工業(yè)化學(xué)概述 工業(yè)化學(xué)教案

1、工業(yè)化學(xué) 工業(yè)化學(xué)是從一個新產(chǎn)品、新工藝概念的形成，通 過實驗室研究、中試放大、工藝設(shè)計、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價等 環(huán)節(jié)，直至付諸工業(yè)化的全部過程，是范圍極廣的一門 綜合性工程技術(shù)課程。 本課程目的是了解從實驗室到工業(yè)化過程的步驟和 內(nèi)容，掌握化工過程開發(fā)與設(shè)計的思維方法，提高聯(lián)系 生產(chǎn)實際開展應(yīng)用與開發(fā)研究能力。 本課程著重介紹化工過程開發(fā)的基本概念、科學(xué)選 題、實驗室研究、過程放大、過程分析與合成、工業(yè)設(shè) 計基礎(chǔ)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價等內(nèi)容。 第一章 概述 凡是運用化學(xué)方法改變物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)，合成新物質(zhì) 的生產(chǎn)過程和技術(shù)稱為化學(xué)工藝(chemical technology)。運用 化學(xué)工藝生產(chǎn)化學(xué)品的產(chǎn)業(yè)部

2、門，即為化學(xué)工業(yè)（chemical industry）。 研究化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程中的共同規(guī)律，解決規(guī)模放大、 設(shè)計和生產(chǎn)操作的科學(xué)，稱為化學(xué)工程（chemical engineering）?；瘜W(xué)工程包括：傳遞過程（特別是流體力 學(xué)），化工熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、過程工程和過程系統(tǒng) 五個分支。在現(xiàn)代漢語中，化學(xué)工藝、化學(xué)工業(yè)和化學(xué)工 程都簡稱為化工。 研究包括基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)研究兩個階段 基礎(chǔ)研究以發(fā)現(xiàn)物質(zhì)世界的規(guī)律為目標(biāo)，核心是高 水平的理論創(chuàng)新，不強(qiáng)調(diào)特定的商業(yè)目的。其成果往 往孕育了新發(fā)現(xiàn)、新理論、新規(guī)律與定律，表現(xiàn)形式 是學(xué)術(shù)論文或著作。 工程技術(shù)研究的成果是將實驗室的研究成果轉(zhuǎn)化為 第一

3、套工業(yè)裝置，表現(xiàn)形式是研究報告、論文、專利、 圖紙以及裝置，設(shè)備，產(chǎn)品等。 由實驗室研究過渡到建立生產(chǎn)裝置的全過程，就是化 工新產(chǎn)品、新工藝或新技術(shù)的開發(fā)過程，統(tǒng)稱為“化工過 程開發(fā)”。 化工過程開發(fā)屬于工程技術(shù)研究階段，其目的是： 1. 產(chǎn)品開發(fā)：即開拓滿足國民經(jīng)濟(jì)需要的新產(chǎn)品； 2. 工藝過程開發(fā)：包括創(chuàng)造已有產(chǎn)品的新生產(chǎn)工藝和開發(fā) 適用于新產(chǎn)品的新工藝； 3. 工藝改進(jìn)：對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié) 約能耗、減少環(huán)境污染等目的； 4. 應(yīng)用開發(fā)：為現(xiàn)有產(chǎn)品尋找新的用途，延長產(chǎn)品壽命，使 其持續(xù)贏利。 實驗室研究與工業(yè)生產(chǎn)的不同點 實驗室研究結(jié)果，只能說明該方案的可能性，不能真

4、 實反映工業(yè)生產(chǎn)的情況，因為二者有許多重大不同之處。 1、 實驗室研究一般不考慮物料的綜合回收利用；而生產(chǎn) 中則多數(shù)應(yīng)考慮未轉(zhuǎn)化物料的返回利用。由于物料返回循 環(huán)引起的雜質(zhì)積累對工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量的影響，在實驗 室研究中無法了解； 2、 實驗室研究設(shè)備的容量很小，較難對大型工業(yè)設(shè)備中 出現(xiàn)的傳熱、傳質(zhì)以及物料的流動與混合等工程因素作充 分的考察。 3、 由實驗室研究中往往采用精密控制工藝條件、較純凈的 化學(xué)試劑和嚴(yán)格的物料配；而工業(yè)生產(chǎn)中的原料純度和工藝 條件控制，都很難達(dá)到實驗室的精度水平，因此，實驗室獲 得的產(chǎn)品質(zhì)量及其性能都不足以作為生產(chǎn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。 4、 在實驗室研究中常采用玻璃儀器，

5、腐蝕較少，不涉及設(shè) 備腐蝕對生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量帶來的影響；而工業(yè)生產(chǎn)則必 須考慮設(shè)備材料被腐蝕及防腐問題。 此外，工業(yè)生產(chǎn)還必須從經(jīng)濟(jì)角度考慮原材料的品級和 供應(yīng)渠道，產(chǎn)品質(zhì)量及市場銷售，能源供應(yīng)及消耗，建設(shè)投 資和生產(chǎn)成本以及“三廢”治理和環(huán)境保護(hù)等等。這些都是 實驗室研究中很少考慮的問題。 因此，將實驗室研究成果直接用于大規(guī)模生產(chǎn)是不 合適的，必須在實驗室研究成果的基礎(chǔ)上，采用不 同形式的研究方法和手段考察實驗室條件下未能獲 得的各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息；同時還應(yīng)論證該研究成果 放大成為工業(yè)規(guī)模的可能性。只有經(jīng)過科學(xué)論證， 確認(rèn)其工藝技術(shù)路線在技術(shù)上的可靠性，在經(jīng)濟(jì)上 的合理性，并能提供設(shè)計生產(chǎn)裝

