导论大作业过程工程

《化工与制药导论》课程结课作业

化学工程与过程工程

一：学科内涵

化学工程经过归纳、综合和与其他知识的交叉，形成了以传递和反应为主且还在不断发展的“三传一反＋X”的学识基础。化学工程对化学工业的发展起了巨大的推动作用，而化学工业的发展也为化学工程学科不断提出新挑战和新课题，促进了化学工程学科的发展。目前化学工程的服务对象已不限于化学工业，而是扩展到冶金、材料、能源、环境、生物等诸多进行物质与能量转化的过程工业。化学工程学科本身也在不断扩大其学科内涵，向着以更广泛地研究物质和能源在化学、物理和生物转化过程中的运动、传递和反应及其相互关系以及过程的绿色化和集约化为科学内涵的过程工程学科转移。

1923年Walker、Lewis和McAdams三位教授将多年积累的单元操作教材编撰成教科书，被认为是化学工程发展的第一里程，而“三传一反”理论的形成则被认为是第二里程。化学工程学有可能在“三传一反”理论的基础上增加新的学科内涵而转变为过程工程学，成为化学工程发展的第三里程。

可以说，过程工程反映人类智慧对物质能源转化过程的认识和驾驭，其基础还是化学工程，其扩展部分为材料、生化、能源、环境、冶金、医药等工程领域；其基本理论还是“三传一反”，但应该是“三传一反”理论的深化与发展，还需增加绿色、环保、节能、减排、循环经济的相关理论和方法。

关于化学工程和过程工程的相同、承继和区别，Wikipedia载有以下两段文字：

Chemical engineering is the branch of engineering that deals with the application of physical science （e.g. chemistry and physics),with mathematics, to the process of converting raw materials or chemicals into more usefulor valuable forms......Chemical engineers are for the most economical process.

Process engineering is often a synonym for chemical engineering and focuses on the design,operation and maintenance of chemical and material manufacturing processes.

过程工程有四大特色。

特色1 占我国GDP1/6，高于电子行业，也高于农业：过程工程作为从事物质的物理、化学、生物转变的工程，包括两类：全属过程工程，如石油、化学原料过程工程，在我国共13种；渗入其他行业的过程工程，如烟叶、自来水过程工程，在我国共14种。具有重大经济价值。

特色2 连续运转+内循环：过程工程一般都连续生产作业，且包含或多或少的内部物质和能量在流程内的循环，以求达到高纯度、高反应转换的产物，同时减少设备投资和生产成本。特色3 过程工程研究和开发（R&D）的运行包括三段：道、术和企。三者相互促进反馈，必须有效管理和领导，同时也表明过程工程的道和术向其他领域的延伸和扩散。道，即基础知识和共性方法。包括单元操作、传递过程、反应工程、数学方法和过程设计与开发等；术，以雷同产物为目标的有效方法，如化工冶金、生物化工、石油化工、有机合成、中药制作与食品加工等；企，指管理、经营与经济；延，即在能源、环境等诸多领域的扩散和延伸。特色4 逐步审核。

二：基础理论

过程工程设备内部进行着多种性质不同的速率过程，概括地归纳为“三传一反”即动量传递、热量传递、质量传递和化学反应过程。对过程工程设备的操作和控制，需要以传递过程原理为工具，认识不同尺度的不均匀环境中的传递和反应过程规律和调控方法，以期实现化学家

在实验室研究得到的理想结果，同时在生产中获得节能、降耗、增效的结果。动量传递的牛顿Newton）粘性定律、热量传递的傅立叶（Fourier）定律和质量传递的菲克（Fick）定律是描述体系内部和边界上速率过程的重要计算公式，也是建立体系的微分方程传递模型的重要基石。反应器是以可控方式实现化学加工的装置，是化工产品生产过程中的核心设备，在化学反应器内进行化学反应时，同时涉及传质、相变、加热、冷却等物理过程。在实验室的物理、化学研究中或许可以忽略传递因素的影响，但在大规模的工业反应器中，这些因素不能忽略。不同类型的反应器通过影响化学反应速率、选择性及化学平衡而最终对产品生产的物耗、能耗和环境具有决定性的作用。因此，要科学设计和操作反应器，必须对反应器内发生的物理和化学过程的机理和规律有充分的定量的认识。新型反应器正朝着大型、高效、节能、结构简单和操作方便的方向发展。

