演讲-漫谈中美化学工程

1漫谈中美化学工程刘昆21.化学工程专业简介

2.中美化学工程求学个人经历与见闻

3.中美化学工业和化学工程教育比较目录3化学工程专业简介4化学工程的定义研究领域研究方法重要性历史世界化学工程简史中国化学工程简史5何谓化学工程？

化学工程是指研究化学工业（chemicalindustry）和其他过程工业（processindustry）生产中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。这些过程工业包括石油炼制工业、冶金工业、材料工业、食品工业、医药工业和造纸工业等。6化学工程的研究领域

传统化学工程的研究领域单元操作：流体输送、换热（加热和冷却）、蒸馏、吸收、蒸发、萃取、结晶、干燥等（化工原理）传递现象：动量传递、热量传递和质量传递化学反应过程：工程因素对反应动力学的影响（反应器内的返混、反应相内传质和传热、反应相外传质和传热、反应器的稳定性等）化工热力学：化工过程的方向和限度，提供基础数据化工系统工程：从系统的角度考察化工过程，过程的分析、优化与合成7化学工程的研究方法化学工程的研究方法早期研究方法：经验放大。（通过多层次的、逐级扩大的试验，探索放大的规律）20世纪初的研究方法：相似论和因次分析。（将影响过程的众多变量通过相似变换或因次分析归纳成为数目较少的无因次数（无量纲）群形式，然后设计模型试验，求得这些数群的关系）50年代以后的研究方法：数学模型和实验研究相结合的方法。8化学工程的重要性化学工程的重要性：无时不在--“衣”、“食”、“住”、“行”都离不开化学工程。无处不在--农业、工业、军事、环保、医药卫生都离不开化学工程。9化学工程的重要性化学工程的重要性：无时不在--“衣”化学纤维是服装纤维的主体。目前广泛使用的是合成纤维，如涤纶、腈纶、尼龙、氨纶、丙纶等。在皮革方面，由合成高分子材料制造的人造革和仿皮占据了相当的市场。另外，为了使衣服色泽需要经过化学处理和印染。10化学工程的重要性化学工程的重要性：无时不在--“食”2.烹调中使用的盐、酱油、醋、味精和料酒等调味品都是化学品。另外，各种食品添加剂，如甜味剂、防腐剂、香料和色素等都是由化学合成方法或用化学分离方法从天然产物中提取出来的11化学工程的重要性化学工程的重要性：无时不在--“住”建筑中所用的各种材料，如水泥、塑料、涂料等都是化工产品。12化学工程的重要性化学工程的重要性：无时不在--“行” 4.现代交通工具，如汽车的轮胎、汽油、柴油、润滑油、防冻剂也都是化工产品。13化学工程的重要性化学工程的重要性：无处不在--农业化肥、农药、植物生长激素和除草剂等化工产品，不仅可以提高粮食产量，而且也改进了耕作方法。14化学工程的重要性化学工程的重要性：无处不在--工业各种化学工业和过程工业（化工、汽车、炼油、煤转化、天然气转化、冶金、能源、材料、轻工等）以石油加工和煤化工为例，包括石油的炼制和煤炭的综合利用，为工业提供能源和原料。15化学工程的重要性16化学工程的重要性17化学工程的重要性化学工程的重要性：无处不在--国防曼哈顿工程（原子弹），使用膜分离的方法分离铀235和铀238。80%的工作人员是化学工程师。华东理工大学的苏元复教授参与“两弹一星”工作。18化学工程的重要性化学工程的重要性：无处不在--国防导弹的生产，人造卫星的发射都需要很多具有特殊性能的化学品，如高能燃料、高能电池、高敏胶片及耐高温、耐辐射材料都离不开化学。19化学工程的重要性化学工程的重要性：无处不在--环保环境工程中的应用（流体力学CFD应用，传递过程）20化学工程的重要性化学工程的重要性：无处不在--医药制药工业以及缓控释药物制备（各种传递和缓释系统-可生物降解高分子药物微胶囊，Dr.Langer）21化学工程简史化学工业的诞生：法国革命时期（1789）出现的吕布兰（勒布朗）法制碱标志化学工业的诞生。原料:

NaCl，H2SO4浓，C，CaCO3NaCl+H2SO4(浓)→Na2SO4Na2SO4+C→Na2SNa2S+CaCO3→Na2CO3

缺点:难于连续生产，又需浓硫酸作原料，设备腐蚀严重，产品质量不纯，原料利用不充分，价格较贵，所以在投产不久后不敌索尔维法的竞争，而被淘汰(1920)。虽然如此他的制碱法在历史上曾盛行一时，是化学工业发展史的一个里程碑。22化学工程简史

化学工程的萌芽：

19世纪70年代，制碱、硫酸、化肥、煤化工的发展23化学工程简史索尔制碱法（氨碱法）总反应方程式：

NH3+CO2+H2O→NH4HCO32NaHCO3△Na2CO3+H2O+CO2↑（CO2循环使用）NH4Cl又可以与生石灰反应，产生NH3，重新作为原料使用：

2NH4Cl+Ca(OH)2→2NH3↑+CaCl2+2H2O（NH3循环使用）NH4HCO3+NaCl→NaHCO3↓+NH4Cl24化学工程简史硫铁矿为原料生产硫酸

以硫铁矿为原料生产硫酸，主要经历以下三个化学反应：焙烧炉内焙烧

转化器

吸收塔

原料工序炉气净化工序

4FeS2+H2O→2Fe2O3+8SO2+QSO2+1/2O2

→SO3+QSO3+H2O→H2SO4+Q25化学工程简史氮氢合成氨-化学工程之母

以氮气和氢气为原料合成氨，并以此为原料生产尿素。26化学工程简史化学工程概念的提出：1880年英国曼彻斯特的地区制碱业污染检查员GE戴维斯指出：“各种化工生产工艺是由为数不多的基本操作如蒸馏、蒸发、干燥、过滤、吸收和萃取组成的，可以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”。(为什么是蒸馏而非精馏？)27化学工程简史1887-1888年，戴维斯在曼彻斯特工学院开办12个讲座，系统阐述了化学工程的任务、作用和研究对象1901年，出版了《化学工程手册》--世界上第一本阐述各种化工生产过程共性规律的著作GeorgeEdwardsDavis(1850～1907)28化学工程简史化学工程专业的设立：1888年，根据L.M.诺顿教授的提议，麻省理工学院（MIT）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,宾夕法尼亚大学(UPenn,1892)，戴伦大学(Dalton,1894)、密歇根大学(UMichigan,1898)也相继开设了类似的课程。29化学工程简史学科基础的建立1905年WH华克尔在哈佛大学讲授工业化学课程，系统发挥化工原理基本思想1907年华克尔全面修订了化学工程课程计划，更加强调学生的化学训练和工程原理的实际应用30化学工程简史

单元操作概念提出：1915年AD利特尔提出ArthurDehoneLittle(1863～1935)流体流动过程：流体输送、过滤、固体流态化等。传热过程：热传导、蒸发、冷凝等。传质过程：气体吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。热力过程：液化、冷冻等。机械过程：固体输送、粉碎、筛分等。31化学工程简史化学工程师的培养

1920年，在麻省理工学院，化学工程脱离化学系而成为一个独立的系，由W.K.刘易斯任系主任。这年夏天,华克尔、刘易斯和W.H.麦克亚当斯完成了《化工原理》一书的初稿，此书油印后立即用于化工系的教育,后于1923年正式出版。《化工原理》阐述了各种单元操作的物理化学原理，提出了定量计算方法，奠定了化学工程作为一门独立工程学科的基础，影响了此后化学工程师的培养和化学工程的发展。32化学工程简史化学工程师的培养

20世纪20年代，在汽车工业的推动下，石油炼制工业获得很大发展，出现了第一个化学加工过程─热裂化。麻省理工学院培养的第一批化学工程师，在热裂化过程的开发中发挥了很好的作用，推动了单元操作的研究，出版了一批单元操作的著作，如C.S.鲁宾逊的《精馏原理》（1922）和《蒸发》（1926）、刘易斯的《化工计算》(1926)、麦克亚当斯的《热量传递》(1933)、T.K.舍伍德的《吸收和萃取》(1937)相继问世。33化学工程简史化工热力学的诞生

30年代初，麻省理工学院的H.C.韦伯教授等人提出了一种气体临界性质的计算方法。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.道奇教授的第一本取名为《化工热力学》的著作出版，标志着化学工程的一个新的分支学科──化工热力学的诞生。

