可以減輕污染排放壓力-化工設(shè)計精品課程

1、化工設(shè)計第一章 化工過程設(shè)計,王靜康 教授,第一節(jié). 現(xiàn)代過程工程/國際化學工業(yè)發(fā)展趨勢第二節(jié). 綠色化學科學與工程準則第三節(jié). 化工過程設(shè)計的基本內(nèi)容第四節(jié). 計算機輔助化工設(shè)計的發(fā)展第五節(jié). 工程倫理學與責任關(guān)懷準則,第一章 化工過程設(shè)計,本“化工設(shè)計” 教材(496頁)：是高等教育‘十五’、‘十二.五’國家級規(guī)劃教材,希望同學課下參考教材學習。,人類文明發(fā)展歷程證明，世界經(jīng)濟增長、社會進步和人類生活水平及生活質(zhì)

2、量的提高，都離不開化工過程工程?；瘜W工業(yè)在21世紀仍是全球經(jīng)濟發(fā)展中強大的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一。 21世紀化學工業(yè)發(fā)展特征： 1).發(fā)展戰(zhàn)略：可持續(xù)發(fā)展， 2).發(fā)展準則：綠色化學科學與工程。,第一節(jié).現(xiàn)代過程工程/國際化學工業(yè)發(fā)展趨勢,人類社會面臨21世紀可持續(xù)發(fā)展的嚴峻挑戰(zhàn),資源與能源（危機）環(huán)境（危機--污染與治理）人類健康水平與生活質(zhì)量（衣、食、住、行、醫(yī)）,人類活

3、動時空的拓展（空間技術(shù)）高科技（信息、生命、物質(zhì)等）對建立生態(tài)工業(yè)園區(qū)的迫切需求中國還面臨進入WTO的挑戰(zhàn),工程技術(shù)發(fā)展的永恒目標--- 造福于人類，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展！,人類社會面臨21世紀可持續(xù)發(fā)展的嚴峻挑戰(zhàn),* 世界自然基金會和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署聯(lián)合發(fā)表的《2000年地球生態(tài)報告》顯示， 若按目前的速度繼續(xù)消耗地球的資源，那么我們地球的資源會在2075年耗盡。 面對挑戰(zhàn)，全球皆要求發(fā)展綠色科學與過程;向“

4、綠色低碳循環(huán)経濟”發(fā)展。,世界可持續(xù)發(fā)展與綠色化學科學&工程,“綠色化學科學與工程”定義：“為減少與消除有害物質(zhì)對人類健康與環(huán)境的威脅所作的化學過程與產(chǎn)品的設(shè)計，開發(fā)和生產(chǎn)?！?（Green Chemistry: Theory and Practice, 1998）,世界 “可持續(xù)發(fā)展”定義： “滿足當前的需要，但不損及后代滿足他們的需要”。,發(fā)展綠色化學科學與工程是保證“世界可持續(xù)發(fā)展” 及全

5、球環(huán)境安全的必然趨勢。,,,,,,,,,,,,全 球 系 統(tǒng),循 環(huán) 經(jīng) 濟,生 態(tài) 城 市,生態(tài)工業(yè)園區(qū),,生態(tài)化規(guī)劃,綠色過程工程,,,微觀過程對宏觀系統(tǒng)的影響的評估,物流及服務,原料,輸入預加工,產(chǎn)品制造過程及包裝,配送,回收、循環(huán)及排放,物流及影響,綠色過程工程——循環(huán)經(jīng)濟——可持續(xù)發(fā)展,可 持 續(xù) 發(fā) 展,,結(jié)論：世界可持續(xù)發(fā)展需要綠色過程工程的支撐!!,宏觀可持續(xù)發(fā)展對微觀過程的要求,1995年美國總統(tǒng)克林頓設(shè)立“總統(tǒng)綠色化

6、學挑戰(zhàn)獎”；日本政府規(guī)劃了21世紀重建綠色地球的“新陽光計劃”；英國皇家化學會主辦的國際性雜志《綠色化學》1999年1月創(chuàng)刊；澳大利亞也創(chuàng)建了綠色化學期刊；在美國2003年公布的21世紀化學化工發(fā)展戰(zhàn)略中，再次強調(diào)了綠色化學化工的重要性。,綠色化學化工作為應對21世紀挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)與支撐基礎(chǔ),已成為21世紀世界科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿熱點：,,綠色化學科學與工程,綠色化學與化工定義：,為減少與消除有害物質(zhì)對人類健康與環(huán)境的威脅所作的化