6、置的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，才 有條件去建立生產(chǎn)裝置。 化工過程開發(fā)的基本方法 把實驗室成果實現(xiàn)工業(yè)化需要經(jīng)過中間試驗，多層次的 中間試驗是一項耗資巨大、曠日持久的工作。采用科學(xué)研究 方法，能減少中間試驗的層次，縮小中間試驗的規(guī)模。 最基本的研究方法有實驗研究和數(shù)學(xué)模型兩種方法 一、實驗研究方法 通常首先進(jìn)行小型的工藝試驗，以優(yōu)化工藝條件，然后 進(jìn)行規(guī)模稍大的模型試驗，驗證小型試驗的結(jié)果，再建立規(guī) 模更大的裝置。通過逐級放大，最后才能設(shè)計出工業(yè)規(guī)模的 大型生產(chǎn)裝置。多層次的中間試驗，每次放大倍數(shù)很低，相 當(dāng)費時費錢，但目前該方法還不能完全排除。 二、數(shù)學(xué)模型方法 首先對實際過程做出合理簡化，然后進(jìn)行數(shù)學(xué)描述

7、，再 通過實驗求取模型參數(shù)，并對模型的適用性進(jìn)行驗證，稱為 數(shù)學(xué)模型方法。 數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點是可以實現(xiàn)高倍數(shù)的放大，并且用數(shù)學(xué) 模型在計算機(jī)上進(jìn)行“試驗”可大量節(jié)省人力、物力和時間。 數(shù)學(xué)模型化和計算機(jī)的應(yīng)用，使得化工過程的分析與合 成有可能按系統(tǒng)工程的理論進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)學(xué)模型方法放大， 無疑是過程開發(fā)研究中的一個重要方向。但一個正確的數(shù)學(xué) 模型往往經(jīng)過小試、中試，甚至通過工業(yè)生產(chǎn)的檢驗后才能 趨于完善。目前還不能完全排斥經(jīng)驗或半經(jīng)驗放大的方法。 重要的是通過實驗設(shè)計，力求減少從實驗室過渡到工業(yè)生產(chǎn) 的試驗級數(shù)。 第一節(jié) 化工過程開發(fā)步驟 一、實驗室研究 實驗室研究有兩項內(nèi)容，即應(yīng)用基礎(chǔ)研究和小試

8、。應(yīng)用 基礎(chǔ)研究是指在實驗室進(jìn)行的篩選技術(shù)路線和工藝方法，測 定有關(guān)物性數(shù)據(jù)而后反應(yīng)動力學(xué)及熱力學(xué)參數(shù)，篩選分析方 法和研制催化劑等。小試是當(dāng)篩選的技術(shù)路線和方法確定后， 在實驗室建立小型試驗裝置進(jìn)行工藝模擬試驗，優(yōu)化工藝條 件。 在小型工藝實驗中，要充分注重方案的創(chuàng)新性、先進(jìn)性 與實用性、經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系，確保整個研究工作的連續(xù)進(jìn)行。 二、概念設(shè)計 概念設(shè)計又稱“預(yù)設(shè)計”，是根據(jù)實驗室取得的研究成 果，對工業(yè)化方案提出初步設(shè)想。其目的是承前啟后，既檢 驗實驗室成果是否符合技術(shù)開發(fā)要求，又對以后開發(fā)步驟的 研究或設(shè)計工作提供指導(dǎo)。 概念設(shè)計時應(yīng)注意以下問題： u 設(shè)計的重點應(yīng)放在合理安排工藝流程上

9、，不要單純追求化 學(xué)反應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)，以免給反應(yīng)前后處理步驟帶來困難； u 應(yīng)盡可能對由實驗室確定的技術(shù)路線從理論分析和計算中 尋找合理的技術(shù)依據(jù)； u 盡可能對全工藝流程系統(tǒng)作物料衡算和能量衡算，以便提 供估算投資和成本所需數(shù)據(jù)。 三、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價的目的是對被開發(fā)項目的工藝技術(shù)方案進(jìn) 行科學(xué)論證，以便為該方案的實施作出決策。在不同開發(fā)階 段有以下幾種評價方式： 初步評價：在開發(fā)項目立項之前，對該項目決定取舍的 一次評價，又稱為“立項評價”。如果對該項目的科學(xué)性、 實用性和可靠性取得了肯定評價，即可立項進(jìn)行開發(fā)性研究。 中間評價：對各研究階段的成果所作的評價。側(cè)重于技 術(shù)方案的科學(xué)

10、性和可靠性以及在經(jīng)濟(jì)上的合理性。比如對小 試、概念設(shè)計、模型試驗、中試以及基礎(chǔ)設(shè)計的評價等。 最終評價：又稱“工業(yè)化評價”或“項目評估”，是在 技術(shù)開發(fā)工作后期進(jìn)行的。其目的是為該項目的投資建設(shè)作 出抉擇，如果取得肯定結(jié)論，即可投資進(jìn)行建設(shè)。 四、模型試驗 模型試驗是對工業(yè)生產(chǎn)中的某些重要過程做放大的工業(yè)模擬試驗。其 研究的主要內(nèi)容是：考察最佳條件；考察設(shè)備內(nèi)傳熱、傳質(zhì)、物料流動與 混合等工程因素對化工過程的影響；觀察設(shè)備放大后出現(xiàn)的放大效應(yīng)；尋 找產(chǎn)生放大效應(yīng)的原因；測定放大所需的有關(guān)數(shù)據(jù)等。 模型試驗分冷模試驗和熱模試驗兩種形式： 冷模試驗：用物理性質(zhì)與工業(yè)生產(chǎn)物料相近的惰性物質(zhì)進(jìn)行試驗，