34化学工程简史第二次世界大战时期的化学工程

重大化工过程开发：碳四馏分的分离、丁苯橡胶的乳液聚合、粗柴油的流态化催化裂化和曼哈顿工程等人们认识到要顺利实现过程放大必须对过程的内在规律有深刻的了解。同时，在单元操作经过二、三十年的研究已有了一定的基础后，反应器的工程放大对化工过程开发的重要性显得更为突出。这些都为战后化学工程的进一步发展指明了方向。35化学工程简史学科体系的形成--“三传一反”概念的形成1913年哈伯-博施合成氨法（德国卡尔斯鲁厄大学）投入生产，这一成功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二氧化硫的催化氧化。1936年发明了用硅铝催化剂进行的粗柴油催化裂化工艺。36化学工程简史通过以上气固相催化反应过程和燃烧过程的研究，发现质量传递和热量传递对反应结果的影响。30年代后期，德国的G.达姆科勒和美国的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的分析。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。37化学工程简史50年代初，许多大学都开始给化工系的学生讲授流体力学，扩散原理等课程，并出现了把三种传递过程加以综合的趋向。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。38化学工程简史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,并制订了这一课程的详细计划。1960年威斯康星大学教授R.B.博德、W.E.斯图尔德和E.N.莱特富特编写《传递现象》正式出版。成为化学工程发展进入“三传一反”的新时期的标志。

39化学工程简史分支学科的综合和深化

化工系统工程的出现：50年代中期，电子计算机开始进入化工领域。在50年代后期出现了第一代化工模拟系统，标志着化工系统工程的产生，这是化学工程在综合方面上的深化。至此，化学工程形成了比较完整的学科体系。传递过程研究和电子计算机的应用给单元操作带来了新的活力。浮阀塔板、舌形塔板、斜孔塔板等新形塔板相继问世，通过设计方法的改进，筛板塔重新获得广泛应用。40化学工程简史反渗透、点渗析、超过滤等膜分离操作和区域熔炼等提纯技术投入了工业应用。液膜分离等新的分离技术开始进行实验室研究。高压过程的普遍采用和传质分离过程设计计算方法的改进，推动了化工热力学关于状态方程和多元气液平衡、液液平衡及相平衡关联方法的研究，提出了一批至今仍获得广泛应用的状态方程(如RK方程,马丁-侯方程)和活度系数方程（如马格勒斯方程、威尔逊方程、NRTL方程）41化学工程简史新兴领域的出现

70年代以来，在单元操作领域里正在形成粉体工程的新分支。在化工热力学研究中，状态方程和相平衡关联依然是活跃的课题，提出了PR方程(1976)、SRK方程(1972)等新状态方程和基于基团贡献原则的UNIFAC方程(1977)等活度系数方程。石油危机与能源危机提出了降低能耗的迫切要求，使过程热力学分析获得了很大的发展。42化学工程简史高分子化工和生物化工的发展推动了非牛顿型流体传递过程特征的研究激光测量、流场显示等新技术开始应用于传递过程的研究。化学反应工程不断向复杂领域扩展，70年代初出现了集总动力学方法和聚合反应工程、电化学反应工程等新分支。化工系统工程开始对系统综合进行探索，80年代初开发了以ASPEN为代表的第三代化工模拟系统。43中国化工简史中国近代化工起步较晚，由晚清洋务运动开始（火药工业）民国时期得到一定的发展（尤其是民国的“黄金十年”，1927-1937）（由火药工业发展到硫酸、纯碱、盐酸、烧碱、化肥、硝酸、制药、火柴、肥皂、皮革、造纸、水泥、玻璃、染料、油漆、橡胶、酒精、煤炭加工等）（侯德榜）44中国化工简史新中国化工1953年-1956年，三年恢复后重点建设前苏联帮助我国设计和建设的156个项目中的吉林、兰州、太原化工区和华北制药厂等10多个新的化工项目1956年，成立化学工业部，为创建和发展化学工业奠定基础从1958年起，自行设计和建设了2000多个中小型合成氨氮肥厂。（吴泾化肥厂等）45中国化工简史1958年-1963年，石油化工从兰州化学工业公司起步，并从日本和西方国家引进多项先进技术1983年，组建中国石油化工总公司。扩建或建设了燕山、齐鲁、大庆、辽阳、扬子、金山等7个特大型石化企业。扩建或新建了洛阳、石家庄、广州、高桥等炼油厂同时，组建了吉化公司，上海轮胎橡胶公司，中国乐凯胶片公司等一批具备相当实力的大型化工企业集团46中国化工简史国营大中型化工企业存在的问题与弊端自改革开放以来，大量国外化工公司和企业（巴斯夫，拜耳，陶氏化学，杜邦，阿托菲纳等等）进入，改变了国内的化工格局。私营化工企业的繁荣与兴起471.化学工程专业简介

