赵立伟-化学工程课件

化学工程概论-赵立伟教授欢迎来到化学工程的世界！本课件由赵立伟教授倾力打造，旨在为各位同学提供全面、深入的化学工程学科知识。我们将从化学工程的定义、发展历程，到核心课程、实验技能，再到前沿应用和未来趋势，带领大家领略化学工程的魅力。希望通过本课程的学习，同学们能对化学工程有一个清晰而深刻的认识，为未来的学习和职业发展奠定坚实的基础。化学工程的定义和范围化学工程是一门运用数学、物理学和化学等基础科学原理，结合工程学的知识，研究化学工业及其他过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程，并进行工艺、设备、工程设计、优化和控制的工程学科。简而言之，化学工程是连接实验室研究和工业生产的桥梁，是将化学发现转化为实际应用的关键。其范围广泛，涵盖石油化工、精细化工、生物化工、材料化工、能源化工、制药工程、食品工程、环保工程等众多领域。化学工程师在这些领域中发挥着至关重要的作用，推动着技术的进步和产业的发展。化工生产工艺设计、优化化工产品的生产过程，如合成氨、硫酸等。化工设备设计设计、制造满足生产需求的化工设备，如反应器、分离器等。化工过程控制运用自动化技术，实现化工生产过程的精确控制。化学工程的发展历程化学工程的发展与工业革命紧密相连。19世纪末，随着化学工业的兴起，人们逐渐认识到需要一门专门的学科来解决化工生产中的问题。1888年，美国麻省理工学院（MIT）首次开设了化学工程课程，标志着化学工程学科的正式诞生。20世纪初，单元操作理论的提出为化学工程奠定了理论基础。此后，随着石油化工、合成纤维等新兴工业的快速发展，化学工程也迎来了蓬勃发展期。如今，化学工程已成为一门成熟的工程学科，并在不断地创新和发展。11888MIT开设化学工程课程220世纪初单元操作理论提出320世纪中叶石油化工快速发展4至今不断创新和发展化学工程专业的培养目标化学工程专业的培养目标是培养具备化学工程及相关工程领域扎实的基础理论知识和实践技能，能在化工、炼油、冶金、能源、环保、生物医药、食品等部门从事工程设计、技术开发、生产运行与管理、科学研究等方面工作的高级工程技术人才。具体而言，培养学生应具备以下能力：掌握化学工程的基本原理和方法；具备化工过程设计、设备设计和工程设计的初步能力；具备对化工生产过程进行优化、控制和管理的能力；具备一定的科学研究和技术开发能力；具备良好的职业道德和团队合作精神。1基础理论知识掌握化学工程的基本原理和方法。2工程设计能力具备化工过程设计、设备设计和工程设计的初步能力。3优化控制能力具备对化工生产过程进行优化、控制和管理的能力。化学工程专业的学科体系化学工程专业的学科体系主要包括以下几个方面：化学基础、工程基础、化学工程核心课程和专业选修课程。化学基础主要包括无机化学、有机化学、物理化学等；工程基础主要包括工程数学、工程力学、电工电子学等；化学工程核心课程主要包括化工原理、化学反应工程、分离工程、化工热力学等；专业选修课程则根据不同的专业方向进行选择。这些课程相互关联、相互支撑，共同构成了化学工程专业的完整学科体系。通过系统学习这些课程，学生可以掌握化学工程的基本理论和方法，为未来的学习和工作打下坚实的基础。化学基础无机化学、有机化学、物理化学工程基础工程数学、工程力学、电工电子学核心课程化工原理、化学反应工程、分离工程化学工程专业的发展前景随着经济的不断发展和科技的不断进步，化学工程专业的发展前景十分广阔。在传统化工领域，化学工程师可以从事生产运行、技术改造、工程设计等方面的工作；在新兴领域，如新能源、新材料、生物医药、环保等，化学工程师也发挥着越来越重要的作用。