工程化学教学课件

工程化学教学课件化学工程的科学与技术基础第一章工程化学概述化学工程的定义与核心学科发展简史化学工程是一门设计与优化工业化学过程的综合学科，将化学原理与工年，麻省理工学院首次设立化学工程学位，奠定了现代化工1888MIT程技术相结合，实现物质的高效转化与生产其核心在于解决从实验室教育基础年，美国化学工程师阿瑟利特尔提出单元操作理论，1923·到工业规模的放大问题，提高生产效率，降低能源消耗成为化工学科的重要里程碑，使复杂工艺可拆分为基本操作单元进行研究工程化学的学科内涵与研究对象物质合成与转化过程过程设计与设备开发绿色化学与可持续发展研究化学反应的基本规律，揭示分子层面的针对特定化学过程，设计最优工艺路线，开探索资源高效利用途径，研发低污染、低能转化机理，建立反应动力学和热力学模型，发高效设备，解决放大过程中的技术难题，耗工艺，推动循环经济发展，实现化学工业为工业生产提供理论基础实现经济可行的工业生产的可持续发展与环境友好现代化工厂全景第二章化学工程的基础理论化学反应工程1传递过程原理2物理化学基础3物理化学基础传递过程原理化学反应工程热力学与动力学是工程化学的理论支柱，解释动量、热量、质量传递（三传）贯穿整个化物质转化的可能性与速率，预测反应方向与平工过程，是设计设备与优化工艺的核心依据衡热力学在工程化学中的应用工业应用案例合成氨生产中，通过控制温度、压力条件优化吉布斯自由能，提高氮气与氢气反应的转化率焓与能量变化H石油裂化过程中，利用热力学数据确定最佳操作温度，平衡转化率与能耗表征反应放热或吸热，是工业能量平衡的基础△放热反应，如燃烧H0△吸热反应，如煅烧H0熵与混乱度S表征系统无序度，影响反应方向△系统无序度增加S0△系统无序度减少S0自由能与平衡G综合能量与熵变，预测反应自发性△自发反应G0△平衡状态G=0传递过程详解质量传递统一理论的重要性物质在浓度梯度驱动下的迁移过程，遵循菲克定律包括分子扩散与三传过程在数学形式上具有相似性，可通过统一的控制方程描述对流传质，是分离过程的核心机理吸收、萃取和干燥等单元操作都掌握其共性有助于系统理解和解决复杂工程问题，是化工设计的基础基于质量传递原理动量传递热量传递能量在温度梯度作用下的传递，包括导热、对流和辐射三种基本方式热交换器设计、反应器温度控制等都依赖热量传递理论传递过程示意图传递过程是化学工程的基础理论之一，研究物质、能量和动量在空间中的迁移规律上图展示了典型的传递现象流体在管道中的流动特性（动量传递）热交换器中的温度分布（热量传递）气液接触塔中的组分迁移（质量传递）第三章单元操作与单元过程流体输送操作分离操作泵送、压缩、流化、搅拌等蒸馏、萃取、吸收、结晶、膜分离等热交换操作加热、冷却、蒸发、冷凝等单元过程机械分离操作化学反应工程实现硝化、氧化、聚合等过滤、沉降、离心、筛分等单元操作是化学工程的重要概念，将复杂的工业过程分解为基本操作单元进行研究这种方法使工程师能够系统地分析和优化生产流程，为不同行业的工艺设计提供通用方法论蒸馏与分离技术蒸馏塔结构与工作原理精馏与工业应用蒸馏是利用混合物组分挥发度差异进行分离的单元操作蒸馏塔由塔体、塔板（或填料）、再沸器和冷凝器组成，通过精馏是蒸馏的改进形式，通过回流提高分离效率在石油炼制中，常减压蒸馏装置是核心工艺，将原油分离为汽油、煤气液平衡原理实现组分的逐级富集油、柴油等不同馏分工作过程液体在再沸器中加热产生蒸气

