化工设计

绪论 化学工程是研究化学工业和其他过程工业（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。这些工业包括石油炼制工业、冶金工业、建筑材料工业、食品工业、造纸工业等。化学工程在发展过程中，同时也被其他过程工业的研究与开发人员用于其他各种过程工业，使化学工程事实上发展为过程工程或提升至过程工程。化学工程的基本理论和方法正逐步向各个领域渗透，目前已覆盖了所有物质的物理和化学加工工艺，过程工程是这一趋势的正确表达。过程工程学科涵盖化学工程、冶金工程、热能工程、材料工程、生物工程、环境工程等子学科，这些子学科以其与化学反应密切相关为共同特征，因此可以说过程工程是以化学工程为基础的学科。 0.1 过程工程的基本概念 过程工程是指化工、炼油、冶金、能源、建材、医药、日化等多种工艺过程中有共性的工程技术。它包括了每个国家的大部分重工业，这类工业有下列特点：①工业生产使用的原料基本上为自然资源；②产品主要用作产品生产工业的原料；③基本为连续化的生产操作；④在生产过程中原料发生了物理变化、化学变化；⑤产量的增加依据生产规模的放大来实现；⑥对环境易产生较严重的污染，需发展绿色的生产过程来解决污染问题。 过程工业依据生产方式、扩大生产的方法以及生产时物质所经受的主要变化来分类，它是一个国家发展生产、增强国防力量的基础。过程工业的发展需要现代技术的支持和大量的投资。 过程工业中进行的各种化学、物理过程往往在密闭状态下连续进行，它遍及几乎所有现代工业生产领域。每一过程工业需从原理上研究如何提高效率、降低投资费用和操作成本等。需要从原理上改进设备，提高生产力，并从不断创新的角度，发展新的生产过程，使过程不产生污染，并使其符合可持续发展的基本原则。过程工程的学科理论基础是共同的泛化学工业，是在化学和物理学基本原理指导下高度交叉发展而形成的产业。它们共同的核心研究内容是：①物质流的传递与转化过程；②能量流的传递与转化过程；③信息流的传递与集成过程。以上三者之间的交互作用促进了过程工程的发展，也进一步说明过程工程中技术是相通的和可共享的。 与过程工业相对应的为产品（生产）工业，是设计或革新人们所需要的有用产品的过程。其主要步骤包括定位产品的功能、确认产品功能与其化学组成或空间构成的内在关系、设计或改进产品。例如，生产电视机、汽车、飞机、空调等的工业，这类工业的产品大都可为人们直接使用，关系到人们生活水平的高低，该类工业的特点是：①使用的原料基本上为过程工业的相关产品；②产品可直接为人们所使用；③生产过程基本上为非连续化过程；④主要为物理加工和机械加工过程；⑤以增建生产线或改进生产线来增加产品量；⑥污染较过程工业轻，一般可采用较成熟的技术改善和治理。 0.2 过程工程的学识基础 以化学工程为代表的过程工程学原理起源于众多过程工艺中共性操作的归类和归纳。过程工程学已经走过了一百多年的历史：以1901年G.E.Davis出版的《化学工程手册》为标志的过程工程学研究过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程的共同规律。 1915年，美国化学学会会长和化学工程师协会会长A.D.Little博士提出了“单元操作”的概念，并首先阐明了研究各种“单元操作”的基本原则，许多学者认为这是过程工程学发展的**个里程碑。1958年，R.B.Bird等的《传递过程原理》一书，将“单元操作”中的共性规律总结为质量、热量和动量传递，并更多地引入物理和数学工具进行定量分析与推理研究，使过程工程学在理论上更趋成熟。几乎在同一时间，荷兰的van Krevelen教授在前人研究的基础上明确提出“化学反应工程学”（一反），来研究化工过程中带有化学反应时的变化过程，这使化学工程学成为一门更全面的学科，被称为“三传一反”过程。