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化工設計 版權信息
- ISBN：9787030314413
- 條形碼：9787030314413 ; 978-7-03-031441-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
化工設計 內容簡介
系統地闡述了現代化工過程工程學的核心內容--過程開發與設計、過程經濟評價和化工廠整體設計的基本原理、基本程序與方法。系統地介紹化工過程設計的基本原理、設計規范以及設計計算的基本方法。教學內容以化工設計為主線，對化工項目建設的各個環節所涉及的原料、路線、設備等一系列問題進行了闡述，并力求反映時代的特色，結合實例介紹了計算機輔助設計方法。
化工設計 目錄
目錄
前言
緒論 1
0.1 過程工程的基本概念 1
0.2 過程工程的學識基礎 2
0.3 過程工程的發展 2
0.3.1 化學工程科學體系在進一步完善與更新 2
0.3.2 物質轉化過程的多尺度結構與時空尺度迅速擴展 3
0.3.3 過程工程的綠色化 4
0.3.4 過程工程的集約化 5
0.3.5 納微結構界面成為化學工程與技術研究的新焦點 6
第1章 化工設計的程序和內容 8
1.1 概述 8
1.1.1 化工設計的類型和內容 8
1.1.2 化工設計的原則、要求和設計基礎 12
1.1.3 化工廠設計的工作程序 16
1.1.4 可行性研究 17
1.2 工藝包設計 21
1.2.1 工藝包設計的內容 21
1.2.2 工藝流程圖及工藝流程說明 24
1.2.3 工藝設備數據表及工藝設備表 24
1.2.4 工藝包設計的工作程序 25
1.3 化工車間工藝設計 26
1.3.1 化工工藝設計的內容 26
1.3.2 化工工藝設計程序與設計文件 28
1.4 工藝設計中的全局性問題 30
1.4.1 廠址的選擇 30
1.4.2 總圖布置與設計 32
1.4.3 安全與工業衛生 35
1.4.4 公用工程 36
1.4.5 電氣設計 37
1.4.6 自動控制 43
1.4.7 土建設計 44
習題 45
第2章 物料衡算和能量衡算 46
2.1 物料衡算的基本概念 46
2.1.1 物料衡算式 46
2.1.2 物料衡算的基本步驟 47
2.2 反應過程的物料衡算 49
2.2.1 基本概念 50
2.2.2 直接計算法 52
2.2.3 利用反應速率進行物料衡算 54
2.2.4 以結點進行衡算 57
2.2.5 利用聯系組分進行物料衡算 58
2.2.6 利用化學平衡進行物料衡算 59
2.2.7 利用元素原子平衡進行物料衡算 60
2.3 車間(裝置)的物料衡算 62
2.4 計算機輔助計算方法在物料衡算中的應用 66
2.4.1 MATLAB在物料衡算中的應用 66
2.4.2 采用單元過程計算軟件進行物料衡算 67
2.5 能量衡算 70
2.5.1 能量存在的形式 70
2.5.2 普遍化能量平衡方程式 71
2.5.3 封閉體系的能量衡算 71
2.5.4 穩態下敞開流動體系的能量衡算 71
2.5.5 能量衡算問題的分類與求解步驟 74
2.6 熱力學數據及計算 74
2.6.1 利用熱容計算ΔU或ΔH 75
2.6.2 恒壓摩爾熱容Cp 75
2.6.3 潛熱計算 76
2.6.4 化學反應熱 77
2.6.5 基準態的選取 78
2.7 反應過程的能量衡算 78
2.8 車間(裝置)的能量衡算 82
2.9 計算機輔助化工流程中的能量衡算 84
習題 89
第3章 分離設備與分離過程的優化 94
3.1 概述 94
3.1.1 分離的分類 94
3.1.2 分離因子 95
3.1.3 分離過程的選擇 96
3.2 氣液傳質設備 99
3.2.1 板式塔的結構和塔板類型 99
3.2.2 塔板的性能評價和比較 104
3.2.3 填料塔的結構與特點 105
