化学工程与工艺的科学基础.ppt

化工导论,第二章 化学工程与工艺的科学基础,主要内容,2.1 化学工程的产生和发展2.2 化工过程、过程单元和单元操作2.3 化学工程的主要内容 化工热力学、传递过程、分离工程、化学反应工程、化工过程系统工程、化工技术经济2.4 化学工程进展的主要特征,2.1 化学工程的产生和发展,形成阶段,发展阶段,拓宽阶段,（1）“化学工程”的形成阶段,19世纪后半叶，制碱、制酸、化肥和煤化工已发展到相当规模，技术也达到相当的水平。索尔维法制碱工艺中，碳化塔高20余米，在其中进行化学吸收、结晶、沉降等操作。规模工业阶段的化工生产必须重视物质的物理变化或化学变化在生产中的实现和应用。,历史背景,历史背景,19世纪末20世纪初，大规模的石油炼制业的崛起是产生“化学工程”这一新兴工程技术学科的基础。同煤化工相比较，炼油工业的化学背景不那么复杂，有可能、也有必要着重进行化学过程的工程问题研究，以适应大规模生产的需要。英国化学家戴维斯（，1850-1907）第一个提出“化学工程”的概念。,戴维斯（),1850年生于英国伊顿，卒于1907年。曾就学于斯劳机械学院和皇家矿业学校。在20岁以前就与温莎煤气厂的韦德森共同从事由煤气中提苯的试验。1870年，转入曼彻斯特的贝莱漂洗厂任化学师。1872年，脱离贝莱漂洗厂任坎诺克蔡斯化工厂厂长。1880年起在曼彻斯特从事私人咨询顾问工作，并曾任英国皇家碱业视察员。1881年，他协助创立英国化学工业协会。1895年，任英国化学工程学会曼彻斯特分会主席。1901年，他把在曼彻斯特工学院讲学的内容，整理成为第一部化学工程专著化学工程手册。,化学工程概念的提出,身为碱业污染检查员的G.E.戴维斯指出：化学工业发展中所面临的许多问题往往是工程问题。各种化工生产工艺，都是由为数不多的基本操作如蒸馏、蒸发、干燥、过滤、吸收和萃取组成，可对它们进行综合的研究和分析，化学工程将成为继土木工程、机械工程、电气工程之后的第四门工程学科。但戴维斯的观点当时在英国没有被普遍接受。,化学工程概念的提出,1880年他发起成立英国化学工程师协会，未获成功。尽管如此，戴维斯仍继续根据自己的观点搜集资料,进行整理分析。18871888年,他在曼彻斯特工学院作了12次演讲，系统阐述了化学工程的任务、作用和研究对象。这些演讲的内容后来陆续发表在曼彻斯特出版的化工贸易杂志上，并在此基础上写成了化学工程师手册，于1901年出版。这是世界上第一本阐述各种化工生产过程共性规律的著作，出版后很受欢迎。1904年在他的助手N.斯温丁的协助下，又出版该书的第二版。,“化学工程”的定义,“化学工程是工程技术的一个分支，化学工程从事物质发生化学变化或物理变化的加工过程的开发和利用。通常可将这些加工过程分解为一系列物理单元操作和化学单元过程。化学工程师主要从事运用上述单元操作和单元过程进行装置和工厂的设计、建造和操作。化学、物理和数学是化学工程的基础学科，而在化学工程实践中，经济则占主导地位”戴维斯的贡献在于，指出各种不同的化工过程的基本规律是相同的，其科学基础是化学、物理和数学。,化学工程的建立,与英国的情况相反，戴维斯的这些活动在美国却引起了普遍的注意，化学工程这一名词在美国很快获得了广泛应用。1888年，根据L.M.诺顿教授的提议，麻省理工学院开设了世界上第一个定名为化学工程的四年制学士学位课程，即著名的第十号课程。随后设置了化学工程专业。随后,宾夕法尼亚大学(1892),戴伦大学(1894)、密歇根大学(1898)也相继开设了类似的课程。这些课程的开设标志着培养化学工程师的最初尝试。1902年，美国化学与冶金工程杂志创刊，不久改名为化学工程杂志。1908年6月，美国化学工程学会正式成立。,单元操作概念的提出,美国化学家利特尔（，1863-1935）对化学工程早期发展也作出了重要贡献。他曾长期从事化学工业方面的咨询工作，1908年参予发起成立美国化学工程师协会，并担任过该会的主席。1908年，根据他的建议，麻省理工学院建立了应用化学实验室和化学工程实用学校，让学生接受各种化工基本操作的实际训练。1915年，他在给麻省理工学院的一份报告中，提出了单元操作的概念，他指出：任何化工生产过程，无论其规模大小都可以用一系列称为单元操作的技术来解决。,（2）“化学工程”的发展阶段,20世纪40年代至20世纪60年代左右。由于基本有机合成工业的发展，人们将有机化学工艺中的不同过程按照反应类型分为若干“单元过程”，如氧化、还原、加氢、脱氢、磺化、卤化、硝基化、烷基化、水合、水解等。