化工学课程概述ppt课件.ppt

1 化工设计 2 化工设计课程概述 一 课程目的 内容 要求1 目的培养学生综合运用知识的能力 化工原理 热力学 力学 反应及分离工程 帮助学生建立工程的观点 迅速实现从大学生向工程师的转化通过课程的学习 让学生了解一些设计的规范 3 什么是化学工程 化工设计有什么意义 4 1 工程的含义 将作为原料的自然产物或农作物制成生活资料和生产资料的过程 称为工业制造过程 而研究工业制造过程的学科称为工程学 化学工程 研究化学工业制造过程 同时研究此制造 生产 过程的共同规律 摸索最佳的工艺条件 解决规模放大和大型生产中出现的诸多工程技术问题 二 化工设计的含义及其目的意义 5 现代化工过程工程 产品工程 研究 设计并制造各种精细化 个体化及功能化的产品 其GDP已占大化工的79 以上 加大对化工R D的投入 使其获得的附加值大大升高 华为的案例 研发人员46 市场营销人员33 管理人员9 生产人员12 诺基亚等案例 6 化工过程工程 方向 绿色过程工程内容 建立和定量分析整个工厂的工艺流程的全部工作内容 要求 技术可行 经济合理 安全 环境友好 易于操作 分为 过程开发 过程设计和过程改善三部分 过程开发是过程的概念设计及研究的定向评价 过程设计是针对应用领域 如工艺流程的选择 物料和热量计算 投资成本估算等 过程改善是过程分析 优化操作策略 我们国家化工的现状 7 一 绿色化学的重要性 从科学观点看 化学科学基础的创新从环境观点看 从源头上消除污染从经济观点看 合理利用资源和能源 降低生产成本 符合经济和社会可持续发展的要求 绿色化学与工程准则 迄今为止 化学工业的绝大多数工艺都是20多年前开发的 近年来 由于化学工业向大气 水和土壤等排放了大量有毒 有害的物质 1992年 美国化学工业用于环保的费用为1150亿美元 清理已污染地区花去7000亿美元 1996年美国Dupont公司的化学品销售总额为180亿美元 环保费用为10亿美元 所以从环保 经济和社会的要求看化学工业不能再承担使用和产生有毒 有害物质的费用 需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学 8 各国政府推动绿色化学的措施 美国 2000年 美国化学会出版了第一本绿色化学教科书 绿色化学化工作为应对21世纪挑战的关键技术与基础 已成为21世纪世界科技研究前沿热点 1995年美国副总统Gore宣布了国家环境技术战略 其目标为 至2020年地球日时 将废弃物减少40 50 每套装置消耗原材料减少20一25 宣布设立 总统绿色化学挑战奖 1990年美国颁布了 污染防治条例 将污染的防治定为国策 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 9 例 2012年的各项得奖情况 1 更绿色合成路线奖 GreenerSyntheticPathwaysAward更绿色合成路线奖由Codexis公司 Codexis Inc 因开发更有效的生物催化剂LovD生产辛伐他汀 Simvastatin 而荣获 2 更绿色反应条件奖 GreenerReactionConditionsAward Cytec工业公司 CytecIndustriesInc 因研发MAXHTA拜耳法方钠石积垢抑制剂而荣获2012年更绿色反应条件奖 传统制备辛伐他汀工艺理论产量少于70 还需要用大量有毒有害的试剂 辛伐他汀铵盐的最终产率超过97 避免了使用原工艺中数种有害化学品 由铝矿制氧化铝时 副产物方钠石积垢在换热器和管道里 10 3设计更绿色化学品奖 DesigningGreenerChemicalsAward 2012年的该奖项由Buckman国际公司 Buckmannternational Inc 获得 以表彰该公司用酶制剂来降低生产高品质纸和纸板的能耗和木质纤维用量 4小企业奖 SmallBusinessAward Elevance可再生科学公司 ElevanceRenewableSciences Inc 因采用了获得诺贝尔奖的催化技术来裂解原油 并高效合成新的绿色化学品而荣获2012年小企业奖 Buckman的Maximyze 技术包含了新的纤维素酶以及一些由天然资源和产物发酵产生的组合酶 在打浆度相同时 经Maximyze 酶处理的木质纤维具有更多的氢键作用 使得纸和纸板的强度和品质得以改善 11 5学术奖 AcademicAward 2012年有两个并列的学术奖得主 他们是斯坦福大学的Waymouth教授 IBM的Almaden研究中心的Hedrick博士以及康奈尔大学的Coates教授 康奈尔大学的Coates教授 传统合成聚酯以及其它通用塑料所必须使用的是金属引发剂 在塑料当中会残留 从而影响人体健康与环境质量 Waymouth教授和edrick博士研发了一类高活性 环境友好的 可生物降解的 高效 无毒有机引发剂 用于多种官能团的有机物高分子合成 Coates教授的创新是利用CO2 CO 植物油和乳酸等便宜 可再生物质合成塑料 Coates教授开发了高活性和高选择性的催化剂 用于CO2与环氧化合物共聚生成高性能的聚碳酸酯 12 