過程工程導論

IntroductiontoProcessEngineering主講：馬紫峰(上海交通大學化學工程系)/過程工程導論

IntroductiontoProcess1從化學工程學到過程工程學FromChemicalEngineeringtoProcessEngineering?RawmaterialsIndustrialProcessesUsefulProduct礦物植物動物水大氣石油煉制\煤氣化\分離浸取\萃取\分離油脂加工\牛油脫脂電解\水熱合成\水解空氣分離燃料油\化學品\藥品食用油\香料\藥品潤滑\護膚\藥品氫氣氮氣\氧氣何謂過程工業？從化學工程學到過程工程學RawmaterialsIndus2*第190次香山科學會議，2002，9從化學工程學到過程工程學FromChemicalEngineeringtoProcessEngineering?*第190次香山科學會議，2002，9從化學工程學到過程工3化學工業——過程工業

FromChemicalIndustrytoProcessIndustry化工過程化學反應---反應器物理過程—單元操作實例:VA生產分離提純分離提純甲基庚烯酮合成脫氫芳樟醇生產重排為檸檬醛異戊二烯氯化氫VA紫羅蘭酮乙炔B胡蘿卜素化學工業——過程工業

FromChemicalIndus4過程工業的基本特點工業生產使用的原材料主要是自然資源（礦物、生物質、空氣和水等）；生產過程主要為連續化生產；原材料在生產過程中經歷許多化學變化和物理變化；產量的增加主要依靠擴大工業生產規模來達成，或者說依靠“放大生產規模”（Scale-up）來達到；有相當高比例的過程工業產品作為產品工業的基礎原料；過程工業的基本特點工業生產使用的原材料主要是自然資源（礦物、5利用化工與催化過程（催化裂化、催化重整）將石油煉制生產出各種燃料（汽油、柴油和煤油）去驅動汽車、飛機等交通工具煉油過程工業過程工業實例利用化工與催化過程（催化裂化、催化重整）將石油煉制生產出各種6氨合成過程解決了全世界糧食問題。催化過程設計是核心氨合成催化劑的研究與改進已經嘗試10萬多個配方，至今仍是工業催化界研究的方向之一氨合成過程解決了全世界糧食問題。催化過程設計是核心氨合成催化7生物醫藥產品生產離不開過程工業技術進步生物醫藥產品生產離不開過程工業技術進步8需求:推動化工學科與過程工業的發展源動力需求:推動化工學科與過程工業的發展源動力9化學工程與技術學科發展沿革工程學科支柱土木工程機械工程電機工程化學工程瓦特發明蒸汽機(1736-1819)伏特\法拉第\愛迪生(1800-)英國土木工程師學會成立(1750-)美國化學工程師學會成立(1908-)1921年，美國麻省理工(MIT)設立世界上第一個化工系，1922年，系主任A.D.Little在MIT嘗試開設”工業化學”課程，將化學與機械、電工和土木等工程知識有機結合起來進行化工教育1922年，在美國化學工程師學會(AIChE)年會上，確立“單元操作”概念，提出“化學工程”的“獨立宣言”（DeclarationofIndependence）化學工程與技術學科發展沿革工程學科支柱土木工程機械工程電機工10第一階段，化學工業“初始條件”的建立（1780~1880）第二階段，“化學工程學”的起源（1880~1910）第三階段，“化學工程學”與“化學工程師”的定位（1910~1945）第四階段，“化學工程學”的完善與化學工業持續發展期（1945~1970）第五階段，從化學工程學到過程工程學：新挑戰，新機遇（1970~）化工理論體系發展與化工教育發展歷程第一階段，化學工業“初始條件”的建立（1780~1880）化111881年，GerorgeE.Davis主持在英國成立了“化學工程師協會”1901年，英國出版了“化學工程手冊”1908年，美國化學工程師學會（AIChE）成立1922年，在AIChE年會上，提出“化學工程獨立宣言”（DeclarationofIndependenceforChemicalEngineering）,確立“UnitOperation”概念1923年，《PrinciplesofChemicalEngineering》（化工原理）出版，標志著化工學科理論體系的誕生“化學工程學”產生“化學工程不是化學、機械和土木工程的組合體，而是一門屬于自己的科學，其基礎就是那些單元操作。