化學工程

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研究化學工業和其他過程工業 (process industry) 生產中所進行的化學過程和物理過程共同規律的一門工程學科。這些工業包括石油煉製工業、冶金工業、建築材料工業、食品工業、造紙工業等。 它們從石油、煤、天然氣、鹽、石灰石、其他礦石和糧食、木材、水、空氣等基本的原料出發,借助化學過程或物理過程,改變物質的組成、性質和狀態,使之成為多種價值較高的產品,如化肥、汽油、潤滑油、合成纖維、合成橡膠、塑料、燒鹼、純鹼、水泥、玻璃、鋼、鐵、鋁、紙漿等等。

定義

  化學過程是指物質發生化學變化的反應過程,如柴油的催化裂化製備高辛烷值汽油是一個化學反應過程。   物理過程系指物質不經化學反應而發生的組成、性質、狀態、能量變化過程,如原油經過蒸餾的分離而得到汽油、柴油、煤油等產品。   至於其他一些領域 , 諸如礦石冶煉 , 燃料燃燒,生物發酵皮革製造,海水淡化等等,雖然過程的表現形式多種多樣,但均可以分解為上述化學過程和物理過程。實際上,化學過程往往和物理過程同時發生。例如催化裂化是一個典型的化學過程,但輔有加熱、冷卻和分離,並且在反應進行過程中,也必伴隨有流動、傳熱和傳質。所有這些過程,都可通過化學工程的研究,認識闡釋其規律性,並使之應用於生產過程和裝置的開發、設計、操作,以達到優化和提高效率的目的。

特點

  上述工業生產的共同特點是,從實驗室到工業生產特別是大規模的生產,都要解決一個裝置的放大問題。生產規模擴大和經濟效益提高的重要途徑是裝置的放大,以節省投資,降低消耗,減少佔地 , 節約人力。但是 , 在大裝置上所能達到的某些指標,通常低於小型試驗結果,原因是隨著裝置的放大,物料的流動、傳熱、傳質等物理過程的因素和條件發生了變化。這種起源於放大過程的效應,長期以來被籠統地稱作「放大效應」,它包含了很多已查明或未查明的物理因素(或稱工程因素)的影響。

研究對象

  化學工程的一個重要任務就是研究有關工程因素對過程和裝置的效應,特別是在放大中的效應,以解決關於過程開發、裝置設計和操作的理論和方法等問題。它以物理學、化學和數學的原理為基礎,廣泛應用各種實驗手段,與化學工藝相配合,去解決工業生產問題。   化學工程的研究對象通常是非常複雜的,主要表現在:   ①過程本身的複雜性:既有化學的,又有物理的,並且兩者時常同時發生 , 相互影響。   ②物系的複雜性 : 既有流體(氣體和液體),又有固體,時常多相共存。流體性質可有大幅度變化,如低粘度和高粘度、牛頓型和非牛頓型等。   有時,在過程進行中有物性顯著改變,如聚合過程中反應物系從低粘度向高粘度的轉變。   ③物系流動時邊界的複雜性:由於設備(如塔板、攪拌槳、檔板等)的幾何形狀是多變的,填充物(如催化劑、填料等)的外形也是多變的,使流動邊界   複雜且難以確定和描述。

研究內容

  化學工程包括單元操作化學反應工程傳遞過程化工熱力學化工系統工程過程動態學及控制等方面。

單元操作

  構成多種化工產品生產的物理過程都可歸納為有限的幾種基本過程,

化工過程

如流體輸送、換熱(加熱和冷卻)、蒸餾、吸收蒸發萃取結晶、乾燥等。這些基本過程稱為單元操作。對單元操作的研究,得到具有共性的結果,可以用來指導各類產品的生產和化工設備的設計。在 20 世紀初,對化學工程的認識雖只限於單元操作,但卻開拓了一個嶄新的領域和出現了一些從事嶄新職業的化學工程師。這些化學工程師不同於以往的化工生產工作者,他們經歷過化學工程這一專門學科的訓練,故有能力使化工生產過程和設備設計、製造和操作控制更為合理。直到今天,各個單元操作的研究還是有著極為重要的理論意義和應用價值,而且是為了適應新的技術要求,一些新的單元操作不斷出現並逐步充實進來。