1.蒸气上升与下降液体接触交换

2.低沸点组分富集于塔顶

3.高沸点组分富集于塔底

4.吸收与萃取气液吸收原理液液萃取技术利用气体组分在液体中的溶解度差异实现分离，关键参数包括利用溶质在两种互不相溶液体中的分配系数差异实现分离亨利定律描述气体在液体中的溶解度分配系数决定萃取效率的关键参数传质系数表征传质速率的关键参数萃取剂选择高选择性、易回收、低毒性••气液接触方式填料塔、板式塔等设备类型混合澄清器、脉冲萃取塔等••工业应用烟气脱硫、₂捕集、溶剂回收等工业应用稀土分离、抗生素提取、废水处理等CO环境工程中的实例工业废气处理过滤与干燥技术过滤技术行业应用案例过滤是分离固液混合物的机械操作，根据达西定律，过滤速率与压差成正比，与滤饼厚度成反比常见过滤设备板框压滤机间歇操作，适用于高浓度悬浮液•转鼓真空过滤机连续操作，处理能力大•离心过滤机利用离心力加速固液分离•干燥技术干燥是通过蒸发或升华去除物料中水分的操作，涉及复杂的热质同时传递过程干燥设备分类对流干燥流化床、喷雾干燥器•传导干燥转筒干燥器、真空干燥器•辐射干燥红外干燥器、微波干燥器•制药工业中，无菌过滤是保证产品质量的关键步骤，通常采用深层过滤与膜过滤相结合的方式蒸馏塔内部结构蒸馏塔核心组件及工作机理第四章化学反应工程规模放大挑战反应器类型从实验室到工业生产的转化面临传热、传质、反应动力学基础批式反应器间歇操作，适合小规模生混合等问题需考虑安全性、操作稳定性、BR研究反应速率与影响因素的关系，建立速率产经济性等多方面因素规模放大是化学反应方程，确定反应级数、活化能等参数掌握工程的核心任务连续搅拌釜式反应器连续操作，CSTR动力学规律是反应器设计的前提混合均匀管式反应器连续操作，推进流动，PFR适合大规模生产催化剂与催化反应催化剂作用机理工业催化剂催化剂通过提供反应的新途径，降低活化能，加速反应速率，但不改变工业催化剂通常包含活性组分、载体和助剂，制备方法包括浸渍、共沉反应的热力学平衡淀、溶胶凝胶等-催化剂的主要特性重要工业催化反应活性反应速率提高的程度合成氨催化剂（含₂促进剂）••Fe KO选择性控制目标产物的生成硫酸生产₂₅催化₂氧化••V OSO稳定性催化剂使用寿命石油催化裂化分子筛催化剂••绿色催化技术催化作用类型均相催化催化剂与反应物处于同一相•多相催化催化剂与反应物处于不同相•生物催化利用酶催化生物转化•聚合反应工程简介聚合反应机理聚合反应分为两大类逐步聚合任何两个分子单元都能反应，如缩聚和加聚链式聚合需要引发剂活化单体，包括自由基、离子和配位聚合每种聚合方式都有特定的动力学特征和分子量分布规律聚合反应控制聚合反应的关键控制参数温度影响反应速率和分子量分布•浓度影响反应动力学和产物性质•搅拌确保传热均匀，避免热点•添加剂调节聚合度和产物结构•环保材料工程化可降解高分子材料的工业化制备是当前研究热点聚乳酸从可再生资源中提取乳酸，通过开环聚合制备•PLA聚羟基脂肪酸酯