3.2.4 填料的類型與幾何特性 106
3.3 分離過程的節能 110
3.3.1 分離過程節能的基本概念 110
3.3.2 熱力學效率 113
3.3.3 分離過程中有效能損失的主要形式 113
3.4 精餾節能技術 114
3.4.1 多股進料和側線出料 115
3.4.2 適宜回流比 117
3.4.3 熱泵精餾 117
3.4.4 設置中間冷凝器和中間再沸器 119
3.4.5 多效精餾 120
3.4.6 熱偶精餾 122
3.5 分離流程的優化 124
3.5.1 分離流程方案數 124
3.5.2 試探法 125
3.5.3 分離序列法則 126
3.5.4 調優合成法 128
習題 130
第4章 換熱器 132
4.1 換熱器的分類 132
4.1.1 按作用原理和實現傳熱的方式分類 132
4.1.2 按使用目的分類 132
4.2 間壁式換熱器的特性 132
4.3 換熱器的設計與選型 134
4.3.1 換熱器的系列化 134
4.3.2 管殼式換熱器選擇中應注意的問題 136
4.3.3 管殼式換熱器設計中有關參數的確定 137
4.3.4 管殼式換熱器設計及選用 139
4.3.5 換熱器的*優設計 144
4.4 夾點技術基礎 146
4.4.1 TGH圖 146
4.4.2 組合曲線與TGH圖上的夾點 147
4.4.3 問題表格算法 148
4.4.4 夾點的意義 151
4.4.5 換熱網絡夾點位置的確定 152
4.4.6 總組合曲線 153
4.5 夾點設計法 153
4.5.1 預先確定換熱網絡的*優ΔTmin 153
4.5.2 初始網絡的設計 155
4.5.3 對初始網絡的調優 156
習題 157
第5章 化工工藝流程設計 158
5.1 概述 158
5.2 工藝流程設計的分類 158
5.3 工藝路線選擇 159
5.3.1 選擇原則 159
5.3.2 確定步驟 160
5.4 工藝流程設計 161
5.4.1 工藝流程設計原則與方法 161
5.4.2 工藝流程圖的繪制 165
5.4.3 化工典型設備的自控流程設計 183
5.5 計算機輔助流程設計 193
5.5.1 概述 193
5.5.2 流程模擬系統的結構 195
5.5.3 化工流程模擬軟件應用舉例——丙烯羰基合成丁醛工藝的模擬研究 195
習題 202
第6章 管道設計與布置 203
6.1 概述 203
6.1.1 化工車間管道設計與布置的任務 203
6.1.2 化工車間管道設計與布置的要求 203
6.2 管道、管件及常用閥門 206
6.2.1 基本概念 206
6.2.2 常用管道 207
6.2.3 管徑計算 209
6.2.4 管道連接 210
6.2.5 常用閥門 212
6.2.6 常用管件 219
6.3 管架和管道的安裝布置 220
6.3.1 管道敷設方式 220
6.3.2 化工管道支吊架 221
6.3.3 管道在管架上的布置原則 223
6.4 單元配管設計 223
6.4.1 塔的配管設計 223
6.4.2 立式容器的配管設計 224
6.4.3 泵的配管設計 225
6.4.4 排放管的設計 226
6.4.5 取樣管的設計 227
6.4.6 一次儀表的安裝和配管設計 228
6.5 管道布置圖的繪制 230
6.5.1 管道布置圖的內容 230
6.5.2 一般規定 230
6.5.3 圖示方法 231
6.5.4 管道布置圖的標注 234
6.5.5 管道布置圖的繪制 237
6.6 管道軸測圖 238
6.6.1 管道軸測圖的內容 238
6.6.2 管道軸測圖的繪制 238
6.6.3 尺寸及其他標注 241
6.6.4 方向標及材料表 244
習題 244
第7章 車間布置設計 245
7.1 概述 245
7.1.1 化工車間組成 245
7.1.2 車間布置設計的依據 246
7.1.3 車間布置設計的內容及程序 246
