1、化工设计第一章 化工过程设计,王静康 教授,第一节. 现代过程工程/国际化学工业发展趋势第二节. 绿色化学科学与工程准则第三节. 化工过程设计的基本内容第四节. 计算机辅助化工设计的发展第五节. 工程伦理学与责任关怀准则,第一章 化工过程设计,本“化工设计” 教材(496页)：是高等教育十五、十二.五国家级规划教材,希望同学课下参考教材学习。,人类文明发展历程证明，世界经济增长、社会进步和人类生活水平及生活质量的提高，都离不开化工过程工程。化学工业在21世纪仍是全球经济发展中强大的基础产业之一。 21世纪化学工业发展特征： 1).发展战略：可持续发展， 2).发展准则：绿色化学科学与工程。,第
2、一节.现代过程工程/国际化学工业发展趋势,人类社会面临21世纪可持续发展的严峻挑战,资源与能源（危机）环境（危机-污染与治理）人类健康水平与生活质量（衣、食、住、行、医）,人类活动时空的拓展（空间技术）高科技（信息、生命、物质等）对建立生态工业园区的迫切需求中国还面临进入WTO的挑战,工程技术发展的永恒目标- 造福于人类，实现人类社会的可持续发展！,人类社会面临21世纪可持续发展的严峻挑战,* 世界自然基金会和联合国环境规划署联合发表的2000年地球生态报告显示， 若按目前的速度继续消耗地球的资源，那么我们地球的资源会在2075年耗尽。 面对挑战，全球皆要求发展绿色科学与过程;向“绿色低碳循环
3、経济”发展。,世界可持续发展与绿色化学科学&工程,“绿色化学科学与工程”定义：“为减少与消除有害物质对人类健康与环境的威胁所作的化学过程与产品的设计，开发和生产。” （Green Chemistry: Theory and Practice, 1998）,世界 “可持续发展”定义： “满足当前的需要，但不损及后代满足他们的需要”。,发展绿色化学科学与工程是保证“世界可持续发展” 及全球环境安全的必然趋势。,全 球 系 统,循 环 经 济,生 态 城 市,生态工业园区,生态化规划,绿色过程工程,微观过程对宏观系统的影响的评估,物流及服务,原料,输入预加工,产品制造过程及包装,配送,回收、循环及排
4、放,物流及影响,绿色过程工程循环经济可持续发展,可 持 续 发 展,结论：世界可持续发展需要绿色过程工程的支撑!,宏观可持续发展对微观过程的要求,1995年美国总统克林顿设立“总统绿色化学挑战奖”；日本政府规划了21世纪重建绿色地球的“新阳光计划”；英国皇家化学会主办的国际性杂志绿色化学1999年1月创刊；澳大利亚也创建了绿色化学期刊；在美国2003年公布的21世纪化学化工发展战略中，再次强调了绿色化学化工的重要性。,绿色化学化工作为应对21世纪挑战的关键技术与支撑基础,已成为21世纪世界科技与产业发展前沿热点：,绿色化学科学与工程,绿色化学与化工定义：,为减少与消除有害物质对人类健康与环境的
5、威胁所作的化学过程与产品的设计，开发和生产。,绿色化学化工是具有重大社会需求和明确科学内涵的新兴交叉学科，是全球环境安全的保证,是当今国际化学与化工的前沿。,（Green Chemistry: Theory and Practice, 1998）,国际化学工业发展趋势,发达国家1990-99年化学工业GDP平均增长率是其全部工业GDP（国民生产总值)平均增长率的2.69倍。在21世纪发达国家化学工业，年收益增长率仍高于其全部工业GDP的平均增长率。根据英国化工协会对全球化学品的统计和预测，2010年己超过2.04万亿美元（是2000年的1.42倍），并将一直保持较高的平均增长率。,Facts