标志着化学工程研究从物理变化过程（单元操作）向化学变化过程（单元过程）的深入。化工热力学、传递过程等二级学科逐渐产生。,化工热力学的诞生,化学工程面临的许多问题，例如许多化工过程中都会遇到的高温、高压下气体混合物的p-V-T关系的计算，经典热力学并没有提供现成的方法。30年代初，麻省理工学院的H.C.韦伯教授等人提出了一种利用气体临界性质的计算方法。对工程应用，已够准确。这是化工热力学最早的研究成果。1939年韦伯写出了第一本化工热力学教科书化学工程师用热力学。1944年耶鲁大学的B.F.道奇教授写的第一本取名为化工热力学的著作出版了，于是化学工程的一个新的分支学科化工热力学诞生了。,“三传一反”概念的提出,20世纪20年代以后，石油化工、有机催化、合成树脂、合成橡胶以及流态化等化学工艺及技术相继出现。20时间40年代第二次世界大战期间，流化床催化裂化、丁苯橡胶合成及核燃料的分离和浓缩等研究开发成功。人们通过“单元操作”的表象，发现所有这些操作都可以归于流体流动、传热和传质三种现象，即“动量传递”、“热量传递”和“质量传递”。化学工程从单元操作研究进入了“三传”研究阶段，形成了“传递过程”。1957年在普渡大学召开的美国工程学科的系主任会议上，传递过程和力学、热力学、电磁学等一起被列为基础工程学科。1960年，威斯康星大学R.B.博德、W.E.斯图尔德和E.N.莱特富特编写的传递现象正式出版。,“三传一反”概念的提出,1913年哈伯-博施法合成氨投入生产，极大地促进了催化剂和催化反应的研究。1928年钒催化剂被成功用于SO2的催化氧化。1936年发明了用硅铝催化剂进行的粗柴油催化裂化工艺。30年代后期，德国G.达姆科勒和美国E.W.蒂利分别对反应相外传质和传热以及反应相内传质和传热作了系统分析。50年代初，随着石油化工的兴起，在对连续反应过程的研究中，提出了一系列重要的概念。如返混、停留时间分布、宏观混合、微观混合、反应器参数敏感性、反应器的稳定性等。在1957年于阿姆斯特丹举行的第一届欧洲化学反应工程讨论会上，宣布了化学反应工程（“一反”）学科的诞生。从此，“三传一反”的内涵开始建立和完善起来。,分支学科的综合和深化,50年代中期，电子计算机开始进入化工领域，对化学工程的发展起了巨大的推动作用，化工过程数学模拟迅速发展。由对一个过程或一台设备的模拟，很快发展到对整个工艺流程甚至联合企业的模拟，在50年代后期出现了第一代的化工模拟系统。,分支学科的综合和深化,20世纪60年代，石油化工转置的高度集中的自动化控制系统和化工模拟系统的推广与应用，推进了化工系统工程（研究系统的模拟、分析和优化）和化工控制工程（研究动态和反馈）等二级学科的形成。这是化学工程在综合方面上的深化，标志着化学工程从分析为主向以综合为主的阶段。,（3）“化学工程”的拓宽阶段,20世纪70、80年代以来，化学工程迎接能源问题、资源问题和环境危机的挑战的同时，与高新技术紧密结合。“高新技术”包括微电子及计算机技术、光电信息技术、生物工程、新材料、新能源、航天技术及环境保护技术等。化学工程与新技术学科交叉渗透形成新兴学科生物化学工程、生物医学工程、微化学工程、材料化学工程等。化学工程与数学、物理、化学等基础学科的联系更加紧密。,新领域,a.发展新型材料（光、电器件材料，超导材料，功能高分子材料和陶瓷材料）的合成、制备、超净化及加工方法和其他相应的化学化工技术。b.配合生物基因工程与细胞工程的发展，提供相应的生化反应工程技术和反应器，开发分离生物产品的新方法。c.提供新的能源系统，提高能源利用效率，发展新的工艺方法及相应的材料和设施。d.提供减少大气污染和水污染的新措施，改善生态环境，发现循环经济，开发零排放的化学加工绿色工艺。,2.2 化工过程、过程单元和单元操作,1.基本概念 化工过程、过程单元、单元过程、单元操作2.化工过程中的单元操作 流体流动与输送 沉降与过滤 传热与蒸发 蒸馏 吸收 萃取与浸取,化工过程,过程单元,化工生产从原料开始到制成目的产物，要经过一系列物理的和化学的加工处理步骤，这一系列加工处理步骤，总称为化工过程（Chemical Process）。,组成化工过程的化工机械和设备，像一些容器、储罐、泵、压缩机、鼓风机、加热炉、换热器、反应器、吸收塔、蒸馏塔等，称为过程单元（Process Units）。,化工过程、过程单元、单元过程、单元操作,基本概念,基本概念,单元操作,单元过程,生产不同产品的化学反应过程千差万别，但就反应类型或特性而言，可归纳为若干基本的反应过程，如：氧化、还原、加氢、脱氢、磺化、水解等，这些基本的化学反应过程称为单元过程（Unit Process）。