利用微生物发酵生产的生物聚酯•PHA改性淀粉材料通过物理或化学改性提高淀粉的加工性能•催化反应器催化反应器的核心技术催化反应器是化学工业的核心设备，其设计需综合考虑反应动力学、传递现象和催化剂特性图中展示的是典型的固定床催化反应器，广泛应用于石油化工、煤化工和精细化工领域主要技术特点催化剂床层设计优化流体分布，避免短路和死区温度控制系统多点测温和换热，防止热点形成压力调节装置维持最佳反应压力，提高转化效率在线监测系统实时跟踪反应参数，确保安全稳定运行第五章工程材料基础工程材料是化学工程的物质基础，不同类型材料的选择与应用直接关系到工程设计的成功合理的材料选择需要综合考虑以下因素物理性能强度、硬度、韧性、密度等化学性能耐腐蚀性、耐高温性、稳定性等加工性能成型工艺的适用性和难易程度经济因素成本、寿命、维护要求等水泥与胶凝材料水泥的化学组成与水化反应水泥类型与应用普通硅酸盐水泥主要由以下矿物组成C₃S3CaO·SiO₂硅酸三钙，早期强度的主要贡献者C₂S2CaO·SiO₂硅酸二钙，后期强度的主要贡献者C₃A3CaO·Al₂O₃铝酸三钙，水化速度快，放热量大C₄AF4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃铁铝酸四钙，水化缓慢水泥水化是一系列复杂的化学反应，生成水化硅酸钙凝胶C-S-H和氢氧化钙等产物，形成坚硬的水泥石结构60%普通硅酸盐水泥通用型水泥，适用于一般混凝土结构15%快硬硅酸盐水泥早期强度高，适用于冬季施工10%硫铝酸盐水泥超快硬，用于紧急抢修工程高分子材料工程热塑性塑料热固性塑料环保可降解塑料分子结构为线性或支化，加热可软化成型，冷却成型过程中发生化学交联反应，形成三维网状结能在自然环境或特定条件下降解的高分子材料，后固化，可重复加工代表材料包括聚乙烯、构，一旦固化不能再熔融代表材料包括环氧树减少环境污染主要包括聚乳酸、聚羟基PE PLA聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等脂肪酸酯、淀粉基塑料等PP PVCPS PHA主要加工方法压模、模压、浇注、层压应用领域包装材料、农用地膜、一次性餐具主要加工方法注塑、挤出、吹塑、热成型高分子材料加工是化学与机械工程的交叉领域，需要精确控制温度、压力、时间等参数，确保产品质量随着绿色化学理念的推广，可降解塑料的研发与应用成为当前发展热点高分子材料微观结构高分子材料的结构与性能关系高分子材料的性能与其微观结构密切相关上图展示了半结晶高分子材料的典型结构，包含结晶区和无定形区结晶区分子链排列整齐，提供机械强度；无定形区分子链无规则缠结，赋予材料柔韧性通过调控高分子的分子量、结晶度、取向度和交联度，可以设计出具有特定性能的工程材料，满足不同应用场景的需求这种分子设计是现代高分子材料科学的核心理念第六章绿色化学与可持续工程绿色化学十二原则可持续工程实践