化學反應工程

  化學反應是化工生產的核心部分,它決定著產品的收率,對生產成本有著重要影響。儘管如此,在早期因其複雜性而阻礙了對它的系統研究。直到 20 世紀中葉,在單元操作和傳遞過程研究成果的基礎上,在各種反應過程中,如氧化、還原、硝化、磺化等發現了若干具有共性的問題,如反應器內的返混、反應相內傳質和傳熱、反應相外傳質和傳熱、反應器的穩定性等。對於這些問題的研究,以及它們對反應動力學的各種效應的研究,構成了一個新的學科分支即化學反應工程,從而使化學工程的內容和方法得到了充實和發展

傳質設備-泵

傳遞過程

  是單元操作和反應工程的共同基礎。在各種單元操作設備和反應裝置中進行的物理過程不外乎三種傳遞:動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞。例如,以動量傳遞為基礎的流體輸送、反應器中的氣流分佈;以熱量傳遞為基礎的換熱操作 , 聚合釜中聚合熱的移出 ; 以質量傳遞為基礎的吸收操作,反應物和產物在催化劑內部的擴散等。有些過程有兩種或兩種以上的傳遞現象同時存在 , 如氣體增減濕等。作為化學工程的學科分支 , 傳遞過程著重研究上述三種傳遞的速率及相互關係,連貫起一些本質類同但表現形式各異的現象。

化工熱力學

  是單元操作和反應工程的理論基礎,研究傳遞過程的方向和極限,提供過程分析和設計所需的有關基礎數據。因此,化學工程的學科分支也可以分兩個層次:單元操作和反應工程較多地直接面向工業實際,傳遞過程和化工熱力學較多地從基礎研究角度,支持前兩個分支。通過這兩個層次使理論和實際得以密切結合。

其他問題

  隨著生產規模的擴大和資源、能源的大量耗用,使得早先並不顯得很重要的問題逐漸突出起來。例如能量利用問題,設計和操作優化問題,在大型生產中都十分重要。由於化工過程中,各個過

化工過程

程單元相互影響,相互制約,因此很有必要將化工過程看作一個綜合系統,並建立起整體優化的概念。於是系統工程這一學科在化學工程中得到了迅速的發展,也取得了明顯的效果,形成了化工系統工程。它是系統工程方法與單元操作和化學反應工程這兩個學科分支相結合的產物。為了保持操作的合理和優化,過程動態特性和控制方法也是化學工程的重要內容。

研究方法

  由於化學工程對象的這些特點,使得解析方法在化學工程研究中往往失效。也從而形成了自己的研究方法(化學工程研究方法),其中有些方法並非首創,而由別的領域移植而來。

早期的研究方法

  化學工程初期的主要方法是經驗放大,通過多層次的、逐級擴大的試驗,探索放大的規律。這種經驗方法耗資大、費時長、效果差,人們一直努力試圖擺脫這種處境。但是時至今日,對於一些特別複雜,人們迄今尚知之甚少的過程,還不得不求助於或部分求助於此法。

20 世紀初的研究方法

因次分析

  相當盛行的是相似論和因次分析,其特點是將影響過程的眾多變數通過相似變換或因次分析歸納成為數較少的無因次數(無量綱)群形式,然後設計模型試驗,求得這些數群的關係。用這兩種方法歸納實驗結果,甚為有效。   對於反應過程,逐級的經驗方法沿用了很長時間。由於不可能在滿足幾何相似和物理量相似的同時滿足化學相似條件,用無因次數群關聯實驗結果以獲得反應過程規律的思路歸於無效。