,在过程单元中进行的物理加工处理“操作”，可分别归纳为流体流动与输送、搅拌、粉碎、沉降、过滤、传热、蒸发、冷凝、吸收、蒸馏、萃取、干燥、吸附等多种，通称为单元操作（Unit Operations）。,化工过程中的单元操作,任何化工过程无论规模大小，都可以分为一系列的单元操作。单元操作是对物理变化或物理加工处理而言的。化学工程师只有将各种不同的化工过程分解为单元操作来进行研究，经过单元操作的训练，才能掌握单元操作的共性本质、原理和规律，才有能力使化工生产过程和设备设计、制造和操作控制更为合理。常用的单元操作有20多种，如流体输送、搅拌、沉降、过滤、粉碎、颗粒分级、加热、冷却、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、干燥、结晶、吸附、离子交换、膜分离等。,单元操作的作用和分类,化工过程中的单元操作,流体流动与输送,流体输送机械：给流体增加机械能的设备机械能 使液体 p 转换为其它形式 u2/2 克服磨擦阻力 离心泵 液体泵 往复泵输送对象 气体压缩机、鼓风机、通风机、真空泵,流体流动与输送,离心泵,主要构件和工作原理,开式叶轮 半开式 闭式 封闭叶轮 泵壳 排出汲入液体，转换能量(避免阻力损失，导向叶轮）轴密封：填料密封、机械密封吸入管、排出管、底阀等,结构：,离心泵,利用叶轮高速旋转的离心作用，使液体由叶轮中心向外缘并提高压力和流速，最终以较高的静压力沿切向流入排出管道。,离心泵,工作原理：,往复泵,结构：,泵缸,活塞,活塞杆,吸入阀,排出阀,往复泵,31,工作原理：,活塞左移-工作室增大-压强降低-出口阀关、吸入阀开-吸液,活塞右移-工作室减小-压强升高-出口阀开、吸入阀关-排液,往复泵通过工作室容积的变化直接以压强能的形式向液体提供能量。,气体输送设备,通风机、鼓风机、压缩机、真空泵,（1）气体密度小，可压缩，输送机械体积较大。（2）气体输送要求提供的压头相应也更高。（3）气体输送机械结构设计更为复杂。,特点：,类型：,多级低速离心鼓风机,通风机,固体输送,皮带运输机、螺旋加料机、斗式提升机，属于机械工程问题，在单元操作中讨论较少。气力输送,皮带式输送机,螺旋加料机,斗式提升机,管路和阀门,化工流程中的管路设计，包括官网布局、管路的流速、管路尺寸及材质、管路中的阀门管件和输送机械等。流体输送的总费用是管路及输送设备的折旧费用与能耗费用之和。,管路和阀门,管路系统需要设置阀门来调节流量或启闭管路。最常见的阀门有截止阀和闸阀两种。截止阀（stop valve,Globe Valve）的启闭件是塞形的阀瓣，密封面呈平面或锥面，阀瓣沿流体的中心线作直线运动。截止阀只适用于全开和全关，不允许作调节和节流。制造和维修方便，能够较精确的调节流量。,关闭状态,开启状态,管路和阀门,闸阀（gate valve）的启闭件是闸板，闸板的运动方向与流体方向相垂直，闸阀只能作全开和全关。优点是流道通畅，流体阻力小，启闭扭矩小。缺点是密封面易擦伤，启闭时间较长，形体和重量较大。在管道上应用广泛，适于制造成大口径阀门，但不能作调节和节流。,沉降与过滤,非均相物系,由具有不同物理性质的分散物质和连续介质所组成的物系，有多个相界面。,分散相：物系中处于分散状态的物质 如：催化裂化烟道气中的cat.颗粒，炼厂污水 中的油滴等。,连续相：包围分散物质且处于连续状态的物质，又称 为分散介质。,气态非均相物系：含尘气体，含雾气体；液态非均相物系：悬浮液，乳浊液，泡沫液。,分类,沉降与过滤,分离方法：,沉降：,过滤：,颗粒相对于流体运动：重力沉降、离心沉降；,流体相对于固体颗粒床层运动：重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤等。,沉降、过滤、筛分、离心分离,沉降,悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场作用力产生定向运动，从而实现与流体相分离，或者使颗粒相增稠、流体相澄清的一类操作。,分类：按外场力的不同,沉降定义：,重力沉降：降尘室、沉降槽离心沉降：旋风分离器,降尘室,作用：分离气固混合物分离条件：颗粒在设备内的停留时间大于颗粒沉降至 设备底部的沉降时间用途：可以分离气体中粒径为75m以上的颗粒,结构：,旋风分离器,用途：适用于含颗粒浓度为0.01500g/m3、粒度不小于5m的气体净化与颗粒回收操作，尤其是各种气-固流态化装置的尾气处理。