這些單元操作的合理排列及配合產生了工業規模的化學流程”————化學工程獨立宣言1881年，GerorgeE.Davis主持在英國成立了12“三傳一反”化工理論體系的建立1915年，A.D.Little提出單元操作概念，將復雜的化工生產過程歸納為有限的操作單元，如精餾、萃取、吸收和干燥等。1922年，在AIChE年會上，確立“UnitOperation”概念。1923年，MIT的W.H.Walker,W.K.Lewis,W.H.McAdams編寫出版PrinciplesofChemicalEngineering,重點闡述了“單元操作”，被公認為化工學科體系第一階段標志（Firstparadigm)1957年，隨著石油煉制與化工技術發展，化學反應工程形成獨立的理論，標志著化學工程學科第二個里程碑的誕生（Secondparadigm)1960年，R.B.Bird,W.E.Stewart,E.N.Lightfoot正式出版了《TransportPhenomena》（中譯本在1990年由化工出版社出版），即從分子水平闡述單元操作、化學反應過程、設備設計與過程控制中的共性科學問題，確立了動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和反應工程在化工學科中的基礎理論地位，“三傳一反”成為化工學科理論基石.“三傳一反”化工理論體系的建立1915年，A.D.Litt13傳遞現象----化工理論基礎1960年，R.B.Bird,W.E.Stewart,E.N.Lightfoot出版了《TransportPhenomena》（中譯本在1990年出版），從分子水平闡述單元操作、化學反應過程、設備設計與過程控制中的共性科學問題1969年3W出版了《動量、熱量和質量傳遞原理》（已經出第四版）傳遞現象----化工理論基礎1960年，R.B.Bird,14我國化學工業發展先驅1917年范旭東與侯德榜在天津塘沽創辦的永利堿廠，它是亞洲第一座蘇爾維法氨堿廠，是我國化學工業策源地1941年侯德榜博士發明了將合成氨與氨堿法聯合制堿的新工藝——候氏堿法我國化學工業發展先驅1917年范旭東與侯德榜在天津塘沽創辦的15我國化學工程與技術學科發展先驅陳世璋（北大教授）俞同奎（北大教授）1922年陳世璋、俞同奎在北京創立中華化學工業會。1923年9月8日成立了中華化學工業會上海分部（現上海市化學化工學會）我國化學工程與技術學科發展先驅陳世璋（北大教授）俞同奎（北大16根據學以致用之本意，不欲專以學術相號召，成在促進化學界與實業界之聯系，以振興吾國之化學工業——中華化學工業會宗旨根據學以致用之本意，不欲專以學術相號召，成在促進化學界與實業17以中國科學院“化工冶金研究所”更名為“過程工程研究所”為契機，把“化學工程學”拓展到“過程工程學”顯得更為迫切。香山科學會議討論了化學工程向過程工程發展的趨勢，以及過程工程、過程工業、產品工程的內涵,明確了過程工程的研究對象具有多尺度特征、研究內容分別向大尺度(宏觀巨系統)和小尺度(納-微尺度)擴展。以郭慕孫、李靜海和袁權等為代表的中國化學工程學帶頭人推動著“過程工程學”的發展。