11、不發(fā)生 化學(xué)反應(yīng)，只單純考察過程的物理規(guī)律，便于尋找產(chǎn)生放大效應(yīng)的原因。 熱模試驗：用實際生產(chǎn)物料并按實際操作條件進(jìn)行試驗，屬于綜合性試驗 考察，便于測取工藝參數(shù)和發(fā)現(xiàn)放大效應(yīng)。設(shè)備內(nèi)物理和化學(xué)過程同時發(fā) 生。如不需要對工藝技術(shù)全流程考察，往往用熱模試驗代替中試來測取過 程放大的技術(shù)信息，這樣可以縮小中試規(guī)模和降低中試費用。 五、中試 中試是“中間工廠試驗”的簡稱，是耗資最大也是最 重要的步驟，其考察的主要內(nèi)容如下： 1.檢驗小試確定的工藝方案和工藝條件； 2.考察工藝系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)的可靠性； 3.考察放大效應(yīng)程度，分析產(chǎn)生的原因，尋找消除的辦法； 4.確定檢測方法； 5.考察物料對設(shè)備的腐蝕；

12、 6.考察物料循環(huán)產(chǎn)生的雜質(zhì)積累帶來的影響； 7.提供一定量的產(chǎn)品供應(yīng)用考察； 8.考察三廢“的排放量、危害程度和治理方法； 9.為估算投資和成本以及建立生產(chǎn)崗位操作規(guī)程提供資料。 六、基礎(chǔ)設(shè)計 基礎(chǔ)設(shè)計是根據(jù)中試研究結(jié)果和所收集的資料，對 工業(yè)生產(chǎn)方案及生產(chǎn)裝置型式所做的原則性設(shè)計。它是 化工過程開發(fā)的成果形式，是完成工程設(shè)計的依據(jù)。 基礎(chǔ)設(shè)計包括：設(shè)計說明書；工藝流程說明；物料 流程圖；帶控制點管道流程圖；設(shè)備名稱表和設(shè)備規(guī)格 說明書；工程設(shè)計的要求；設(shè)備布置圖；裝置操作說明； 三廢及處理；自控設(shè)計說明；消耗定額；有關(guān)技術(shù)資料； 安全技術(shù)與勞動保護(hù)說明。其中，最關(guān)鍵的是生產(chǎn)規(guī)模， 他涉及中

13、試裝置的放大倍數(shù)這一敏感問題。 七、工程設(shè)計 工程設(shè)計又稱為“施工圖設(shè)計”，它是依據(jù)基礎(chǔ)設(shè)計來 編制有關(guān)工程實施的技術(shù)文件。其內(nèi)容除基礎(chǔ)設(shè)計所以內(nèi)容 外，還包括詳細(xì)的定型設(shè)備型號、規(guī)格明細(xì)表，非定型設(shè)備 加工制造的圖紙和裝配圖，指導(dǎo)裝置安裝的詳細(xì)工藝流程圖， 設(shè)備的平面和立面布置圖，投資和成本概算等。 八、建立生產(chǎn)裝置 依據(jù)上述設(shè)計文件和圖紙，購進(jìn)和制作設(shè)備，安裝生產(chǎn) 裝置，按工藝要求進(jìn)行調(diào)試、開車和試生產(chǎn)。調(diào)試也是一種 試驗過程，可以調(diào)整工藝參數(shù)，還可以修改和驗證其數(shù)學(xué)模 型。只有經(jīng)過調(diào)試和試生產(chǎn)后，才能逐步轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。 第二節(jié) 過程研究和工程研究的關(guān)系 化工開發(fā)研究主要包括過程研究和工程

14、研究。化學(xué)實驗 是起點，工程設(shè)計是成果，如圖1-1所示。 化學(xué)實驗 小 試模型試驗中 試 （過程研究） 概 念 設(shè) 計 技術(shù)經(jīng)濟(jì) 評 價 基 礎(chǔ) 設(shè) 計 工程設(shè)計 （工程研究） 圖1-1 過程研究和工程研究 過程研究和工程研究是兩種不同性質(zhì)的研究工作。二者 的關(guān)系十分密切。 過程研究的重點是了解過程運行的特征和影響過程的因 素，優(yōu)化工藝條件，測定放大數(shù)據(jù)等。它必須借助儀器設(shè)備 對過程運行的物理和化學(xué)規(guī)律進(jìn)行探討。 工程研究是綜合從不同途徑收集的資料，進(jìn)行分析構(gòu)思 形成技術(shù)方案或評價結(jié)論。它依賴于人們的知識、經(jīng)驗和思 維為化工過程開發(fā)提供決策。 過程研究為工程研究提供分析判斷的信息；而工程研究

15、是檢驗過程研究質(zhì)量的最好方式。二者是經(jīng)常交換信息，反 復(fù)交替展開工作的。 第三節(jié) 放大程度和開發(fā)周期 放大程度和開發(fā)周期是化工過程開發(fā)的兩個基本概念。 前者與被開發(fā)項目所采用的技術(shù)成熟程度以及開發(fā)放大方 法有關(guān)；后者則與開發(fā)工作的難易程度有關(guān)。 一、放大程度 放大程度一般是指由實驗室小試規(guī)模一次放大的倍數(shù)， 即用放大倍數(shù)來表示。放大倍數(shù)一般取決于研究者對被開 發(fā)過程運行規(guī)律掌握的程度和他們從事開發(fā)工作的經(jīng)驗。 如果對化工生產(chǎn)過程的運行規(guī)模還不能完全掌握，又無成 熟的經(jīng)驗可供借鑒，那么放大倍數(shù)不能太高，否則影響放 大的可靠性。在設(shè)計中試裝置前，首先要了解可能實現(xiàn)的 放大倍數(shù)。 二、放大效應(yīng) 放大