,原理：含尘气体由圆筒上部的进气管切向进入，受器壁的约束由上向下作螺旋运动。在惯性离心力作用下，颗粒被抛向器壁，再沿壁面落至锥底的排灰口而与气流分离。净化后的气体在中心轴附近由下而上作螺旋运动，最后由顶部排气管排出。,B,PV 型粗旋风分离器,PV 型外置旋风分离器,PV 型单级旋风分离器,PV 型一、二级旋风分离器,过滤,滤浆液固悬浮液，过滤的原料。滤液过滤后得到的液体产品。滤饼过滤后得到的固体产品。,利用重力或人为造成的压差使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗粒截留，从而实现固-液分离的单元操作。,过滤定义：,过滤设备：,板框压滤机转筒真空过滤机,板框压滤机,直接给悬浮液加压使其穿过过滤介质来实现过滤的目的，其历史最久且已有超过100种以上的结构。,结构：,由交替排列的滤板、滤框与夹于板框之间的滤布叠合组装压紧而成。,结构：,操作循环由装合、过滤、洗涤、卸饼、清理等5个环节组成,板框压滤机的型式：,嵌入式滤布的滤板,XASL/630-UB系列,XAZ/2000-UB系列,XAZ/800-UB系,转筒真空过滤机,结构与原理：,转筒的多孔表面上覆盖滤布，内部分隔成互不相通的若干扇形过滤室。,传热与蒸发,传热：,作用：,加热原料：如原油加热到360左右进入常压塔；冷却产品：如汽、煤、柴油等产品的冷却；余热回收：如烟道气的余热回收，废热锅炉的应用等；设备保温：,抑制传热,强化传热,推动力：,温度差,传热方式：,热传导、对流传热、辐射传热,冷热流体的接触方式,1、直接接触式传热 直接接触式传热的特点是冷、热两流体在传热器中以直接混合的方式进行热量交换，也称混合式换热。2、蓄热式换热 蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成。室中充填耐火砖作为填料，当冷、热流体交替的通过同一室时，就可以通过蓄热室的填料将热流体的热量传递给冷流体，达到两流体换热的目的。,3、间壁式换热 间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。传热过程可分为三步：,热流体将热量传给固体壁面（对流传热）热量从壁的热侧传到冷侧（热传导）热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热）壁的面积称为传热面积，是间壁式换热器的基本尺寸。,换热器,加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等,按用途分：,按冷热流体接触方式分：,直接混合式蓄热式间壁式,广泛使用,分类,管式板式翅片式,列管式换热器,封头,管束,浮头,壳体,折流挡板,管箱,管板,管程隔板,特点,结构紧凑，制造比较容易，传热面积大，处理能力大，可操作性强，适用于高温、高压条件下和大型装置中。,整体分为两部分：列管管路为管程，列管外部为壳程。,蒸发,蒸发定义：,蒸发在通常意义上是指液体受热后发生的表面气化现象。在化工生产中，专指加热含不挥发溶质的溶液，令其中溶剂蒸发，使溶液浓缩得到浓溶液的一种单元操作。,例如，制盐、制糖、海水蒸发淡化等。,蒸馏,利用均相液体混合物中各组分饱和蒸汽压（或沸点或挥发性）的差异而使各组分得以分离。,原料的初步分离、产品的最后提纯、中间产物的提取；常温下汽、液混合物的分离；溶剂的回收,蒸馏的依据：,重要性：,蒸馏过程的分类：,按操作流程分,间歇蒸馏、连续蒸馏,按蒸馏方法分,简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏,按操作压力分,常压蒸馏、减压蒸馏、加压蒸馏,按组分数分,二元蒸馏、多元蒸馏、复杂蒸馏,混合物中各组份挥发性相差不大，要求将各组份完全分开，产品纯度要求高。,间歇操作，需要分段收集不同浓度的馏出液，不能获得高纯度的产品。当各组份的挥发性相差较大且对组分分离程度要求不高时使用。,简单蒸馏,应用：,应用于实验室，测定油品中各沸点范围内馏分的含量恩氏蒸馏；,混合液的初步分离或除去混合液中不挥发的杂质，如土炼油。,y,原料液,x,蒸气,冷凝器,微分蒸馏、渐次汽化、渐次冷凝,精馏操作,原理：,相当于把许多个冷凝器和汽化器叠加起来，混合液通过多次部分气化、部分冷凝得到分离，获取高纯度产品。,操作流程：,包括精馏塔。再沸器（或称蒸馏釜）和冷凝器。