此外，化学工程师还可以从事科学研究、技术开发、管理咨询等方面的工作。总之，化学工程专业是一个具有广阔发展前景的专业。只要同学们努力学习，掌握扎实的基础知识和实践技能，就一定能在未来的职业生涯中取得成功。传统化工生产运行、技术改造、工程设计新兴领域新能源、新材料、生物医药、环保科学研究科学研究、技术开发化学工程专业的主要课程化学工程专业的主要课程包括：化工原理、化学反应工程、分离工程、化工热力学、传递过程原理、化工过程分析与合成、化工设备设计、化工过程控制等。这些课程是化学工程专业的骨干课程，涵盖了化学工程的基本理论和方法。通过学习这些课程，学生可以掌握化工过程的基本规律，具备化工过程设计、设备设计和工程设计的初步能力。此外，学生还需要学习一些专业选修课程，如催化反应工程、生物化工、材料化工、环境化工等，以拓宽知识面，提高专业素养。化工原理流体流动、传热、传质等化学反应工程反应动力学、反应器设计等分离工程蒸馏、吸收、萃取等化学反应工程的基本概念化学反应工程是研究化学反应过程的规律，并应用于反应器设计、优化和控制的工程学科。其基本概念包括：反应速率、反应机理、反应动力学、反应器类型、反应器模型等。反应速率是指单位时间内反应物消耗或产物生成的量；反应机理是指反应发生的具体步骤；反应动力学是研究反应速率与反应物浓度、温度等因素之间的关系；反应器类型包括间歇反应器、连续搅拌釜反应器、活塞流反应器等；反应器模型是描述反应器内物料流动、混合和反应的数学模型。掌握这些基本概念是学习化学反应工程的基础，也是进行反应器设计和优化的关键。反应速率单位时间内的反应量1反应机理反应发生的具体步骤2反应动力学速率与因素关系3反应器类型间歇、连续等4化学反应动力学化学反应动力学是研究化学反应速率与反应条件（如温度、浓度、压力、催化剂等）之间关系的科学。其主要内容包括：反应速率方程、反应级数、活化能、指前因子、反应机理的推导和验证等。反应速率方程是描述反应速率与反应物浓度之间关系的数学表达式；反应级数是指反应速率方程中各反应物浓度的指数之和；活化能是指反应物分子发生有效碰撞所需的最低能量；指前因子是指反应速率方程中的一个常数，与反应物分子的碰撞频率有关；反应机理的推导和验证是化学反应动力学研究的重要内容，通过研究反应机理可以深入了解反应的本质。化学反应动力学是化学反应工程的重要理论基础，对于反应器的设计、优化和控制具有重要意义。速率方程速率与浓度关系反应级数速率方程指数之和活化能有效碰撞所需能量反应速度的影响因素影响化学反应速度的因素有很多，主要包括：反应物浓度、温度、压力、催化剂、反应物的物理状态、溶剂、光照、搅拌等。反应物浓度越高，反应速度越快；温度越高，反应速度越快；压力对气相反应有影响，压力越高，反应速度越快；催化剂可以改变反应的活化能，从而改变反应速度；反应物的物理状态对反应速度有影响，气相反应速度通常比液相反应速度快；溶剂对反应速度有影响，不同的溶剂会影响反应物的溶解度和反应的活化能；光照可以引发某些反应；搅拌可以提高反应物的混合程度，从而提高反应速度。在实际应用中，需要综合考虑各种因素，选择合适的反应条件，以提高反应速度和产物收率。1反应物浓度浓度越高，速度越快2温度温度越高，速度越快3催化剂改变活化能理想反应器模型理想反应器模型是对实际反应器的一种简化和理想化描述，主要包括：间歇反应器（BatchReactor）、连续搅拌釜反应器（ContinuousStirred-TankReactor,CSTR）和活塞流反应器（PlugFlowReactor,PFR）。