KaM.Ng,JinhaiLi,M.S.Kuo,AIChEJournal,2005,51(10):2620-2627以中國科學院“化工冶金研究所”更名為“過程工程研究所”為契機18ClassificationofProcessingIndustriesinChinaFoodprocessingFoodproductsPaperandpaperproductsPrintingPetroleumprocessingandcokingChemicalrawmaterialsandproductsPharmaceuticalsChemicalfibersRubbersPlasticsNon-metallicmineralsFerrousmetalsmeltingandcalenderingNon-ferrousmetalmetallurgyandcalenderingMetalsurfacefinishing&thermaltreatmentMetalcastingPowdermetallurgyInsulatorsIntegratedcircuitsElectroniccomponentsTobaccoprocessingRawfiberprocessingCottondyeingWooldyeingandfinishingSilkdyeingElectricpowergenerationGasfromcoalDrinkingwaterIndustrieswithProcessEngineeringProcessingIndustriesKaM.Ng,JinhaiLi,M.S.Kuo,AIChEJournal,2005,51(10):2620-2627ClassificationofProcessingI19過程工程：新的挑戰，新的機遇進入21世紀，經濟全球化和互聯網技術（IT技術）讓世界成為一個“地球村”。隨著能源、資源和環境問題加劇，如何建立和諧的ET(Energy&EnvironmentalTechnology，能源與環境技術)社會，成為全球關注的焦點。在未來IT和ET交織發展進程中，化學工程師的作用是什么？化學工程學科的價值在哪里？21世紀的化學工程研究必須：（1）面向化學(包括生物)轉化為基礎的各種過程工業；（2）面向以化學工程為核心科學的制造業，適應可持續發展的要求；（3）面向以人為重點消費者的產品的研究與開發，適應用戶不斷增長的需求。過程工程：新的挑戰，新的機遇進入21世紀，經濟全球化和互聯網20化學工程學科的定位化工是：能源工業發展的核心，新材料的基礎，生物與環境工程產業的有效手段，現代農業與食品產業的先導，信息產業的支撐化學工程學科的定位化工是：能源工業發展的核心，新材料的基礎，21產品工程：是過程工業發展的理念和導向用戶需求產品性能配方設計分子設計工藝與過程設計生產最終產品工程向科學靠攏,通過多學科交叉達到知識創新產品工程：是過程工業發展的理念和導向用戶需求產品性能配方設計22化學產品是汽車工業發展的基礎汽車燃料生產（汽油、柴油、潤滑油和代用清潔燃料）汽車車身材料制造（鋼板、塑料和玻璃）車身裝飾材料（涂料、皮革）新型動力系統（燃料電池、動力電池）化學產品是汽車工業發展的基礎汽車燃料生產（汽油、柴油、潤滑油23本課程學習目的《過程工程導論》目的是了解過程工業的基本特征，熟悉過程工程的本質與理論基礎在傳遞現象、單元操作及化學反應工程理論的學習基礎上，用化工系統方法論，學習過程工業分析與集成方法，闡述過程工業設計與開發程序，啟迪研究與開發思路。通過學習與實際應用案例的分析與研討，了解過程工業的基本特征，熟悉化學反應器的結構，能夠靈活運用化工基礎知識，根據各單元操作的技術特點，進行“工業過程與設備”的設計與設備選型，以適應指定反應體系，滿足規模化生產工藝要求。在科學研究中提高工業化意識，與工程技術人員建立共同語言，指導科研選題和研究路線的確定。本課程學習目的《過程工程導論》目的是了解過程工業的基本特征，24相關專著和教材ElementsofChemicalProcessEngineering