7、學過程與產(chǎn)品的設(shè)計，開發(fā)和生產(chǎn)。,綠色化學化工是具有重大社會需求和明確科學內(nèi)涵的新興交叉學科，是全球環(huán)境安全的保證,是當今國際化學與化工的前沿。,（Green Chemistry: Theory and Practice, 1998）,國際化學工業(yè)發(fā)展趨勢,發(fā)達國家1990-99年化學工業(yè)GDP平均增長率是其全部工業(yè)GDP（國民生產(chǎn)總值)平均增長率的2.69倍。在21世紀發(fā)達國家化學工業(yè)，年收益增長率仍高于其全部工業(yè)GDP的平均增長率

8、。根據(jù)英國化工協(xié)會對全球化學品的統(tǒng)計和預測，2010年己超過2.04萬億美元（是2000年的1.42倍），并將一直保持較高的平均增長率。,Facts & Figures 2000,CHART 3.3,歐共體化學工業(yè)增長速度持續(xù)高于全部工業(yè)增長速度,,,,,,,,,,,,石油化工產(chǎn)品及衍生物,,13.4％,其它無機物,3.8％,塑料,13.5％,合成橡膠,0.9％,化肥,2％,醫(yī)藥生物制品,25.9 ％,特殊功能體,12.6％,

9、顏料和油墨,6.5％,染料,2.5％,人造纖維,工業(yè)煤氣,1. 4％,農(nóng)用化學品,2.7％,肥皂及清潔劑,4.6％,香料化妝品,,,7.4％,人造油劑,0.8％,,,,,,無機物,5.2%,塑料和高聚物,14.4％,農(nóng)業(yè)，食物鏈保健產(chǎn)品,,油劑，表面活性劑及衍生物,12.8％,特殊功能品,和消費品,21.6％,圖1.1 國際化工涵蓋的主要部分及各部分GDP的百分率,2 ％,4.7%,,,由圖可見：國際大化工過程工業(yè)（流程工業(yè)）包括制藥

10、、功能品產(chǎn)業(yè)、石化、化纖與塑料、精細化工、海洋化工、輕工、農(nóng)產(chǎn)品及食品工業(yè)…等。,其它歐洲國家6％,美國30％,日本14％,亞洲13％,拉丁美洲3％,其它地區(qū)5％,歐共體國家29％,世界化學工業(yè)產(chǎn)值（GDP）在各地區(qū)的分布,美國化學工業(yè)持續(xù)占世界化工GDP 30%，其中高端產(chǎn)品占79%。,,化學工程是21卋紀的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),,,,化學與化工,,信息,,航天,,生命,輕工,,食品,,能源,,環(huán)境,,建筑,,農(nóng)牧業(yè),,,,,,,,,,,材料,化

11、學工業(yè)在21世紀仍持續(xù)高速發(fā)展,2020年美國化學工業(yè)發(fā)展目標：繼續(xù)保持世界技術(shù)領(lǐng)先的地位； 2025年日本化工業(yè)發(fā)展目標：世界化工市場份額由18%提高到20%； 2025年歐盟化學工業(yè)發(fā)展目標：繼續(xù)保持國際競爭力。 中國化學工業(yè)在國際上有一定地位。但化工業(yè)GDP人均值尚小于世界人均值的1/2，急需努力創(chuàng)新提升。,化學工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè), 在21世紀仍持續(xù)高速發(fā)展,2012年我國化工產(chǎn)值12.24萬億元，占我國國民生產(chǎn)

12、總值的8.2%；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，產(chǎn)品以低端為主。*中國化學工業(yè)年鑒,中國化工信息中心出版,2011年中國GDP越居世界第二（美、中、日、德）。 美國《財富》雜志公布 2013年7月世界500強企業(yè)排名： 中國石化集團公司為第 5 位 中國石油天然氣集團公司為第6位（年收入約$1811億） 但目前化工人均值仍小于世界人均值1/2。,1. 強調(diào)綠色化學科學與工程特殊重要性及發(fā)展前景;2. 強調(diào)多學科交叉融合研究，必須

