工程化学教材教学课件

工程化学教材教学课件第一章工程化学概述123工程化学的定义与学科范围化学工程的发展历史与学科地位工程化学在现代工业中的作用工程化学是研究物质化学变化及其相关工程从19世纪末期开始，化学工程逐渐从化学中应用的学科，涵盖从分子层面到工业规模的分离成为独立学科1888年，麻省理工学全过程研究它结合了化学原理与工程方院首次开设化学工程课程，标志着现代化学法，解决物质转化过程中的技术问题工程学科的正式建立经过一百多年发展，现已成为工程领域的重要分支工程化学的学科内涵学科核心内容物质合成与转化过程研究化学反应的路径、机理与动力学，优化合成条件，提高产品收率与选择性物质、能量转化的工程原理通过热力学、传递现象、反应工程等基础理论，解决工程实践中的规模化问题绿色化学与可持续发展目标工程化学研究人员在实验室中研究新型催化剂化学工程流程示意图上图展示了完整的化学工程流程，从原料预处理到反应转化，再到产品分离与纯化的全过程箭头指示了物质流动方向，不同颜色的设备代表不同的功能单元这种流程图是工程化学设计与分析的重要工具原料处理包括混合、加热、粉碎等预处理步骤，确保反应物达到合适状态化学反应在反应器中进行物质转化，控制温度、压力等条件以获得目标产物分离纯化第二章物质的结构与性质基础原子结构与电子排布化学键类型原子核与电子层结构模型离子键电子完全转移形成••元素周期表与电子层排布规律共价键电子共享成键••原子轨道理论与杂化轨道金属键自由电子海中的正离子••核外电子排布与元素化学性质关氢键、范德华力等次级键作用••系分子结构与物理化学性质分子几何构型与成键角•分子极性与电负性概念•分子间作用力与物质状态•结构对熔沸点、溶解性的影响•物质的状态与相变三态基本特征相图与工程应用状态分子排列分子运动工程特性固态规则排列振动为主保形、强度高液态短程有序振动+位移流动性、不可压缩气态无序分布自由运动可压缩、扩散快相图是温度、压力与物质状态关系的图形表示，对工程设计至关重要通过相图可以预测物质在特定条件下的状态，指导工业过程设计工程中常见的相变应用蒸发冷却、升华干燥、超临界萃取等这些应用广泛存在于制药、食品、石化等行业第三章工程材料化学基础金属材料陶瓷材料由金属元素组成，具有良好导电导热性、延展性和无机非金属材料，具有高硬度、耐高温、化学稳定韧性常见如钢铁、铝合金、铜合金等，主要应用性好的特点包括传统陶瓷和先进陶瓷，应用于高于结构件、电气设备温、高压、腐蚀环境复合材料高分子材料由两种或两种以上不同性质材料组成，取长补短，由长链分子组成，密度低、成型加工容易包括热性能优于单一材料如碳纤维复合材料、玻璃钢塑性、热固性和弹性体三大类，广泛应用于包装、等，应用于航空航天、体育器材等建筑、交通等领域材料选择的工程考量因素•机械性能强度、硬度、韧性、疲劳性能•物理性能密度、热膨胀系数、导热系数•化学性能耐腐蚀性、化学稳定性•经济因素成本、可加工性、寿命典型材料案例分析碳纤维增强复合材料水泥与石灰材料高分子材料工业应用由碳纤维增强体与环氧树脂基体组成，具有超两种最常用的无机胶凝材料，应用历史悠久聚合物材料在现代工业中扮演着越来越重要的高比强度和比模量其特点包括角色•密度仅为钢的1/4，强度可达钢的10倍•水泥硅酸钙为主要成分，水化反应形成•聚乙烯、聚丙烯包装材料、管道系统硬化体优异的疲劳性能和抗蠕变性能聚氯乙烯建筑材料、电线电缆护套••石灰主要成分为氧化钙，与水反应生成良好的抗振性和高阻尼特性•聚酰胺（尼龙）纤维、工程塑料••氢氧化钙聚四氟乙烯特种工程塑料，耐腐蚀、低主要应用于航空航天、高端体育器材、风电叶•碳化硬化氢氧化钙与二氧化碳反应形成•摩擦片等领域碳酸钙广泛应用于建筑、道路、桥梁等基础设施建设碳纤维材料显微结构碳纤维微观特征结构性能关系-碳纤维由石墨微晶组成，呈现高度定向高度石墨化结构提供优异强度和模量•排列的层状结构单根碳纤维直径通常纤维与树脂界面决定复合材料整体性•为微米，比人类头发细约倍显5-1010能微图中可见纤维的规则排列和树脂基体纤维排列方向决定材料的各向异性•的均匀分布微观结构缺陷是材料失效的主要原因•碳纤维复合材料的性能高度依赖于微观结构控制通过调整纤维排列方向、体积分数、纤维树脂界面等因素，可以设计出满足特定工程需求的复合材料-第四章化学反应工程基础反应动力学基本概念研究化学反应速率及其影响因素，是反应工程的理论基础•反应速率表达式r=k·fCA,CB...