byD.S.J.Jones,October1997FoodProcessEngineering:TheoryandLaboratoryExperiments

byShriK.Sharma,StevenJ.Mulvaney,SyedS.H.Rizvi,November1999ChemicalMicroProcessEngineering:ProcessingandPlants

byVolkerHessel,May2005

ChemicalMicroProcessEngineering:Fundamentals,ModellingandReactions

byVolkerHessel,April2004

Ullmann'sProcessesandProcessEngineering,3Volumes

byWiley-VCH(Editor),April2004

馬紫峰主編，《過程工程導論》，化學工業出版社，2009年1月相關專著和教材ElementsofChemicalPr25ElementsofChemicalProcessEngineeringBasicProcessEngineeringPrinciples.CommonSystemsinChemicalProcesses.Equipment—Vessels.Pumps.Compressors.HeatExchangers.FiredHeaters.ProcessStudiesandEconomicAnalysis.TheProcessEngineers'RolesinProjectManagement.ElementsofChemicalProcessE26FoodProcessEngineering:

TheoryandLaboratoryExperimentsCompletestep-by-stepproceduresforlaboratoryexperimentThoroughdescriptionofnecessaryequipment,includingproperoperatingproceduresWork-outexamplesprovidedforimportantcalculations(e.g.,Poissonratio,flexmodulus,lethalrate,etc.)SeveralcomputersimulationtestsprovidedandinformationonuseofcomputerspreadsheetsisalsoprovidedEachexperimentisprecededbyquestionsandobjectives;eachexperimentfollowedbydataanalysisandinterpretationforacompletetreatmentFoodProcessEngineering:

The27過程工程導論

IntroductiontoProcessEngineering主講：馬紫峰(上海交通大學化學工程系)/過程工程導論

IntroductiontoProcess28從化學工程學到過程工程學FromChemicalEngineeringtoProcessEngineering?RawmaterialsIndustrialProcessesUsefulProduct礦物植物動物水大氣石油煉制\煤氣化\分離浸取\萃取\分離油脂加工\牛油脫脂電解\水熱合成\水解空氣分離燃料油\化學品\藥品食用油\香料\藥品潤滑\護膚\藥品氫氣氮氣\氧氣何謂過程工業？從化學工程學到過程工程學RawmaterialsIndus29*第190次香山科學會議，2002，9從化學工程學到過程工程學FromChemicalEngineeringtoProcessEngineering?*第190次香山科學會議，2002，9從化學工程學到過程工30化學工業——過程工業

FromChemicalIndustrytoProcessIndustry化工過程化學反應---反應器物理過程—單元操作實例:VA生產分離提純分離提純甲基庚烯酮合成脫氫芳樟醇生產重排為檸檬醛異戊二烯氯化氫VA紫羅蘭酮乙炔B胡蘿卜素化學工業——過程工業