50 年代以後的研究方法

  直至 50 年代,才在化學反應工程領域中廣泛應用數學模型方法。這一方法的影響波及到化學工程的其他分支,使研究方法出現了一個革新。但即使採用了這個方法 , 實驗工作仍占重要地位 , 基礎數據要依靠實驗測定,模型要通過實驗得到鑒別,模型參數要由實驗求取,模型可靠性要由實驗驗證。   各種化學工程研究方法的基礎是實驗工作,不論採用哪一種研究方法,都應力求使實驗工作有效、可靠和簡易可行。各種理論、各種方法以及電腦的應用,目的都是為使實驗工作更能揭示事物的規律,更為節省時間、人力和費用。在上述方法的應用中,多方面體現了過程分解(將一個複雜過程分解為兩個或幾個較簡單過程),過程簡化(較複雜過程忽略次要因素而以較簡單過程簡化處理)和過程綜合(在分別處理分解了的過程后,再將這些過程綜合為一)的思想

重要作用

  現代工業生產的規模常要求一套裝置的年產量達數十萬噸或更高。這些裝置必然面臨大量的工程問題,而且指標稍有下降,就會帶來很大的經濟損失。科學技術的進步,時時刻刻在創造新的產品和新的工藝。但這些新的產品必須借助工程的手段才能實現工業生產,新的工藝要有經濟和技術的合理性才能取代原有工藝。   上述裝置大型化和新產品、新工藝工業化的問題都屬於化學工程的研究範圍。化學工程在國民經濟中的重要作用是十分明顯的。例如將大量煙氣中硫、氮氧化物等有害組分脫除后再排放,在實驗室達到要求后,進而要在工業規模中實現大量煙氣的凈化,就必須考慮大規模凈化的經濟性和可行性,著眼點與實驗室研究很不相同。又如化工生產中 , 要求十分純凈的產品作為原料 , 如高分子化工中常要求聚合前單體雜質含量是在百萬分之幾 (ppm) 數量級。對於實驗室工作來說 , 這一點並不一定困難,而且小實驗也不要求提純的經濟指標。但是要求大型生產裝置在低消耗和設備簡易可行的條件下做到這一點 , 卻是一個完全不同的課題。這種課題的解決 , 有賴於單元操作的研究。假使在實驗反應器中確定了優選的溫度、濃度和反應時間,獲得了滿意的效果。而在放大過程中,由於流動的不均勻性,物料在反應器中的停留時間(反應時間)出現不均勻,偏離了優選的反應時間。由於反應熱效應,大裝置中因傳熱的限制而出現的溫度不均勻,使反應溫度偏離了優選溫度。溫度的不均勻必然導致濃度的不均勻。這些效應引起大裝置中效率下降,產品成本提高,甚至可能因此失去工業價值而不宜用於生產。這個例子說明化學反應工程研究的作用和意義。   另一個例子是工業生產中為適應各過程的需要,時而需要加熱,時而需要冷卻。在實驗室中能耗指標並不重要,但大生產就必須考慮熱量的合理利用,應盡可能使加熱和冷卻相匹配,盡可能利用低位熱能。如何合理利用熱量,如何合理安排眾多的設備,這一課題,是無法用實驗方法解決的,而是通過化工系統工程的研究解決的。   上述數例說明生產大型化後人們對化學工程知識的緊迫需要。化學工程的成就已能在相當程度上解決這些問題。

發展方向

  化學工程面臨著新的挑戰和新的課題,解決這些新課題的過程,必然使化學工程學科得到發展。它的研究範圍和應用前景已遠遠越過了它原有的含義。   化學工程正向兩個方向發展:一方面隨著學科的成熟,不斷向學科的深度發展;另一方面是不斷向新的領域滲透,研究和解決新領域中的新問題。

