电工和土木等工程知识有机结合起来进行化工教育工教育1922年，在美国化学工程师学会年，在美国化学工程师学会(AIChE)年会上，确立年会上，确立“单单元操作元操作”概念，提出概念，提出“化学工程化学工程”的的“独立宣言独立宣言”（Declaration of Independence）第一第一阶段，化学工段，化学工业“初始条件初始条件”的建立（的建立（17801880）第二第二阶段，段，“化学工程学化学工程学”的起源（的起源（18801910） 第三第三阶段，段，“化学工程学化学工程学”与与“化学工程化学工程师”的定位（的定位（19101945） 第四第四阶段，段，“化学工程学化学工
8、程学”的完善与化学工的完善与化学工业持持续发展期（展期（19451970） 第五第五阶段，从化学工程学到段，从化学工程学到过程工程学：新挑程工程学：新挑战，新机遇（，新机遇（1970） 化工理论体系发展与化工教育发展历程化工理论体系发展与化工教育发展历程n1881年，年，Gerorge E. Davis主持在英国成立了主持在英国成立了“化学工程化学工程师协会会”n1901年，英国出版了年，英国出版了“化学工程手册化学工程手册”n1908年，美国化学工程年，美国化学工程师学会（学会（AIChE）成立成立n1922年，在年，在AIChE年会上，提出年会上，提出“化学工程独立宣言化学工程独立宣言”（
9、Declaration of Independence for Chemical Engineering ）,确立确立“Unit Operation”概念概念n1923年，年，Principles of Chemical Engineering（化工原理）出版，（化工原理）出版，标志着化工学科理志着化工学科理论体系的体系的诞生生“化学工程学化学工程学”产生产生“化学工程化学工程化学工程化学工程不是化学、机械和土木工程的组合体，而是一门属于不是化学、机械和土木工程的组合体，而是一门属于不是化学、机械和土木工程的组合体，而是一门属于不是化学、机械和土木工程的组合体，而是一门属于自己的科学，其基础就
10、是那些单元操作。这些单元操作的合理排列及自己的科学，其基础就是那些单元操作。这些单元操作的合理排列及自己的科学，其基础就是那些单元操作。这些单元操作的合理排列及自己的科学，其基础就是那些单元操作。这些单元操作的合理排列及配合产生了工业规模的化学流程配合产生了工业规模的化学流程配合产生了工业规模的化学流程配合产生了工业规模的化学流程” 化学工程独立宣言化学工程独立宣言化学工程独立宣言化学工程独立宣言“三三传一传一反反”化工理论体系的建立化工理论体系的建立1915年，年， A.D.Little 提出单元操作概念，将复杂的化工生产过程归纳为提出单元操作概念，将复杂的化工生产过程归纳为有限的操作单元，
11、如精馏、萃取、吸收和干燥等。有限的操作单元，如精馏、萃取、吸收和干燥等。1922年，在年，在AIChE年年会上，确立会上，确立“Unit Operation”概念概念。1923年，年，MIT的的W.H.Walker, W.K.Lewis, W.H. McAdams 编写出版编写出版 Principles of Chemical Engineering,重点阐述了重点阐述了“单元操作单元操作” ，被公认为化工学科体系第一阶，被公认为化工学科体系第一阶段标志段标志（First paradigm)19571957年，随着石油炼制与化工技术发展，化学反应工程形成独立的理论，年，随着石油炼制与化工技术发
12、展，化学反应工程形成独立的理论，标志着化学工程学科第二个里程碑的诞生标志着化学工程学科第二个里程碑的诞生（Second paradigm)1960年，年，R.B.Bird , W.E.Stewart,E.N.Lightfoot正式出版了正式出版了 Transport Phenomena （中译本在中译本在1990年由化工出版社出版），即从分子水平年由化工出版社出版），即从分子水平阐述单元操作、化学反应过程、设备设计与过程控制中的共性科学问题，阐述单元操作、化学反应过程、设备设计与过程控制中的共性科学问题，确立了确立了动量传递、热量传递、质量传递动量传递、热量传递、质量传递和和反应工程反应工程在
13、化工学科中的基础在化工学科中的基础理论地位，理论地位，“三传一反三传一反”成为化工学科理论基石成为化工学科理论基石.传递现象传递现象-化工理论基础化工理论基础1960年，年，R.B.Bird , W.E.Stewart, E.N.Lightfoot出版了出版了 Transport Phenomena （中（中译本在本在1990年出年出版），从分子水平版），从分子水平阐述述单元操作、化元操作、化学反学反应过程、程、设备设计与与过程控制中程控制中的共性科学的共性科学问题1969年年3W出版了出版了动量、量、热量和量和质量量传递原理原理（已（已经出第四版）出第四版）我国化学工业发展先驱我国化学工业发
14、展先驱1917年范旭东与侯德榜在天津塘沽创办的永利碱厂，它是亚洲第一座苏尔维法氨碱厂，是我国化学工业策源地1941年侯德榜博士发明了将合成氨与氨碱法联合制碱的新工艺候氏碱法 我国化学工程与技术学科发展先驱我国化学工程与技术学科发展先驱陈世陈世陈世陈世璋（北大教授）璋（北大教授）璋（北大教授）璋（北大教授）俞同奎（北大教授）俞同奎（北大教授）俞同奎（北大教授）俞同奎（北大教授）1922年陈世璋、俞同奎在北京创立中华化学工业会。1923年9月8日成立了中华化学工业会上海分部（现上海市化学化工学会）根据学以致用之本意，不欲专以学术相号召，成在促进化学界与实业界之联系，以振兴吾国之化学工业中华化学工业