16、效應(yīng)是指化工過程放大之后，表現(xiàn)于相同條件下 在大小兩個設(shè)備內(nèi)進(jìn)行同一過程的結(jié)果不同。 化工過程開發(fā)的核心問題是放大，過程研究在很大程 度上就是尋找放大效應(yīng)的原因和克服的方法。 從化學(xué)反應(yīng)器的放大來看，放大效應(yīng)產(chǎn)生的原因主要 是放大后設(shè)備內(nèi)物料的流動與混合，傳熱和傳質(zhì)等情況與 放大前有所不同，因此，常采用冷模試驗專門考察這些物 理過程規(guī)律的變化，以便掌握產(chǎn)生放大效應(yīng)的規(guī)律。 三、開發(fā)周期 開發(fā)周期是指從立題研究開始直到建成生產(chǎn)裝置并投 入正常生產(chǎn)所經(jīng)過的時間，即完成化工過程開發(fā)各個步驟 的總時間。 第四節(jié) 科學(xué)選題 一、選題基本原則 選擇一個好課題，對化工過程的開發(fā)至關(guān)重要，一般應(yīng)考慮 以下幾個

17、原則。 1、選題的先進(jìn)性和科學(xué)性 2、選題應(yīng)符合市場需求和產(chǎn)業(yè)政策 3、選題應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 4、選題應(yīng)考慮合理的原料路線 選題立項前的調(diào)研是很重要的，尤其對于一些運用新技 術(shù)的大型開發(fā)課題，文獻(xiàn)調(diào)研和市場調(diào)研必須充分，掌握的 國內(nèi)外資料應(yīng)詳實，此外還必須做一些簡單的探索性試驗。 二、研究課題的性質(zhì)和來源 在我國現(xiàn)行體制下，研究課題主要有三個來源。 1、縱向課題 縱向課題是指國家或地方規(guī)劃內(nèi)的課題。目前我國主要有 國家基礎(chǔ)性重大規(guī)劃項目、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863、 973項目）、國家科技攻關(guān)項目等。 2、橫向課題 橫向課題是指委托研究課題，一般由企事業(yè)單位根據(jù)各自 的發(fā)展需要提出

18、課題，并委托研究單位進(jìn)行研究。 3、自選課題 自選課題是指研究人員根據(jù)文獻(xiàn)和市場調(diào)研自行確定的課 題，由選題者自籌經(jīng)費進(jìn)行開發(fā)研究。 三、立項報告 為使選題得以立項并獲得經(jīng)費，必須向有關(guān)部門提 出立項報告。立項報告應(yīng)包括以下內(nèi)容。 1、項目名稱 2、項目的立項依據(jù)（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析、項目研究 的意義） 3、項目的研究內(nèi)容、研究目標(biāo)以及擬解決的關(guān)鍵問題 4、項目的研究方案及可行性分析 5、項目的特色與創(chuàng)新之處 6、年度研究計劃及預(yù)期研究結(jié)果 7、經(jīng)費預(yù)算說明 8、項目組成員的明確分工 第五節(jié) 綠色化學(xué)與技術(shù) 一、綠色化學(xué)及其特點 綠色化學(xué)又稱環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化 學(xué)。綠色化學(xué)是

19、指化學(xué)反應(yīng)和過程以“原子經(jīng)濟(jì)性”為基 本原則，即在獲取新物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)中充分利用參與反應(yīng) 的每個原料原子，實現(xiàn)“零排放”。 綠色化學(xué)是從源頭解決污染的一門科學(xué)，其核心是利 用化學(xué)原理從根本上減少或消除化學(xué)工業(yè)對環(huán)境的污染。 在此基礎(chǔ)上發(fā)展的技術(shù)稱為清潔技術(shù)或環(huán)境友好技術(shù)。 綠色化學(xué)的特點： 1、采用無毒，無害的原料； 2、在無毒、無害的反應(yīng)條件下進(jìn)行； 3、具有 “原子經(jīng)濟(jì)性”，即反應(yīng)具有高選擇性，極少副產(chǎn) 品，甚至實現(xiàn)零排放； 4、產(chǎn)品應(yīng)是環(huán)境友好的，即對環(huán)境無害； 5、滿足“物美價廉”的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。 綠色化學(xué)的主要研究領(lǐng)域是圍繞化學(xué)反應(yīng)、原料、 催化劑、溶劑和產(chǎn)品的綠色化開展的，如圖1-2所

20、示。 無毒無害原料 可再生資源 原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng) 高選擇性反應(yīng) 環(huán)境友好 產(chǎn) 品 無毒無害 催 化 劑 無毒無害 溶 劑 圖1-2 綠色化學(xué)過程示意圖 原子經(jīng)濟(jì)性的概念 原子經(jīng)濟(jì)性是指原料分子中究竟有百分之幾的原子轉(zhuǎn)化 為產(chǎn)物。以原子利用率衡量反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性，可表述為： 原子利用率越高，反應(yīng)產(chǎn)生的廢棄物越少，對環(huán)境的污 染也越少。 理想的原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)是原料分子中的原子百分之百轉(zhuǎn) 化為產(chǎn)物。這種反應(yīng)最節(jié)約能源與資源，同時也避免了廢物 或副產(chǎn)物的分離與處理等過程。 原子利用率（%）= 預(yù)期產(chǎn)物的分子量 反應(yīng)物質(zhì)的原子量總和 100% 二、綠色化學(xué)原則 在實施化學(xué)生產(chǎn)的過程中，應(yīng)該充分考慮以下12條