•反应级数零级、一级、二级反应•阿伦尼乌斯公式k=A·e-Ea/RT•温度对反应速率的影响通常升高10℃，速率增加2-4倍反应速率与反应机理反应机理描述反应的微观过程，包括基元反应步骤•连续反应A→B→C，产物成为新反应物•平行反应A→B，A→C，竞争反应路径•可逆反应A⇌B，正反应与逆反应同时进行•催化反应通过降低活化能加速反应反应器类型及设计原则反应器是实现化学反应的装置，其设计直接影响产率和选择性•间歇反应器小规模、多品种生产•连续搅拌反应器混合均匀，温度稳定•管式反应器连续流动，适合大规模生产•固定床反应器气固催化反应的常用设备反应热力学与能量平衡反应的热效应热力学定律应用化学反应通常伴随着能量变化，分为放热反应和吸热反应热力学第一定律能量守恒定律，用于反应器能量平衡计算ΔU=Q-W放热反应热力学第二定律ΔH0，释放热量例如燃烧反应、中和反应、大多数氧化反应工程上需要设计冷却系统移除热量，防止温度过高熵增原理，用于判断反应自发性ΔG=ΔH-TΔS能量管理策略吸热反应热量回收与利用系统设计•ΔH0，吸收热量例如分解反应、蒸发过程工程上需要提供反应温度精确控制技术•持续热源维持反应进行，防止温度降低导致反应停止绝热与保温材料选择•反应工程中的安全与控制反应过程安全风险分析过程控制基本方法化学反应可能伴随多种安全风险，必须进行系统分现代反应工程依赖精确的过程控制系统确保安全高析与防范效运行•热失控风险放热反应可能导致温度失控•温度控制冷却系统、加热系统与温度监测•压力风险气体生成导致压力升高•压力控制减压装置、压力表与报警系统•物料不相容性某些物质混合可能发生剧烈•流量控制进料速率控制以调节反应强度反应•组分控制在线分析与自动调节系统•毒性与腐蚀性对人员健康与设备的危害HAZOP与风险评估危害与可操作性研究是化工安全的重要方法论•系统性识别偏离正常操作的可能性•评估偏离造成的后果严重程度•确定预防与缓解措施•建立安全管理制度与应急预案第五章传递过程基础传递过程的数学描述•微分方程描述局部传递行为•边界条件反映系统边界特性•初始条件描述起始状态传递过程相似性三种传递过程具有数学形式上的相似性，均可表示为其中J为通量，D为传递系数，φ为推动力（浓度、温度或速度），x为传递方向的空间坐标质量传递物质在浓度梯度作用下的迁移过程，如扩散、吸附等支配定律为菲克定律，表示通量与浓度梯度成正比热传递热量在温度梯度作用下的传导、对流与辐射过程服从傅里叶定律，热流与温度梯度成正比动量传递传递过程实例换热器设计基础吸收与蒸馏过程中的传质流体力学基础与管道设计换热器是实现热量传递的关键设备，设计涉气液传质操作是分离工程的核心过程流体输送是工程中最常见的操作之一及两膜理论与传质系数伯努利方程应用描述流体能量转换••传热系数计算值决定换热效率•U相平衡关系亨利定律、拉乌尔定律摩擦损失计算达西公式••换热面积确定•A=Q/U·LMTD传质推动力浓度差或分压差局部阻力弯头、阀门等••流体分配与流动阻力分析•传质单元数计算方法泵的选型与管道材料选择••换热器类型选择管壳式、板式等•传递过程设计必须综合考虑传递效率、能耗、设备成本和操作灵活性等因素，寻求最佳平衡点换热器结构示意图主要组成部件如图所示，管壳式换热器主要由壳体、管束、管板、折流板、进出口管嘴等部分组成其中管束是主要换热部件，折流板用于增强壳程流体湍动，提高传热效率工作原理两种温度不同的流体分别在管内和管外流动，通过管壁进行热量交换热流体流经处温度逐渐降低，冷流体温度逐渐升高