7.2 廠房的整體布置設計 247
7.2.1 廠房的平面布置 248
7.2.2 廠房的立面布置 250
7.3 車間設備布置設計 250
7.3.1 車間設備布置設計的內容 250
7.3.2 車間設備布置設計的要求 251
7.4 常用設備布置 256
7.4.1 塔和立式容器的布置 256
7.4.2 換熱器 258
7.4.3 容器 258
7.4.4 反應器 260
7.4.5 泵 261
7.4.6 壓縮機 262
7.5 車間布置圖 263
7.5.1 車間布置圖的內容 263
7.5.2 繪制車間布置圖的一般規定 265
.5.3 設備布置圖的視圖 266
7.5.4 設備布置圖的標注 270
7.5.5 設備布置圖的繪圖步驟 272
7.6 管口方位圖 273
7.7 設備安裝圖 274
習題 275
第8章 工程設計概算 276
8.1 設計概算 276
8.1.1 概算的內容和分類 276
8.1.2 概算的編制依據 278
8.1.3 工程概算的編制 278
8.2 投資估算 284
8.2.1 工程項目投資估算 284
8.2.2 工藝裝置投資估算方法 288
8.2.3 單元設備價格估算 291
8.3 產品成本估算 294
8.3.1 產品成本的構成 295
8.3.2 成本費用估算 296
8.4 經濟評價 297
8.4.1 靜態評價方法 297
8.4.2 動態評價方法 299
8.4.3 不確定性分析 301
習題 302
第9章 計算機在化工設計中的應用 304
9.1 分子模擬 304
9.1.1 分子模擬技術的應用 304
9.1.2 分子模擬方法 305
9.1.3 分子模擬軟件的主要功能 306
9.2 流程模擬系統簡介 307
9.2.1 流程模擬技術的發展與分類 307
9.2.2 流程模擬軟件ChemCAD及其模擬計算 309
9.3 三維管道設計中的計算機技術 320
9.3.1 三維管道設計軟件 320
9.3.2 PDS軟件在配管設計中的應用 321
9.4 化工CAD技術在化工設計中的應用 324
9.4.1 工藝設計軟件 324
9.4.2 計算機繪圖工具AutoCAD 329
9.4.3 建立和應用CAD網絡系統 334
9.4.4 用PIDCAD繪制工藝流程圖 335
9.5 計算流體力學模擬在化工中的應用 337
9.5.1 CFD的基本原理及可視化軟件 337
9.5.2 CFD在化工中的應用 338
習題 340
參考文獻 341
附錄 343
前言
緒論 1
0.1 過程工程的基本概念 1
0.2 過程工程的學識基礎 2
0.3 過程工程的發展 2
0.3.1 化學工程科學體系在進一步完善與更新 2
0.3.2 物質轉化過程的多尺度結構與時空尺度迅速擴展 3
0.3.3 過程工程的綠色化 4
0.3.4 過程工程的集約化 5
0.3.5 納微結構界面成為化學工程與技術研究的新焦點 6
第1章 化工設計的程序和內容 8
1.1 概述 8
1.1.1 化工設計的類型和內容 8
1.1.2 化工設計的原則、要求和設計基礎 12
1.1.3 化工廠設計的工作程序 16
1.1.4 可行性研究 17
1.2 工藝包設計 21
1.2.1 工藝包設計的內容 21
1.2.2 工藝流程圖及工藝流程說明 24
1.2.3 工藝設備數據表及工藝設備表 24
1.2.4 工藝包設計的工作程序 25
1.3 化工車間工藝設計 26
1.3.1 化工工藝設計的內容 26
1.3.2 化工工藝設計程序與設計文件 28
1.4 工藝設計中的全局性問題 30
1.4.1 廠址的選擇 30
1.4.2 總圖布置與設計 32
1.4.3 安全與工業衛生 35
1.4.4 公用工程 36
1.4.5 電氣設計 37
1.4.6 自動控制 43
1.4.7 土建設計 44
習題 45
第2章 物料衡算和能量衡算 46
2.1 物料衡算的基本概念 46
2.1.1 物料衡算式 46