间歇反应器是指反应物一次性加入反应器，反应过程中没有物料进出；连续搅拌釜反应器是指反应器内物料充分混合，反应物连续进入反应器，产物连续流出；活塞流反应器是指反应物在反应器内呈活塞状流动，没有返混。这些理想反应器模型是反应器设计和分析的基础，通过对理想反应器模型的分析，可以了解实际反应器的行为，并进行优化。间歇反应器一次性加入，无进出连续搅拌釜充分混合，连续进出活塞流活塞状流动，无返混非理想流动模型实际反应器内的流动往往不是理想的，存在返混、短路、沟流等现象。为了更准确地描述实际反应器的行为，需要建立非理想流动模型。常用的非理想流动模型包括：分散模型、串联搅拌釜模型、沟流模型等。分散模型是指将反应器内的流动看作是活塞流和分散的叠加；串联搅拌釜模型是指将反应器看作是由多个连续搅拌釜串联而成；沟流模型是指反应物沿着反应器壁流动，形成沟流。通过对非理想流动模型的研究，可以更好地了解实际反应器的特性，并进行优化设计和操作。分散模型活塞流+分散串联搅拌釜多个搅拌釜串联沟流模型沿壁流动反应器设计的基本原理反应器设计的基本原理包括：物料平衡、能量平衡、动量平衡和反应动力学。物料平衡是指进入反应器的物料量等于流出反应器的物料量加上反应消耗或生成的物料量；能量平衡是指进入反应器的能量等于流出反应器的能量加上反应吸收或放出的能量；动量平衡是指进入反应器的动量等于流出反应器的动量加上反应过程中动量的变化；反应动力学是描述反应速率与反应条件之间关系的科学。在反应器设计中，需要综合考虑这些基本原理，选择合适的反应器类型、反应条件和反应器结构，以满足生产需求。物料平衡进=出+生成/消耗1能量平衡进=出+吸收/放出2动量平衡进=出+变化3反应动力学速率与条件关系4化学反应工程的应用实例化学反应工程在化工、石油化工、制药、环保等领域有着广泛的应用。例如，在合成氨工业中，需要设计合适的反应器，控制反应条件，以提高氨的产率；在石油炼制过程中，需要设计合适的催化裂化反应器，控制反应条件，以提高汽油的产量；在制药工业中，需要设计合适的生物反应器，控制反应条件，以生产药物；在环保领域，需要设计合适的催化氧化反应器，控制反应条件，以去除污染物。这些应用实例充分说明了化学反应工程的重要性，也展示了化学工程师在各个领域所发挥的重要作用。1环保2制药3石油化工4化工分离工程的基本概念分离工程是研究混合物分离方法的工程学科。其基本概念包括：分离原理、分离方法、分离设备、分离过程等。分离原理是指基于混合物各组分物理性质或化学性质的差异进行分离；分离方法包括：蒸馏、吸收、萃取、吸附、过滤、膜分离等；分离设备是指实现分离过程的设备，如蒸馏塔、吸收塔、萃取器、吸附器、过滤器、膜分离器等；分离过程是指从混合物中分离出所需组分的过程。分离工程是化工生产的重要组成部分，对于提高产品纯度、回收有用物质、减少环境污染具有重要意义。1分离过程2分离设备3分离方法4分离原理蒸馏的基本原理蒸馏是利用混合物中各组分沸点的差异进行分离的方法。其基本原理是：当混合物加热到一定温度时，沸点较低的组分先汽化，形成蒸汽，然后将蒸汽冷却凝结，得到富含低沸点组分的馏分，而沸点较高的组分则留在液相中。通过多次蒸馏，可以实现混合物各组分的分离。蒸馏是化工生产中最常用的分离方法之一，广泛应用于石油炼制、精细化工、食品工业等领域。沸点差异利用组分沸点不同汽化凝结低沸点先汽化，再凝结多次蒸馏实现组分分离蒸馏过程的影响因素影响蒸馏过程的因素有很多，主要包括：操作压力、回流比、进料组成、塔板数、塔板效率等。