15、会宗旨中华化学工业会宗旨中华化学工业会宗旨中华化学工业会宗旨Ka M. Ng, Jinhai Li, M.S.Kuo, AIChE Journal, 2005,51(10):2620-2627uu以中国科学院以中国科学院以中国科学院以中国科学院“化工冶金研究所化工冶金研究所化工冶金研究所化工冶金研究所”更名为更名为更名为更名为“过程工程研究所过程工程研究所过程工程研究所过程工程研究所”为契机，为契机，为契机，为契机，把把把把“化学工程学化学工程学化学工程学化学工程学”拓展到拓展到拓展到拓展到“过程工程过程工程过程工程过程工程学学学学”显得更为迫切。显得更为迫切。显得更为迫切。显得更为迫切。uu
16、香山科学会议讨论了化学工程向过香山科学会议讨论了化学工程向过香山科学会议讨论了化学工程向过香山科学会议讨论了化学工程向过程工程发展的趋势，以及过程工程、程工程发展的趋势，以及过程工程、程工程发展的趋势，以及过程工程、程工程发展的趋势，以及过程工程、过程工业、产品工程的内涵过程工业、产品工程的内涵过程工业、产品工程的内涵过程工业、产品工程的内涵, , , , 明确了明确了明确了明确了过程工程的研究对象具有多尺度特征、过程工程的研究对象具有多尺度特征、过程工程的研究对象具有多尺度特征、过程工程的研究对象具有多尺度特征、研究内容分别向大尺度研究内容分别向大尺度研究内容分别向大尺度研究内容分别向大尺度
17、( ( ( (宏观巨系统宏观巨系统宏观巨系统宏观巨系统) ) ) ) 和小尺度和小尺度和小尺度和小尺度( ( ( (纳纳纳纳- - - -微尺度微尺度微尺度微尺度) ) ) ) 扩展。扩展。扩展。扩展。uu以郭慕孙、李静海和袁权等为代表以郭慕孙、李静海和袁权等为代表以郭慕孙、李静海和袁权等为代表以郭慕孙、李静海和袁权等为代表的中国化学工程学带头人推动着的中国化学工程学带头人推动着的中国化学工程学带头人推动着的中国化学工程学带头人推动着“过过过过程工程学程工程学程工程学程工程学”的发展。的发展。的发展。的发展。 Classification of Processing Industries in
18、 ChinaFood processing Food products Paper and paper products PrintingPetroleum processing and cokingChemical raw materials and products PharmaceuticalsChemical fibersRubbersPlasticsNon-metallic mineralsFerrous metal smelting and calenderingNon-ferrous metal metallurgy and calenderingMetal surface fi
19、nishing & thermal treatmentMetal castingPowder metallurgyInsulatorsIntegrated circuitsElectronic componentsTobacco processing Raw fiber processingCotton dyeingWool dyeing and finishingSilk dyeingElectric power generationGas from coalDrinking waterIndustries with Process EngineeringIndustries with Pr
20、ocess EngineeringProcessing IndustriesProcessing IndustriesKa M. Ng, Jinhai Li, M.S.Kuo, AIChE Journal, 2005,51(10):2620-2627过程工程：新的挑战，新的机遇过程工程：新的挑战，新的机遇进入进入21世纪，经济全球化和互联网技术（世纪，经济全球化和互联网技术（IT技术）让世界成为一个技术）让世界成为一个“地球村地球村”。随着能源、随着能源、资源和源和环境境问题加加剧，如何建立和，如何建立和谐的的ET(Energy & Environmental Technology，能源与，能
21、源与环境技境技术)社会，成社会，成为全球关注的焦点。在未来全球关注的焦点。在未来IT和和ET交交织发展展进程中，化学工程程中，化学工程师的作用是什么？化学工程学科的价的作用是什么？化学工程学科的价值在哪里？在哪里？ 2121世世世世纪纪的化学工程研究必的化学工程研究必的化学工程研究必的化学工程研究必须须： （1 1）面向化学）面向化学）面向化学）面向化学( (包括生物包括生物包括生物包括生物) ) 转转化化化化为为基基基基础础的各种的各种的各种的各种过过程工程工程工程工业业；（2 2）面向以化学工程）面向以化学工程）面向以化学工程）面向以化学工程为为核心科学的制造核心科学的制造核心科学的制造核
22、心科学的制造业业，适，适，适，适应应可持可持可持可持续发续发展的要求；展的要求；展的要求；展的要求；（3 3）面向以人）面向以人）面向以人）面向以人为为重点消重点消重点消重点消费费者的者的者的者的产产品的研究与开品的研究与开品的研究与开品的研究与开发发，适，适，适，适应应用用用用户户不断增不断增不断增不断增长长的需求。的需求。的需求。的需求。化学工程学科的定位化学工程学科的定位化工是：能源工业发化工是：能源工业发化工是：能源工业发化工是：能源工业发展的核心，新材料的展的核心，新材料的展的核心，新材料的展的核心，新材料的基础，生物与环境工基础，生物与环境工基础，生物与环境工基础，生物与环境工程产