學科的縱深方向

學科縱深方向的研究(3張)  為了深入掌握過程的規律,對化學工程中經常遇到的多相物系、高粘度流體和非牛頓型流體的傳遞規律進行深入系統研究。這些研究不但有利於解決傳統研究領域的問題,也有助於了解諸如人體血液流動等新興課題。對反應過程中多重定常穩定態問題的研究,既是反應器設計和操作的需要,也是從另一側面對非線性系統穩定性問題研究所作的貢獻。為了使大型裝置的設計更為迅速可靠,研究了各種物系物性參數、熱力學參數與熱化學參數以及相平衡與化學平衡數據,推動了化工熱力學研究進一步與實際的結合。   在研究方法方面,數學模型方法不斷完善,與之相配合的是,以統計理論和資訊理論為基礎的實驗設計、數據處理、模型的篩選和鑒別以及模型參數估計等方法。為了進行過程的模擬及多方案計算,發展了多種電腦模擬系統,建立了模型庫和資料庫,並從定態模擬發展到為過程式控制制所需要的動態模擬。

向新領域的滲透

  這是客觀需要,也是學科發展的動力。在歷史上,化學工程就在各種新過程的開發和優化,在無機化工和石油化工等裝置大型化的推動下得到發展,如大型徑向固定床反應器和催化裂化用流化床反應器的開發技術。在解決石油加工中多組分反應物系處理方法時,發展了集總動力學處理方法,這一方法反過來又可用於處理生物反應過程。在向材料工業滲透過程中,出現了將化學反應工程原理用於聚合過程的聚合反應工程,對於高粘物系傳遞特性的研究則有了實際應用的課題。隨著生物技術的進展 , 出現了生物化學工程 , 以解決生物反應器生物製劑分離等問題,如超過濾技術等。能源短缺的情況,使人們重視低溫熱源的利用,出現了新型換熱器。為了保護環境,也為了開發海洋資源,要求研究低濃度混合物的分離技術,於是出現了新的分離技術,如膜分離、泡沫分離等。用化學工程的觀點和方法,研究人體內的生理過程,如藥物在人體中的擴散,以及研究人工臟器等,形成了生物醫學工程這一新的研究領域。為了探索在離心力場、電場、磁場等作用下的過程規律,出現了場致化學工程。化學工程的原理甚至被應用於研究高純電子器件的製備,噴氣技術等等方面。也就是說,在化工生產領域之外,凡是存在反應過程或傳遞過程並值得重視的場合,幾乎都可以找到化學工程的用武之地。這一認識反映了當今化學工程的概貌。

培養目標

  使畢業生適應國家經濟與科技發展的需求,成為具備寬厚的理論基礎知識,通曉化工生產技術的專業原理、專業技能與研究方法,能夠從事過程工業領域的產品研製與開發、裝置設計、生產過程的控制以及企業經營管理等方面工作的高素質科技人才。

基本要求

  學生將系統地學習本專業必須的基礎理論和工程技術知識,特別是以下方面的知識:   (1)無機化學、有機化學、物理化學的基礎理論與實驗;   (2)化工原理、化工熱力學、化學反應工程、分離工程、化工生產工藝與設備的基礎理論與實驗;   (3)化工技術經濟分析和生產運行管理;   (4)研究與開發新產品、新設備和新工藝的初步能力等。   本專業畢業生的基本要求是:   (1)具有高度社會責任感和良好道德修養,具有為祖國現代化建設服務的思想;   (2)具有良好的文化素質;   (3)具有強健的體魄與健康心理素質;   (4)具有較強的自學能力、表達交往能力以及處理工程實際問題的能力;   (5)系統地掌握化學工程與工藝的基礎理論與專業知識,能夠結合化工生產的社會經濟目標,從事研究、開發、設計、生產與企業管理等工作;   (6)富有求實精神創新精神、合作精神和應變能力,具有一定的國際交往能力;   (7)熟練掌握一門外國語,通過國家外語四級考試;   (8)具備使用電腦的基本技能。

主要課程

  有機化學、物理化學、化工原理、化學反應工程、化工機械、精細有機合成原理等。

就業方向

  在化工、煉油、冶金、能源、輕工、醫藥、環保和軍工等部門從事工程設計、技術開發、生產技術管理和科學研究等方面工作。[1]