,料液,xF Feed,塔顶产品,xDOverhead product,塔底产品,xWBottoms product,液相回流Liquid reflux,汽相回流Vapor reflux,精馏段Rectifying section,提馏段Stripping section,再沸器Reboiler,冷凝器condenser,逐级接触交叉流。有分为浮阀塔、泡罩塔、筛板塔等,塔设备的分类,十字架型浮阀,泡罩,F1型浮阀,船型浮阀,筛孔板,普通型JCV浮阀,泡罩 浮阀 筛孔板,拉西环1914,鲍尔环 1948,栅板填料,规整填料 塑料丝网波纹填料,阶梯环,金属环矩鞍,Gempak填料,填料,具有恒沸点或 接近1的物系，受相平衡的限制或经济合理性的制约，不能或不宜采用普通精馏方法进行分离。解决方法一：采用特殊精馏。向精馏系统添加第三组分，通过它对原溶液中各组分间的不同作用，提高原溶各组分间的，使原来难以用精馏分离的物系变得易于分离。包括恒沸精馏、萃取精馏、加盐精馏和反应精馏等。解决方法二：采用萃取、吸附以及膜分离等其它分离方法。液,其他蒸馏方式,吸收,吸收定义：利用混合气体中各组分在液体中溶解度差异，使某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。,吸收过程在石油化工中的应用,（1）气体混合物的分离 原料气的预处理，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；产物分离，物料经过化学反应后得到的气态混合物，可以用吸收的方法加以分离，如石油馏分裂解生产的乙烯、丙烯等与H2、CO等混合，可用液态烃吸收产物乙烯、丙烯。,吸收分类,物理吸收化学吸收,吸收再化工生产中的应用,（2）气体净化生产中排出的气体往往含有污染环境的物质，造成危害。排放这样的气体前需要进行净化，回收有利用价值的物质。如回收烟道气中的SO2及从设备排出的溶剂蒸汽等。,（3）制取溶液用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如水吸收氯化氢制备盐酸；硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，碳化氨水吸收CO2制碳酸氢氨等。,板式吸收塔,填料吸收塔,吸收装置,萃取和浸取,依据液体混合物中各组分在所选择的溶剂中溶解度的差异分离液体混合物的单元操作称为液-液萃取，也称溶剂萃取，简称萃取（Extraction）。,萃取原理：,应用：,沸点接近或相对挥发度接近于1的物系分离：环己烷和苯,恒沸物分离：乙醇和水,热敏性物质的分离：生化制药，如青霉素的生产,石油、生物、医药、精细、冶金及核燃料后处理等,组分浓度低且为难挥发组分的分离：从稀醋酸水溶液中回收腊,简单的萃取过程-工艺流程,萃取剂(S),混合槽,沉降分离,脱除溶剂,萃取液E,萃余液R,S,萃取相,萃余相,-SE,-SR,E,R,原料液F(A+B),萃取原理：,当以液态溶剂为萃取剂，而被处理的原料为固体时，此操作简称浸取（Leaching）。用于溶质浸出的液体称为浸取溶剂，浸取后得到的液体称浸取液，浸取后的残留物称为残渣。,应用：,矿石浸出、中药有效成分提取等,萃取和浸取,萃取新技术：,有机物络合萃取、外场强化萃取、乳状液膜萃取、膜萃取、双水相萃取、超临界萃取、反胶团萃取等,萃取设备,搅拌槽式的间歇萃取设备离心萃取器混合澄清槽：分级接触萃取塔：连续微分接触,比较常用,设备,特点：,以接触级作为一个单元，每一级都为两相提供良好的接触,分级接触萃取设备,萃取设备,填料萃取塔,特点,分散相和连续相逆流流动,2.3 化学工程的主要内容,化学工程学科是适用化学加工工业的需要而产生的，以化学、物理、数学为基础并结合其他技术来研究化工生产过程共同规律的工程学科。,（一）化工热力学,定义：,化工热力学是研究化工过程中各种状态变化、能量转换规律和能量有效利用的分支学科，指明反应发生的可能性、方向及其限度。,基本定律：,热力学第一定律：表述了热、功和内能之间能量守恒关系。热力学第二定律：指出了能量转换的方向问题。,化工热力学的内容,（1）状态方程式,描述物质体系的压力、体积和温度关系的数学式。最早的状态方程是1662年Boyle气体定律，发展到现在，已经出现了近千个状态方程。分类：立方型方程、多参数非立方型方程、普遍化状态方程、基于统计力学微扰理论的方程、基团贡献型状态方程等几类。,化工热力学的内容,（2）相平衡,代表物质体系分离过程可能进行到的程度。研究的内容主要包括相平衡的测量和研究方法，关联和预测活度和逸度的模型和方法等。局部组成型：Wilson方程、UNIQUAC方程 活度系数模型：基团贡献法方程：UNIFAC法、ASOG法。