将以物理过程为主的传递过程（三传）与化学反应（一反）相结合，形成了“化学反应工程”。一般将欧洲**次化学反应工程会议（1957年）视为过程工程学发展的第二个里程碑。 郭慕孙先生则把当代化学工程的学识基础形象地归纳为“三传一反+X”。他认为“X包括那些不一定如‘三传一反’那样重要和预计将来会出现的内涵”，并认为“化学工程目前覆盖了所有物质的物理和化学加工工艺，可称为过程工程”。人类社会的发展不断给过程工程提出新问题，当今能源和资源的大量消耗、全球变暖、环境污染已严重制约人类社会的可持续发展，节能、降耗、减排已成为时代的要求，于是过程工程的绿色化和集约化成为学术界关注的热点，与此相关的具有代表地位的研究成果也可能成为X的具体内容。 目前，“三传一反”研究必将进一步深入到介观尺度、微观尺度范畴，涉及结构、界面与多尺度问题。传统的宏观平均方法将不均匀结构拟均匀化导致预测偏差和工程放大困难，需要用多尺度方法取代。结构、界面和多尺度问题有可能成为学术界研究的焦点。与结构、界面、多尺度、绿色化和集约化相关的具有代表地位的研究成果（新理论、新原理、新方法）可能成为过程工程科学基础的新内涵。 0.3 过程工程的发展 0.3.1 化学工程科学体系在进一步完善与更新 科学研究和工业实践是建立并检验知识体系的基础，而科学概念的抽提则是发展知识体系的基本手段。Giddings教授曾试图从“场”和“流”的观点出发来建立统一的分离科学，以广义方法描述化工过程。袁乃驹教授等拓展了“场”和“流”的概念，将“场”定义为能够产生空间化学势差异的推动力，如温度场、重力场、电场、磁场和超声场等，而“流”是在“场”作用下产生的穿过空间指定界面的物流和能量流，并将其应用于描述和分析化工反应与分离过程。其研究结果表明，现有的化工反应和分离过程均可以表示若干类“场”和“流”的组合，可以用形式类似的数学方程来描述，其过程能否连续、分离与反应过程的深度是由“场”与“流”结合方式和“场”的相对强度所决定的，多“场”过程是提高化工反应转化率或专一性或分类过程精度的重要方式。事实上，“过程耦合”及“外场强化”是化工反应或分离新过程和新技术研究中*为活跃的内容之一。 作为与“单元操作”和“三传一反”具有延续性的发展，金涌院士提出以“物质的传递与转化”、“能量的传递与转化”及“信息的传递和转化”，即“三传三转”来描述今天的化学工程学科体系结构，因为能量传递与动量传递本质上是一致的，而信息传递则遵循不同的法则。 0.3.2 物质转化过程的多尺度结构与时空尺度迅速扩展 现代化工*重要的特征之一是时空尺度的迅速扩展，从原子尺度下的原子、分子自组装过程，到考虑到全球环境变化的生态过程，其时空跨度达十余个数量级。 科学研究实践表明对化工过程更深层次的理解要求不断缩小研究空间尺度，从设备的宏观尺度到多相流液滴、气泡、颗粒（团簇）的介观尺度，再深入到胶束、纳米聚团、相界面的亚微观尺度和分子组装、超分子化学合成的分子尺度。在时间特性上，除了研究各类参数的时均值的分布规律外，还要研究其在时域内的混沌行为。此外，为使不同的化工过程实现集成和优化，则需不断扩大研究的时空尺度。 1.物质转化过程的多尺度结构 多数物质的转化过程都具有非均匀结构、多态和突变等复杂系统的特征。物质转化过程中复杂系统的研究成为过程工程科学的重要前沿。在复杂的过程系统中，许多现象以不同层次出现，层次可用时间和空间尺度来标定。工艺过程及其设备的设计、操作、控制为宏观尺度，但有关的物理、化学现象为微观尺度。为达到更好地设计、操作、控制工艺过程及其设备的目的，要在宏观与微观之间寻找有关的中间尺度的现象，如此可以分割难题，然后既按不同尺度的层次分别研究，又在综合层次进行跨尺度研究。在这样的研究中，需引进有关的新知识，研究方法和手段也将出现新的变化。许多学者将时空多尺度结构及其效应的认识和研究誉为继“单元操作”和“化学反应工程”之后的新的里程碑。 