化工熱點(diǎn)問(wèn)題討論課2011

1、化學(xué)工程中的熱點(diǎn)問(wèn)題 Hotspots in Chemical Engineering 浙江大學(xué)化學(xué)工程系 李 希,觀點(diǎn)討論,1教師簡(jiǎn)介——李希（教授，博士生導(dǎo)師）研究方向：多相體系化學(xué)反應(yīng)工程化工過(guò)程數(shù)學(xué)模擬化工流體力學(xué)辦公地址：玉泉校區(qū)教十5024電 話： 87952210，13588012101 Email ： lixi@zju.

2、edu.cn,教學(xué)ppt下載地址 FTP：10.13.34.100用戶名：CE密 碼：CE,1. 化學(xué)工程——是干什么的？2. 環(huán)境問(wèn)題——CO2往哪里去？3. 能源問(wèn)題——遠(yuǎn)水還是近渴？4. 資源問(wèn)題——煤制燃料還是煤制材料？,以下將要闡述的問(wèn)題——,1. 化學(xué)工程——它是干什么的？定義、方法論、學(xué)科領(lǐng)域,以下將要闡述的問(wèn)題——,什么是化學(xué)工程？,1化學(xué)工程——什么是化學(xué)工程 ？Che

3、mical Engineering化工與化學(xué)區(qū)別在哪里 ？化工與物理有什么聯(lián)系 ？化工的研究對(duì)象是什么 ？化工解決什么問(wèn)題 ？化工有什么特有的方法 ？,1化學(xué)工程——Chemical engineering is the branch of engineering that deals with the application of physical science (e.g. chemistry a

4、nd physics), with mathematics, to the process of converting raw materials or chemicals into more useful or valuable forms…… Chemical engineering are for the most economical process.—— Wikipedia,什么是化學(xué)工程？,1化學(xué)工程—— C

5、hemical Engineering 定義 研究工業(yè)規(guī)模的物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律及技術(shù)手段 研究對(duì)象質(zhì)量傳遞 動(dòng)量傳遞 能量傳遞化學(xué)反應(yīng)過(guò)程 解決的問(wèn)題裝置放大過(guò)程設(shè)計(jì),什么是化學(xué)工程？,什么是化學(xué)工程？,1化學(xué)工程——進(jìn)一步的問(wèn)題化工與化學(xué)區(qū)別在哪里 ？為什么要研究“三傳”和“一反” ？放大 ( Scale Up ) 是怎么一回事 ？,放大是怎么回事？放大是自然界的普遍現(xiàn)象尺寸效應(yīng)的理解示例——

6、買西瓜為什么要挑大的？ 小鍋菜為什么比大鍋菜好吃？運(yùn)動(dòng)員比賽為什么要按體重分級(jí)？,什么是化學(xué)工程？,尺寸效應(yīng)的理解示例——南方人為什么瘦小、北方人為什么高大？冷地方的動(dòng)物為什么更胖？大飛機(jī)省油還是小飛機(jī)省油？,什么是化學(xué)工程？,思考題 伽利略400多年前在比薩斜塔上的落球?qū)嶒?yàn)是近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的標(biāo)志，如果將鉛球改成塑料泡沫球結(jié)果會(huì)一樣嗎？大球先落地還是小球先落地？為什么？,什么是化學(xué)工程？,為什么實(shí)驗(yàn)室裝置與工業(yè)裝置的結(jié)果會(huì)有

7、不同？時(shí)間尺度隨空間尺寸增加而增大大裝置混合變慢線速度隨尺度增加而增大發(fā)酵中的攪拌問(wèn)題小試結(jié)果放大后空速增加換熱比表面積隨尺度增加線性減小化工裝置爆炸事故的原因之一Reynolds 數(shù)變化導(dǎo)致流型改變,什么是化學(xué)工程？,放大到底是咋回事？放大是一種隨尺度變化而產(chǎn)生的物理效應(yīng)，與化學(xué)反應(yīng)無(wú)關(guān)。這種效應(yīng)將顯著影響工業(yè)裝置中的化學(xué)反應(yīng)或其它形式的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。因此，化學(xué)工程才要研究“三傳”