1.预防废物胜于处理废物

2.原子经济性最大化

3.设计更安全的化学合成方法

4.设计更安全的化学品

5.使用更安全的溶剂和反应条件

6.提高能源效率

7.使用可再生原料

8.减少衍生物

9.催化优于化学计量反应

10.设计可降解产品

11.实时分析监测污染

12.预防事故的安全化学资源循环利用工业废物资源化，构建工业生态系统工业废水与废气处理技术预处理格栅拦截、沉砂、调节、中和一级处理沉淀、气浮、过滤，去除悬浮物二级处理活性污泥法、生物膜法，去除有机物三级处理膜分离、离子交换、高级氧化，去除特定污染物污泥处理浓缩、稳定、脱水、干化、资源化利用废气处理技术吸收法吸附法催化转化用适当溶剂吸收废气中的污染物，如碱液脱硫、氨法脱硫等利用多孔吸附剂如活性炭吸附污染物，适用于低浓度处理在催化剂作用下将污染物转化为无害物质，如脱硝技术VOCs SCR新能源工程技术1生物质能转化2氢能与燃料电池3太阳能化学工程生物质是一种重要的可再生资源，通过氢能是一种清洁高效的二次能源，可通太阳能化学工程是将太阳能转化为化学热化学和生物化学转化路径可获得多种过多种方式制取能的技术路径能源产品化石燃料重整制氢（灰氢）光伏电解耦合系统制氢••-热化学路径直接燃烧、气化、热解和电解水制氢（绿氢，使用可再生电力）太阳能热化学循环••液化人工光合作用•生物化学路径厌氧发酵产沼气、发酵光催化分解水制氢（实验室阶段）•这一领域代表了能源化工的未来发展方制乙醇燃料电池是氢能利用的关键技术，质子向，有望实现太阳能的高效存储与利用我国农林废弃物丰富，生物质能开发潜交换膜燃料电池已在交通运输PEMFC力巨大，是实现碳中和的重要途径领域示范应用绿色化学循环示意图绿色化学循环是构建可持续化学工业的核心理念，强调从原料获取、生产制造到产品使用和废弃物处理的全生命周期环境友好设计该循环包含四个关键环节可再生资源利用从生物质、二氧化碳等可再生资源中获取化工原料绿色合成工艺采用原子经济性高、能耗低、废物少的反应路径环境友好产品设计无毒、可降解、功能优良的化学品和材料废物资源化利用将废弃物转化为有价值的资源，实现闭环利用通过这一循环，化学工业可以从传统的线性经济模式转向循环经济模式，减少对环境的负面影响第七章现代化学工程技术前沿大数据与人工智能智能制造与过程控制纳米技术与分子工程应用于实现突破工艺参数优化与预测工厂数字孪生技术纳米催化材料•••产品质量在线监控分布式控制系统分子筛与••DCS•MOFs反应机理探索与新材料设计先进过程控制仿生分离膜••APC•现代化学工程正经历深刻变革，信息技术与化工技术深度融合，推动传统化工向智能化、精细化、绿色化方向发展这些前沿技术不仅提高了生产效率和产品质量，还为解决能源、环境、材料等领域的挑战提供了新思路作为未来工程师，必须具备跨学科视野，掌握前沿技术，才能在快速变化的行业中保持竞争力化学工程中的安全与伦理化工安全管理体系典型事故分析化工安全是工程化学教育与实践的首要任务，完善的安全管理体系包括风险评估与控制工艺安全管理危险与可操作性研究、层保护分析建立工艺安全信息、操作规程、设备完整性、变HAZOP、定量风险评估等方法识别风险更管理等安全管理制度，确保生产全过程安全LOPA QRA并制定控制措施应急预案与演练针对可能发生的事故情景，制定详细应急预案，定期开展演练，提高应急响应能力通过分析历史事故案例，可以提炼出宝贵的经验教训年天津港爆炸事故危险品管理不当•2015年响水化工厂爆炸工艺安全管理缺失•2019工程师职业伦理化工工程师应遵循职业道德准则保障公众安全与健康•尊重自然环境•诚实守信，不断学习•工程化学人才培养目标理论与实践结合创新能力与跨学科素养适应未来产业发展需求工程化学教育强调理论与实践相结合，通过现代工程化学人才需要具备创新思维和跨学面向产业转型升级，工程化学人才需要具备实验、课程设计、工厂实习等环节，培养学科视野，能够生将理论知识转化为解决实际问题能力的能发现并定义工程问题数字化能力掌握计算机模拟、大数据分析•力等工具提出创新解决方案•核心课程体系包括绿色化思维关注可持续发展，践行绿色化跨学科团队协作•学原则基础理论课程物理化学、化工原理、•有效沟通与表达•反应工程全球化视野了解国际前沿，参与全球竞争教学中注重培养学生的批判性思维和创造性与合作专业课程化工设计、过程控制、安全•解决问题的能力工程培养既懂技术又懂管理的复合型工程人才实践环节综合实验、课程设计、毕业•设计课程总结与展望工程化学的核心价值面向未来的技术挑战工程化学作为一门交叉学科，在现代工业体系中发挥着关键作用碳中和技术将基础科学转化为实用技术，实现从实验室到工厂的跨越₂捕集与利用、低碳制造工艺CO为国民经济各部门提供物质基础和技术支持推动产业升级和技术创新，提高国际竞争力数字化转型通过系统学习工程化学，你已掌握了分析和解决复杂工程问题的基本方法论，为今后的专业发展奠定了坚实基础智能工厂、工业互联网应用精准制造定制化生产、微纳加工技术未来的工程化学将更加注重学科交叉融合，化学与信息、材料、能源、环境等领域深度结合，催生新的技术革命希望同学们能够保持好奇心与求知欲，积极探索与创新，成为推动化学工业绿色可持续发展的中坚力量！谢谢聆听欢迎提问与讨论如有疑问，请随时联系professor@university.edu.cn。