2.1.2 物料衡算的基本步驟 47
2.2 反應過程的物料衡算 49
2.2.1 基本概念 50
2.2.2 直接計算法 52
2.2.3 利用反應速率進行物料衡算 54
2.2.4 以結點進行衡算 57
2.2.5 利用聯系組分進行物料衡算 58
2.2.6 利用化學平衡進行物料衡算 59
2.2.7 利用元素原子平衡進行物料衡算 60
2.3 車間(裝置)的物料衡算 62
2.4 計算機輔助計算方法在物料衡算中的應用 66
2.4.1 MATLAB在物料衡算中的應用 66
2.4.2 采用單元過程計算軟件進行物料衡算 67
2.5 能量衡算 70
2.5.1 能量存在的形式 70
2.5.2 普遍化能量平衡方程式 71
2.5.3 封閉體系的能量衡算 71
2.5.4 穩態下敞開流動體系的能量衡算 71
2.5.5 能量衡算問題的分類與求解步驟 74
2.6 熱力學數據及計算 74
2.6.1 利用熱容計算ΔU或ΔH 75
2.6.2 恒壓摩爾熱容Cp 75
2.6.3 潛熱計算 76
2.6.4 化學反應熱 77
2.6.5 基準態的選取 78
2.7 反應過程的能量衡算 78
2.8 車間(裝置)的能量衡算 82
2.9 計算機輔助化工流程中的能量衡算 84
習題 89
第3章 分離設備與分離過程的優化 94
3.1 概述 94
3.1.1 分離的分類 94
3.1.2 分離因子 95
3.1.3 分離過程的選擇 96
3.2 氣液傳質設備 99
3.2.1 板式塔的結構和塔板類型 99
3.2.2 塔板的性能評價和比較 104
3.2.3 填料塔的結構與特點 105
3.2.4 填料的類型與幾何特性 106
3.3 分離過程的節能 110
3.3.1 分離過程節能的基本概念 110
3.3.2 熱力學效率 113
3.3.3 分離過程中有效能損失的主要形式 113
3.4 精餾節能技術 114
3.4.1 多股進料和側線出料 115
3.4.2 適宜回流比 117
3.4.3 熱泵精餾 117
3.4.4 設置中間冷凝器和中間再沸器 119
3.4.5 多效精餾 120
3.4.6 熱偶精餾 122
3.5 分離流程的優化 124
3.5.1 分離流程方案數 124
3.5.2 試探法 125
3.5.3 分離序列法則 126
3.5.4 調優合成法 128
習題 130
第4章 換熱器 132
4.1 換熱器的分類 132
4.1.1 按作用原理和實現傳熱的方式分類 132
4.1.2 按使用目的分類 132
4.2 間壁式換熱器的特性 132
4.3 換熱器的設計與選型 134
4.3.1 換熱器的系列化 134
4.3.2 管殼式換熱器選擇中應注意的問題 136
4.3.3 管殼式換熱器設計中有關參數的確定 137
4.3.4 管殼式換熱器設計及選用 139
4.3.5 換熱器的*優設計 144
4.4 夾點技術基礎 146
4.4.1 TGH圖 146
4.4.2 組合曲線與TGH圖上的夾點 147
4.4.3 問題表格算法 148
4.4.4 夾點的意義 151
4.4.5 換熱網絡夾點位置的確定 152
4.4.6 總組合曲線 153
4.5 夾點設計法 153
4.5.1 預先確定換熱網絡的*優ΔTmin 153
4.5.2 初始網絡的設計 155
4.5.3 對初始網絡的調優 156
習題 157
第5章 化工工藝流程設計 158
5.1 概述 158
5.2 工藝流程設計的分類 158
5.3 工藝路線選擇 159
5.3.1 選擇原則 159
5.3.2 確定步驟 160
5.4 工藝流程設計 161
5.4.1 工藝流程設計原則與方法 161
5.4.2 工藝流程圖的繪制 165
5.4.3 化工典型設備的自控流程設計 183
5.5 計算機輔助流程設計 193
5.5.1 概述 193
5.5.2 流程模擬系統的結構 195