8、及其對(duì)“一反”的影響。,什么是化學(xué)工程？,化學(xué)工程的方法論——解耦熱模研究：考察化學(xué)反應(yīng)規(guī)律冷模研究：考察流動(dòng)與傳遞規(guī)律數(shù)學(xué)模型：反應(yīng)器行為模擬中間實(shí)驗(yàn)：三種模型的結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)典型技術(shù)——放大、強(qiáng)化、集成,什么是化學(xué)工程？——方法論,思考題化學(xué)工程主要研究三傳一反，但三傳我們不如物理學(xué)家，一反不如化學(xué)家，化學(xué)工程師的地位何在？,什么是化學(xué)工程？,典型案例——放大技術(shù)合成氨反應(yīng)器的放大WTO反應(yīng)器的放大F-

9、T合成反應(yīng)器的放大PTA反應(yīng)器的放大,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),典型案例——合成氨反應(yīng)器N2 + 3H2 == 2NH3 + Q催化劑：氧化鐵顆粒條 件：氣固催化反應(yīng) 150 Atm，450℃反應(yīng)器類型——固定床放大瓶頸：反應(yīng)熱的移出（傳熱比表面隨尺度增大降低）；熱點(diǎn)的產(chǎn)生；顆粒與反應(yīng)器熱穩(wěn)定性問(wèn)題。,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),放大措施：增加管數(shù)，限制管徑；徑向床。相關(guān)研究熱點(diǎn)問(wèn)題固定床數(shù)學(xué)模擬放大

10、顆粒與反應(yīng)器穩(wěn)定性理論固定床多尺度優(yōu)化設(shè)計(jì),化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),典型案例——固定床仿生反應(yīng)器設(shè)計(jì)（本課題組） 固定床反應(yīng)器的固有問(wèn)題 壓降大，顆粒粗，阻力與內(nèi)擴(kuò)散的矛盾關(guān)鍵問(wèn)題：one way in, one way out解決方案——仿生型反應(yīng)器設(shè)計(jì)分布式動(dòng)脈進(jìn)料系統(tǒng) 分布式靜脈出料系統(tǒng)組織細(xì)胞（催化劑）系統(tǒng),化學(xué)工程的方法論——優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),Fractal

11、 structure in life,Two-dimensional fractal structure in leaf,Fractal structure in life,Three-dimensional fractal structure in liver,Bionic configuration for microreactor,Biometric design of microreactor referred to blood

12、 circulatory system,,典型案例——Fischer-Tropsch Synthesis （FTS，煤變油）煤氣化——合成氣CO,H2——長(zhǎng)鏈烷烴（油）催化劑：鐵系、鈷系固體粉料條 件：氣液固催化反應(yīng)，20atm，250℃，強(qiáng)放熱反應(yīng)器類型——漿態(tài)床（氣液固三相鼓泡塔）,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),過(guò)程特征： 氣液傳質(zhì)快，液相反應(yīng)慢。反應(yīng)是控制步驟。 合成氣高轉(zhuǎn)化

13、是工業(yè)目標(biāo)，也是主要的放大效應(yīng)。 反應(yīng)器特點(diǎn)：固體含量高，列管多。,放大效應(yīng)Rheinpreussen-Koppers漿態(tài)床示范裝置放大參數(shù),化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),中國(guó)科學(xué)院山西煤化所費(fèi)-托合成漿態(tài)床放大參數(shù),化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),放大效應(yīng)傳熱面積減少——通過(guò)列管束增加來(lái)彌補(bǔ)；氣速增大——從均勻鼓泡到湍動(dòng)鼓泡； 混合狀態(tài)改變——從平推到全混；開發(fā)方向：保持氣相接近平推，維持軸向濃度梯度，有利傳質(zhì)——多相流體力

14、學(xué)的問(wèn)題。,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),漿態(tài)床流體力學(xué)——列管束的影響問(wèn)題合成氣液相轉(zhuǎn)化屬?gòu)?qiáng)放熱反應(yīng)，漿態(tài)床中有密集換熱列管，列管束對(duì)流動(dòng)的影響一直存在分歧？速度分布更不均勻（Bernemann 1989; Larachi 2006）影響不大（Chen & Dudukovic 1999; Forret 2006）更為均勻（專利技術(shù)2001～2006）國(guó)內(nèi)外對(duì)列管漿態(tài)床研究很少（4篇文獻(xiàn)），認(rèn)識(shí)不一，缺乏系統(tǒng)的流場(chǎng)

15、測(cè)定數(shù)據(jù)以資比較。,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),國(guó)外專利中為了減少氣液相返混，采用以下技術(shù)措施改變列管空間疏密程度將塔內(nèi)分割成小區(qū)間 采用多段塔,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),,,,,,,,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),Sasol：2006/097905A1,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),Sasol：2006/097906A1,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),,,,,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),本實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果（Pavlov管方