6、& Figures 2000,CHART 3.3,欧共体化学工业增长速度持续高于全部工业增长速度,石油化工产品及衍生物,13.4,其它无机物,3.8,塑料,13.5,合成橡胶,0.9,化肥,2,医药生物制品,25.9 ,特殊功能体,12.6,颜料和油墨,6.5,染料,2.5,人造纤维,工业煤气,1. 4,农用化学品,2.7,肥皂及清洁剂,4.6,香料化妆品,7.4,人造油剂,0.8,无机物,5.2%,塑料和高聚物,14.4,农业，食物链保健产品,油剂，表面活性剂及衍生物,12.8,特殊功能品,和消费品,21.6,图1.1 国际化工涵盖的主要部分及各部分GDP的百分率,2 ,4.7%,由图可见：
7、国际大化工过程工业（流程工业）包括制药、功能品产业、石化、化纤与塑料、精细化工、海洋化工、轻工、农产品及食品工业等。,其它欧洲国家6,美国30,日本14,亚洲13,拉丁美洲3,其它地区5,欧共体国家29,世界化学工业产值（GDP）在各地区的分布,美国化学工业持续占世界化工GDP 30%，其中高端产品占79%。,化学工程是21卋纪的基础产业,化学与化工,信息,航天,生命,轻工,食品,能源,环境,建筑,农牧业,材料,化学工业在21世纪仍持续高速发展,2020年美国化学工业发展目标：继续保持世界技术领先的地位； 2025年日本化工业发展目标：世界化工市场份额由18%提高到20%； 2025年欧盟化学
8、工业发展目标：继续保持国际竞争力。 中国化学工业在国际上有一定地位。但化工业GDP人均值尚小于世界人均值的1/2，急需努力创新提升。,化学工业是国民经济的支柱产业, 在21世纪仍持续高速发展,2012年我国化工产值12.24万亿元，占我国国民生产总值的8.2%；产品结构不合理，产品以低端为主。*中国化学工业年鉴,中国化工信息中心出版,2011年中国GDP越居世界第二（美、中、日、德）。 美国财富杂志公布 2013年7月世界500强企业排名： 中国石化集团公司为第 5 位 中国石油天然气集团公司为第6位（年收入约$1811亿） 但目前化工人均值仍小于世界人均值1/2。,1. 强调绿色化学科学与工
9、程特殊重要性及发展前景;2. 强调多学科交叉融合研究，必须重视与其它学科交叉发展;3. 强调化学与化工内涵的紧密融合，多尺度集成研究.以实现由分子水平去研究、设计与创造新的有用的物质及其新的制造与转化工程技术的全程目标;4. 重视环境法律法规的建设;5. 重视生态工业园区的建立。,21世纪 美国化工学科发展战略,美国化学过程工业是美国少数具有正的贸易顺差的制造工业之一，它获得的附加值占美国全部制造业的1/3。根据联邦政府统计，在近六年中对于化工R&D的投入，每$1(美元)可获得$2的收益，即税后年收益率 17%。 （美国化学科学与技术学会，2003） 新型工业化道路的请髓在于以信息化带动工业化
10、，以工业化促进信息化。两者相互依存、相互融合、相互促进。,美国化学工业发展趋势,对于生物质资源的利用，美国国家研究委员会提出的生物质原料制得产品目标,* 世界自然基金会和联合国环境规划署联合发表的年地球生态报告显示，若按目前的速度继续消耗地球的资源，那么我们地球的资源会在年耗尽。,绿色化学化工:由分子层次直至多尺度研发 尺度(时间及空间)集成研究发展,时间尺度,空间尺度,在二十一世纪初，我国化学工业总能耗为美、加、墨三国之和的 4.1倍,但产值相当三国之和的23.8%成本显然缺乏竞争性。 化学工业万元产值水耗为美国的3.5倍生产技术显然缺乏竞争性。 我国万元产值的污染物排放强度是美国的近百倍。
11、化学工业废水排放量占全国工业部门的17.5%，名列第一位；化工废气排放量占第4位，固体废物排放占第5位，但危险废物占60%为第1位环境污染度高。 中国的SO2排放世界一，CO2排放趋于世界第一，面临环境污染和低碳经济的挑战。,发展绿色化学科学与工程，更是中国的当务之急！,中国面临资源、能源和环境严峻的挑战。,中国“十二五规划”：提升化工产业高新技术必要性,可以减轻资源供应压力，克服资源对产业的制约。可以减轻污染排放压力，克服环保的制约。可以应对市场竞争压力，克服成本的制约。可以克服增效减排压力，克服结构的制约。可以缓解能源替代压力，克服技术的制约。可以减轻低碳经济压力，克服二氧化碳减排的制约。