操作压力对组分的沸点有影响，降低操作压力可以降低沸点，有利于分离；回流比是指回流到塔内的液体量与馏出液量之比，回流比越大，分离效果越好，但能耗也越高；进料组成对分离效果有影响，进料中各组分的含量决定了分离的难易程度；塔板数越多，分离效果越好，但设备投资也越高；塔板效率是指实际塔板的分离效果与理想塔板的分离效果之比，塔板效率越高，分离效果越好。在实际应用中，需要综合考虑各种因素，选择合适的蒸馏条件，以实现最佳的分离效果。1操作压力影响组分沸点2回流比影响分离效果和能耗3塔板数影响分离效果和投资蒸馏设备的设计蒸馏设备的设计主要包括：塔径设计、塔高设计、塔板设计、冷凝器设计、再沸器设计等。塔径设计是指确定蒸馏塔的直径，以满足生产能力的需求；塔高设计是指确定蒸馏塔的高度，以满足分离效果的需求；塔板设计是指选择合适的塔板类型，如泡罩塔板、筛板塔板、填料塔板等；冷凝器设计是指设计合适的冷凝器，将蒸汽凝结成液体；再沸器设计是指设计合适的再沸器，将液体汽化成蒸汽。在蒸馏设备设计中，需要综合考虑各种因素，选择合适的设备参数，以实现最佳的分离效果和经济效益。塔径设计满足生产能力塔高设计满足分离效果塔板设计选择合适塔板吸收的基本原理吸收是利用混合气体中各组分溶解度的差异进行分离的方法。其基本原理是：用液体吸收剂与混合气体接触，使气体中溶解度较高的组分溶解在吸收剂中，从而实现气体的分离。吸收过程通常在吸收塔中进行，吸收剂从塔顶进入，气体从塔底进入，两者逆流接触，溶解了所需组分的吸收剂从塔底流出，净化后的气体从塔顶排出。吸收广泛应用于气体净化、气体分离、气体干燥等领域。溶解度差异利用气体溶解度不同液体吸收剂吸收气体组分逆流接触提高吸收效率吸收过程的影响因素影响吸收过程的因素有很多，主要包括：操作压力、操作温度、吸收剂流量、气体流量、吸收剂性质、气体组成等。操作压力越高，气体的溶解度越高，有利于吸收；操作温度越低，气体的溶解度越高，有利于吸收；吸收剂流量越大，吸收能力越强，但能耗也越高；气体流量越大，吸收塔的处理能力越大，但吸收效率会降低；吸收剂性质对吸收效果有重要影响，应选择对所需吸收组分溶解度高的吸收剂；气体组成对吸收效果有影响，气体中各组分的含量决定了吸收的难易程度。在实际应用中，需要综合考虑各种因素，选择合适的吸收条件，以实现最佳的吸收效果。操作压力影响气体溶解度1操作温度影响气体溶解度2吸收剂流量影响吸收能力3气体流量影响处理能力4吸收设备的设计吸收设备的设计主要包括：塔径设计、塔高设计、填料选择、液体分布器设计、气体分布器设计等。塔径设计是指确定吸收塔的直径，以满足处理气体的能力；塔高设计是指确定吸收塔的高度，以满足吸收效率的要求；填料选择是指选择合适的填料类型，如拉西环、鲍尔环、阶梯环等；液体分布器设计是指设计合适的液体分布器，使吸收剂均匀分布在填料表面；气体分布器设计是指设计合适的气体分布器，使气体均匀进入填料层。在吸收设备设计中，需要综合考虑各种因素，选择合适的设备参数，以实现最佳的吸收效果和经济效益。1气体分布器2液体分布器3填料选择4塔高设计5塔径设计干燥的基本原理干燥是利用热能或其他能量，使物料中的水分汽化并转移到周围空气中的过程。其基本原理是：提供热量或其他能量，使物料中的水分汽化；通过空气或其他介质，将汽化的水分带走；维持一定的温度和湿度，使干燥过程持续进行。干燥广泛应用于食品、化工、医药、建材等领域，用于去除物料中的水分，延长保质期，提高产品质量。根据干燥方式的不同，干燥可分为：对流干燥、传导干燥、辐射干燥、真空干燥、冷冻干燥等。