21、原則： 1、防止環(huán)境污染; 2、提高原子經(jīng)濟(jì)性; 3、盡量減少化學(xué)反應(yīng)中的有毒原料和有毒產(chǎn)物; 4、設(shè)計安全的化學(xué)品; 5、使用安全的溶劑和助劑; 6、提高能源經(jīng)濟(jì)性; 7、原料的再利用； 8、 減少官能團(tuán)的引人; 9、 新型催化劑的開發(fā); 10、產(chǎn)物的易降解性; 11、以降低環(huán)污染為宗旨的現(xiàn)場實際分析; 12、防止生產(chǎn)事故的安全生產(chǎn)工藝。 三、綠色化學(xué)的研究重點 1、設(shè)計或重新設(shè)計對人類健康和環(huán)境更安全的化合物，這 是綠色化學(xué)的關(guān)鍵部分; 2、探求新的、更安全的、對環(huán)境更友好的化學(xué)合成路線和 生產(chǎn)工藝，這可從改變基本原料和起始化合物以及引人 新試劑人手; 3、改善化學(xué)反應(yīng)條件、降低對人類健康

22、和環(huán)境的危害，減 少廢棄物的生產(chǎn)和排放。 四、清潔生產(chǎn) 1、清潔生產(chǎn)的定義 清潔生產(chǎn)是指將綜合預(yù)防的環(huán)境策略持續(xù)地應(yīng)用于生產(chǎn)過 程和產(chǎn)品中，以便減少對人類和環(huán)境的風(fēng)險性。 對生產(chǎn)過程而言，清潔生產(chǎn)包括節(jié)約原材料和能源，淘汰 有毒原材料并在全部排放物和廢物離開生產(chǎn)過程以前減少它的 數(shù)量和毒性；對產(chǎn)品而言，清潔生產(chǎn)策略旨在減少產(chǎn)品在整個 生產(chǎn)周期過程中對人類和環(huán)境的影響。清潔生產(chǎn)不包括末端治 理技術(shù)如空氣污染控制、廢水及固體廢棄物處理。 概括地說，清潔生產(chǎn)就是低能耗、低污染、高產(chǎn)出，是實 現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益與環(huán)境效益相統(tǒng)一的工業(yè)生產(chǎn)模式。 2、清潔生產(chǎn)的內(nèi)容 u盡量使用低污染、無污染原料； u采

23、用清潔高效的生產(chǎn)工藝，使物料能源高效率地轉(zhuǎn)化成 產(chǎn)品，減少廢物排放量，并對廢物進(jìn)行再利用； u向社會提供清潔的產(chǎn)品，這種產(chǎn)品從原材料提煉到產(chǎn)品 最終的整個生命周期中，要求對人體和環(huán)境不產(chǎn)生污染 危害或?qū)⒂泻τ绊憸p少到最低程度； u在商品使用壽命終結(jié)后，能夠回收利用，不對環(huán)境造成 污染或潛在威脅； u完善的企業(yè)管理，有保障清潔生產(chǎn)的規(guī)章制度和操作規(guī) 程，并監(jiān)督其實施； u要求將環(huán)境因素納入設(shè)計和所提供的服務(wù)中。 3、清潔生產(chǎn)的特點 清潔生產(chǎn)是一項系統(tǒng)工程。推行清潔生產(chǎn)需要企業(yè)建立一 個預(yù)防污染、保護(hù)資源的組織機(jī)構(gòu)，要明確職責(zé)并進(jìn)行科 學(xué)規(guī)劃，制定發(fā)展戰(zhàn)略、政策和法規(guī)。 重在預(yù)防和有效性。清潔生產(chǎn)

24、以預(yù)防為主，通過污染源的 削減和回收利用，使廢物減至最少。 經(jīng)濟(jì)性良好。在技術(shù)可靠的前提下執(zhí)行清潔生產(chǎn)，使生產(chǎn) 體系運行最優(yōu)化，即產(chǎn)品具備最佳的質(zhì)量價格。 與企業(yè)發(fā)展相適應(yīng)。使清潔生產(chǎn)目標(biāo)符合企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營發(fā) 展的需要，這樣清潔生產(chǎn)不僅推進(jìn)了企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展而且 保護(hù)了生態(tài)環(huán)境和自然資源。 4、實施清潔生產(chǎn)的途徑 u在產(chǎn)品設(shè)計和原料選擇時以保護(hù)環(huán)境為目標(biāo)，不生產(chǎn)有 毒有害的產(chǎn)品，不使用有毒有害原料，以防止其對環(huán)境 的危害； u改革生產(chǎn)工藝，更新生產(chǎn)設(shè)備，盡可能提高每一道工序 的原材料和能源利用率，減少資源浪費和污染物排放； u建立生產(chǎn)閉合圈，廢物循環(huán)利用。 u加強(qiáng)科學(xué)管理。清潔生產(chǎn)是一場新的革命，

25、要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng) 生產(chǎn)觀念，建立一套健全的管理體系，使人為的資源浪 費和污染物排放減至最少。 復(fù)習(xí)題 1、解釋名詞：過程研究與工程研究；概念設(shè)計與基礎(chǔ)設(shè)計； 綠色化學(xué)；原子經(jīng)濟(jì)性；清潔生產(chǎn) 2、化學(xué)實驗室研究與化工生產(chǎn)的主要不同點？為什么實驗 室研究成果一般不能作為放大成工業(yè)規(guī)模的設(shè)計依據(jù)？ 3、選擇開發(fā)課題應(yīng)遵循的原則是什么？由化學(xué)實驗研究成 果過渡到工業(yè)生產(chǎn)，應(yīng)經(jīng)過哪些開發(fā)步驟？ 4、化工過程開發(fā)中的“放大效應(yīng)”指什么？什么情況下最 易產(chǎn)生放大效應(yīng)，應(yīng)如何克服放大效應(yīng)？ 5、清潔生產(chǎn)的一般原則和步驟是什么？ 第二章 開發(fā)放大方法 化工過程開發(fā)采用的研究方法主要是模擬研究法， 即用模型來研究化工過