2.中美化学工程个人求学经历与见闻

3.中美化学工业和化学工程教育比较48中美化学工程个人

求学经历与见闻49个人简介

1991-1995，本科，华东理工大学，化学工程系，优秀生班

1996-1999，硕士，华东理工大学，化学工程系，联合所， 导师：袁渭康院士

2001-2007，博士，美国弗吉尼亚理工大学(VirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity,VirginiaTech)，化学工程系

(DepartmentofChemicalEngineering)，大分子与界面科学学院

(MacromoleculesandInterfaceInstitute,MII)导师：ErdoganKiran教授

2008-2011，博士后，美国弗吉尼亚联邦大学(VirginiaCommonwealthUniversity)，化学工程与生物科学工程系(DepartmentofChemical&LifeScienceEngineering)，导师：MarkAMcHugh教授501991-2001，本科，硕士，博士（未完成），华东理工大学，化学工程系，优秀生班；联合化学反应工程研究所，导师：袁渭康（中国工程院院士）教育与工作经历-本科，硕士，博士生512001-2007，博士，VirginiaTech，ChemicalEngineering，导师：ErdoganKiran教授(超临界流体杂志创立主编)教育与工作经历-博士52VirginiaPolytechnicInstitute&StateUniversity,Blacksburg,VA53VirginiaPolytechnicInstitute&StateUniversity,Blacksburg,VA54StateofVirginiaBlueridgeparkway55ShenandoahskylinedriveChurchesinBlacksburg,VAStateofVirginia56TheDepartmentofChemicalEngineeringTheDifferencesbetweenDepartmentofChemicalEngineeringinUSandinChinaPolymerCatalystBio-techniqueProcessControlEnvironmentalEngineering5791158PhDAdvisor:Dr.KiranDr.ErdoganKiranProfessorofChemicalEngineeringFormerDepartmentHead

Editor-in-Chief,JournalofSupercriticalFluidsResearcharea:SupercriticalFluidsandHighPressureTechniques

Micro-structuredPolymericMaterials

NaturalandBiodegradableMaterials

59ThePhDThesisResearchWorkMISCIBILITY,VISCOSITY,DENSITY,ANDFORMATIONOFPOLYMERSINHIGH-PRESSUREDENSEFLUIDS60Sixandhalf–yearWorkwithDr.KiranDr.Kiran’sseriousworkingattitudeWorkingamountKeepyoubusyandnervousJokeswithDr.Kiran61TragedyinVirginiaTech（2007-4-16）622008-2011，博士后，VirginiaCommonwealthUniversity，Chemical&LifeScienceEngineering，导师：MarkAMcHugh教授教育与工作经历-博士后63VirginiaCommonwealthUniversity(VCU),Richmond,VA64VirginiaCommonwealthUniversity(VCU),Richmond,VATheNobelPrizeinChemistry2002JohnB.FennCaressaCameronMissAmerica201065TheDepartmentofChemical&LifeScienceEngineeringThedepartmentisrelativelycompacthere.PolymerBio-technique&LifeScience66PostdoctoralResearchAssociateAdvisor:Dr.McHughDr.MarkAMcHughProfessorofChemicalEngineeringExecutiveCommittee,10thInternationalSymposiumonSupercriticalFluids,SanFrancisco,May2012ResearchInterests:PolymersolutionbehaviorathighpressuresScatteringinpolymersolutionsathighpressuresSupercriticalfluidsolventtechnology67NovelAccurateRescueStrategiesUsingNon-pulmonaryOxygenation*Asaemergencymedicinetoprovidetheoxygentohumanbodythatlosespartofitspulmonaryabilityviaeithertheinjectionororaladministration.*SponsoredbyOfficeofNavalResearch(ONR)