16、法）對(duì)安裝有稀疏與密集兩種列管束內(nèi)構(gòu)件的漿態(tài)床流速?gòu)较蚍植嫉臏y(cè)定結(jié)果表明，加入縱向列管束后，流速分布將顯著地變得更不均勻，形成所謂的“煙囪效應(yīng)”（funneling)，導(dǎo)致反應(yīng)器放大結(jié)果惡化。,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),,添加垂直列管束后塔內(nèi)流速的分布(Vg=0.12m/s, 列管加入使速度急劇上升）,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),煙囪效應(yīng)的解釋縱向列管對(duì)流體橫向運(yùn)動(dòng)的形狀阻力大于對(duì)其縱向運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力，限制了流體橫向動(dòng)量交

17、換，減小了湍流粘度；使氣泡由螺旋運(yùn)動(dòng)趨于直線運(yùn)動(dòng)，形成更陡峭的氣含率分布。,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),流動(dòng)調(diào)控措施——內(nèi)構(gòu)件技術(shù) 在漿態(tài)床內(nèi)部設(shè)置阻尼構(gòu)件調(diào)整流體流動(dòng)，同時(shí)將阻尼內(nèi)構(gòu)件與換熱管或其它構(gòu)件整合，多功能化。多層阻尼網(wǎng)：用阻尼效應(yīng)抵消煙囪效應(yīng)；針翅列管：多功能內(nèi)構(gòu)件。設(shè)計(jì)參數(shù)：阻尼面積密度、面積密度的徑向分布,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),帶垂直列管束與多層阻尼網(wǎng)格的漿態(tài)鼓泡塔 CN2008101

18、62467.0,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),換熱器用的針翅管,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),,帶針翅列管的漿態(tài)床反應(yīng)器（CN200910095288.4）,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),,,化學(xué)工程的方法論——放大技術(shù),過(guò)程強(qiáng)化的思路——瓶頸分析化學(xué)工程中的傳遞與反應(yīng)是一個(gè)串連的過(guò)程，類似于接力賽跑。比較傳遞速率與反應(yīng)速率，找出問(wèn)題的薄弱環(huán)節(jié)，采用針對(duì)性的有效措施進(jìn)行強(qiáng)化，就可以用小的代價(jià)獲得大的收益。,化學(xué)工程的方法論——過(guò)程強(qiáng)

19、化技術(shù),典型案例——過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)反應(yīng)過(guò)程的強(qiáng)化——催化劑催化劑－動(dòng)力學(xué)－反應(yīng)器－流程設(shè)計(jì)，是龍頭技術(shù)混合與傳遞過(guò)程的強(qiáng)化撞擊流反應(yīng)器（新型水煤漿氣化爐開發(fā)） 沖擊流反應(yīng)器 （MDI合成新技術(shù)）旋轉(zhuǎn)填充床混合反應(yīng)器（超細(xì)碳酸鈣）,化學(xué)工程的方法論——過(guò)程強(qiáng)化技術(shù),四噴嘴撞擊流水煤漿氣化爐,化學(xué)工程的方法論——過(guò)程強(qiáng)化技術(shù),旋轉(zhuǎn)填充床超重力反應(yīng)器,化學(xué)工程的方法論——過(guò)程強(qiáng)化技術(shù),微反應(yīng)器（microreactor)

20、,化學(xué)工程的方法論——過(guò)程強(qiáng)化技術(shù),典型案例——連續(xù)化技術(shù)將間歇式操作改進(jìn)為連續(xù)式操作，使過(guò)程高效化分批式蒸餾——連續(xù)式精餾間歇式色譜吸附——移動(dòng)床——模擬移動(dòng)床固定床催化裂化——流化床催化裂化（FCC）,什么是化學(xué)工程？——方法論,石油連續(xù)精餾塔,二甲苯吸附分離模擬移動(dòng)床,連續(xù)式柴油催化裂化制烯烴裝置,化工方法論——過(guò)程模擬優(yōu)化解決過(guò)程與系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，步驟是過(guò)程建模流程模擬集成優(yōu)化

21、主要學(xué)科——過(guò)程系統(tǒng)工程,化學(xué)工程研究方法-集成技術(shù),典型案例——夾點(diǎn)技術(shù)（pinch technology)能量與質(zhì)量的分級(jí)利用，最優(yōu)匹配，最少排放熱量集成：系統(tǒng)熱流股與冷流股之間的最佳匹配質(zhì)量集成：凈化水與污水的分級(jí)利用 氫氣的分級(jí)利用，廢物最小排放,化學(xué)工程研究方法-集成技術(shù),典型案例——流程模擬技術(shù)大型流程模擬軟件，過(guò)程設(shè)計(jì)的通用工具Flowtran, Aspen Plus, Speed up