，实现能量的高效传递工程应用管壳式换热器广泛应用于石化、电力、食品等行业根据流体特性和工艺要求，可设计为固定管板式、浮头式、型管式等多种结构形式U第六章分离工程基础0102分离方法分类分离过程的设计与优化分离过程是化学工程中至关重要的单元操作，根据工业分离过程设计需考虑多方面因素原理可分为多种类型•热力学可行性相平衡数据分析•基于相平衡的方法蒸馏、吸收、萃取•传质动力学传质速率与效率•基于尺寸差异的方法筛分、过滤、膜分离•能耗与设备投资经济性评价•基于密度差异的方法沉降、离心分离•操作灵活性与控制难度•基于化学亲和力的方法吸附、离子交换03工业分离技术案例现代工业中的典型分离技术应用•石油分馏原油中各组分的分离•空气分离制取氧气、氮气、稀有气体•海水淡化反渗透膜技术•生物分离色谱法分离蛋白质、抗生素蒸馏塔设计与操作理论板与实际板概念塔径计算理论板是假想的完全平衡状态的接触单元，而实际板由于传质限制无法达到平衡塔径设计必须避免泛点和漏点，确保操作稳定•理论板数基于气液平衡计算的理想接触级数•泛点气速过高导致液体无法下流•板效率η=实际变化量/理论变化量•漏点气速过低导致液体通过气孔下漏•总板效率通常在40%-80%之间•设计气速通常为泛点气速的80%•实际板数=理论板数/板效率•塔径计算公式D=√4V/πu塔板效率影响因素工业蒸馏塔实例•物系特性挥发度、扩散系数•操作条件气液负荷、温度•塔板结构开孔率、液流路径第七章工艺流程设计与经济分析工艺经济性评价指标设备选型与规模设计项目经济性评价的主要指标工艺流程图绘制与解读设备选型必须考虑多方面因素•投资回收期静态/动态工艺流程图PFD是化工设计的核心文件，包含•工艺需求温度、压力、腐蚀性•净现值NPV考虑货币时间价值•主要设备与物流线•操作弹性负荷波动适应能力•内部收益率IRR项目盈利能力•关键工艺参数温度、压力、流量•能耗与维护成本•敏感性分析关键参数变化影响•控制点与仪表•安全性与环保要求综合技术与经济因素做出最优决策•物料平衡信息规模设计需平衡投资与生产能力标准符号系统确保不同工程师之间有效沟通工程项目案例化工厂设计流程1原料选择与预处理项目起始阶段首先确定原料来源与预处理方案•原料市场调研与供应链分析•原料纯度要求与杂质控制•预处理工艺选择过滤、干燥、粉碎等•原料储存与输送系统设计2反应与分离单元设计工艺核心单元的详细设计•反应器类型选择与规模确定•反应条件优化温度、压力、催化剂•分离序列设计最小能耗原则•关键设备详细设计与材料选择3经济效益与环境影响分析项目可行性的综合评估•投资估算设备费、安装费、间接费•运营成本分析原料、能源、人工、维护•环境影响评价排放、噪声、安全风险•社会效益分析就业、税收、技术提升第八章工程化学中的绿色化学与可持续发展绿色化学原则介绍过程强化与废弃物最小化循环经济与资源高效利用绿色化学的12项原则引导化学工业向可持续方向过程强化技术提高效率，减少环境足迹循环经济模式重构工业生产方式发展微反应技术精确控制反应条件工业共生一个企业的废物成为另一个的原••预防废物胜于处理废物料•多功能反应器集成反应与分离•原子经济性最大化原料转化为产品闭环生产产品生命周期全过程管理•强化传热传质技术••减少有毒化学品使用可再生能源集成与能量梯级利用•废弃物回收与循环利用技术••设计更安全的化学品和过程水资源循环利用与零排放技术••生物化工与新能源技术生物催化与发酵工程氢能与新能源材料生物技术为化工行业带来革命性变革氢能作为清洁能源载体的优势与挑战•酶催化高选择性、温和条件、环境友好•氢气制备电解水、甲烷重整、生物制氢•微生物发酵生产有机酸、氨基酸、抗生素•氢气储存高压气态、低温液态、固态储氢•生物转化复杂分子的高效合成•燃料电池技术原理与应用•生物质转化从可再生资源生产化学品•氢能基础设施建设挑战工程化学在新能源领域的应用•太阳能电池材料钙钛矿、有机太阳能电池•储能材料锂离子电池、钠离子电池、超级电容•能源转换催化剂研发