,化工热力学的内容,（3）溶液热力学,可分为非电解质溶液热力学和电解质溶液热力学。非电解质理论：维里理论、分布函数理论、微扰理论、对应状态原理、格点相互作用模型、Flory溶液理论等。开始：离子水化理论、缔合理论。电解质理论：后来：Pitzer电解质溶液理论、Friedman电解质溶液理论。发展趋势:由简单到多元混合物，由低浓度转向高浓度，由常温常压转向高温高压，有经验半经验转向统计力学模型，从活度计算转向热力学函数及分布函数计算，模型参数有回归转向推算。,化工热力学的内容,（4）化学平衡,化学平衡是反应过程的基础。重点包括化学反应平衡常数的测定和计算方法。,（5）化工数据与化工数据库,化工数据指各种物性数据，包括热物性（粘度、密度、导热系数等）和热力学参数。化工数据库是收集各种化工数据并加以整理，回归得各种关联式，并编入数据库。,化工热力学研究发展的新领域,流体分子热力学定义：综合经典力学、分子物理学和统计力学方法构造数学模型，关联并预测流体及其混合物的热力学性质。研究内容：过量性质模型、流体的状态方程 分子系统的计算机模拟定义：从分子的形状出发，直接获取分子系统的微观和宏观信息。分子动力学法考察系统中分子运动的时间经历，用时间平均 代替综合平均，计算平衡热力学性质和非平衡传递性质。方法：Monte-Carlo法用统计力学系统综合方法，按一定的概率权 重产生一系列构型，再进行平均，求得微观结构信息和宏观热 力学性质。,化工热力学研究发展的新领域,临界区热力学研究研究内容：研究体系在临界点及其附近的p-V-T关系、溶解度等热力学性质以及相应的关联模型。生物化工热力学研究内容：测量生物化工体系的p-V-T数据、分子量、pH值、离子强度、溶解度、反应热、平衡常数等热力学数据和粘度等传递参数，研究这些参数间的关系、状态方程、相平衡规律和化学平衡规律等。,（二）传递过程,定义：传递过程是动量传递、热量传递和质量传递过程的总称。,发展：20世纪50年代，人们发现动量传递、热量传递和质量传递之间有相似性，开始寻求三个过程的内在联系。1960年第一次出版的传递现象，正式把三种传递命名为传递过程。随着数学模型研究方法的深入，传递过程从概念化及定性研究为主上升为理论性和定量化为主。随着先进的测试技术的发展，传递过程从宏观向微观发展，从单组份、单相体系相多组份、多相体系及复杂界面条件下的传递过程发展。,传递过程研究内容,1.多组分工质的相变传热、传质研究：主要是对水-汽体系和烃类有机物体系的相变传热及传质研究。2.多相流的机理和流动规律研究：主要是对气-液、气-固、液-液、及气-液-固多相流的机理和流动规律研究。包括传热设备、搅拌釜式反应设备、板式塔设备内的流场分布、气泡大小及分布，蒸馏塔式传质设备塔板上流体力学特性和适宜操作区的研究，颗粒学与流态化研究。3.设备内的传质和多孔介质的传质、传热研究。4.非牛顿流体传递过程与流变性能：主要研究对象是高分子聚合物、天然再生资源和生物工程产物、原油和水煤浆等的流动与传输过程中的流变性问题等。,传递过程研究内容,5.在“外场”作用下流体的特性及传递过程研究：外场包括磁场、电场、振动力场合离心力场等。6.传热规律的研究及高效传热设备的研究：通过比较深入的研究单相流和多相流对传热机理的影响，开发高效的换热单元及设备，包括用机械或化学方法处理传热表面。7.采用先进的测试手段，与计算机技术结合：从微观的角度研究传递过程的机理，得到精确的传热、传质模型，为设备的放大提供依据。,传递过程的研究发展特点,研究体系向纵深发展：由简单介质（水、空气）和简单几何表面向复制结构系统、复杂物理状态和复杂化学状态发展。研究领域向交叉学科和边缘学科方向发展：从传统的石油化工、冶金化工、食品加工扩散到环境工程、生物工程、医学、材料科学、微电子以及核能利用和宇宙开发等领域。研究方法从宏观向微观发展：从流体宏观现象发展到对微元体的运动规律的研究，对过程内部的现象进行精密的观察和研究。技术：激光、液晶显示、高速摄影、图像识别等。,（三）分离工程,地位：在各种化工生产中，一般必须通过分离过程才能获取产品，而且分离过程是主要的耗能过程。在典型的化工企业中，分离过程的投资一般占总投资的1/3。炼厂，分离过程的投资占总投资的70%以上。在美国，分离工程总能耗占全国总能耗6%以上。分离过程对各种化学加工工业的生产时十分重要的，分离过程的强化和分离方法的改进可能给社会带来巨大的经济效益。,定义：分离过程是将一种或几种组分的混合物分离成为至少两种具有不同组成产品的过程。