1持续进行2带走水分3水分汽化4提供能量干燥过程的影响因素影响干燥过程的因素有很多，主要包括：干燥介质的温度、湿度、流速、物料的性质、干燥设备的类型等。干燥介质的温度越高，干燥速度越快；干燥介质的湿度越低，干燥速度越快；干燥介质的流速越大，干燥速度越快；物料的性质对干燥速度有影响，如物料的含水率、颗粒大小、表面积等；干燥设备的类型对干燥速度和干燥效果有影响，应选择合适的干燥设备。在实际应用中，需要综合考虑各种因素，选择合适的干燥条件，以实现最佳的干燥效果。介质温度温度越高，速度越快介质湿度湿度越低，速度越快介质流速流速越大，速度越快干燥设备的设计干燥设备的设计主要包括：干燥室设计、热源选择、通风系统设计、除尘系统设计等。干燥室设计是指确定干燥室的形状、大小和结构，以满足干燥物料的要求；热源选择是指选择合适的热源，如蒸汽、电、燃气等；通风系统设计是指设计合适的通风系统，将干燥介质送入干燥室，并将含有水分的干燥介质排出；除尘系统设计是指设计合适的除尘系统，去除干燥过程中产生的粉尘，保护环境。在干燥设备设计中，需要综合考虑各种因素，选择合适的设备参数，以实现最佳的干燥效果和经济效益。1干燥室设计形状、大小、结构2热源选择蒸汽、电、燃气3通风系统设计送入和排出介质化学工艺过程的模拟与优化化学工艺过程的模拟是指利用计算机软件，对化学工艺过程进行建模和仿真，以预测过程的行为和性能。化学工艺过程的优化是指通过改变过程的操作条件或设备参数，使过程的性能达到最佳。化学工艺过程的模拟与优化是提高生产效率、降低能耗、减少排放的重要手段。常用的模拟软件有：AspenPlus、ChemCAD、HYSYS等。通过模拟与优化，可以更好地了解工艺过程的特性，并进行改进，提高生产效益。过程模拟预测过程行为过程优化提高过程性能提高效率降低能耗和排放化学工艺过程的控制与安全化学工艺过程的控制是指利用自动化技术，对化学工艺过程进行监控和调节，以保证过程的稳定运行。化学工艺过程的安全是指采取各种措施，防止化学工艺过程发生事故，保护人员和设备的安全。化学工艺过程的控制与安全是化工生产的重要保障，对于提高生产效率、保证产品质量、保护环境具有重要意义。常用的控制系统有：DCS、PLC等。安全第一，预防为主，是化工生产的基本原则。过程控制监控和调节过程安全防止事故发生安全第一预防为主化学工程实验的基本要求化学工程实验是化学工程专业学生必不可少的实践环节，通过实验可以加深对理论知识的理解，掌握实验技能，培养科学思维和解决问题的能力。化学工程实验的基本要求包括：熟悉实验原理、掌握实验方法、遵守实验规程、认真记录实验数据、准确分析实验结果、规范撰写实验报告等。实验前要认真预习实验指导书，了解实验目的、原理、步骤和注意事项；实验中要严格按照实验规程操作，注意安全；实验后要认真整理实验数据，分析实验结果，撰写实验报告。安全是实验的首要原则，要严格遵守实验室安全规定，防止发生事故。熟悉原理了解实验目的1掌握方法严格按规程操作2认真记录整理分析数据3规范报告准确描述结果4化学工程实验的常见仪器化学工程实验的常见仪器包括：反应器、蒸馏塔、吸收塔、萃取器、干燥器、过滤器、离心机、泵、阀门、流量计、温度计、压力计、液位计、pH计等。这些仪器是进行化学工程实验的基础，了解这些仪器的结构、原理和使用方法是进行实验的前提。在实验过程中，要正确使用这些仪器，并注意维护和保养，以保证实验的顺利进行和仪器的使用寿命。掌握仪器的使用方法，是实验成功的关键。