12、可以减轻安全生产的压力，克服安全事故的制约。,利用高新技术提升化工产业：,走资源高效利用的绿色可持续发展之路 。节能降耗减排是保证环璄友好的必由之路 。“低碳技术”将是实现“低碳经济”一个重要 的支撑 。4. 实现循环经济发展,提高技术创新能力尤为重要 。,中国“十二五规划”：化工产业化的发展战略：,第二节、绿色化学科学与工程准则： 1. 2002年提出的绿色化学十二条原则 ( Science, 2002 . ) 2. 2008年提出的国际绿色化学工程的十二准则 (Green Chem., 2008),2002年提出的绿色化学十二条原则,1.源头防止废弃物产生要比废弃物产生之后再去处理净化更为
13、可取；2.设计的合成方法应使反应过程中所用物料最大限度地转化为最终产物；3.在任何可行的情况下，设计的合成方法都应当采用和产出那些对人类健康和环境毒性很小甚至是无毒的物质；4.化学产品的设计要考虑到维持高效并减少毒性；5.尽可能不使用辅助物质（如溶剂、析出剂等），在不得不使用时，也尽量使用无害物质；6.应当认识到能量需求对环境及经济的影响，并应使之降到最低。合成方法应在常温常压下进行；,摘自Poliakoff M et.al. Science, 2002, 297, 607-810.,7.只要在技术和经济上可行，所用未加工材料或原料都应当是可回收而不是纯消耗的；8.尽量避免产生不必要的化学衍生
14、物（如基团封闭、保护/去保护、在化学/物理过程中暂时修饰）；9.催化剂（尽可能具有选择性）更优于符合化学计量的试剂；10.设计出的化学产品在完成其效用后不应持续残留于环境，而应分解为无害的降解产物；11.需要进一步发展分析方法，以便在危险物质形成以前进行实时在线检测与控制；12.合理选择化学过程中所使用的物质及其形态，避免或尽量减少发生包括泄露、爆炸及火灾等化学事故。,绿色化学十二条原则,2008年提出的国际绿色化学工程的十二准则 (Green Chem., 2008),1. 保证工程的安全性和可靠性。2. 设计的过程应源头防止废弃物产生。3. 实现工艺过程优化。4. 考虑可再生资源与能源循环
15、利用。5. 产品工程导向的设计。6. 实现过程集成简化。7. 物质、能量、空间和时间利用效率的高效化。8. 工程设计应面向用户需求。9. 化学产品设计要考虑到高效化与易于分离的副产品。10. 引入质量和能量交換网络的工程。11. 对设计的生命周期进行评价。12. 考虑产品生命周期的可持续性。,现代的集成型流程 （1个装置）,传统的常规型流程（11个装置设备）,绿色化学工程的准则：6.实现过程集成简化,过程集成简化,国际绿色化学工程的十二准则(Green Chem., 2008),1. 保证工程的安全性和可靠性。2. 设计的过程应源头防止废弃物产生。3. 实现工艺过程优化。4. 考虑可再生资源与
16、能源循环利用。5. 产品工程导向的设计。6. 实现过程集成简化。7. 物质、能量、空间和时间利用效率的高效化。8. 工程设计应面向用户需求。9. 化学产品设计要考虑到高效化与易于分离的副产品。10. 引入质量和能量交換网络的工程。11. 对设计的生命周期进行评价。12. 考虑产品生命周期的可持续性。,环氧乙烷,草酸（媒染剂、除锈剂、漂白剂）,墨水、染料、皮革,与对苯二甲酸反应酯化生成单体；再缩聚生成聚对苯二甲酸乙二醇酯，纺丝后处理,涤纶纤维,二甘醇,乙二醇,水合,氧化,医药、化妆品等,如环氧乙烷的深度加工至涤纶及涤纶再生资源的循环利用:,乙烯,石油,醇解或水解,单体,.,.,.,.,绿色石油化