26、程發(fā)生的各種現(xiàn)象和規(guī)律，從中 取得開發(fā)放大的依據(jù)。 凡根據(jù)模型來模擬生產(chǎn)過程，并從試驗所得結(jié)果將 過程放大的方法，統(tǒng)稱為“模擬放大法”。 化工過程開發(fā)常采用的模擬放大方法有：經(jīng)驗放大 法、數(shù)學(xué)模型法、部分解析法和相似放大法四種。 每種方法各有其適應(yīng)的對象和條件，在化工過程開 發(fā)中選擇合適的開發(fā)放大方法，是優(yōu)化開發(fā)過程的一項 重要工作。 第一節(jié) 經(jīng)驗放大法 一、研究方法 經(jīng)驗放大法是一種經(jīng)典的放大方法，是通過小型反 應(yīng)器進(jìn)行工藝試驗，優(yōu)選出操作條件和反應(yīng)器型式，確 定所能達(dá)到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。其研究步驟如下： 1、反應(yīng)器的選型 反應(yīng)器的選型通常采用小型裝置在實驗室進(jìn)行試驗， 投資少，方便快捷。盡管

27、小型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與工業(yè)反應(yīng)器 結(jié)構(gòu)不可能完全一致，但其基本形式是相同的。 由于設(shè)備選型試驗是以改變反應(yīng)器的型式和結(jié)構(gòu)來 考察整個反應(yīng)過程，故把這種考察看成“結(jié)構(gòu)變量”試 驗。 2、優(yōu)化工藝條件 優(yōu)化工藝條件是在設(shè)備選型后進(jìn)行的，也是采用小型 試驗裝置進(jìn)行試驗。 通過改變工藝條件來考察反應(yīng)結(jié)果，從中篩選出最佳 條件，通常稱之為“工藝試驗”。 小試確定的最佳工藝條件是研究的基礎(chǔ)，以后模型試 驗和中試的工藝條件優(yōu)化，都應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。 由于試驗內(nèi)容是改變工藝操作條件，故把這種考察看 成“操作變量”試驗。 3、反應(yīng)器放大 在經(jīng)驗放大法中，反應(yīng)器的放大是用建立模型裝置 來進(jìn)行考察的。由于設(shè)備放大后，

28、不可避免會帶來放大 效應(yīng)，故一次放大的倍數(shù)不宜過高，應(yīng)逐級放大。每放 大一級都必須重復(fù)前一級的工藝條件，觀察放大效應(yīng)的 強(qiáng)弱，然后采用調(diào)整工藝條件或改變設(shè)備結(jié)構(gòu)等措施來 抑制放大效應(yīng)，從而找出與設(shè)備放大有關(guān)的數(shù)據(jù)。 從試驗改變的條件來看，由于是改變設(shè)備的幾何尺 寸進(jìn)行試驗，故把反應(yīng)器放大看成是“幾何變量”試驗。 二、特征 從以上研究方法看，經(jīng)驗放大法具有如下基本特征： 1、只注重輸入與輸出關(guān)系，不研究內(nèi)部規(guī)律 經(jīng)驗放大方法在各級放大過程中，以反應(yīng)結(jié)果的好 壞為標(biāo)準(zhǔn)，評選出所謂最佳反應(yīng)器型式和工藝條件，推 測進(jìn)一步放大到工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)結(jié)果，進(jìn)而完成設(shè)計、 施工。這樣的研究方法是把反應(yīng)過程當(dāng)作“黑

29、箱”來看 待，只考察輸入和輸出的關(guān)系，即外部關(guān)系，也即僅僅 依據(jù)實驗，將小試結(jié)果不斷外推，而不考察內(nèi)部規(guī)律。 當(dāng)人們對一些反應(yīng)過程知之不多，或過程對象極為復(fù)雜， 暫時無法分解時，不得不采用逐級經(jīng)驗放大。 2、著眼與綜合研究，不進(jìn)行過程分解 化學(xué)反應(yīng)結(jié)果不僅受反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)等反應(yīng)自 身規(guī)律的影響，還受到反應(yīng)器內(nèi)物料的流動與混合，傳 熱與傳質(zhì)等外界條件的影響，且各自有特定的規(guī)律。經(jīng) 驗放大方法沒有將它們分解開來單獨研究，而是綜合研 究的結(jié)果，只能找到宏觀原因，例如溫度、壓力、濃度 等籠統(tǒng)的原因，無法找到具體真實的原因。一旦放大前 后的反應(yīng)結(jié)果不符合，只能歸咎于“放大效應(yīng)”，無法 指出原因，對癥

30、下藥，只得重新調(diào)整變量進(jìn)行考察，觀 察放大效應(yīng)的強(qiáng)弱，由此確定克制放大效應(yīng)的條件。 3、人為地規(guī)定了決策序列 經(jīng)驗放大法的試驗程序依次為結(jié)構(gòu)變量試驗、操作變 量試驗和幾何變量試驗。人為地將三種相互影響的變量分 割開來進(jìn)行考察，忽略了它們之間的聯(lián)系，是不符合化學(xué) 工程理論的，但也是無奈的，因為不可能在大型裝置上做 選型試驗和選擇工藝條件，即不能先建廠后試驗。 經(jīng)驗放大法周期長、成本高、放大倍數(shù)低，但它是建 立在實驗基礎(chǔ)之上，可靠程度高，故至今仍被廣泛應(yīng)用。 第二節(jié) 數(shù)學(xué)模型法 數(shù)學(xué)模型是一種新的開發(fā)放大方法。從放大原理看， 它并不需要通過試驗取得反應(yīng)器放大的數(shù)據(jù)，而是在充 分認(rèn)識過程的基礎(chǔ)上，運