Idea

KeyControlledreleaseofoxygen-sourcematerialTechnique

MicroencapsulationOxygensourceHydrogenperoxide(HP)/

Ureahydrogenperoxide(UHP)BarriermaterialPoly(lactic-co-glycolicacid)PLGA68NovelAccurateRescueStrategiesUsingNon-pulmonaryOxygenation–PolymerMicroencapsulation-Solventextractionofsolid/oil/oilsuspensionSEMpictureofthepurePLGA(left),PLGAmicrosphereswithureahydrogenperoxide(UHP)encapsulated(right)69NovelAccurateRescueStrategiesUsingNon-pulmonaryOxygenation–PolymerMicroencapsulation–In-VitroTestTheschematicdiagramofthesetupoftheIn-Vitrotest(left)andthereleasekineticsofthemicrospheres(right).70NovelAccurateRescueStrategiesUsingNon-pulmonaryOxygenation–PolymerMicroencapsulation–Solventevaporationofoil/wateremulsion

Oilphase:PLGA+DCM+PFDWaterphase:WaterSurfactant:Poly(vinylacetate)(PVA)TheSEMpictures(above)andTGAtestresults(right)ofthemicrocapsulesofPLGAwithperfluorodecalinencapsulated71NovelAccurateRescueStrategiesUsingNon-pulmonaryOxygenation–PolymerMicroencapsulation–CParticleFormationfromFreezeDryingofEmulsion72NovelAccurateRescueStrategiesUsingNon-pulmonaryOxygenation–PolymerMicroencapsulation–CParticleFormationfromFreezeDryingofEmulsionThePLGAC-particlespreparedfromthefreezedryingroute73ElectrospinningandElectrosprayinginCarbonDioxide-ExpandedAnti-solvent*

Feature

Electrospinningandelectrosprayingatbothambientandhighpressures.ModelPolymers

Electrospinning：

AmorphousPMMA&Semi-crystallinePVDF &theirBlends

Electrospraying：BiodegradablePLGA*SponsoredbyPhilipMorrisCompany74Electrospinning&ElectrosprayinginCarbonDioxide-ExpandedAnti-Solvent–Apparatus75Electrospinning&ElectrosprayinginCarbonDioxide-ExpandedAnti-Solvent–Electrospinning–Condition:Distance=8.5cm,FlowRate=1ml/hr,Voltage=15Kv15wt%PMMA(350,000)inDMActoCO2,800psi7.5wt%PMMA(350,000)+7.5wt%PVDF(275,000)inDMActoCO2,800psi76Electrospinning&ElectrosprayinginCarbonDioxide-ExpandedAnti-Solvent–Electrospraying–

Condition:Distance=8.5cm,FlowRate=1ml/hr,Voltage=20kVStartingSolution:1wt%PLGAsolutioninacetoneHexane,AmbientPressureCarbonDioxide,800psiCO2-ExpandedHexane400psiCO2-ExpandedHexane800psiCO2-ExpandedHexane1200psi77ExperimentsandModelingofHydrocarbonsatGeologically-relevantConditions**SponsoredbyDepartmentofEnergy,basedon“K.Liu,Y.Wu,M.A.McHugh,HsseenBaled,RobertM.Enick,andBryanD.Morreale,Equationofstatemodelingofhigh-pressure,high-temperaturehydrocarbondensitydata,JournalofSupercriticalFluids55,701-710(2010)”“Y.Wu,B.Bamgbade,K.Liu,M.A.McHugh,H.Baled,R.M.Enick,W.Burgess,D.Tapriyal,B.DMorreale,Experimentalmeasurementsandequationofstatemodelingofliquiddensitiesforlong-chainnalkanesatpressuresto265MPaandtemperaturesto523K,FluidPhaseEquilibria(inpress)”Geologically-relevantConditions:ConditionsfordeepwelloilharvestTemperatureupto250CPressureupto40,000psiPropertiesofImportance:DensityandViscosityReservoirComposition:MixturesofHydrocarbonsandCarbonDioxide78ExperimentsandModelingofHydrocarbonsatGeologically-relevantConditions–InterestingResultsNeitherPR-EOSorPC-SAFTEOSworksw