22、, Polymer Plus, Chemkin， Hysis,化學(xué)工程研究方法-集成技術(shù),典型案例——過(guò)程綜合與優(yōu)化技術(shù)換熱器網(wǎng)絡(luò)的綜合分離系列的綜合反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的綜合工業(yè)生態(tài)園的概念與方法 系統(tǒng)最優(yōu)化算法SQR，MINLP，MILNP, …,化學(xué)工程研究方法-集成技術(shù),典型案例——對(duì)苯二甲酸新工藝的開發(fā)對(duì)二甲苯氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)苯二甲酸與雜質(zhì)共結(jié)晶動(dòng)力學(xué)新型氧化反應(yīng)器開發(fā)PTA全

23、流程建模與模擬過(guò)程集成與優(yōu)化,化學(xué)工程研究方法-集成技術(shù),裝置放大與過(guò)程強(qiáng)化方法通過(guò)熱模、冷模、數(shù)模和中試，對(duì)“三傳一反”分別進(jìn)行解耦研究與瓶頸分析，提出放大與強(qiáng)化的技術(shù)措施代表學(xué)科——化學(xué)反應(yīng)工程 過(guò)程集成設(shè)計(jì)方法通過(guò)數(shù)學(xué)建模、過(guò)程模擬、組合優(yōu)化與條件優(yōu)化，確定系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)與最佳條件代表學(xué)科——過(guò)程系統(tǒng)工程,化學(xué)工程研究方法-小結(jié),化學(xué)工程發(fā)展史上的幾個(gè)重要階段1901～1920’s：工業(yè)化學(xué)→化學(xué)工程192

24、3～1930‘s：?jiǎn)卧僮?，化工?shù)學(xué)1940～1950‘s：傳遞現(xiàn)象，數(shù)學(xué)模擬1957～1960‘s：化學(xué)反應(yīng)工程1970‘s～ ：過(guò)程系統(tǒng)工程,化學(xué)工程的研究方法-歷史發(fā)展,機(jī)械、土木、熱能工程開發(fā)步驟——實(shí)驗(yàn)室小試（風(fēng)洞、水洞、模型實(shí)驗(yàn)）相似放大（模型與原型滿足相似條件，特征準(zhǔn)數(shù)相同）數(shù)學(xué)模擬放大 （預(yù)測(cè)、優(yōu)化）特點(diǎn)：僅考慮物理過(guò)程而無(wú)化學(xué)過(guò)程，容易滿足相似條件,其它工程

25、學(xué)科的放大方法,典型案例 三峽大壩的合龍—— 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小試直接相似放大 大飛機(jī)的制造—— 通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與CFD確定外形，單項(xiàng)技術(shù)全球招標(biāo)，集成創(chuàng)新新模式 印巴核實(shí)驗(yàn)—— 為數(shù)學(xué)模擬核反應(yīng)過(guò)程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),其它工程學(xué)科的放大方法,印巴1998年5月的核試驗(yàn),印度地下核試驗(yàn),巴基斯坦沙漠核試驗(yàn),基礎(chǔ)課程 高等數(shù)學(xué) 四大化學(xué) 大學(xué)物理 專業(yè)基礎(chǔ)課程化

26、工原理：傳遞現(xiàn)象，單元操作，分離過(guò)程反應(yīng)工程：化工動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)器流動(dòng)與傳遞， 數(shù)學(xué)建?；崃W(xué)：平衡關(guān)系，化工數(shù)據(jù)庫(kù)化工設(shè)計(jì)：工藝/設(shè)備計(jì)算，流程模擬，過(guò)程設(shè)計(jì) 儀表與控制,化學(xué)工程教育,專業(yè)課程 各專業(yè)學(xué)科的專門化課程，工廠實(shí)習(xí)，畢業(yè)設(shè)計(jì) 課程體系特點(diǎn)：數(shù)-理-化-機(jī)-控知識(shí)全面，方法先進(jìn)，適應(yīng)面廣，發(fā)展與積累前景大,化學(xué)工程教育,我們的就業(yè)前景美國(guó)——薪籌最高的專業(yè)，中等生源中國(guó)——好