31、用理論分析，找到描述過程運 行規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。只要驗證該數(shù)學(xué)模型與實際過程的 運行等效，即可用于反應(yīng)器的放大計算。 數(shù)學(xué)模型法用于放大設(shè)計的依據(jù)是數(shù)學(xué)模型，而不 是由試驗取得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，但為了建立數(shù)學(xué)模型，在很 大程度上仍然要通過嚴(yán)格的科學(xué)試驗來認(rèn)識反應(yīng)過程。 不過試驗的目的是建立和檢驗數(shù)學(xué)模型。試驗的方式和 要求與經(jīng)驗放大法也有很大差別。 一、數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型通常是一組描述過程運行動態(tài)規(guī)律的代數(shù)方 程或微分方程，要用數(shù)學(xué)手段真實描述化工過程的動態(tài)規(guī) 律，往往十分困難。因此，數(shù)學(xué)模型既要能表達(dá)實際過程 運行的規(guī)律，又要簡單而便于應(yīng)用。 1、建立數(shù)學(xué)模型的思想方法 建立數(shù)學(xué)模型首先必須了解反應(yīng)

32、的動力學(xué)和熱力學(xué)規(guī) 律，然后掌握不同型式反應(yīng)器內(nèi)物料的流動與混合、傳熱 與傳質(zhì)規(guī)律對反應(yīng)速率和平衡規(guī)律的影響。數(shù)學(xué)模型通常 用物料衡算、熱量衡算和動量衡算的聯(lián)立方程組表示，只 要求解聯(lián)立方程組，即可對反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計和預(yù)測不同工 藝條件下的反應(yīng)結(jié)果。 2、數(shù)學(xué)模型的簡化 數(shù)學(xué)模型的簡化是指對復(fù)雜的過程運行規(guī)律給以合理 簡化，以便建立簡單而實用的數(shù)學(xué)模型。 實際應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型并不一定要真實地描述過程運行 機(jī)理，但必須與描述的實際過程運行結(jié)果具有等效性，這 就是合理簡化數(shù)學(xué)模型的目的。因此，如何找到等效的簡 化方法，就成為建立數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵。 3、數(shù)學(xué)模型的針對性 任何數(shù)學(xué)模型都有明確的模擬目標(biāo)。如

33、果模擬目標(biāo)不 同，其數(shù)學(xué)模型的形式也不同。此外，每一種數(shù)學(xué)模型都 有其應(yīng)用的限制范圍。如果事先明確了數(shù)學(xué)模型的限制條 件，則有利于模型的簡化。 二、研究方法 建立化學(xué)反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的研究步驟如下： 1、研究反應(yīng)過程 研究反應(yīng)過程的內(nèi)容是鑒別化學(xué)反應(yīng)的類型和控制步 驟，測定反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)，分析反應(yīng)過程中產(chǎn)生 的一些特殊現(xiàn)象，以及確定工藝參數(shù)變化的范圍等。其目 的在于揭示反應(yīng)過程的內(nèi)在規(guī)律。這項研究工作通常在實 驗室進(jìn)行。它與逐級經(jīng)驗放大法的試驗不同，不再是只考 察輸入和輸出的關(guān)系，而是深入過程內(nèi)部去了解過程運行 的本質(zhì)。 2、研究傳遞過程 研究傳遞過程通常是在假設(shè)無化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的情況下，

34、 用冷模試驗專門考察反應(yīng)器內(nèi)物料的流動與混合、傳熱與 傳質(zhì)等物理過程的運行規(guī)律。目的在于了解反應(yīng)器的構(gòu)型 特征，研究反應(yīng)器構(gòu)型對反應(yīng)過程的影響。冷模試驗應(yīng)有 一定的規(guī)模，而且應(yīng)模擬生產(chǎn)反應(yīng)器，否則考察的規(guī)律沒 有意義。 3、綜合兩過程規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型 以上兩步研究是將大型反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)過程分解為化 學(xué)過程和物理過程分別進(jìn)行研究的，這種分解有利于揭示 過程運行的內(nèi)在規(guī)律。因此，建立數(shù)學(xué)模型必須綜合兩種 規(guī)律，找到它們的結(jié)合點。 化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和物理過程規(guī)律的結(jié)合點主要體現(xiàn)在物 理過程規(guī)律對反應(yīng)溫度和反應(yīng)物濃度的影響，即所謂的 “溫度效應(yīng)”和“濃度效應(yīng)”。通常是把化反應(yīng)動力學(xué)方 程和反應(yīng)器的物

35、料衡算式及熱量衡算式聯(lián)立，即可達(dá)到建 立數(shù)學(xué)模型的目的。如果在反應(yīng)器內(nèi)物料運行的壓強(qiáng)發(fā)生 變化，則在數(shù)學(xué)模型中還應(yīng)加入動量衡算式。 4、檢驗數(shù)學(xué)模型 建立的數(shù)學(xué)模型一般要經(jīng)過若干簡化，簡化后的數(shù)學(xué) 模型是否與實際過程等效，則必須經(jīng)過檢驗方能確認(rèn)。 檢驗數(shù)學(xué)模型的方法通常是建立中試裝置來進(jìn)行中試， 將中試結(jié)果與數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果對照，如果兩者相同或 接近，則證明該數(shù)學(xué)模型與實際過程等效；否則應(yīng)修正數(shù) 學(xué)模型后再進(jìn)行檢驗。 當(dāng)數(shù)學(xué)模型經(jīng)過檢驗確定后，即可在計算機(jī)上進(jìn)行各 種條件試驗，預(yù)測反應(yīng)器的性能，為設(shè)計工業(yè)裝置提供所 需的有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息。 反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型是描述某一型式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行化學(xué) 反應(yīng)