FromChemicalIndus31過程工業的基本特點工業生產使用的原材料主要是自然資源（礦物、生物質、空氣和水等）；生產過程主要為連續化生產；原材料在生產過程中經歷許多化學變化和物理變化；產量的增加主要依靠擴大工業生產規模來達成，或者說依靠“放大生產規模”（Scale-up）來達到；有相當高比例的過程工業產品作為產品工業的基礎原料；過程工業的基本特點工業生產使用的原材料主要是自然資源（礦物、32利用化工與催化過程（催化裂化、催化重整）將石油煉制生產出各種燃料（汽油、柴油和煤油）去驅動汽車、飛機等交通工具煉油過程工業過程工業實例利用化工與催化過程（催化裂化、催化重整）將石油煉制生產出各種33氨合成過程解決了全世界糧食問題。催化過程設計是核心氨合成催化劑的研究與改進已經嘗試10萬多個配方，至今仍是工業催化界研究的方向之一氨合成過程解決了全世界糧食問題。催化過程設計是核心氨合成催化34生物醫藥產品生產離不開過程工業技術進步生物醫藥產品生產離不開過程工業技術進步35需求:推動化工學科與過程工業的發展源動力需求:推動化工學科與過程工業的發展源動力36化學工程與技術學科發展沿革工程學科支柱土木工程機械工程電機工程化學工程瓦特發明蒸汽機(1736-1819)伏特\法拉第\愛迪生(1800-)英國土木工程師學會成立(1750-)美國化學工程師學會成立(1908-)1921年，美國麻省理工(MIT)設立世界上第一個化工系，1922年，系主任A.D.Little在MIT嘗試開設”工業化學”課程，將化學與機械、電工和土木等工程知識有機結合起來進行化工教育1922年，在美國化學工程師學會(AIChE)年會上，確立“單元操作”概念，提出“化學工程”的“獨立宣言”（DeclarationofIndependence）化學工程與技術學科發展沿革工程學科支柱土木工程機械工程電機工37第一階段，化學工業“初始條件”的建立（1780~1880）第二階段，“化學工程學”的起源（1880~1910）第三階段，“化學工程學”與“化學工程師”的定位（1910~1945）第四階段，“化學工程學”的完善與化學工業持續發展期（1945~1970）第五階段，從化學工程學到過程工程學：新挑戰，新機遇（1970~）化工理論體系發展與化工教育發展歷程第一階段，化學工業“初始條件”的建立（1780~1880）化381881年，GerorgeE.Davis主持在英國成立了“化學工程師協會”1901年，英國出版了“化學工程手冊”1908年，美國化學工程師學會（AIChE）成立1922年，在AIChE年會上，提出“化學工程獨立宣言”（DeclarationofIndependenceforChemicalEngineering）,確立“UnitOperation”概念1923年，《PrinciplesofChemicalEngineering》（化工原理）出版，標志著化工學科理論體系的誕生“化學工程學”產生“化學工程不是化學、機械和土木工程的組合體，而是一門屬于自己的科學，其基礎就是那些單元操作。這些單元操作的合理排列及配合產生了工業規模的化學流程”————化學工程獨立宣言1881年，GerorgeE.Davis主持在英國成立了39“三傳一反”化工理論體系的建立1915年，A.D.Little提出單元操作概念，將復雜的化工生產過程歸納為有限的操作單元，如精餾、萃取、吸收和干燥等。1922年，在AIChE年會上，確立“UnitOperation”概念。1923年，MIT的W.H.Walker,W.K.Lewis,W.H.McAdams編寫出版PrinciplesofChemicalEngineering,重點闡述了“單元操作”，被公認為化工學科體系第一階段標志（Firstparadigm)1957年，隨著石油煉制與化工技術發展，化學反應工程形成獨立的理論，標志著化學工程學科第二個里程碑的誕生（Secondparadigm)1960年，R.B.Bird,W.E.Stewart,E.N.Lightfoot正式出版了《TransportPhenomena》（中譯本在1990年由化工出版社出版），即從分子水平闡述單元操作、化學反應過程、設備設計與過程控制中的共性科學問題，確立了動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和反應工程在化工學科中的基礎理論地位，“三傳一反”成為化工學科理論基石.“三傳一反”化工理論體系的建立1915年，A.D.Litt40傳遞現象----化工理論基礎1960年，R.B.Bird,W.E.Stewart,E.N.Lightfoot出版了《TransportPhenomena》（中譯本在1990年出版），從分子水平闡述單元操作、化學反應過程、設備設計與過程控制中的共性科學問題1969年3W出版了《動量、熱量和質量傳遞原理》（已經出第四版）傳遞現象----化工理論基礎1960年，R.B.Bird,41我國化學工業發展先驅1917年范旭東與侯德榜在天津塘沽創辦的永利堿廠，它是亞洲第一座蘇爾維法氨堿廠，是我國化學工業策源地1941年侯德榜博士發明了將合成氨與氨堿法聯合制堿的新工藝——候氏堿法我國化學工業發展先驅1917年范旭東與侯德榜在天津塘沽創辦的42我國化學工程與技術學科發展先驅陳世璋（北大教授）俞同奎（北大教授）1922年陳世璋、俞同奎在北京創立中華化學工業會。