分离过程工程是研究各种化学物质的分级、分离、浓缩和纯化的方法、工艺、材料、设备等方面的综合性、多层次的过程工程科学，是过程工程的核心技术之一。化工、石油、冶金、医药等过程工业一般均包括三大工序，即原料准备、反应与分离。在大力倡导节能减排、资源高效利用和流程工业绿色化的21世纪，分离过程技术与设备已广泛应用于化工、石油、冶金、生物、医药、材料、食品等工业以及环境保护等领域之中。

三：学科前沿

微化学工程与技术是当前化学工程学科前沿，着重研究微时空尺度下化工过程特征与规律，是以实现化工过程安全、高效、可控为目标的高新技术。与传统化工系统相比，微化工系统具有体积小、传递效率高、安全性好、易于放大等优点。其成功开发与应用将会改变现有化工设备的性能、体积、能耗和物耗，并会极大地拓展它的应用范围。

超重力反应过程强化技术，具有微型化、高效节能、产品高质量和易于放大等显著特征，符合当代过程工业向资源节约型、环境友好型可持续发展模式转变的发展潮流。超重力强化技术，在传质和分子混合限制的过程及一些具有特殊要求的工业过程（如高粘度、热敏性或昂贵物料的处理）具有突出优势，可广泛应用于吸收、解吸、精馏、聚合物脱挥、乳化等单元操作过程及纳米材料制备、纳米药物制备、磺化、聚合、缩合等反应过程和反应结晶过程。随着化石原料的日益枯竭和人们对环保问题的关注，可再生的生物质原料成为未来最具有价值的潜在原料。人们也越来越重视生物质产业的发展。过程工业面对的是复杂的天然原料，因此，过程工程研究的首要对象是复杂的天然原料，它不仅包括物质转化过程，并且涵盖天然原料初级炼制过程。对于多组分复杂固相生物质的过程工业研究，生物质原料初级炼制过程是整个过程工业必须要走的，它的发展将带动整个生物及化工产业链。针对生物质原料多样性、复杂性和结构不均一性等特性，需要根据原料的结构特点和目标产物的要求，将生物质原料预处理——组分分离提升到依据产品功能要求的选择性结构的拆分过程。这一过程的目的不仅仅在于获得几种产品，而是要以最小能耗、最佳效率、最大价值、清洁转化为目标，实现生物质作为新一代生物和化工产业主体原料的通用性。如果要实现生物质原料产品多元化及其资源的综合利用，就必须建立生物质原料生态产业集成系统，促进生物质原料的利用向着安全高效、易于操控、成本低廉、环境友好的方向发展。

Internet 已经改变了化学的研究方式、成果传播方式以及学生的学习方式，它已经取代图书馆发展为获取各种化学信息的首选途径，常常也是仅有的途径；网络也成为化学相关日常的科学活动中不可缺少的平台。构建以网络为平台、支持开展科研活动的数字化基础设施和服务的探索开始出现，如英国已经开始的eScience、virtual research environment 计划。除了化学文献信息的网络化访问、共享，构建虚拟研究环境最主要的内容可以归结为化学相关的专业数据和计算资源的网络化共享，共享的理想模式是数据或计算资源可被任何应用根据需要自动地访问。在利用已有的化学数据方面，正在由单一化学数据库的网络化向多个化学数据库的统一检索以及不同数据库之间的相关内容实现无缝连接的方向发展。在利用化学