36、的動態(tài)規(guī)律，只要在相同構(gòu)型的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行相同的 化學(xué)反應(yīng)，都可用相同的數(shù)學(xué)模型描述，不受反應(yīng)器幾何 尺寸大小的限制。因此，用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行放大，應(yīng)不存在 放大效應(yīng)的問題。 三、特征 1、著眼于過程的內(nèi)部規(guī)律，對過程進(jìn)行分解與綜合 數(shù)學(xué)模型法最明顯的特征是分解過程，按化學(xué)過程和物 理過程分別研究其本身特有的規(guī)律，再將各過程聯(lián)系起來， 以探索過程之間的互相影響和總體效應(yīng)。這樣做的優(yōu)點是由 簡到繁，先考察局部，后研究整體，有利于建立數(shù)學(xué)模型。 2、抓住主要矛盾，忽略次要因素，合理簡化過程運行規(guī)律 由于化工過程的復(fù)雜性，不簡化過程規(guī)律，則不易建立 實用的數(shù)學(xué)模型，因此，數(shù)學(xué)模型法研究的側(cè)重點還在于找 到

37、簡化過程規(guī)律的合理途徑。只要簡化后的數(shù)學(xué)模型的求解 結(jié)果與實際過程運行結(jié)果的偏差在允許范圍之內(nèi)即可。 3、科學(xué)試驗是為了建立和檢驗數(shù)學(xué)模型 建立和檢驗數(shù)學(xué)模型都必須通過科學(xué)試驗，因此，科 學(xué)試驗仍然是數(shù)學(xué)模型法不可缺少的研究手段，不過實驗 的目的與經(jīng)驗放大法不同。 從方法論的角度看，數(shù)學(xué)模型法與經(jīng)驗放大法是完全 不同的兩種開發(fā)放大方法。前者是從了解過程運行的規(guī)律 入手，建立數(shù)學(xué)模型作為放大依據(jù)；后者則把過程放大當(dāng) 成“黑箱”看待，靠綜合考察獲得的試驗結(jié)果作為放大依 據(jù)。 數(shù)學(xué)模型法具有經(jīng)驗放大法不可替代的優(yōu)點，它可以 實現(xiàn)高倍數(shù)放大，縮短開發(fā)周期，減少人力和物力的消耗， 但建立正確的數(shù)學(xué)模型難

38、度較大。 第三節(jié) 部分解析法 部分解析法是介于經(jīng)驗放大法和數(shù)學(xué)模型法之間的 一種開發(fā)放大方法，即用理論分析和實驗探索相結(jié)合來 進(jìn)行化工過程的開發(fā)放大。對于一些較為復(fù)雜的化工過 程，建立數(shù)學(xué)模型比較困難，而經(jīng)驗放大又耗資巨大且 開發(fā)周期較長，采用部分解析法則可收到較好效果。 一、研究方法 就化學(xué)反應(yīng)的放大而言，反應(yīng)器計算的重要依據(jù)是 化學(xué)反應(yīng)速率，而化學(xué)反應(yīng)速率則是溫度和反應(yīng)物料濃 度的函數(shù)。從影響反應(yīng)速率的濃度和溫度變量進(jìn)行考察， 即從所謂“濃度效應(yīng)”和“溫度效應(yīng)”來考察。 1、濃度效應(yīng) 如果影響物料濃度的工程因素所造成的反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi) 物料濃度和濃度分布相同，對化學(xué)反應(yīng)過程的影響也會 相同，這就

39、是工程因素的等效性。如能運用等效性來分 析化工過程，就不必過多考慮工程因素之間的差別，從 而可以找到研究過程的簡化途徑。 2、溫度效應(yīng) 從化學(xué)反應(yīng)過程的條件優(yōu)化看，對于一個反應(yīng)過程 除了須維持一個最佳溫度外，有時還需要維持一個最佳 的漸變溫度序列。同時，還須注意溫度分布。反應(yīng)器內(nèi) 的溫度不均勻分布，往往是傳熱不良所引起的。 二、研究步驟 1、了解過程特征 在化工過程開發(fā)初期，用簡單試驗來了解一些過程 的特征，以便取得對過程的初步認(rèn)識，如判別反應(yīng)速率 的快慢，了解副反應(yīng)的強(qiáng)弱以及了解反應(yīng)過程對溫度和 濃度的敏感程度等，這是部分解析法采用的研究方法。 2、設(shè)想技術(shù)方案 在了解過程特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合

40、化學(xué)工程理論對過 程進(jìn)行分析，設(shè)想初步的技術(shù)方案。如選用的設(shè)備型式， 大致的操作條件，簡單的工藝流程，預(yù)測反應(yīng)結(jié)果和估 計放大效應(yīng)的強(qiáng)弱等。 3、驗證設(shè)想，改進(jìn)技術(shù)方案 這一步是部分解析法的重要步驟，不僅要做許多驗 證工作，而且從驗證試驗中還會發(fā)現(xiàn)許多問題，需要通 過試驗來進(jìn)一步解決。只有通過反復(fù)質(zhì)疑和反復(fù)研究論 證后，才能使得技術(shù)方案逐漸完善。 4、確定放大設(shè)計方法 經(jīng)過以上步驟研究之后，所擬定的技術(shù)方案已經(jīng)比 較完整，但缺乏定量的設(shè)計依據(jù)。如果過程規(guī)律已掌握， 可以建立數(shù)學(xué)模型，此時應(yīng)按數(shù)學(xué)模型的要求，定量測 取有關(guān)模型參數(shù)。如果不能建立數(shù)學(xué)模型，則可按經(jīng)驗 放大法的要求進(jìn)行系統(tǒng)試驗，測取有關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)。 三、特征 部分解析法兼有數(shù)學(xué)模型法和經(jīng)驗放大法的一些特征， 具體內(nèi)容如下： 1、分解研究與綜合分析相結(jié)合 部分解析法的研究方