1923年9月8日成立了中華化學工業會上海分部（現上海市化學化工學會）我國化學工程與技術學科發展先驅陳世璋（北大教授）俞同奎（北大43根據學以致用之本意，不欲專以學術相號召，成在促進化學界與實業界之聯系，以振興吾國之化學工業——中華化學工業會宗旨根據學以致用之本意，不欲專以學術相號召，成在促進化學界與實業44以中國科學院“化工冶金研究所”更名為“過程工程研究所”為契機，把“化學工程學”拓展到“過程工程學”顯得更為迫切。香山科學會議討論了化學工程向過程工程發展的趨勢，以及過程工程、過程工業、產品工程的內涵,明確了過程工程的研究對象具有多尺度特征、研究內容分別向大尺度(宏觀巨系統)和小尺度(納-微尺度)擴展。以郭慕孫、李靜海和袁權等為代表的中國化學工程學帶頭人推動著“過程工程學”的發展。KaM.Ng,JinhaiLi,M.S.Kuo,AIChEJournal,2005,51(10):2620-2627以中國科學院“化工冶金研究所”更名為“過程工程研究所”為契機45ClassificationofProcessingIndustriesinChinaFoodprocessingFoodproductsPaperandpaperproductsPrintingPetroleumprocessingandcokingChemicalrawmaterialsandproductsPharmaceuticalsChemicalfibersRubbersPlasticsNon-metallicmineralsFerrousmetalsmeltingandcalenderingNon-ferrousmetalmetallurgyandcalenderingMetalsurfacefinishing&thermaltreatmentMetalcastingPowdermetallurgyInsulatorsIntegratedcircuitsElectroniccomponentsTobaccoprocessingRawfiberprocessingCottondyeingWooldyeingandfinishingSilkdyeingElectricpowergenerationGasfromcoalDrinkingwaterIndustrieswithProcessEngineeringProcessingIndustriesKaM.Ng,JinhaiLi,M.S.Kuo,AIChEJournal,2005,51(10):2620-2627ClassificationofProcessingI46過程工程：新的挑戰，新的機遇進入21世紀，經濟全球化和互聯網技術（IT技術）讓世界成為一個“地球村”。隨著能源、資源和環境問題加劇，如何建立和諧的ET(Energy&EnvironmentalTechnology，能源與環境技術)社會，成為全球關注的焦點。在未來IT和ET交織發展進程中，化學工程師的作用是什么？化學工程學科的價值在哪里？21世紀的化學工程研究必須：（1）面向化學(包括生物)轉化為基礎的各種過程工業；（2）面向以化學工程為核心科學的制造業，適應可持續發展的要求；（3）面向以人為重點消費者的產品的研究與開發，適應用戶不斷增長的需求。過程工程：新的挑戰，新的機遇進入21世紀，經濟全球化和互聯網47化學工程學科的定位化工是：能源工業發展的核心，新材料的基礎，生物與環境工程產業的有效手段，現代農業與食品產業的先導，信息產業的支撐化學工程學科的定位化工是：能源工業發展的核心，新材料的基礎，48產品工程：是過程工業發展的理念和導向用戶需求產品性能配方設計分子設計工藝與過程設計生產最終產品工程向科學靠攏,通過多學科交叉達到知識創新產品工程：是過程工業發展的理念和導向用戶需求產品性能配方設計49化學產品是汽車工業發展的基礎汽車燃料生產（汽油、柴油、潤滑油和代用清潔燃料）汽車車身材料制造（鋼板、塑料和玻璃）車身裝飾材料（涂料、皮革）新型動力系統（燃料電池、動力電池）化學產品是汽車工業發展的基礎汽車燃料生產（汽油、柴油、潤滑油50本課程學習目的《過程工程導論》目的是了解過程工業的基本特征，熟悉過程工程的本質與理論基礎在傳遞現象、單元操作及化學反應工程理論的學習基礎上，用化工系統方法論，學習過程工業分析與集成方法，闡述過程工業設計與開發程序，啟迪研究與開發思路。通過學習與實際應用案例的分析與研討，了解過程工業的基本特征，熟悉化學反應器的結構，能夠靈活運用化工基礎知識，根據各單元操作的技術特點，進行“工業過程與設備”的設計與設備選型，以適應指定反應體系，滿足規模化生產工藝要求。在科學研究中提高工業化意識，與工程技術人員建立共同語言，指導科研選題和研究路線的確定。本課程學習目的《過程工程導論》目的是了解過程工業的基本特征，51相關專著和教材ElementsofChemicalProcessEngineering

byD.S.J.Jones,October1997FoodProcessEngineering:TheoryandLaboratoryExpe