13、重視與其它學科交叉發(fā)展;3. 強調(diào)化學與化工內(nèi)涵的緊密融合，多尺度集成研究.以實現(xiàn)由分子水平去研究、設(shè)計與創(chuàng)造新的有用的物質(zhì)及其新的制造與轉(zhuǎn)化工程技術(shù)的全程目標;4. 重視環(huán)境法律法規(guī)的建設(shè);5. 重視生態(tài)工業(yè)園區(qū)的建立。,,21世紀 美國化工學科發(fā)展戰(zhàn)略,美國化學過程工業(yè)是美國少數(shù)具有正的貿(mào)易順差的制造工業(yè)之一，它獲得的附加值占美國全部制造業(yè)的1/3。根據(jù)聯(lián)邦政府統(tǒng)計，在近六年中對于化工R&D的投入，每$1(美元)可獲得

14、$2的收益，即稅后年收益率 >17%。 （美國化學科學與技術(shù)學會，2003） 新型工業(yè)化道路的請髓在于以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化。兩者相互依存、相互融合、相互促進。,美國化學工業(yè)發(fā)展趨勢,對于生物質(zhì)資源的利用，美國國家研究委員會提出的生物質(zhì)原料制得產(chǎn)品目標,*** 世界自然基金會和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署聯(lián)合發(fā)表的《２０００年地球生態(tài)報告》顯示，若按目前的速度繼續(xù)消耗地球的資源，那么

15、我們地球的資源會在２０７５年耗盡。,綠色化學化工:由分子層次直至多尺度研發(fā) 尺度(時間及空間)集成研究發(fā)展,時間尺度,空間尺度,在二十一世紀初，我國化學工業(yè)總能耗為美、加、墨三國之和的 4.1倍,但產(chǎn)值相當三國之和的23.8%——成本顯然缺乏競爭性。 化學工業(yè)萬元產(chǎn)值水耗為美國的3.5倍——生產(chǎn)技術(shù)顯然缺乏競爭性。 我國萬元產(chǎn)值的污染物排放強度是美國的近百倍?；瘜W工業(yè)廢水排放量占全國工業(yè)部門的17.5%，名列第一位；化工廢氣排

16、放量占第4位，固體廢物排放占第5位，但危險廢物占60%為第1位——環(huán)境污染度高。 中國的SO2排放世界一，CO2排放趨于世界第一，面臨環(huán)境污染和低碳經(jīng)濟的挑戰(zhàn)。,發(fā)展綠色化學科學與工程，更是中國的當務之急！,中國面臨資源、能源和環(huán)境嚴峻的挑戰(zhàn)。,中國“十二五規(guī)劃”：提升化工產(chǎn)業(yè)高新技術(shù)必要性,可以減輕資源供應壓力，克服資源對產(chǎn)業(yè)的制約?？梢詼p輕污染排放壓力，克服環(huán)保的制約?？梢詰獙κ袌龈偁帀毫?，克服成本的制約?？梢钥朔鲂?/p>

17、減排壓力，克服結(jié)構(gòu)的制約?？梢跃徑饽茉刺娲鷫毫?，克服技術(shù)的制約?？梢詼p輕低碳經(jīng)濟壓力，克服二氧化碳減排的制約?？梢詼p輕安全生產(chǎn)的壓力，克服安全事故的制約。,利用高新技術(shù)提升化工產(chǎn)業(yè)：,,走資源高效利用的綠色可持續(xù)發(fā)展之路 。節(jié)能降耗減排是保證環(huán)璄友好的必由之路 ?！暗吞技夹g(shù)”將是實現(xiàn)“低碳經(jīng)濟”一個重要 的支撐 。4. 實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展,提高技術(shù)創(chuàng)新能力尤為重要 。,中國“十二五規(guī)劃”：化工產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展戰(zhàn)

18、略：,第二節(jié)、綠色化學科學與工程準則： 1. 2002年提出的綠色化學十二條原則 ( Science, 2002 . ) 2. 2008年提出的國際綠色化學工程的十二準則 (Green Chem., 2008),2002年提出的綠色化學十二條原則,1.源頭防止廢棄物產(chǎn)生要比廢棄物產(chǎn)生之后再去處理凈化更為可??；2.設(shè)計的合成方法應使反應過程中所用物料最大限度