5.5.3 化工流程模擬軟件應用舉例——丙烯羰基合成丁醛工藝的模擬研究 195
習題 202
第6章 管道設計與布置 203
6.1 概述 203
6.1.1 化工車間管道設計與布置的任務 203
6.1.2 化工車間管道設計與布置的要求 203
6.2 管道、管件及常用閥門 206
6.2.1 基本概念 206
6.2.2 常用管道 207
6.2.3 管徑計算 209
6.2.4 管道連接 210
6.2.5 常用閥門 212
6.2.6 常用管件 219
6.3 管架和管道的安裝布置 220
6.3.1 管道敷設方式 220
6.3.2 化工管道支吊架 221
6.3.3 管道在管架上的布置原則 223
6.4 單元配管設計 223
6.4.1 塔的配管設計 223
6.4.2 立式容器的配管設計 224
6.4.3 泵的配管設計 225
6.4.4 排放管的設計 226
6.4.5 取樣管的設計 227
6.4.6 一次儀表的安裝和配管設計 228
6.5 管道布置圖的繪制 230
6.5.1 管道布置圖的內容 230
6.5.2 一般規定 230
6.5.3 圖示方法 231
6.5.4 管道布置圖的標注 234
6.5.5 管道布置圖的繪制 237
6.6 管道軸測圖 238
6.6.1 管道軸測圖的內容 238
6.6.2 管道軸測圖的繪制 238
6.6.3 尺寸及其他標注 241
6.6.4 方向標及材料表 244
習題 244
第7章 車間布置設計 245
7.1 概述 245
7.1.1 化工車間組成 245
7.1.2 車間布置設計的依據 246
7.1.3 車間布置設計的內容及程序 246
7.2 廠房的整體布置設計 247
7.2.1 廠房的平面布置 248
7.2.2 廠房的立面布置 250
7.3 車間設備布置設計 250
7.3.1 車間設備布置設計的內容 250
7.3.2 車間設備布置設計的要求 251
7.4 常用設備布置 256
7.4.1 塔和立式容器的布置 256
7.4.2 換熱器 258
7.4.3 容器 258
7.4.4 反應器 260
7.4.5 泵 261
7.4.6 壓縮機 262
7.5 車間布置圖 263
7.5.1 車間布置圖的內容 263
7.5.2 繪制車間布置圖的一般規定 265
.5.3 設備布置圖的視圖 266
7.5.4 設備布置圖的標注 270
7.5.5 設備布置圖的繪圖步驟 272
7.6 管口方位圖 273
7.7 設備安裝圖 274
習題 275
第8章 工程設計概算 276
8.1 設計概算 276
8.1.1 概算的內容和分類 276
8.1.2 概算的編制依據 278
8.1.3 工程概算的編制 278
8.2 投資估算 284
8.2.1 工程項目投資估算 284
8.2.2 工藝裝置投資估算方法 288
8.2.3 單元設備價格估算 291
8.3 產品成本估算 294
8.3.1 產品成本的構成 295
8.3.2 成本費用估算 296
8.4 經濟評價 297
8.4.1 靜態評價方法 297
8.4.2 動態評價方法 299
8.4.3 不確定性分析 301
習題 302
第9章 計算機在化工設計中的應用 304
9.1 分子模擬 304
9.1.1 分子模擬技術的應用 304
9.1.2 分子模擬方法 305
9.1.3 分子模擬軟件的主要功能 306
9.2 流程模擬系統簡介 307
9.2.1 流程模擬技術的發展與分類 307
9.2.2 流程模擬軟件ChemCAD及其模擬計算 309
9.3 三維管道設計中的計算機技術 320
9.3.1 三維管道設計軟件 320
9.3.2 PDS軟件在配管設計中的應用 321
9.4 化工CAD技術在化工設計中的應用 324
9.4.1 工藝設計軟件 324
9.4.2 計算機繪圖工具AutoCAD 329
9.4.3 建立和應用CAD網絡系統 334
9.4.4 用PIDCAD繪制工藝流程圖 335