1pH计2液位计3压力计4温度计5流量计化学工程实验的注意事项在进行化学工程实验时，需要注意以下事项：安全第一，严格遵守实验室安全规定，防止发生事故；实验前要认真预习实验指导书，了解实验目的、原理、步骤和注意事项；实验中要严格按照实验规程操作，注意安全，避免误操作；实验数据要认真记录，准确可靠；实验结束后要认真整理实验仪器，清洗实验场地，确保实验室的整洁和安全。在实验过程中，要认真观察，勤于思考，及时发现和解决问题。安全、规范、认真，是实验成功的保证。1整理场地2记录数据3规范操作4安全第一化学工程毕业设计的要求化学工程毕业设计是化学工程专业学生完成学业的重要环节，是对学生综合运用所学知识和技能进行工程设计、科学研究和技术开发能力的全面检验。毕业设计的要求包括：选题具有一定的工程实际意义或学术价值；设计方案具有可行性和创新性；设计结果具有一定的实用价值；设计报告撰写规范、逻辑清晰、数据可靠；答辩过程表达清晰、思路流畅、回答问题准确。通过毕业设计，可以提高学生的综合素质，为未来的职业发展奠定基础。选题意义具有实际或学术价值方案可行具有创新性和实用性报告规范逻辑清晰，数据可靠化学工程毕业设计的过程化学工程毕业设计的过程主要包括：选题、查阅文献、制定方案、进行设计、撰写报告、准备答辩等。选题要结合自己的兴趣和特长，选择具有一定挑战性和实用价值的题目；查阅文献要广泛阅读相关文献，了解国内外研究进展和技术水平；制定方案要认真分析问题，提出可行的解决方案；进行设计要运用所学知识和技能，进行计算、绘图、模拟等工作；撰写报告要规范、逻辑清晰、数据可靠；准备答辩要认真总结设计成果，准备回答可能提出的问题。认真完成每个环节，才能顺利完成毕业设计。1选题结合兴趣和特长2查阅文献了解国内外进展3制定方案提出可行解决方案化学工程发展的新趋势化学工程发展的新趋势主要包括：过程强化、绿色化工、生物化工、纳米化工、智能化化工等。过程强化是指通过改变反应器或分离器的结构，提高反应或分离的效率；绿色化工是指采用清洁的生产工艺，减少污染物排放；生物化工是指利用生物技术生产化工产品；纳米化工是指利用纳米材料进行化工生产；智能化化工是指利用人工智能技术对化工过程进行控制和优化。这些新趋势将推动化学工程向更加高效、清洁、可持续的方向发展。过程强化提高反应/分离效率绿色化工清洁生产，减少排放生物化工生物技术生产化学工程在可再生能源领域的应用化学工程在可再生能源领域的应用主要包括：生物质能源、太阳能、风能、地热能等。生物质能源是指利用生物质（如农作物秸秆、林木废弃物等）生产燃料和化学品；太阳能是指利用太阳能进行光伏发电、光热发电和太阳能制氢等；风能是指利用风力发电；地热能是指利用地热进行发电和供热。化学工程师在这些领域可以从事工艺设计、设备设计、工程设计和技术开发等工作。发展可再生能源是解决能源危机、保护环境的重要途径，化学工程将在其中发挥重要作用。生物质能源秸秆、废弃物制燃料太阳能光伏/热发电、制氢风能风力发电化学工程在生物医药领域的应用化学工程在生物医药领域的应用主要包括：生物制药、生物材料、生物反应器等。生物制药是指利用生物技术生产药物；生物材料是指利用生物材料制造医疗器械和植入材料；生物反应器是指用于生物反应的设备。化学工程师在这些领域可以从事工艺设计、设备设计、工程设计和技术开发等工作。生物医药是具有巨大发展潜力的领域，化学工程将在其中发挥重要作用。生物制药生物技术生产药物1生物材料医疗器械和植入材料2生物反应器生物反应设备3化学工程在环境保护领域的应用化学工程在环境保护领域的应用主要包括：废水处理、废气处理、固体废弃物处理等。废水处理是指利用化学、物理和生物方法，去除废水中的污染物；废气处理是指利用化学、物理和生物方法，去除废气中的污染物；固体废弃