27、找工作的專業(yè)，中下等生源 找工作，化學(xué)工程專業(yè)是理想的選擇 ！,化學(xué)工程就業(yè),無(wú)機(jī)化工、石油化工、煤化工現(xiàn)代工業(yè)中最早出現(xiàn)的大規(guī)模流程工業(yè)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)化工行業(yè)，進(jìn)行大宗化工原料與產(chǎn)品的生產(chǎn)。大型化、高效化、集成化是上述工業(yè)過(guò)程的特點(diǎn)，引領(lǐng)著化工領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的潮流，構(gòu)建了化學(xué)工程學(xué)科放大、過(guò)程強(qiáng)化、系統(tǒng)集成方面的典型方法論。,什么是化學(xué)工程？——學(xué)科領(lǐng)域,高分子化工 ( polymer engi

28、neering)行業(yè)：高分子材料與產(chǎn)品的生產(chǎn)合成塑料、合成橡膠、合成纖維學(xué)科特點(diǎn)：反應(yīng)——由小分子聚合而成大分子，機(jī)理復(fù)雜傳遞——高粘度、變物性、“三傳”困難方法特點(diǎn)——特殊的過(guò)程強(qiáng)化措施，如擠出式混合裝置、乳液聚合、冷凝態(tài)換熱與低溫蒸發(fā)、聚合催化劑,什么是化學(xué)工程？——學(xué)科領(lǐng)域,生物化工 ( biochemical engineering)行業(yè)：藥品與生物制品的生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)：催化劑是活

29、的！反應(yīng)——由活的微生物、細(xì)胞、酶進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化傳遞——溫和條件下的過(guò)程強(qiáng)化與控制方法論特點(diǎn)——生物工程方法篩選與改良菌種，高密度培養(yǎng)（固定化細(xì)胞和酶）技術(shù)，新型發(fā)酵與培養(yǎng)裝置，高效制備色譜分離技術(shù),什么是化學(xué)工程？——學(xué)科領(lǐng)域,環(huán)境工程 ( environmental engineering)行業(yè)：污染物的治理過(guò)程特點(diǎn)：辛苦，但不賺錢！污染物排放量大，含量低，經(jīng)濟(jì)價(jià)值低三廢治理技術(shù)問(wèn)題歸根到底是

30、經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題技術(shù)要求——高效、價(jià)廉、簡(jiǎn)單可靠源頭治理——清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色化工干凈的單元技術(shù)與集成技術(shù),什么是化學(xué)工程？——學(xué)科領(lǐng)域,精細(xì)化工（fine chemical engineering)行業(yè)：精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)特點(diǎn)：物以稀為貴！小批量、特定功能、技術(shù)密集、附加值高方法論特點(diǎn)：研究方法精細(xì)化精確檢測(cè)，精細(xì)合成，高純分離，柔性轉(zhuǎn)換,什么是化學(xué)工程？——學(xué)科領(lǐng)域,化工冶金（ch

31、emical metallurgy)傳統(tǒng)冶金行業(yè)一般采用高溫冶煉加工礦物，50年前，國(guó)內(nèi)外開始采用化工方法來(lái)開發(fā)冶金工藝，郭慕孫、陳家鏞在中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)建了化工冶金研究所，此后，化學(xué)工程方法成為流程工業(yè)普遍采用的科學(xué)方法論。典型案例：高爐煉鐵——移動(dòng)床高溫氧化反應(yīng)器 濕法冶金——礦物的浸取與萃取分離 核燃料的提取與濃縮,化工新領(lǐng)域-化工冶金,化工新領(lǐng)域-化工冶金,稀土濕法冶金車間

32、,油藏化學(xué)工程（reservoir of chemical eng.)三次采油（EOR）采用各種過(guò)程強(qiáng)化方法來(lái)開采剩余油藏，如水驅(qū)油、化學(xué)驅(qū)油、混相驅(qū)油、熱力采油。陳家鏞在十年前提出“油藏化學(xué)工程”的概念，認(rèn)為應(yīng)該遵循化學(xué)工程的方法研究石油開采中的三傳一反問(wèn)題，通過(guò)驅(qū)油劑的篩選、實(shí)驗(yàn)室小試、現(xiàn)場(chǎng)井試、數(shù)學(xué)模擬，進(jìn)行三次采油工藝開發(fā)。,化工新領(lǐng)域-油藏化學(xué)工程,核化學(xué)工程（nuclear chemical engineering）