•碳捕获与利用技术第九章工程化学实验与实践典型实验介绍实验数据处理与分析工程化学实验培养学生的实践能力与工程思科学的数据处理方法确保实验结果可靠维•误差分析系统误差与随机误差•反应动力学实验反应速率常数测定•数据拟合最小二乘法•传热实验总传热系数测定•相关性分析变量之间的关系•流体实验管道压降与泵性能测试•维度分析与无量纲化处理•传质实验气液吸收塔效率测定•不确定度评估与结果表达•分离实验精馏、萃取操作实践实验安全与规范实验室安全是工程教育的重要组成部分•危险化学品管理与使用规范•个人防护装备正确使用•实验室安全设施与应急处理•实验废弃物分类与处理•安全文化培养与事故案例学习工程化学软件与模拟工具常用化工模拟软件简介模拟在工艺设计中的作用计算机辅助工具已成为工程化学不可或缺的部分•设计前评估快速筛选工艺方案•参数优化寻找最佳操作条件•敏感性分析评估变量波动影响•放大设计从实验室到工业规模Aspen Plus•安全分析预测异常工况后果最广泛使用的化工流程模拟软件，强大的热力学数据库与设备模型库，适用于稳态模拟•经济评价设备规模与成本估算案例演示简单流程模拟HYSYS石油化工领域常用模拟软件，用户界面友好，适合动态模拟与控制系统设计COMSOL基于有限元分析的多物理场耦合模拟软件，适合传热、流体、反应等复杂问题如图所示，通过流程模拟软件可以直观地设计工艺流程，输入物性参数和操作条件，获得各流股的组成、温度、压力等关键信息，为工程决策提供科学依据未来工程化学发展趋势跨学科融合创新1材料-生物-信息多学科交叉纳米技术与分子工程2原子/分子尺度精确控制合成与加工智能制造与数字化工厂3大数据、人工智能驱动的智能化生产智能制造与数字化工厂纳米技术与分子工程跨学科融合创新方向数字技术正在彻底改变化工行业纳米尺度的物质操控开创新可能学科边界日益模糊，融合孕育突破•工业互联网与实时监控系统•纳米催化剂极高活性与选择性•生物与化工仿生催化、合成生物学•数字孪生技术模拟优化生产•纳米材料独特物理化学性能•材料与能源新型储能材料、膜材料•机器学习预测设备故障•分子设计计算化学辅助设计•化学信息学材料基因组计划•自动化控制与远程操作•单分子反应研究与控制•人工智能辅助分子发现典型工程化学人物与历史事件MIT化学工程学科创立历史Bird、Stewart和Lightfoot的《传递现象》1888年，麻省理工学院的威廉·沃克（WilliamH.Walker）、沃伦·刘易斯（Warren K.Lewis）1960年，R.Byron Bird、Warren E.Stewart和和威廉姆·麦克亚当斯（William H.McAdams）Edwin N.Lightfoot三位教授出版了里程碑著作创立了世界上第一个化学工程课程他们被誉《Transport Phenomena》（传递现象），首为化学工程三剑客，奠定了化学工程作为独立次系统地将动量、热量和质量传递的基本原理学科的基础统一起来，建立了化学工程的理论基础他们提出的单元操作概念，将复杂的工业过程该书推动了化学工程从经验性学科向理论性学分解为基本操作单元，极大地简化了化工过程科的转变，被誉为BSL圣经，影响了几代化学的分析与设计，至今仍是化工教育的核心内工程师的培养容现代化工技术重大突破案例哈伯-博世合成氨工艺（1913年）解决了农业肥料来源问题，影响了全球粮食生产流化床催化裂化技术（1942年）革命性地提高了汽油产量和质量，推动了现代交通发展乙烯聚合高压工艺（1933年）开创了现代高分子材料时代，塑料制品改变了人类生活方式化学工程系历史照片MIT学科创立的历史意义《传递现象》的学术影响麻省理工学院化学工程系的成立标志着工程化学作为独立学科的正式诞BSL的《传递现象》是工程化学领域最具影响力的教材之一，它生这一事件具有深远的历史意义统一了动量、热量和质量传递的数学描述•确立了化学工程的学科边界和理论框架•提供了从微观到宏观的多尺度分析方法•推动了化学工业从工艺艺术向工程科学的转变•注重物理洞察与数学严谨的结合•建立了系统的化学工程教育模式•建立了连接基础科学与工程应用的桥梁•促进了化学知识向工业规模应用的转化•该书已翻译成多种语言，成为全球化工教育的标准教材工程化学在国民经济中的贡献万亿万

