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1、Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院过程科学与工程技术的发展1Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院过程科学与化工技术的发展过程科学与化工技术的发展一、序言：二、化工领域优先发展方向 三、过程科学与工程技术 四、设计案例展示：全球温室气体减排项目2Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院 一、
2、序言：一、序言： 本课目的：了解化工专业基本内容与任本课目的：了解化工专业基本内容与任务，明确自己的学习方向与奋斗目标，初务，明确自己的学习方向与奋斗目标，初步了解化工前沿科学技术的发展动态，掌步了解化工前沿科学技术的发展动态，掌握化工前沿高新技术的发展重点，带着自握化工前沿高新技术的发展重点，带着自己的梦想，朝着自己的奋斗目标，度过自己的梦想，朝着自己的奋斗目标，度过自己精彩的大学时代！己精彩的大学时代！3Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院二、化工领域优先发展方向二、化工领域优先发展方向
3、 （一）新兴产业：主要为生物技术、材料技术和环保工艺。 （二）化工分支学科本身的积累和交叉结合。 4Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院（一）新兴产业：主要为生物技术、材料技术和环保工艺。（一）新兴产业：主要为生物技术、材料技术和环保工艺。 在生物技术中，大规模培养细胞可运用化工反应器的在生物技术中，大规模培养细胞可运用化工反应器的设计知识，但受到生命体系的制约，由此向化工提出新的设计知识，但受到生命体系的制约，由此向化工提出新的要求。如酶催化而生成的产物非一般人造催化剂工艺所能要求。如酶催
4、化而生成的产物非一般人造催化剂工艺所能获得。微生物生产酶属生命过程。为了改变酶的功能或为获得。微生物生产酶属生命过程。为了改变酶的功能或为了获得某些特有功能以制造新的产物，化工必须和生命科了获得某些特有功能以制造新的产物，化工必须和生命科学结合，包括进行细胞中学结合，包括进行细胞中DNADNA的改组。化工与医学相结合提的改组。化工与医学相结合提出一系列需化工而又非传统化工的技术。出一系列需化工而又非传统化工的技术。 5Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院 在材料方面，组成与纯度，有化学性能要
5、求，但其功在材料方面，组成与纯度，有化学性能要求，但其功能往往取决于其物质结构，而材料的成分、纯度及结构又能往往取决于其物质结构，而材料的成分、纯度及结构又由其加工工艺所决定。用化工方法制造的材料种类最多且由其加工工艺所决定。用化工方法制造的材料种类最多且具特色的是塑料。具特色的是塑料。 在环保方面，化工的一个重要社会效应在于保护环境，在环保方面，化工的一个重要社会效应在于保护环境，减少人类生活与生产活动对环境的污染。将来的工业，要减少人类生活与生产活动对环境的污染。将来的工业，要求生产少污染环境和不污染环境的产物，与以往的化工生求生产少污染环境和不污染环境的产物，与以往的化工生产的不同之处是
6、，在环境保护中，化工起的作用是销毁和产的不同之处是，在环境保护中，化工起的作用是销毁和利用无用产物。利用无用产物。6Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院（二）化工分支学科本身的积累和交叉结合 化工分支学科在科学和技术方面各有发展，促进了化工整体的前进。这些代表性的分支学科包括热力学、流体力学和传递过程，以及动力学、催化和反应器工程、过程工程等。在新兴产业和化工分支学科的科技积累这两种动力的推动下，化工在当前的进展中呈现出一些新的特征。如新的运用三传一反的领域（三传一反概括了化工生产过程的全部
7、特征。“三传”为动量传递、热量传递和质量传递， “一反”为化学反应过程。7Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院三、过程科学与工程技术三、过程科学与工程技术 过程科学包括各种工程技术，工程科学，以及工程设计、放大和建设，是化学品制造设施的开发、放大和设计的基础。化学科学与可用技术有效地加以集成，从而带来更高的投资利用率、提高产出、减少废物生成、提高人类健康和安全以及环境保障。 化学化工不但是自然科学中的核心基础学科，它与国计民生密切相关。在经济全球化的进程中，无论工业发达国家还是发展中国家，可