9.5 計算流體力學模擬在化工中的應用 337
9.5.1 CFD的基本原理及可視化軟件 337
9.5.2 CFD在化工中的應用 338
習題 340
參考文獻 341
附錄 343
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化工設計 節選
緒論 化學工程是研究化學工業和其他過程工業（processindustry）生產中所進行的化學過程和物理過程共同規律的一門工程學科。這些工業包括石油煉制工業、冶金工業、建筑材料工業、食品工業、造紙工業等。化學工程在發展過程中，同時也被其他過程工業的研究與開發人員用于其他各種過程工業，使化學工程事實上發展為過程工程或提升至過程工程。化學工程的基本理論和方法正逐步向各個領域滲透，目前已覆蓋了所有物質的物理和化學加工工藝，過程工程是這一趨勢的正確表達。過程工程學科涵蓋化學工程、冶金工程、熱能工程、材料工程、生物工程、環境工程等子學科，這些子學科以其與化學反應密切相關為共同特征，因此可以說過程工程是以化學工程為基礎的學科。 0.1 過程工程的基本概念 過程工程是指化工、煉油、冶金、能源、建材、醫藥、日化等多種工藝過程中有共性的工程技術。它包括了每個國家的大部分重工業，這類工業有下列特點：①工業生產使用的原料基本上為自然資源；②產品主要用作產品生產工業的原料；③基本為連續化的生產操作；④在生產過程中原料發生了物理變化、化學變化；⑤產量的增加依據生產規模的放大來實現；⑥對環境易產生較嚴重的污染，需發展綠色的生產過程來解決污染問題。 過程工業依據生產方式、擴大生產的方法以及生產時物質所經受的主要變化來分類，它是一個國家發展生產、增強國防力量的基礎。過程工業的發展需要現代技術的支持和大量的投資。 過程工業中進行的各種化學、物理過程往往在密閉狀態下連續進行，它遍及幾乎所有現代工業生產領域。每一過程工業需從原理上研究如何提高效率、降低投資費用和操作成本等。需要從原理上改進設備，提高生產力，并從不斷創新的角度，發展新的生產過程，使過程不產生污染，并使其符合可持續發展的基本原則。過程工程的學科理論基礎是共同的泛化學工業，是在化學和物理學基本原理指導下高度交叉發展而形成的產業。它們共同的核心研究內容是：①物質流的傳遞與轉化過程；②能量流的傳遞與轉化過程；③信息流的傳遞與集成過程。以上三者之間的交互作用促進了過程工程的發展，也進一步說明過程工程中技術是相通的和可共享的。 與過程工業相對應的為產品（生產）工業，是設計或革新人們所需要的有用產品的過程。其主要步驟包括定位產品的功能、確認產品功能與其化學組成或空間構成的內在關系、設計或改進產品。例如，生產電視機、汽車、飛機、空調等的工業，這類工業的產品大都可為人們直接使用，關系到人們生活水平的高低，該類工業的特點是：①使用的原料基本上為過程工業的相關產品；②產品可直接為人們所使用；③生產過程基本上為非連續化過程；④主要為物理加工和機械加工過程；⑤以增建生產線或改進生產線來增加產品量；⑥污染較過程工業輕，一般可采用較成熟的技術改善和治理。 0.2 過程工程的學識基礎 以化學工程為代表的過程工程學原理起源于眾多過程工藝中共性操作的歸類和歸納。過程工程學已經走過了一百多年的歷史：以1901年G.E.Davis出版的《化學工程手冊》為標志的過程工程學研究過程工業生產中所進行的化學過程和物理過程的共同規律。 1915年，美國化學學會會長和化學工程師協會會長A.D.Little博士提出了“單元操作”的概念，并首先闡明了研究各種“單元操作”的基本原則，許多學者認為這是過程工程學發展的**個里程碑。1958年，R.B.Bird等的《傳遞過程原理》一書，將“單元操作”中的共性規律總結為質量、熱量和動量傳遞，并更多地引入物理和數學工具進行定量分析與推理研究，使過程工程學在理論上更趨成熟。幾乎在同一時間，荷蘭的van Krevelen教授在前人研究的基礎上明確提出“化學反應工程學”（一反），來研究化工過程中帶有化學反應時的變化過程，這使化學工程學成為一門更全面的學科，被稱為“三傳一反”過程。