33、核反應(yīng)器是通過(guò)裂變反應(yīng)將核能轉(zhuǎn)化為熱能和電能的核心裝置，其中的三傳一反規(guī)律是核分離技術(shù)與核反應(yīng)技術(shù)的基礎(chǔ)。相關(guān)的學(xué)科內(nèi)容有 核燃料的分離、濃縮、回收與處理 核反應(yīng)機(jī)理與動(dòng)力學(xué)、核爆轟理論 核反應(yīng)器的開發(fā)與設(shè)計(jì) 核能的轉(zhuǎn)化與利用,化工新領(lǐng)域-核化學(xué)工程,化工新領(lǐng)域-核化學(xué)工程,空間化學(xué)工程（space chemical engineering)目前的太空實(shí)驗(yàn)圍繞三個(gè)方面展開：太空生態(tài)與生命保障系統(tǒng)，育種，材料合成。對(duì)月球

34、的開發(fā)也提上日程。隨著大型空間站的建造與運(yùn)載工具的發(fā)展，將來(lái)有可能建立太空工廠與太空實(shí)驗(yàn)室，規(guī)模性生產(chǎn)地球條件下無(wú)法或難以獲得的物質(zhì)。因此，有必要研究太空微重力、高純凈、強(qiáng)輻射條件下的三傳一反規(guī)律，開展規(guī)模制備特種化學(xué)品的化學(xué)工程研究與相關(guān)空間技術(shù)開發(fā)。,化工新領(lǐng)域-空間化學(xué)工程,化工新領(lǐng)域-空間化學(xué)工程,中國(guó)正在建造的空間實(shí)驗(yàn)室,二、環(huán)境問(wèn)題——CO2往哪里去？捕集、封存、再活化、資源化,以下將要闡述的問(wèn)題——,哥本哈根氣候大會(huì)的爭(zhēng)

35、吵兩大集團(tuán)：發(fā)達(dá)國(guó)家——發(fā)展中國(guó)家五個(gè)層次：美、歐（日）、基礎(chǔ)4國(guó)、非洲、島國(guó)爭(zhēng)議內(nèi)容：碳排放權(quán)、資金、技術(shù)原則：共同而有區(qū)別，共同還是有區(qū)別？ 21世紀(jì)的南北關(guān)系：碳政治！碳排放權(quán)籌碼!07年中國(guó)CO2排放：60.71億噸。減排就是為國(guó)家減壓。,化工熱點(diǎn)問(wèn)題-CO2排放與限制,CO2捕集技術(shù)濕法——堿性溶劑吸收與凈化堿水、氨水、乙醇胺、熱鉀堿、有機(jī)堿干法——吸附氧化鈣、堿性吸附劑

36、評(píng)價(jià)：技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)性還需斟酌,化工熱點(diǎn)問(wèn)題-CO2捕集與封存,CO2封存技術(shù)—— 碳往哪里去？辦法一：資源化利用食用、干冰——萬(wàn)噸級(jí)化肥、制堿——千萬(wàn)噸級(jí)碳酸二甲酯、氨基甲酸酯，CO2代替光氣，50萬(wàn)噸級(jí)CO2驅(qū)油，CO2來(lái)源與輸送問(wèn)題 CO2 農(nóng)業(yè)，促進(jìn)光合作用 ？ ——實(shí)在用不完！,化工熱點(diǎn)問(wèn)題-CO2捕集與封存,辦法二：封存與自然吸收加壓液化地下封存——成本$30～7

37、0/噸，難以承受！存放空間不足！加壓灌注深海形成CO2水合物存放加鐵粉促進(jìn)海洋生物吸收CO2養(yǎng)海藻制生物柴油——生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)？！,化工熱點(diǎn)問(wèn)題-CO2捕集與封存,澳大利亞CO2采油井地下封存,辦法三：CO2高能活化CO2加氫合成甲醇——?dú)鋸哪睦飦?lái)？核能制氫＋CO2利用CO2活化聚合——需要大量能量輸入歸納——在現(xiàn)階段，CO2的捕集與封存是最難處理的科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)問(wèn)題，

38、可能要寄希望于核能的普遍采用。,化工熱點(diǎn)問(wèn)題-CO2捕集與封存,CO2資源化利用——即便是杯水車薪，我們也總得做點(diǎn)什么！原則：有利可圖、大規(guī)模轉(zhuǎn)化、技術(shù)升級(jí)、無(wú)二次污染現(xiàn)有的純堿與尿素不能凈轉(zhuǎn)化CO2，因?yàn)橄暮铣砂?，因此，碳的轉(zhuǎn)化關(guān)鍵是氨的循環(huán)利用一種新途徑：煤化工-純堿-氯乙烯聯(lián)合碳氯堿工藝,化工熱點(diǎn)問(wèn)題-CO2資源化利用,聯(lián)合碳氯堿新工藝設(shè)想——煤化工過(guò)程為制堿提供碳源——變換氣，尾氣CO+H2O——CO2+H