,（三）分离工程,根据分离组分在原料中浓度大小，分为富集、浓缩、纯化、除杂等几类。,分类：,根据采用方法的不同，分为物理分离法和化学分离法。,研究重点,根据相态的不同,非均相混合物的分离：沉降、离心、过滤、微滤、超滤等。,均相混合物的分离：蒸馏、吸收、萃取、吸附、离子交换、结晶、膜分离、电泳等。,评价指标：能耗大小、产品回收率和分离精度。,（三）分离工程,蒸馏和吸收,研究重点：,在化学加工工业中应用最广泛。研究进展表现为处理量和分离效率大大增加，压降和能耗显著降低。,（1）发展基于新的原理的分离设备：如英国ICI公司研发在离心力场中进行蒸馏（或吸收）的Higee设备，同样处理量的Higee设备比相应的填料塔的体积缩小了1000倍。（2）分离过程中的节能技术：提高分离因子，在溶液中加入盐类、螯合剂、萃取剂等。热泵技术、蒸馏系统的优化和热集成技术等，也可大大降低能耗。（3）过程的模拟和优化：多多元组分蒸馏和吸收过程用计算机进行模拟优化和控制。,蒸发和干燥,任务：,把溶剂（主要是水）与非挥发性溶剂和固体分离。,研究重点：,根据较为完整地建立个各种传热理论、传质机理和模型、对电解质溶液理论、液体和气体在多孔性固体中的扩散等进行研究，降低过程能耗和增大分离速率。,设备研究：,蒸发方面：发展了多效蒸发器和多种类型高效蒸发器。干燥方面：回转炉干燥器、气流干燥器、流化床干燥器、微波干燥器、红外线干燥器、分子筛吸附与冷冻干燥等。,结晶,任务：,从过饱和溶液体系中使溶质成晶体析出和通过冷却从熔融体系中形成结晶。,研究重点：,基础理论研究：固液平衡、结晶动力学、结晶器内的流体力学、在温度场中多次连续结晶纯化等。区域熔融：反复进行局部熔融和结晶，扩大应用研究。结晶过程与设备：如对水溶液结晶过程的冷却与蒸发同时进行的设备，对熔融物系的分步结晶技术和塔式分步结晶装置，多种分离操作同时进行的盐析结晶、萃取结晶、乳化结晶、结合结晶等。,萃取和浸取,研究重点：,新型的绿色萃取剂的研发：起络合反应的萃取剂的研发，助剂及其机理的研究，多元系统热力学的实验和理论研究等。加强对液-液界面现象及传质理论和传质动力学的研究：探索界面张力梯度、液滴分散和聚并、促进相转移的化学络合组分等对传质的影响。发展新型高效萃取设备：研究设备中的两相流动特性、轴向返混对传质特性的影响，建立数学模型，进行优化设计、操作和控制。,萃取和浸取,研究重点：,开展新型萃取工艺和萃取方法研究：包括超临界流体萃取、变温萃取、双水相萃取、凝胶萃取、反胶团萃取、乳化液膜及支撑液膜萃取，在外场（电场）作用下的萃取，多个过程结合的萃取（如膜萃取、反应萃取、离子交换与萃取等），研究过程有关的热力学、动力学、传质机理与模型等。与萃取工程关系较大的工艺问题：如对贫矿和多金属共生矿的浸取和萃取的研究，以简化流程和设备；对萃取分离的预处理和后处理的研究，特别是萃取剂的再生、乳化液膜分离中的破乳操作等。,吸附、离子交换和色谱分离,相同点：,都是根据相平衡来建立分离理论。都需要用固体或固定相。在分离过程中吸着量会不断变化，都是在动态下操作。,发展：,吸附：出现了变温吸附、变压吸附、模拟移动床及参数泵等方法。色谱操作：发展了凝胶色谱、离子交换色谱、亲和色谱等。,吸附、离子交换和色谱分离,研究重点：,新型固体分离剂的研究和开发：分子筛、凝胶，或在附体载体上连接对待分离组分有特殊亲和作用的基团。研究流体在固定界面上的作用机理以及在表面和多孔固体中的扩散和传递现象。多组分吸附热力学的研究：对多组分吸附平衡，特别是含电解质溶液的吸附平衡进行实验研究及模型化研究。,吸附、离子交换和色谱分离,研究重点：,分离设备的模拟和放大技术研究：吸附及离子交换等动态过程，数学模拟、数值求解方法及放大技术在不同深化。新过程、新设备的研究和开发：极稀溶液中分离或浓缩溶质的过程和设备，节能动态过程的设备和方法，多个外场（温度、离心力、磁和电场）作用下的分离过程和设备。,膜分离技术,任务：,通过固体薄膜或液体薄膜来实现混合物的分离。,根据推动力的分离：,压力差：微滤、超滤、纳滤、反渗透浓度差：气体分离、渗透气化电位差：电渗析,膜分离技术,研究重点：,膜材料研制与膜的制备：利用各种高分子材料、无机材料或金属材料制备具有超薄皮层、精细控制孔径尺寸的非对称膜或复合膜。相转化制膜技术、超薄复合成膜技术、核孔膜技术、多相复合成膜技术以及相关成膜机理等，采用接枝、共混、交联、涂层等方法把特殊基团或化合物固定在膜表面进行改性等。开发新的膜过程：渗透蒸发、膜萃取、亲和膜过滤、酶膜过滤、膜催化等，开展新型膜分离与其他分离或反应过程相结合的集成技术。