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 2000年设立 JerwoodSalters环境奖 德国1991年制订 为环境而研究的计划 荷兰制订 清洁生产手册 澳大利亚也创建了绿色化学期刊 日本 制订 21世纪重建绿色地球 的新阳光计划 设立 为地球创新技术的研究院 欧盟各国 各国政府推动绿色化学的措施 13 1995年中国科学院化学部组织了 绿色化学与技术 推进化工生产可持续发展的途径 院士咨询活动1997年国家自然科学基金委 九五 重大项目 环境友好石油化工催化化学与反应工程1997年5月 香山科学会议第72次学术研讨会 可持续发展问题对科学的挑战 绿色化学1998年合肥第一届国际绿色化学高级研讨1999年北京第16次九华山科学论坛 绿色化学的基本科学问题 2000年科技部 国家重点基础研究发展规划项目 立项 石油炼制和基本有机化学品合成的绿色化学 各国政府推动绿色化学的措施 中国 制订了 科教兴国 和可持续发展策略 并于1993年世界环境和发展大会之后 编制了 中国21世纪议程 郑重声明走可持续发展道路的决心 14 绿色化学的原子经济性和原则 3R原则 即减量化 reducing 再利用 reusing 再循环 recycling 15 乙烯 H2C CHCl 直接氯化H2C CH2 Cl2ClH2C CH2ClClH2C CH2ClH2C CHCl HCl Cl2 乙烯 氧氯化HCl H2C CH2 1 2O2H2C CHCl H2O H2C CHCl HCl 氯乙烯的生产 Cl2原子经济率50 16 1 预防 prevention 防止废物产生优于废物产生后再处理或清理2 原子经济性 atomeconomy 应设计合成方法使其能把反应过程中利用的所有材料尽可能多地转化到最终产物中3 低毒化学合成 iesshazardouschemicalsynthesis 只要可行 应设计合成方法使其利用和产生的物质对人类健康和环境无毒性或很低毒性 4 设计安全化学品 designingsaferchemicals 应设计化工产品使其保留功效 但降低毒性5 安全的溶剂和助剂 atersolventsandauxiliaries 应尽可能避免使用辅助物质 如溶剂 分离剂 如用时应是无毒的6 能量效率设计 designforenergyefficiency 应考虑到能源消耗对环境和经济的影响 并应尽量少地使用能源 如有可能合成应在常温和常压下进行 化工生产应遵循 绿色化学12条原则 17 7 使用可再生原料 userenewablefeedstocks 只要技术和经济上可行 原料应是可再生的 而不是将耗竭的8 减少衍生物 reducederivatives 应尽可能避免不必要的衍生化 阻断基团 保护 脱保护 物理和化学过程的暂时修饰 因为这些步骤需要添加试剂并可能产生废物9 催化 catalysis 催化试剂 有尽可能好的选择性 优于化学计量试剂10 降解设计 designfordegradation 应设计化工产品使其在完成使命后不在环境中久留 并降解为无毒的物质11 防止污染的快速分析 real timeanalysisforpollutionprevention 分析方法须进一步发展 以能够进行即时的和在线的跟踪及控制有害物质的生成12 本身安全 能防止意外事故的化学 在化学转换过程中 所用的物质和物质的形态应尽可能地降低发生化学事故的可能性 包括 泄漏 爆炸 和火灾 18 绿色产业发展的三个阶段 第三个阶段 生态化产业园区 19 丹麦的卡伦堡 Kalunborg 生态工业园区 丹麦Kalundborg的工业网络图 20 美国部分生态工业园区 21 加拿大部分生态工业园区 22 客观需要主观实现科技成果生产力样品产品 桥梁 工具 必经之路 例子 工业革命 橡胶 设计的含义 指设计师有目标有计划的进行技术性的创作活动 设计的任务不只是为生活和商业服务 同时也伴有艺术性的创作 2化工设计的目的 意义 设计工作是富有创意 具挑战性的工作 23 工厂建成投产 设计生产流程 研究可行性 化工设计 化学反应或流程 进行工厂布局设计 化工过程设计的基本目标 确定最佳的流程与设备单元及其间的最佳组合 寻找最佳的操作条件 在此条件下 能使产品以最低成本 达到希望的产率 同时还要考虑安全与环保 24 三 化工设计的内容和特点 化工设计的三种设计类型 新建工厂设计 原有工厂的改建以及车间 厂房的局部修建设计 对于新建项目 又可分为工程设计 复用设计和因地制宜设计 25 化工设计的特点P2 政策性强技术性强经济性强综合性强 26 实验室混酸配制示意图 四设计人员应具有的基本素养1具有丰富的工程经验 计量罐 产品罐 请同学进一步完善此工艺流程 设计工作是最富有创意 最具挑战性的工作 29 2具有扎实的化工基础理论知识 例1 精馏顺序 C2H4 C6H6 C6H5C2H5此反应特点 乙烯易使催化剂结焦失活 例2 反应原料比 31 例如环氧乙烷水合制乙二醇 反应式如下C2H4O H2O HO C2H4 OHEO MEG DEG采用反应精馏可提高反应的选择性 此反应速率较慢 需一定的持