8、持续发展更依赖化学化工技术；我国加入WTO后，作为技术密集型产业的化学工业，人才需求量剧增；由于经济可持续发展的迫切需要，环境化学及绿色化学正日益成为研究焦点。8Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院杜尔伯特集成牛粪便综合利用系统（IMUS） 示范工程发电 100.8 万度 供杜尔伯特奶牛基地（也可按国家规定上网）二氧化碳减排当量 11000吨 出售给发达国家固体有机肥 2000 吨 供给当地农田液体有机肥 16500吨 供给当地农田四、案例展示：全球温室气体减排项目9Design of Ch
9、emical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院 由于过度的放牧带来了生态环境的恶化，为了保护环境，全世界都在禁止牛羊放养，我国2001年开始开始实施全境禁止放牧、实行牛羊圈养的政策，取代原有的放牧型养殖。传统的畜牧方式由此开始改变。 10Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院圈养后，我国奶牛存栏数以约20%速度增长，目前已经达到了1500万头。以一头牛日排粪尿约30公斤计算，年产生的粪尿总量超过亿吨。未经处理的牛场粪污会产生
10、大量硫化氢、醇类、酚类、醛类、氨、酰氨类等污染物，而粪尿中含有的大量病原菌极易传播疾病，细菌和有害气体随风扩散，使污染范围扩大。粪尿聚集区，易于蚊蝇等昆虫滋生，严重地影响了周围地区的卫生。未经处理的奶牛场粪污经雨水冲刷或直接流入江河，使水中硝态氮、硬度和细菌总数超标，水质恶臭。奶牛场粪污中含有较高的氮、磷养分，如果过量还田，进入土壤后会转化为硝酸盐、磷酸盐，破坏土质。11Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院 另外，目前在饲养牛时大量使用添加剂。添加剂中含有重金属，奶牛食用后只有少量被吸收，大
11、多数随粪便排出，如未经处理直接进入土壤被农作物吸收，人食用后在体内产生富集，影响健康。 黑龙江省目前有奶牛141万头，日排粪量为4.23万吨，年排粪量约为1544万吨，粪肥的还田率不足30%，其余部分未经处理倾倒在郊外、道路两旁，严重地影响农民的生活工作和身体健康。12Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院 由于技术和经济的原因，我国有相当数量的奶牛养殖场粪污没有得到有效处理，给社会带来巨大的环境压力和生态压力，粪污处理问题已经严重影响了自身的持续发展。如何解决养殖业发展中产生的污染问题和生态
12、问题，走绿色、环保型的可持续发展道路建设社会主义新农村，是迫在眉睫急需解决的重要问题。沼气的发展，复合循环经济的“3R”原则。13Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院 即减量化原则（reduce）,再使用原则（reuse）,再循环原则（recycling）。实验证明：牛粪便的利用不仅无公害，而且还有助于地球温室气体的减少。1m3的沼气完全燃烧可以放出约2300027600kJ的热量，相当于0.7kg汽油或0.8kg煤燃烧所放出的热量。 沼气是一种优质的气体燃料。根据加拿大计算标准，处理1吨牛
13、粪便相当于减排1-1.5吨二氧化碳当量。取其低数值1.0计算，处理一吨牛粪便可减排氧化碳当量为1.0吨。3R”原则14Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院IMUS项目的开展不仅推进了生物质能（可再生能源）发展，还具有帮助盐碱草地恢复等作用，最大程度地保护人类生存的环境。本项目是黑龙江省科学院与加拿大阿尔伯塔研究院合作开发的IMUS项目，是以科学发展观为指导，统筹考虑国际与国内当前与长远及黑龙江省经济发展与生态建设，把IMUS项目成功运用到黑龙江省并将技术推广到全国，为建设资源节约型、环境友好
14、型社会和创新型国家而做贡献。15Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院 牛粪便综合利用技术将动物牛粪便的有利用的部分转化为能源，生物肥料和可再利用的水。使用该系统的可以减少温室气体排放，解决环境污染问题。牛粪便综合利用系统的好处：将牛粪便及其相关类似物质转化为有价值的资源，为全球的温室气体减排做出贡献，经济效益和社会效益俱佳，不仅保护了环境又开发了绿色能源。16Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化
15、工学院该项目属于能源环境工程，通过牛粪便便发酵产生沼气再转化成电能，不仅满足奶牛基地所有用电需求，而且还可将富裕电能支援给国家电网，同时解决了牛粪便污染环境的难题。剩余沼渣可加工成固体有机肥料给当地农田使用，剩余沼液更是天然好肥料，可直接喷洒给农作物。17Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院 该项目属于该项目属于CDMCDM项目。项目。 CDM CDM（清洁发展机制（清洁发展机制Clean Development Clean Development MechanismMechanism）是根