膜污染和浓差极化机理及其防止技术：研究介质环境、膜表面的化学改性及流体流动特性对膜污染和浓差极化的影响，认识污垢的成因以及浓差极化机理。,膜分离技术,研究重点：,膜分离设备的开发：膜分离设备有平板式、管壳式、螺旋板式及中控纤维式等。继续研究开发新的高效膜分离设备，改进流体的均匀分布、减少压降、减缓浓差极化效应和污染的影响。膜内传质机理研究及膜分离过程的模拟：各种膜过程的推动力各不相同，膜材料和结构的多样性十分明显，膜分离对象与膜介质的相互作用差别甚大，需要进一步深入研究膜内传质机理，提出传质模型，指导设计和应用。,机械分离过程,任务：,将非均相混合物进行分离，包括过滤、沉降、离心沉降等。,研究重点：,新的过滤过程：采用流体与过滤介质平行流动的错流过滤，新助虑剂和过滤介质的研发，深化对过滤机理认识。机械分离预处理技术：各种絮凝剂和表面活性剂的开发和作用机理研究。离心分离技术：气-固旋风分离器中流场分布、模型化及放大规律研究。对液-固体积或具有密度梯度的溶液进行离心分离，研究高速回转机械的动平衡技术以及设备放大技术。,多个过程结合的分离技术,研究重点：,多个分离过程的结合：如萃取与反萃取相结合的膜萃取或支撑液膜萃取，膜分离与蒸发相结合的渗透汽化，电场作用下进行膜分离的电渗析，结晶与其他分离过程相结合的盐析结晶、萃取结晶、乳化结晶等。分离与反应过程的结合：适用于可逆反应和产物对反应有抑制作用的生化反应。如反应蒸馏，生化反应与膜分离结合的膜反应器，反应与萃取结合的络合萃取，反应及结晶结合的反应结晶，反应与吸附结合的络合吸附和在超临界萃取条件下的反应等。,强化化学作用对分离过程的影响,研究重点：,新型分离剂的制备和选择：降低分离能耗，提供分离因子，制备和选择合适的分离剂，特别是利用键能较小的可逆化学络合作用，以便分离剂的回收。加入促进剂强化相界面的传质速率：促进剂类似于非均相反应中的相转移剂，弄清促进相界面传质速率的促进剂的机理。对于涉及固相的分离，如吸附、色谱分离、膜分离等，设法使具有某些官能团或单克隆抗体结合在固体表面上，发展亲和吸附、亲和色谱、亲和过滤等。,动态分离过程和设备,研究重点：,动态分离过程相应设备：模拟移动床、参量泵、连续环状色谱等，在动态最优化条件下进行操作，可能比在稳态下具有更好的分离效果。分批动态操作：如釜式蒸馏过程，对其操作条件进行优化和控制。多品种多、产量较少的精细化工产品，实现间歇式多目标过程优化。,生物化工下游工程,研究重点：,用吸水凝胶脱水脱盐：一类能大量吸水溶胀的高分子聚合物，如丙烯酰胺与二次甲基双丙烯酰胺共聚的凝胶。合成不同的凝胶材料，提高重复使用寿命，选择优化的操作条件，发展适宜的脱水设备，减少凝胶表面吸附蛋白质造成的损失等是关键。双水相萃取：利用两种聚合物体系溶于水或某种聚合物和盐溶于水，分为两个水相，进行萃取分离。研究重点是不同聚合物的分子量、盐类种类和浓度以及pH值等因素对生成的双水体系的性质及各类蛋白质分配系数的影响。,任务：,生物制品的分离、精制和纯化。,生物化工下游工程,研究重点：,亲和色谱：分离极低浓度或制备极高的蛋白质的方法，把对待分离物有特殊亲和力的配基连接在载体上，进行色谱分离。可分离酶、激素、生物物质等。电泳和等电聚焦：在电场梯度下进行的高效分离方法，可用以分离带两性电荷的物质如氨基酸、多肽和蛋白质等。分离生物制品的方法：还有超临界萃取、反胶团萃取、离子交换等。稀溶液脱水：是生物分离下游工程中的共同问题，除凝胶脱水外，膜透析、反渗透、盐析法沉淀或等电结晶、高速离心分离、离子交换、亲和层析以及等电聚焦等都可脱水。,（四）化学反应工程,主要内容：,（1）化学反应规律的研究：建立反应动力学模型，着重于过程反应速率，并进行实验测定和数据关联。（2）反应器中传递规律的研究：建立反应器传递模型，包括反应器内部的催化剂内部传质、传热、动量传递的规律以及与反应过程间的相互关系，工业反应器中化学反应和传递过程同时存在，传递过程和梯度对物质浓度、温度等的不均匀分布都会产生影响。（3）新的反应过程和反应器的开发及放大设计包括工业规模的反应器的形式、结构的开发和优化设计等。,（四）化学反应工程,研究重点：,（1）固定床反应器：固定床反应器的模拟设计和优化，反应器的动态模型和动态特性，安全性分析和控制，发展就那个催化剂涂布在列管式反应器的壁上或构件上形成新型壁式固定床反应器。（2）流化床反应器和流态化技术（3）聚合反应工程（4）生化反应工程（5）催化剂工程（6）新型反应器,流化床反应器和流态化技术,定义：,固定床反应器中的固体颗粒，在流体自下而上通过反应器时，随流体速