1、化工設計第一章 化工過程設計王靜康 教授第一節. 現代過程工程/國際化學工業發展趨勢第二節. 綠色化學科學與工程準則第三節. 化工過程設計的基本內容第四節. 計算機輔助化工設計的發展第五節. 工程倫理學與責任關懷準則第一章 化工過程設計 本“化工設計” 教材(496頁)：是高等教育十五、十二.五國家級規劃教材,希望同學課下參考教材學習。 人類文明發展歷程證明，世界經濟增長、社會進步和人類生活水平及生活質量的提高，都離不開化工過程工程。化學工業在21世紀仍是全球經濟發展中強大的基礎產業之一。 21世紀化學工業發展特征： 1).發展戰略：可持續發展， 2).發展準則：綠色化學科學與工程。第一節.現

2、代過程工程/國際化學工業發展趨勢 人類社會面臨21世紀可持續發展的嚴峻挑戰資源與能源（危機）環境（危機-污染與治理）人類健康水平與生活質量（衣、食、住、行、醫）人類活動時空的拓展（空間技術）高科技（信息、生命、物質等）對建立生態工業園區的迫切需求中國還面臨進入WTO的挑戰工程技術發展的永恒目標- 造福于人類，實現人類社會的可持續發展！ 人類社會面臨21世紀可持續發展的嚴峻挑戰 * 世界自然基金會和聯合國環境規劃署聯合發表的2000年地球生態報告顯示， 若按目前的速度繼續消耗地球的資源，那么我們地球的資源會在2075年耗盡。 面對挑戰，全球皆要求發展綠色科學與過程;向“綠色低碳循環経濟”發展。世

3、界可持續發展與綠色化學科學&工程 “綠色化學科學與工程”定義：“為減少與消除有害物質對人類健康與環境的威脅所作的化學過程與產品的設計，開發和生產。” （Green Chemistry: Theory and Practice, 1998） 世界 “可持續發展”定義： “滿足當前的需要，但不損及后代滿足他們的需要”。 發展綠色化學科學與工程是保證“世界可持續發展” 及全球環境安全的必然趨勢。 全 球 系 統循 環 經 濟 生 態 城 市生態工業園區生態化規劃綠色過程工程微觀過程對宏觀系統的影響的評估物流及服務原料輸入預加工產品制造過程及包裝配送回收、循環及排放物流及影響綠色過程工程循環經濟可持續

4、發展 可 持 續 發 展 結論：世界可持續發展需要綠色過程工程的支撐!宏觀可持續發展對微觀過程的要求1995年美國總統克林頓設立“總統綠色化學挑戰獎”；日本政府規劃了21世紀重建綠色地球的“新陽光計劃”；英國皇家化學會主辦的國際性雜志綠色化學1999年1月創刊；澳大利亞也創建了綠色化學期刊；在美國2003年公布的21世紀化學化工發展戰略中，再次強調了綠色化學化工的重要性。 綠色化學化工作為應對21世紀挑戰的關鍵技術與支撐基礎,已成為21世紀世界科技與產業發展前沿熱點： 綠色化學科學與工程綠色化學與化工定義： 為減少與消除有害物質對人類健康與環境的威脅所作的化學過程與產品的設計，開發和生產。 綠

5、色化學化工是具有重大社會需求和明確科學內涵的新興交叉學科，是全球環境安全的保證,是當今國際化學與化工的前沿。（Green Chemistry: Theory and Practice, 1998）國際化學工業發展趨勢發達國家1990-99年化學工業GDP平均增長率是其全部工業GDP（國民生產總值)平均增長率的2.69倍。在21世紀發達國家化學工業，年收益增長率仍高于其全部工業GDP的平均增長率。根據英國化工協會對全球化學品的統計和預測，2010年己超過2.04萬億美元（是2000年的1.42倍），并將一直保持較高的平均增長率。Facts & Figures 2000CHART 3.3歐共體化學

6、工業增長速度持續高于全部工業增長速度石油化工產品及衍生物13.4其它無機物 3.8塑料13.5合成橡膠0.9化肥2醫藥生物制品25.9 特殊功能體12.6顏料和油墨6.5染料2.5人造纖維 工業煤氣1. 4農用化學品2.7肥皂及清潔劑 4.6香料化妝品,7.4人造油劑 0.8無機物 5.2%塑料和高聚物 14.4農業，食物鏈保健產品油劑，表面活性劑及衍生物12.8特殊功能品和消費品21.6 圖1.1 國際化工涵蓋的主要部分及各部分GDP的百分率2 4.7% 由圖可見：國際大化工過程工業（流程工業）包括制藥、功能品產業、石化、化纖與塑料、精細化工、海洋化工、輕工、農產品及食品工業等。其它歐洲國家