16、据联合国）是根据联合国京都议定书京都议定书创建的创建的一套具有双赢效应、利国利民的国际一套具有双赢效应、利国利民的国际合作合作机制，机制，作为买家一方，发达国家可以通过作为买家一方，发达国家可以通过CDMCDM降低其兑现降低其兑现碳减排额度承诺的成本；而另一方面，发展中国碳减排额度承诺的成本；而另一方面，发展中国家的项目业主则通过确立符合家的项目业主则通过确立符合CDMCDM机制的环保项目，机制的环保项目，变废为宝，在改善大气环境的同时，获得国际买变废为宝，在改善大气环境的同时，获得国际买家的资金支持。家的资金支持。18Design of Chemical Engineering 化工设计化工
17、设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院京都议定书 规定2012年前发达国家需要减排的温室气体的量为50亿吨CO2，其中一半由国内完成，另一半约需要通过清洁发展机制、联合履约和排放贸易完成。世界银行2005年的一份研究报告预测，发达国家为完成京都议定书规定的承诺，在20082012年的5年中，每年需购买约2亿一4亿t当量的CO2排放额度。目前已经签约的减排量不到3亿t，存在的缺口还非常大。英国一家技术咨询公司预测，由CDM项目引入中国的外资净增加额到2010年将达到每年4.75亿美元，20052010年的5年中累计新增17.8亿美元。 19Design of Chem
18、ical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院举例： 清能投资注册成功的云南末坡河项目：水电站总装机容量12.5MW，预计年均减排量为44275 吨CO2e，预计将为项目业主云南末坡河水电站带来每年约400万元人民币的可观收益。由此可见，CDM已经成为了任何具有温室气体减排潜力的中国项目业主融资的有效途径之一。20Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院CDM的主要内容 由发达国家通过提供资金和技术的方式，与发展中国家开展项目合作
19、，通过所实现的“经核证的减排量”（CERs）,用于发达国家缔约方完成在议定书第三条中关于减少本国温室气体排放的承诺，同时为东道主的发展中国家的可持续发展做出贡献。 因为发达国家的减排量成本比发展中国家高5至20倍，所以发达国家愿意以资金援助和技术转让的方式，在没有减排指标的发展中国家实施环保项目。经认证后，如果这些项目确能减少温室气体排放，那么发达国家就可获得相应的减排额度，这就是所谓的CDM机制（Clean Development Mechanism）。该合作项目产生的额外的、可核实的二氧化碳减排量，由发展中国家的项目企业所拥有，并可出售。工业发达国家的企业如果在不减产的情况下要实现减排，则
20、在本国通过技改降低排放的成本会很高。但如果与发展中国家进行CDM合作，购买发展中国家碳减排量(CERs)，成本则相对会低很多，发展中国家也可从中获益，也称“碳汇交易”。作为全球最大的碳开发市场，中国是CDM的主要受益国之一。伴随国内企业对于CDM的了解进一步加深以及本土咨询机构的成熟，中国CDM项目推进速度有明显加快趋势，中国注册的CDM项目近300个，位居世界第二. 21Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院 因此，开发沼气技术的清洁发展机制项目，出售经核实的碳减排量(CERs)，可为我国大
21、中型沼气工程以及农村户用沼气开辟新的融资渠道，并提高整个项目的经济回报率。22Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院 处理1.0吨牛粪便可减排二氧化碳当量按1.0计算 （处理1吨牛粪便相当于减排1-1.5吨二氧化碳当量。） 杜蒙牛场广场养奶牛以1000头计算，每头牛每天排粪便30公斤，一头牛一年的排粪量为30X365=10950公斤=11吨，1000头牛为11000吨。每年产生湿沼气约470吨，利用这些沼气可发电100.8万度，处理牛粪便可以减排11000吨二氧化碳当量。国际市场每吨二氧化碳当
22、量平均价格为15.9欧元（1欧元=10.8033元人民币，合计171.72元人民币），中国每吨二氧化碳当量价格为8-9美元，以8美元计算（1美元=6.86人民币，约为54.88元人民币），总计二氧化碳当量售价为603680元。23Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院发电能力：140kwh二氧化碳当量：11000吨/年有机营养肥： 由沼渣制成的固体有机肥副产品：液体有机肥（直接喷洒农作物）24Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前