4.535030%化学工业年产值就业人数出口贡献率中国化学工业已成为国民经济的支柱产业，年产化学工业直接提供就业岗位约350万个，间接带化工产品出口在中国工业品出口中占比近30%，值超过

4.5万亿元人民币，在国内生产总值中占动相关产业就业超过1000万人，是重要的就业创是国家外汇收入的重要来源，提升了国际竞争比约

4.5%造者力关键材料与产品对国民经济的支撑绿色转型中的工程化学角色工程化学提供的关键材料是其他产业发展的基础工程化学在国家绿色发展战略中扮演核心角色基础化学品乙烯、丙烯等石化产品发展循环经济，提高资源利用效率••先进材料特种工程塑料、高性能纤维减少污染物排放，改善环境质量••专用化学品电子化学品、医药中间体开发清洁能源技术，应对气候变化••日用化学品洗涤剂、化妆品等推动产业升级，实现高质量发展••教学总结与知识体系回顾物质结构与性质反应工程理解原子分子结构与宏观性质关系，掌握材料设计原理掌握反应动力学、热力学与反应器设计方法绿色化学传递过程应用可持续发展理念指导工程实践理解质量、热量、动量传递基本规律及应用工艺设计分离工程能够进行工艺流程设计与经济技术分析掌握各种分离方法原理与设备设计学科交叉与应用前景工程化学是典型的交叉学科，与材料科学、环境工程、生物技术、计算机科学等领域紧密结合，未来应用前景广阔随着社会对清洁能源、环境保护、健康医疗等需求增长，工程化学将在这些领域发挥越来越重要的作用学习建议与资源推荐除课堂学习外，建议通过实验实践、工厂参观、文献阅读等多种方式深化理解推荐学习资源包括专业期刊《化学工程学报》、《化工进展》等，以及麻省理工学院、斯坦福大学等名校的开放课程资源课后思考与讨论题工程化学如何助力绿色制造？反应器设计中如何兼顾安全与效率？思考工程化学在实现绿色制造过程中可以发挥的作用，包括但不限于安全与效率往往存在矛盾，请从工程化学角度分析•如何通过反应路径优化减少副产物生成？•如何设计更高效的分离过程降低能耗？•强放热反应中温度控制与反应速率的平衡•如何开发可生物降解材料替代传统塑料？•反应过程监测与预警系统的设计原则•如何实现工业废水零排放与资源化利用？•固定床反应器中压降、热点控制与催化效率请结合具体工业案例，分析技术、经济和环境三•批次反应与连续反应在安全性方面的比较方面因素设计一个案例，说明如何通过工程化学知识解决实际安全问题新材料开发对工程化学的挑战与机遇新材料开发是工程化学的前沿领域，请思考•如何从实验室合成放大到工业生产？•材料性能与制备工艺之间的关系如何确立？•计算化学在材料设计中的应用与局限•新型纳米材料制备过程中的安全与环保问题选择一种新型功能材料，分析其从基础研究到工业应用的全过程致谢与联系方式感谢聆听推荐参考书目感谢各位同学对工程化学课程的关注和参与！本课程旨在为你们提供系统的工程化学•《化学工程原理》，夏清，化学工业出版社知识框架，培养解决实际工程问题的能力希望这门课程能够激发你们对化学工程领•《化工热力学》，朱自强，高等教育出版社域的兴趣，为未来的学习和职业发展奠定坚实基础•《反应工程学》，李绍芬，化学工业出版社教师联系方式与答疑时间•《传递过程原理》，姚玉英，化学工业出版社•《分离工程》，贾绍义，清华大学出版社•电子邮箱professor@chem.edu.cn学习网站与资源•办公室化工楼A区305室•答疑时间每周

二、四下午2:00-4:00•中国化工信息网www.cheminfo.gov.cn•在线答疑课程网站论坛区•中国化学会www.chemsoc.org.cn•AIChE（美国化学工程师学会）www.aiche.org•MIT OpenCourseWareocw.mit.edu。