39、2氨鹽水吸收CO2制純堿——為煤化工脫碳CO2+NaCl+NH3+H2O——NaHCO3+NH4Cl氯化銨制氯乙烯——無(wú)電解新工藝CH2=CH2 +NH4Cl+O2——CH2=CHCl+NH3+H2O這是目前可能的最大規(guī)模利用CO2生產(chǎn)化工原料的方法！,化工熱點(diǎn)問(wèn)題-CO2資源化利用,三、能源問(wèn)題—遠(yuǎn)水還是近渴？新能源、化石能源，困惑與出路,以下將要闡述的問(wèn)題——,中國(guó)在能源方面面臨嚴(yán)峻的局面，是制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國(guó)

40、家安全的瓶頸之一。 我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以煤為主，貧油、乏氣、缺鈾。 能源爭(zhēng)奪與運(yùn)輸是與大國(guó)鄰國(guó)形成“周邊有事”的誘因。,能源問(wèn)題——,,2006年中國(guó)和世界能源消費(fèi)構(gòu)成,,世界能源消費(fèi)構(gòu)成,中國(guó)能源消費(fèi)構(gòu)成,,新能源與化石能源化石能源：煤、石油、天然氣 （94%） 核 能：（1%） 新 能 源：風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)?能、 海洋能 （5% 水電+ 0.4%其它）

41、國(guó)家示范項(xiàng)目：北京氫能汽車，西藏太陽(yáng)能，內(nèi)蒙風(fēng)力，沈陽(yáng)氣化，云南沼氣 新能源（包括核能）：遠(yuǎn)水解不了近渴！,能源問(wèn)題——新能源與化石能源,燃煤之急——煤的高效利用與清潔轉(zhuǎn)化燃煤發(fā)電的兩大問(wèn)題－污染嚴(yán)重：硫、氮氧化物，粉塵，污水，CO2－熱效率低：30～35％，大量廢熱排放，總效率13%！化工技術(shù)方面的挑戰(zhàn)－提高熱效率，從30％到50％以上，比發(fā)達(dá)國(guó)家更高－經(jīng)濟(jì)高效的清潔化技術(shù)，脫硫脫硝脫碳除塵,化工熱點(diǎn)問(wèn)

42、題——潔凈煤技術(shù),示范性的化工新技術(shù)－熱-電-氣-化-多聯(lián)產(chǎn)，以煤為原料制燃料油與化 工產(chǎn)品－煤的液化，MTO，MTP，MTA替代石油路線,化工熱點(diǎn)問(wèn)題-潔凈煤技術(shù),IGCC：煤氣化燃?xì)猓魵饴?lián)合循環(huán)Integrated Gasification Combined Cycle將傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹饣瓋艋細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電－蒸汽輪機(jī)發(fā)電煤為什么要?dú)饣院笤侔l(fā)電？熱效率從燃煤的35％提高到4

43、5％——卡諾循環(huán)煤成氣以后容易凈化，無(wú)排放，實(shí)現(xiàn)清潔發(fā)電,化工熱點(diǎn)問(wèn)題-潔凈煤技術(shù),潔凈煤技術(shù)－IGCC,IGCC技術(shù)關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)的氣化與空分技術(shù)高溫脫硫技術(shù)高溫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)評(píng)價(jià)：優(yōu)點(diǎn)：干凈的發(fā)電技術(shù)缺點(diǎn)：發(fā)電成本太高，比燃煤發(fā)電高50～120％,潔凈煤技術(shù)－IGCC,,,,,,,,,煤,制漿,提 質(zhì) 加 工,產(chǎn) 品,,,,,,,,,,,,提 質(zhì) 加 工,,加 氫 液 化,,FT合成,提 質(zhì) 加 工,氣