7、6美國30日本14亞洲13拉丁美洲3其它地區5歐共體國家29世界化學工業產值（GDP）在各地區的分布 美國化學工業持續占世界化工GDP 30%，其中高端產品占79%。化學工程是21卋紀的基礎產業化學與化工信息航天生命 輕工食品能源環境建筑農牧業材料化學工業在21世紀仍持續高速發展 2020年美國化學工業發展目標：繼續保持世界技術領先的地位； 2025年日本化工業發展目標：世界化工市場份額由18%提高到20%； 2025年歐盟化學工業發展目標：繼續保持國際競爭力。 中國化學工業在國際上有一定地位。但化工業GDP人均值尚小于世界人均值的1/2，急需努力創新提升。化學工業是國民經濟的支柱產業, 在2

8、1世紀仍持續高速發展 2012年我國化工產值12.24萬億元，占我國國民生產總值的8.2%；產品結構不合理，產品以低端為主。*中國化學工業年鑒,中國化工信息中心出版 2011年中國GDP越居世界第二（美、中、日、德）。 美國財富雜志公布 2013年7月世界500強企業排名： 中國石化集團公司為第 5 位 中國石油天然氣集團公司為第6位（年收入約$1811億） 但目前化工人均值仍小于世界人均值1/2。1. 強調綠色化學科學與工程特殊重要性及發展前景;2. 強調多學科交叉融合研究，必須重視與其它學科交叉發展;3. 強調化學與化工內涵的緊密融合，多尺度集成研究.以實現由分子水平去研究、設計與創造新的

9、有用的物質及其新的制造與轉化工程技術的全程目標;4. 重視環境法律法規的建設;5. 重視生態工業園區的建立。 21世紀 美國化工學科發展戰略 美國化學過程工業是美國少數具有正的貿易順差的制造工業之一，它獲得的附加值占美國全部制造業的1/3。根據聯邦政府統計，在近六年中對于化工R&D的投入，每$1(美元)可獲得$2的收益，即稅后年收益率 17%。 （美國化學科學與技術學會，2003） 新型工業化道路的請髓在于以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化。兩者相互依存、相互融合、相互促進。 美國化學工業發展趨勢 生物質原料產品所占比例，產品種類 當前 2020年 2090年液體燃料 12 10 50有機

10、化學品 10 25 90對于生物質資源的利用，美國國家研究委員會提出的生物質原料制得產品目標* 世界自然基金會和聯合國環境規劃署聯合發表的年地球生態報告顯示，若按目前的速度繼續消耗地球的資源，那么我們地球的資源會在年耗盡。 綠色化學化工:由分子層次直至多尺度研發 尺度(時間及空間)集成研究發展時間尺度空間尺度 在二十一世紀初，我國化學工業總能耗為美、加、墨三國之和的 4.1倍,但產值相當三國之和的23.8%成本顯然缺乏競爭性。 化學工業萬元產值水耗為美國的3.5倍生產技術顯然缺乏競爭性。 我國萬元產值的污染物排放強度是美國的近百倍。化學工業廢水排放量占全國工業部門的17.5%，名列第一位；化工

11、廢氣排放量占第4位，固體廢物排放占第5位，但危險廢物占60%為第1位環境污染度高。 中國的SO2排放世界一，CO2排放趨于世界第一，面臨環境污染和低碳經濟的挑戰。 發展綠色化學科學與工程，更是中國的當務之急！中國面臨資源、能源和環境嚴峻的挑戰。中國“十二五規劃”：提升化工產業高新技術必要性可以減輕資源供應壓力，克服資源對產業的制約。可以減輕污染排放壓力，克服環保的制約。可以應對市場競爭壓力，克服成本的制約。可以克服增效減排壓力，克服結構的制約。可以緩解能源替代壓力，克服技術的制約。可以減輕低碳經濟壓力，克服二氧化碳減排的制約。可以減輕安全生產的壓力，克服安全事故的制約。利用高新技術提升化工產業

12、：走資源高效利用的綠色可持續發展之路 。節能降耗減排是保證環璄友好的必由之路 。“低碳技術”將是實現“低碳經濟”一個重要 的支撐 。4. 實現循環經濟發展,提高技術創新能力尤為重要 。中國“十二五規劃”：化工產業化的發展戰略：第二節、綠色化學科學與工程準則： 1. 2002年提出的綠色化學十二條原則 ( Science, 2002 . ) 2. 2008年提出的國際綠色化學工程的十二準則 (Green Chem., 2008)2002年提出的綠色化學十二條原則1.源頭防止廢棄物產生要比廢棄物產生之后再去處理凈化更為可取；2.設計的合成方法應使反應過程中所用物料最大限度地轉化為最終產物；3.在任

13、何可行的情況下，設計的合成方法都應當采用和產出那些對人類健康和環境毒性很小甚至是無毒的物質；4.化學產品的設計要考慮到維持高效并減少毒性；5.盡可能不使用輔助物質（如溶劑、析出劑等），在不得不使用時，也盡量使用無害物質；6.應當認識到能量需求對環境及經濟的影響，并應使之降到最低。合成方法應在常溫常壓下進行；摘自Poliakoff M et.al. Science, 2002, 297, 607-810.7.只要在技術和經濟上可行，所用未加工材料或原料都應當是可回收而不是純消耗的；8.盡量避免產生不必要的化學衍生物（如基團封閉、保護/去保護、在化學/物理過程中暫時修飾）；9.催化劑（盡可能具有選