23、业的有效手段，程产业的有效手段，程产业的有效手段，程产业的有效手段，现代农业与食品产业现代农业与食品产业现代农业与食品产业现代农业与食品产业的先导，信息产业的的先导，信息产业的的先导，信息产业的的先导，信息产业的支撑支撑支撑支撑产品工程：是过程工业发展的理念和导向产品工程：是过程工业发展的理念和导向用户需求产品性能配方设计分子设计工艺与过程设计生产最终产品工程向科学靠拢工程向科学靠拢工程向科学靠拢工程向科学靠拢, , , , 通过多学科交叉达到知识创新通过多学科交叉达到知识创新通过多学科交叉达到知识创新通过多学科交叉达到知识创新化学产品是汽车工业发展的基础化学产品是汽车工业发展的基础化学产品是
24、汽车工业发展的基础化学产品是汽车工业发展的基础uu汽车燃料生产（汽油、汽车燃料生产（汽油、汽车燃料生产（汽油、汽车燃料生产（汽油、柴油、润滑油和代用清柴油、润滑油和代用清柴油、润滑油和代用清柴油、润滑油和代用清洁燃料）洁燃料）洁燃料）洁燃料）uu汽车车身材料制造汽车车身材料制造汽车车身材料制造汽车车身材料制造（钢板、塑料和玻璃）（钢板、塑料和玻璃）（钢板、塑料和玻璃）（钢板、塑料和玻璃）uu车身装饰材料（涂料、车身装饰材料（涂料、车身装饰材料（涂料、车身装饰材料（涂料、皮革）皮革）皮革）皮革）uu新型动力系统（燃料新型动力系统（燃料新型动力系统（燃料新型动力系统（燃料电池、动力电池）电池、动力
25、电池）电池、动力电池）电池、动力电池） 本课程学习目的本课程学习目的u过程工程导论过程工程导论目的是了解过程工业的基本特征，熟悉过程工程的目的是了解过程工业的基本特征，熟悉过程工程的本质与理论基础本质与理论基础u在传递现象、单元操作及化学反应工程理论的学习基础上，用化工系在传递现象、单元操作及化学反应工程理论的学习基础上，用化工系统方法论，学习过程工业分析与集成方法，阐述过程工业设计与开发统方法论，学习过程工业分析与集成方法，阐述过程工业设计与开发程序，启迪研究与开发思路。程序，启迪研究与开发思路。u通过学习与实际应用案例的分析与研讨，了解过程工业的基本特征，通过学习与实际应用案例的分析与研讨
26、，了解过程工业的基本特征，熟悉化学反应器的结构，能够灵活运用化工基础知识，根据各单元操熟悉化学反应器的结构，能够灵活运用化工基础知识，根据各单元操作的技术特点，进行作的技术特点，进行“工业过程与设备工业过程与设备”的设计与设备选型，以适应的设计与设备选型，以适应指定反应体系，满足规模化生产工艺要求。指定反应体系，满足规模化生产工艺要求。 u在科学研究中提高工业化意识，与工程技术人员建立共同语言，指导在科学研究中提高工业化意识，与工程技术人员建立共同语言，指导科研选题和研究路线的确定。科研选题和研究路线的确定。 相关专著和教材相关专著和教材Elements of Chemical Process
27、 Engineering by D. S. J. Jones, October 1997Food Process Engineering: Theory and Laboratory Experiments by Shri K. Sharma, Steven J. Mulvaney, Syed S. H. Rizvi, November 1999 Chemical Micro Process Engineering: Processing and Plants by Volker Hessel, May 2005 Chemical Micro Process Engineering: Fund
28、amentals, Modelling and Reactions by Volker Hessel, April 2004 Ullmanns Processes and Process Engineering, 3 Volumes by Wiley-VCH (Editor), April 2004 马紫峰主编，马紫峰主编，过程工程导论过程工程导论，化学工业出版社，化学工业出版社，2009年年1月月Elements of Chemical Process EngineeringBasic Process Engineering Principles. Common Systems in Che
29、mical Processes. EquipmentVessels. Pumps. Compressors. Heat Exchangers. Fired Heaters. Process Studies and Economic Analysis. The Process Engineers Roles in Project Management. Food Process Engineering: Theory and Laboratory ExperimentsComplete step-by-step procedures for laboratory experimentThorou
30、gh description of necessary equipment, including proper operating proceduresWork-out examples provided for important calculations (e.g., Poisson ratio, flex modulus, lethal rate, etc.)Several computer simulation tests provided and information on use of computer spreadsheets is also provided Each experiment is preceded by questions and objectives; each experiment followed by data analysis and interpretation for a complete treatment