44、 化,潔凈煤技術(shù)－煤變油,煤制油工藝的特點(diǎn)直接液化：條件苛刻，投資巨大，能量利用率高間接液化：技術(shù)成熟，投資巨大，能量利用率較低間接液化成本因素：氣化，空分，凈化，尾氣循環(huán)——裝置小而全,潔凈煤技術(shù)－煤變油,解決IGCC經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)方案—— 與合成氣液化生產(chǎn)燃料和化工產(chǎn)品進(jìn)行聯(lián)產(chǎn)化工與發(fā)電共享同樣的氣化單元，簡(jiǎn)化流程“煤變油”裝置一次通過(guò)，省去尾氣循環(huán)壓縮工序有利于能量集成與質(zhì)量集成，吃干榨盡存在的問(wèn)題——

45、多種工藝與技術(shù)的集成難度大,潔凈煤技術(shù)－多聯(lián)產(chǎn)集成工藝,核能的高效利用 核能是目前能夠取代化石能源的最終途徑。 低品位鈾礦的高效分離與濃縮技術(shù) 第四代快中子增殖反應(yīng)堆的開發(fā) 核能－化工多聯(lián)產(chǎn)工藝（峰谷發(fā)電，原子能制氫、原子能碳處理）,化工熱點(diǎn)問(wèn)題-高效核能技術(shù),關(guān)于氫經(jīng)濟(jì)氫能是最干凈的能量載體氫從哪里來(lái)？——天然氣、煤：CO2排放，能量效率未來(lái)的氫能——原子能：白天發(fā)電，夜晚電解水制氫其它問(wèn)題——?dú)涞膬?chǔ)存

46、，運(yùn)輸，使用：代價(jià)高昂——?dú)淠苁且环N代價(jià)高昂的能量載體，近期難以實(shí)現(xiàn),化工熱點(diǎn)問(wèn)題-進(jìn)一步的思考,關(guān)于能源問(wèn)題的小結(jié)燃眉之急—— 煤的清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù) 清潔發(fā)電，煤變油，煤代油化學(xué)品未來(lái)能源——只能指望核能，增殖反應(yīng)堆，核聚變其它新能源——錦上添花，拾遺補(bǔ)缺,能源問(wèn)題——遠(yuǎn)水還是近渴？,四、資源問(wèn)題——煤制燃料還是煤制 材料？,以下將要闡述的問(wèn)題——,煤化工的發(fā)展方向石油與天然氣氫多碳少（H

47、/C ≈2），煤則碳多氫少（H/C <1） ，因此從原子經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，“油制燃料，煤制材料”應(yīng)該是最合理的選擇，可解決碳排放問(wèn)題 Oil to Fuel, Coal to Material因此，未來(lái)的煤化工應(yīng)該從燃料化工發(fā)展到材料化工,化工熱點(diǎn)問(wèn)題——煤制材料,煤制材料的當(dāng)前熱點(diǎn)技術(shù)以合成氣為原料制取大宗化工產(chǎn)品—— 煤制合成氣——合成氣制甲醇甲醇制烯烴（MTO）甲醇制丙烯（MTP）

48、甲醇制芳烴（MTA）甲醇制醋酸（MTAA） 甲醇與合成氣制乙二醇,化工熱點(diǎn)問(wèn)題——煤制材料,煤直接液化制芳烴煤與石油的分子結(jié)構(gòu)有很大差別——煤分子是以芳環(huán)為基本單元的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，石油分子主要是直鏈烷烴結(jié)構(gòu)；煤富含芳烴，石油富含烷烴,化工熱點(diǎn)問(wèn)題——煤制芳烴,,,煤分子的稠環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),不同來(lái)源的原油石腦油中潛在芳烴含量（PAC）,煤直接加氫液化石腦油中潛在芳烴含量（PAC）,現(xiàn)有工藝的不合理性：煤制燃料：

49、直接加氫液化采用極端反應(yīng)條件（450℃，15MP）將芳環(huán)打開形成石油的鏈狀結(jié)構(gòu)石油制芳烴：將石油中的直鏈烷烴通過(guò)芳構(gòu)化合成芳烴，代價(jià)較高由于芳環(huán)很穩(wěn)定，設(shè)想控制一定的加氫液化條件，使煤轉(zhuǎn)化為富含單環(huán)芳烴的材料，更符合科學(xué)原理。,化工熱點(diǎn)問(wèn)題——煤制芳烴,因此，當(dāng)前的“煤變油”工藝應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變產(chǎn)品目標(biāo)，從煤制燃料為主、副產(chǎn)芳烴轉(zhuǎn)變?yōu)槊褐品紵N為主、副產(chǎn)燃料，更具經(jīng)濟(jì)性與合理性。芳烴是基本化工原料，每年中國(guó)消費(fèi)3千多萬(wàn)噸，如果以煤為原料來(lái)