17、工的生产链与资源的循环利用,绿色化学工程准则：12. 产品生命周期的可持续发展性,循环利用,国际发达国家对化工设计审批标准提升到必须对产品的生命周期的可持续发展负责。,以涤纶为例说明12.产品生命周期的可持续发展性,它是由环氧乙烷水合制乙二醇(EG) ，与对苯二甲酸（PTA）反应酯化生成单体或对苯二甲酸二甲酯（DMT）和乙二醇（EG）为原料，经酯化或酯交换，经缩聚反应而制得的成纤高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），经纺丝和后处理制成的纤维。该使用后废纤维经过净化处理后，醇解和水解后，成为单体，可供循环利用。,5. 产品工程导向的设计/国际化学工业产品结构发展态势,基本化工：规模效益（资源利用
18、率的提高） 信息化程度（自动化程度）的提高, 能耗的降低 。精细化工(包括功能产品): 产品结构的及时调整 多产品车间的建立柔性生产线。,根据全球统计数据，在美、英、日、德等国的大化工行业的GDP中精细化学品及功能产品占79%左右。,石油化工一体化：原料基本化工精细化工 功能产品/生产链式结构,大力发展精细化工已成为世界各国调整化学工业结构、提升化学工业产业能级和扩大经济效益的战略重点。 21世纪以来，世界精细化工发展具有产业集群化、工艺清洁化、节能化，产品多样化、专用化及高性能化的显著特征。,5. 产品工程导向的设计/国际化学工业产品结构发展态势,合理生产链及其优化与产品结构的及时调整,世纪
19、末期，美国商业部作了一项统计，以石油作基准计算，如果作为燃料烧掉价值为1的话，若把它全部分离为“基本原料”，则价值增至2，若合成出“通用化学品”将增值至4，进一步制成“精细化学品”将增值至8，最终制成“专用化学品”增值至106。 其价值比值为：1: 2: 4: 8: 106。 以上是国际制造业产品结构竞争焦点：我国必须向精品高端制造强国前进。,10. 引入质量与能量交换网络的工程，实现过程集成，是实现绿色化工的核心技术。,1)、夹点分析（资源、能源节约型） 基于热力学原理的集成换热器网络的夹点技术推广到传质交换网络中来。质交换器指的是任何逆向直接接触的传质操作，如吸收、吸附、液液萃取、离子交换
20、、浸取、汽提，氢夹点分析等。 这种质交换网络分析的目的是设计污染杂质的回收网络，以减少污染。废水最小化的夹点设计方法。,2)、深度过程集成：网络超结构模型模拟,交换网络:绿色深度过程集成方法,立足于通用反应器及相互连接的流股网络构成的超结构，在研究传质和传热的各种可能安排的基础上，找寻最优化的结构: 用可再生资源代替不可再生资源 氢夹点分析 基于溶剂的分离系统设计 利用微化工厂来规避风险、提高效率 工厂公用工程及联产系统的节能,课下作业,1. 化工过程设计的绿色化学科学与工程准则包括那些内容？2. 简述化工过程系统工程模拟软件主要发展趋势参考文献：David T. Allen, David R
21、. Shonnard, Green Engineering: Environmentally Conscious Design of Chemical Processes, Prentice Hall PTR, Indiana,USA.,20012. Edited By: D J H CLARK, Handbook of Green Chemistry and Technology, Blackwell Publishing, Oxford, UK., 2002,请同学们提前完成作业，在习题课上进行讨论。,1. 化工过程设计的绿色化学科学与工程准则包括那些内容？2. 简述化工过程系统工程模拟软件主要发展趋势。3. 试述化学工程师的责任及责任关怀的主要内容？4. 试述化工过程设计的基本内容是什么？5. 在化工过程设计中工艺专业主要负责的内容又是什么？,课下作业,请同学们提前完成作业，在习题课上进行讨论。,