14、擇性）更優于符合化學計量的試劑；10.設計出的化學產品在完成其效用后不應持續殘留于環境，而應分解為無害的降解產物；11.需要進一步發展分析方法，以便在危險物質形成以前進行實時在線檢測與控制；12.合理選擇化學過程中所使用的物質及其形態，避免或盡量減少發生包括泄露、爆炸及火災等化學事故。綠色化學十二條原則2008年提出的國際綠色化學工程的十二準則 (Green Chem., 2008)1. 保證工程的安全性和可靠性。2. 設計的過程應源頭防止廢棄物產生。3. 實現工藝過程優化。4. 考慮可再生資源與能源循環利用。5. 產品工程導向的設計。6. 實現過程集成簡化。7. 物質、能量、空間和時間利用效

15、率的高效化。8. 工程設計應面向用戶需求。9. 化學產品設計要考慮到高效化與易于分離的副產品。10. 引入質量和能量交換網絡的工程。11. 對設計的生命周期進行評價。12. 考慮產品生命周期的可持續性。 現代的集成型流程 （1個裝置）傳統的常規型流程（11個裝置設備）乙酸甲醇催化劑乙酸甲酯溶劑共沸物水溶劑共沸物水較重組分蒸餾萃取蒸餾反應蒸餾反應反應蒸餾蒸餾乙酸催化劑甲醇乙酸甲酯綠色化學工程的準則：6.實現過程集成簡化過程集成簡化國際綠色化學工程的十二準則(Green Chem., 2008)1. 保證工程的安全性和可靠性。2. 設計的過程應源頭防止廢棄物產生。3. 實現工藝過程優化。4. 考慮

16、可再生資源與能源循環利用。5. 產品工程導向的設計。6. 實現過程集成簡化。7. 物質、能量、空間和時間利用效率的高效化。8. 工程設計應面向用戶需求。9. 化學產品設計要考慮到高效化與易于分離的副產品。10. 引入質量和能量交換網絡的工程。11. 對設計的生命周期進行評價。12. 考慮產品生命周期的可持續性。 環氧乙烷草酸（媒染劑、除銹劑、漂白劑）墨水、染料、皮革與對苯二甲酸反應酯化生成單體；再縮聚生成聚對苯二甲酸乙二醇酯，紡絲后處理滌綸纖維二甘醇乙二醇水合氧化醫藥、化妝品等 如環氧乙烷的深度加工至滌綸及滌綸再生資源的循環利用:乙烯石油醇解或水解單體.綠色石油化工的生產鏈與資源的循環利用綠色

17、化學工程準則：12. 產品生命周期的可持續發展性循環利用 國際發達國家對化工設計審批標準提升到必須對產品的生命周期的可持續發展負責。 以滌綸為例說明12.產品生命周期的可持續發展性它是由環氧乙烷水合制乙二醇(EG) ，與對苯二甲酸（PTA）反應酯化生成單體或對苯二甲酸二甲酯（DMT）和乙二醇（EG）為原料，經酯化或酯交換，經縮聚反應而制得的成纖高聚物聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），經紡絲和后處理制成的纖維。該使用后廢纖維經過凈化處理后，醇解和水解后，成為單體，可供循環利用。5. 產品工程導向的設計/國際化學工業產品結構發展態勢基本化工：規模效益（資源利用率的提高） 信息化程度（自動化程度）的提

18、高, 能耗的降低 。精細化工(包括功能產品): 產品結構的及時調整 多產品車間的建立柔性生產線。 根據全球統計數據，在美、英、日、德等國的大化工行業的GDP中精細化學品及功能產品占79%左右。石油化工一體化：原料基本化工精細化工 功能產品/生產鏈式結構大力發展精細化工已成為世界各國調整化學工業結構、提升化學工業產業能級和擴大經濟效益的戰略重點。 21世紀以來，世界精細化工發展具有產業集群化、工藝清潔化、節能化，產品多樣化、專用化及高性能化的顯著特征。5. 產品工程導向的設計/國際化學工業產品結構發展態勢合理生產鏈及其優化與產品結構的及時調整 世紀末期，美國商業部作了一項統計，以石油作基準計算，

19、如果作為燃料燒掉價值為1的話，若把它全部分離為“基本原料”，則價值增至2，若合成出“通用化學品”將增值至4，進一步制成“精細化學品”將增值至8，最終制成“專用化學品”增值至106。 其價值比值為：1: 2: 4: 8: 106。 以上是國際制造業產品結構競爭焦點：我國必須向精品高端制造強國前進。 10. 引入質量與能量交換網絡的工程，實現過程集成，是實現綠色化工的核心技術。1)、夾點分析（資源、能源節約型） 基于熱力學原理的集成換熱器網絡的夾點技術推廣到傳質交換網絡中來。質交換器指的是任何逆向直接接觸的傳質操作，如吸收、吸附、液液萃取、離子交換、浸取、汽提，氫夾點分析等。 這種質交換網絡分析的目的是設計污染雜質的回收網絡，以減少污染。廢水最小化的夾點設計方法。2)