23、沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院利用牛粪便便发电的技术关键是厌氧消化。国内有各种沼气发酵技术，但温度低，发酵周期长，处理过程慢，连续化生产稳定性差。本项目通过国际合作引进加拿大技术，由加拿大阿尔伯塔研究院与Highmark可再生能源公司联合开发。牛粪便综合利用系统，是一种封闭环式沼气系统，它将牛粪便转换为能源、生物肥料和可再利用的水。通过高温厌氧发酵来生产沼气，主要成分是甲烷，可用来发电。回收后营养物可作为无病原体的生物肥料市场化，回收后的水可以再次用于牛粪便综合利用系统或者灌溉。如图（4-1）：25Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化
24、工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院集成粪便综合处理系统26Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院IMUS技术特点和创新点：（1）整个处理过程不发生二次污染，无三废发生；（2）具有生产“气、电、肥”三种功能，装置启动后自我循环运行，不再依靠外部动力；（3）进料和出料连续化，处理过程速度快，约20天左右，发酵周期仅为国内的1/3到1/5。27Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院
25、工艺流程简述：工艺流程简述：牛粪便综合利用技术处理过程： 沼气的产生是通过厌氧消化而获得的，新鲜的动物牛粪便通过中央倾倒输送装置进入厌氧消化器，温度、PH值、牛粪便的固液比等值可调节到预定的级别。为了创造最优的嗜热细菌生长环境，厌氧消化的温度控制在53到55。基于这些条件，使液滞留时间缩短，超过99%的存在于牛粪便病原体将被杀死，使得沼气的生产达到最佳化。沼气利用包括利用发电机组发电，通过热交换系统采暖，将发电产生废气给乙二醇水溶液加热，乙二醇溶液作为热媒用于消化器的保温和原料水的加热。来自消化器的固液物料通过离心机来分离：营养物质回收系统，通过物理和化学的方法处理离心后的液体，回收氮、磷和生
26、产可再利用的水。固体物质联合营养物浓缩处理，用于生产营养均衡的固态生物肥料。利用多种生物废料来生产有附加值的产品，包括能源、生物肥料、可再利用的水。28Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院 牛粪便综合利用系统，是一种封闭环式沼气系统，它将牛粪便转换为能源、生物肥料和可再利用的水。通过高温厌氧发酵来生产沼气，主要成分是甲烷，可用来发电。回收后营养物可作为无病原体的生物肥料市场化，回收后的水可以再次用于牛粪便综合利用系统或者直接喷洒农作物。使用该系统可以减轻温室气体排放和对环境的影响，还可获得温
27、室气体减排额收入。29Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院自控技术方案：按照工艺的要求，对生产过程中的原料的温度、按照工艺的要求，对生产过程中的原料的温度、流量、液位进行指示对生产过程中介质的压力、流量、液位进行指示对生产过程中介质的压力、流量、容器的液位流量、容器的液位, ,进行显示。为保证生产过程的进行显示。为保证生产过程的安全进行，在车间里设置可燃气体报警器，并与安全进行，在车间里设置可燃气体报警器，并与排风装置构成自动联锁。排风装置构成自动联锁。自动化水平：本工程自控设计参照国家行业
28、标准本工程自控设计参照国家行业标准HG/T HG/T 2050520516-20002050520516-2000化工自控设计规定进行设计。化工自控设计规定进行设计。为保证整套装置可靠运行，控制系统选用为保证整套装置可靠运行，控制系统选用PLCPLC控制控制系统，对温度、压力、液位、流量等参数进行监系统，对温度、压力、液位、流量等参数进行监控。控。30Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院主要设备的选择主要设备的选择1 1消化器为非标钢筋混凝土构筑物，搅拌电机选加拿大产的消化器为非标钢筋混凝土
29、构筑物，搅拌电机选加拿大产的防爆电机。防爆电机。2 2热联机组选择国内设备。热联机组选择国内设备。3 3沼气脱硫脱水罐为非标设备，填料选择加拿大专用填料。沼气脱硫脱水罐为非标设备，填料选择加拿大专用填料。4. 4. 储罐类为非标设备储罐类为非标设备31Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院附图：附图：工艺流程工艺流程物料平衡图物料平衡图设备布置图设备布置图管道布置图管道布置图32Design of Chemical Engineering 化工设计化工设计化工设计化工设计 化工前沿知识讲座化工前沿知识讲座化学化工学院谢谢同学们！谢谢同学们！33