物质转化的基本层次是原子和分子，但实现物质转化却要涉及从原子、分子到大规模工业装置（乃至整个工厂，甚至涉及大气、河流等环境因素）之间不同尺度的化学和物理过程。许多复杂现象发生在若干主要的特征尺度上，对过程控制作用的各种机理也只在某些特征尺度上发挥作用。 多尺度特征在物质转化中的重要性主要体现在以下两个方面：①任何一个微观反应过程，必须经过各种尺度的调控才能在设备尺度上达到理想的转化率和选择性，才能在工厂尺度输出合格廉价产品的同时对环境产生*小的负面效应；②对反应过程的任何调控一般都在设备尺度实施，然后通过多尺度过程将这一调控的作用传递到微观尺度水平上，才能对反应过程施加影响。 2.时空多尺度结构的概念 尺度指的是表达数据的空间范围的大小和时间的长短，是数据的重要特征。不同尺度所表达的信息密度有很大的差异。观测尺度变化得到的结果在某一尺度下会发生实质性的改变。这种特征尺度发生质变的系统可称为多尺度系统。时空多尺度可分为空间多尺度和时间多尺度。 1）空间多尺度 在复杂科学和物质多样性研究中，尺度效应至关重要。尺度不同常会引起主要相互作用的改变，导致物质性能或运动规律产生质的差别。尺度效应本质上是控制机理的转变。在自然界和工程技术界，空间多尺度结构是客观存在的。法国Villermaux于1996年将空间尺度大致分为：纳米尺度———分子过程，活性中心；微观尺度———颗粒，液滴，气泡，涡流 ；介观尺度———反应器，换热器，分离装置，泵；宏观尺度———生产单位，工厂；巨尺度———环境，大气，海洋，土壤。 2）时间多尺度 时间可用秒来度量，更大的有分钟、小时、日、月、年，以至年代、世纪、地球冰河出现周期、太阳系绕银河系运动周期、宇宙的生命周期；更小的有毫秒、微秒、纳秒、皮秒、飞秒、渺秒等。 可用两种方法来理解时间多尺度：一是时间尺度针对具体过程，不同的过程有不同的时间尺度，故时间多尺度可理解为多过程。因此，多尺度研究方法可理解为过程的分解和综合的方法，每一过程都有不同的时间尺度。二是对于同一过程，在一定的意义上有特定的时间尺度。此时多尺度的研究方法可理解为人为改变过程的时间尺度，用新的时间尺度对过程进行研究。过程工程中常见的两类技术，即强制时变和优化控制，就是时间多尺度方法的典型体现。 0.3.3 过程工程的绿色化 21世纪人类社会的进步已进入了可持续发展的阶段，其科学与技术基础是绿色化学工程，生态工业园区的建立是今后世界工业社区发展的理想模式。化学工程作为为人类提供物质基础的科学必须更加关注自然、环境和生态效应，必须快速发展更加绿色（环境和生态友好）和更加高效（原子经济性）的分子科学与过程工程学。 过程工程绿色化是综合利用环境与资源、材料、能源、生化工程与计算信息学等多学科的知识，研究物质转化过程绿色化的综合性科学与工程。*广为认可的绿色化工定义是“能够减少或去除危险物质使用和产生的化工产品的设计和工艺”。美国环境保护局（EPA）公布了支持绿色化工的12项原则，这12项原则*初是在1998年由绿色化学的先行者———耶鲁大学绿色化学和绿色工程中心主管P.Anastas提出的。Anastas提出的绿色化学12项原则包括：①防止污染优于污染形成后处理；②*大限度地利用资源，尽可能将所有原料转化成产品；③尽可能只使用与生产对人类健康和环境无毒或低毒的物质；④设计化学品时，应在保持其功效的同时，尽量降低其毒性；⑤尽可能不使用助剂（溶剂、萃取剂、表面活性剂等），必须时只使用无毒物质；⑥考虑能耗对环境及经济的影响，尽量减少能量使用；⑦在技术和经济可行的条件下，*大限度地使用可再生原料；⑧尽量避免不必要的衍生步骤；⑨催化剂优于化学计量物质；⑩化学品应该设计成废弃后易降解为无害物质；分析方法应能实时在线监测，在有害物质形成前予以控制；选择化学事故（泄漏、爆炸、火灾）隐患*小的物质。 随着向单一环境介质中排放量的减