將以物理過程為主的傳遞過程（三傳）與化學反應（一反）相結合，形成了“化學反應工程”。一般將歐洲**次化學反應工程會議（1957年）視為過程工程學發展的第二個里程碑。 郭慕孫先生則把當代化學工程的學識基礎形象地歸納為“三傳一反+X”。他認為“X包括那些不一定如‘三傳一反’那樣重要和預計將來會出現的內涵”，并認為“化學工程目前覆蓋了所有物質的物理和化學加工工藝，可稱為過程工程”。人類社會的發展不斷給過程工程提出新問題，當今能源和資源的大量消耗、全球變暖、環境污染已嚴重制約人類社會的可持續發展，節能、降耗、減排已成為時代的要求，于是過程工程的綠色化和集約化成為學術界關注的熱點，與此相關的具有代表地位的研究成果也可能成為X的具體內容。 目前，“三傳一反”研究必將進一步深入到介觀尺度、微觀尺度范疇，涉及結構、界面與多尺度問題。傳統的宏觀平均方法將不均勻結構擬均勻化導致預測偏差和工程放大困難，需要用多尺度方法取代。結構、界面和多尺度問題有可能成為學術界研究的焦點。與結構、界面、多尺度、綠色化和集約化相關的具有代表地位的研究成果（新理論、新原理、新方法）可能成為過程工程科學基礎的新內涵。 0.3 過程工程的發展 0.3.1 化學工程科學體系在進一步完善與更新 科學研究和工業實踐是建立并檢驗知識體系的基礎，而科學概念的抽提則是發展知識體系的基本手段。Giddings教授曾試圖從“場”和“流”的觀點出發來建立統一的分離科學，以廣義方法描述化工過程。袁乃駒教授等拓展了“場”和“流”的概念，將“場”定義為能夠產生空間化學勢差異的推動力，如溫度場、重力場、電場、磁場和超聲場等，而“流”是在“場”作用下產生的穿過空間指定界面的物流和能量流，并將其應用于描述和分析化工反應與分離過程。其研究結果表明，現有的化工反應和分離過程均可以表示若干類“場”和“流”的組合，可以用形式類似的數學方程來描述，其過程能否連續、分離與反應過程的深度是由“場”與“流”結合方式和“場”的相對強度所決定的，多“場”過程是提高化工反應轉化率或專一性或分類過程精度的重要方式。事實上，“過程耦合”及“外場強化”是化工反應或分離新過程和新技術研究中*為活躍的內容之一。 作為與“單元操作”和“三傳一反”具有延續性的發展，金涌院士提出以“物質的傳遞與轉化”、“能量的傳遞與轉化”及“信息的傳遞和轉化”，即“三傳三轉”來描述今天的化學工程學科體系結構，因為能量傳遞與動量傳遞本質上是一致的，而信息傳遞則遵循不同的法則。 0.3.2 物質轉化過程的多尺度結構與時空尺度迅速擴展 現代化工*重要的特征之一是時空尺度的迅速擴展，從原子尺度下的原子、分子自組裝過程，到考慮到全球環境變化的生態過程，其時空跨度達十余個數量級。 科學研究實踐表明對化工過程更深層次的理解要求不斷縮小研究空間尺度，從設備的宏觀尺度到多相流液滴、氣泡、顆粒（團簇）的介觀尺度，再深入到膠束、納米聚團、相界面的亞微觀尺度和分子組裝、超分子化學合成的分子尺度。在時間特性上，除了研究各類參數的時均值的分布規律外，還要研究其在時域內的混沌行為。此外，為使不同的化工過程實現集成和優化，則需不斷擴大研究的時空尺度。 1.物質轉化過程的多尺度結構 多數物質的轉化過程都具有非均勻結構、多態和突變等復雜系統的特征。物質轉化過程中復雜系統的研究成為過程工程科學的重要前沿。在復雜的過程系統中，許多現象以不同層次出現，層次可用時間和空間尺度來標定。工藝過程及其設備的設計、操作、控制為宏觀尺度，但有關的物理、化學現象為微觀尺度。為達到更好地設計、操作、控制工藝過程及其設備的目的，要在宏觀與微觀之間尋找有關的中間尺度的現象，如此可以分割難題，然后既按不同尺度的層次分別研究，又在綜合層次進行跨尺度研究。在這樣的研究中，需引進有關的新知識，研究方法和手段也將出現新的變化。許多學者將時空多尺度結構及其效應的認識和研究譽為繼“單元操作”和“化學反應工程”之后的新的里程碑。 