19、地轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物；3.在任何可行的情況下，設(shè)計的合成方法都應當采用和產(chǎn)出那些對人類健康和環(huán)境毒性很小甚至是無毒的物質(zhì)；4.化學產(chǎn)品的設(shè)計要考慮到維持高效并減少毒性；5.盡可能不使用輔助物質(zhì)（如溶劑、析出劑等），在不得不使用時，也盡量使用無害物質(zhì)；6. 應當認識到能量需求對環(huán)境及經(jīng)濟的影響，并應使之降到最低。合成方法應在常溫常壓下進行；,摘自—Poliakoff M et.al. Science, 2002, 297,

20、607-810.,7.只要在技術(shù)和經(jīng)濟上可行，所用未加工材料或原料都應當是可回收而不是純消耗的；8.盡量避免產(chǎn)生不必要的化學衍生物（如基團封閉、保護/去保護、在化學/物理過程中暫時修飾）；9.催化劑（盡可能具有選擇性）更優(yōu)于符合化學計量的試劑；10.設(shè)計出的化學產(chǎn)品在完成其效用后不應持續(xù)殘留于環(huán)境，而應分解為無害的降解產(chǎn)物；11.需要進一步發(fā)展分析方法，以便在危險物質(zhì)形成以前進行實時在線檢測與控制；12.合理選擇化學過程中所使

21、用的物質(zhì)及其形態(tài)，避免或盡量減少發(fā)生包括泄露、爆炸及火災等化學事故。,綠色化學十二條原則,2008年提出的國際綠色化學工程的十二準則 (Green Chem., 2008),1. 保證工程的安全性和可靠性。2. 設(shè)計的過程應源頭防止廢棄物產(chǎn)生。3. 實現(xiàn)工藝過程優(yōu)化。4. 考慮可再生資源與能源循環(huán)利用。5. 產(chǎn)品工程導向的設(shè)計。6. 實現(xiàn)過程集成簡化。7. 物質(zhì)、能量、空間和時間利用效率的高效化。8. 工程設(shè)計應面向用

22、戶需求。9. 化學產(chǎn)品設(shè)計要考慮到高效化與易于分離的副產(chǎn)品。10. 引入質(zhì)量和能量交換網(wǎng)絡的工程。11. 對設(shè)計的生命周期進行評價。12. 考慮產(chǎn)品生命周期的可持續(xù)性。,,現(xiàn)代的集成型流程 （1個裝置）,傳統(tǒng)的常規(guī)型流程（11個裝置設(shè)備）,綠色化學工程的準則：6.實現(xiàn)過程集成簡化,,過程集成簡化,國際綠色化學工程的十二準則(Green Chem., 2008),1. 保證工程的安全性和可靠性。2. 設(shè)計的過程應源頭防

23、止廢棄物產(chǎn)生。3. 實現(xiàn)工藝過程優(yōu)化。4. 考慮可再生資源與能源循環(huán)利用。5. 產(chǎn)品工程導向的設(shè)計。6. 實現(xiàn)過程集成簡化。7. 物質(zhì)、能量、空間和時間利用效率的高效化。8. 工程設(shè)計應面向用戶需求。9. 化學產(chǎn)品設(shè)計要考慮到高效化與易于分離的副產(chǎn)品。10. 引入質(zhì)量和能量交換網(wǎng)絡的工程。11. 對設(shè)計的生命周期進行評價。12. 考慮產(chǎn)品生命周期的可持續(xù)性。,環(huán)氧乙烷,草酸（媒染劑、除銹劑、漂白劑）,墨水、染料、皮革

24、,與對苯二甲酸反應酯化生成單體；再縮聚生成聚對苯二甲酸乙二醇酯，紡絲后處理,滌綸纖維,二甘醇,乙二醇,水合,,氧化,醫(yī)藥、化妝品等,,,,,如環(huán)氧乙烷的深度加工至滌綸及滌綸再生資源的循環(huán)利用:,,乙烯,石油,,,醇解或水解,,單體,,…….,…….,,,…….,…….,綠色石油化工的生產(chǎn)鏈與資源的循環(huán)利用,,綠色化學工程準則：12. 產(chǎn)品生命周期的可持續(xù)發(fā)展性,,循環(huán)利用,,國際發(fā)達國家對化工設(shè)計審批標準提升到必須對產(chǎn)品的生命周期的可持