物質轉化的基本層次是原子和分子，但實現物質轉化卻要涉及從原子、分子到大規模工業裝置（乃至整個工廠，甚至涉及大氣、河流等環境因素）之間不同尺度的化學和物理過程。許多復雜現象發生在若干主要的特征尺度上，對過程控制作用的各種機理也只在某些特征尺度上發揮作用。 多尺度特征在物質轉化中的重要性主要體現在以下兩個方面：①任何一個微觀反應過程，必須經過各種尺度的調控才能在設備尺度上達到理想的轉化率和選擇性，才能在工廠尺度輸出合格廉價產品的同時對環境產生*小的負面效應；②對反應過程的任何調控一般都在設備尺度實施，然后通過多尺度過程將這一調控的作用傳遞到微觀尺度水平上，才能對反應過程施加影響。 2.時空多尺度結構的概念 尺度指的是表達數據的空間范圍的大小和時間的長短，是數據的重要特征。不同尺度所表達的信息密度有很大的差異。觀測尺度變化得到的結果在某一尺度下會發生實質性的改變。這種特征尺度發生質變的系統可稱為多尺度系統。時空多尺度可分為空間多尺度和時間多尺度。 1）空間多尺度 在復雜科學和物質多樣性研究中，尺度效應至關重要。尺度不同常會引起主要相互作用的改變，導致物質性能或運動規律產生質的差別。尺度效應本質上是控制機理的轉變。在自然界和工程技術界，空間多尺度結構是客觀存在的。法國Villermaux于1996年將空間尺度大致分為：納米尺度———分子過程，活性中心；微觀尺度———顆粒，液滴，氣泡，渦流 ；介觀尺度———反應器，換熱器，分離裝置，泵；宏觀尺度———生產單位，工廠；巨尺度———環境，大氣，海洋，土壤。 2）時間多尺度 時間可用秒來度量，更大的有分鐘、小時、日、月、年，以至年代、世紀、地球冰河出現周期、太陽系繞銀河系運動周期、宇宙的生命周期；更小的有毫秒、微秒、納秒、皮秒、飛秒、渺秒等。 可用兩種方法來理解時間多尺度：一是時間尺度針對具體過程，不同的過程有不同的時間尺度，故時間多尺度可理解為多過程。因此，多尺度研究方法可理解為過程的分解和綜合的方法，每一過程都有不同的時間尺度。二是對于同一過程，在一定的意義上有特定的時間尺度。此時多尺度的研究方法可理解為人為改變過程的時間尺度，用新的時間尺度對過程進行研究。過程工程中常見的兩類技術，即強制時變和優化控制，就是時間多尺度方法的典型體現。 0.3.3 過程工程的綠色化 21世紀人類社會的進步已進入了可持續發展的階段，其科學與技術基礎是綠色化學工程，生態工業園區的建立是今后世界工業社區發展的理想模式。化學工程作為為人類提供物質基礎的科學必須更加關注自然、環境和生態效應，必須快速發展更加綠色（環境和生態友好）和更加高效（原子經濟性）的分子科學與過程工程學。 過程工程綠色化是綜合利用環境與資源、材料、能源、生化工程與計算信息學等多學科的知識，研究物質轉化過程綠色化的綜合性科學與工程。*廣為認可的綠色化工定義是“能夠減少或去除危險物質使用和產生的化工產品的設計和工藝”。美國環境保護局（EPA）公布了支持綠色化工的12項原則，這12項原則*初是在1998年由綠色化學的先行者———耶魯大學綠色化學和綠色工程中心主管P.Anastas提出的。Anastas提出的綠色化學12項原則包括：①防止污染優于污染形成后處理；②*大限度地利用資源，盡可能將所有原料轉化成產品；③盡可能只使用與生產對人類健康和環境無毒或低毒的物質；④設計化學品時，應在保持其功效的同時，盡量降低其毒性；⑤盡可能不使用助劑（溶劑、萃取劑、表面活性劑等），必須時只使用無毒物質；⑥考慮能耗對環境及經濟的影響，盡量減少能量使用；⑦在技術和經濟可行的條件下，*大限度地使用可再生原料；⑧盡量避免不必要的衍生步驟；⑨催化劑優于化學計量物質；⑩化學品應該設計成廢棄后易降解為無害物質；分析方法應能實時在線監測，在有害物質形成前予以控制；選擇化學事故（泄漏、爆炸、火災）隱患*小的物質。 隨著向單一環境介質中排放量的減
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