25、續(xù)發(fā)展負責。,以滌綸為例說明12.產(chǎn)品生命周期的可持續(xù)發(fā)展性,它是由環(huán)氧乙烷水合制乙二醇(EG) ，與對苯二甲酸（PTA）反應酯化生成單體［或?qū)Ρ蕉姿岫柞ィ―MT）和乙二醇（EG）為原料，經(jīng)酯化或酯交換］，經(jīng)縮聚反應而制得的成纖高聚物——聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），經(jīng)紡絲和后處理制成的纖維。該使用后廢纖維經(jīng)過凈化處理后，醇解和水解后，成為單體，可供循環(huán)利用。,5. 產(chǎn)品工程導向的設(shè)計/國際化學工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)展態(tài)勢,基本化工：

26、規(guī)模效益（資源利用率的提高） 信息化程度（自動化程度）的提高, 能耗的降低 。精細化工(包括功能產(chǎn)品): 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的及時調(diào)整 多產(chǎn)品車間的建立——柔性生產(chǎn)線。,根據(jù)全球統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在美、英、日、德等國的大化工行業(yè)的GDP中精細化學品及功能產(chǎn)品占79%左右。,石油化工一體化：原料—基本化工—精細化工

27、 —功能產(chǎn)品/生產(chǎn)鏈式結(jié)構(gòu),大力發(fā)展精細化工已成為世界各國調(diào)整化學工業(yè)結(jié)構(gòu)、提升化學工業(yè)產(chǎn)業(yè)能級和擴大經(jīng)濟效益的戰(zhàn)略重點。 21世紀以來，世界精細化工發(fā)展具有產(chǎn)業(yè)集群化、工藝清潔化、節(jié)能化，產(chǎn)品多樣化、專用化及高性能化的顯著特征。,5. 產(chǎn)品工程導向的設(shè)計/國際化學工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)展態(tài)勢,合理生產(chǎn)鏈及其優(yōu)化與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的及時調(diào)整,２０世紀末期，美國商業(yè)部作了一項統(tǒng)計，以石油作基準計算，如果作為

28、燃料燒掉價值為1的話，若把它全部分離為“基本原料”，則價值增至2，若合成出“通用化學品”將增值至4，進一步制成“精細化學品”將增值至8，最終制成“專用化學品”增值至106。 其價值比值為：1: 2: 4: 8: 106。 以上是國際制造業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)競爭焦點：我國必須向精品高端制造強國前進。,10. 引入質(zhì)量與能量交換網(wǎng)絡的工程，實現(xiàn)過程集成，是實現(xiàn)綠色化工的核心技術(shù)。,1)、夾點分析――（

29、資源、能源節(jié)約型） 基于熱力學原理的集成換熱器網(wǎng)絡的夾點技術(shù)推廣到傳質(zhì)交換網(wǎng)絡中來。質(zhì)交換器指的是任何逆向直接接觸的傳質(zhì)操作，如吸收、吸附、液—液萃取、離子交換、浸取、汽提，氫夾點分析等。 這種質(zhì)交換網(wǎng)絡分析的目的是設(shè)計污染雜質(zhì)的回收網(wǎng)絡，以減少污染。廢水最小化的夾點設(shè)計方法。,2)、深度過程集成：網(wǎng)絡超結(jié)構(gòu)模型模擬,交換網(wǎng)絡:綠色深度過程集成方法,立足于通用反應器及相互連接的流股網(wǎng)絡構(gòu)成

30、的超結(jié)構(gòu)，在研究傳質(zhì)和傳熱的各種可能安排的基礎(chǔ)上，找尋最優(yōu)化的結(jié)構(gòu):① 用可再生資源代替不可再生資源② 氫夾點分析③ 基于溶劑的分離系統(tǒng)設(shè)計④ 利用微化工廠來規(guī)避風險、提高效率⑤ 工廠公用工程及聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能,課下作業(yè),1. 化工過程設(shè)計的綠色化學科學與工程準則包括那些內(nèi)容？2. 簡述化工過程系統(tǒng)工程模擬軟件主要發(fā)展趨勢參考文獻：David T. Allen, David R. Shonnard, Green Engi

31、neering: Environmentally Conscious Design of Chemical Processes, Prentice Hall PTR, Indiana,USA.,20012. Edited By: D J H CLARK, Handbook of Green Chemistry and Technology, Blackwell Publishing, Oxford, UK., 2002,請同學們提前完