过程工程导论
Introduction to Process Engineering
主讲：马紫峰 吴卫生 杨斌
助教：杜鹃
http://www.eecg.net/
Introduction to Process Engineering
From Chemical Engineering to Process Engineering?
Raw materials Industrial
Processes
Useful
Product
矿 物
植 物
动 物
水
大 气
石油炼制 \煤气化 \分离
浸取 \萃取 \分离
油脂加工 \牛油脱脂
电解 \水热合成 \水解
空气分离
燃料油 \化学品 \药品
食用油 \香料 \药品
润滑 \护肤 \药品
氢气
氮气 \氧气
* 第 190次香山科学会议,2002,9
Introduction to Process Engineering
From Chemical Engineering to Process Engineering?
需求,推动化工学科与过程工业的发展源动力
20 世 纪 社 会 需 要 化 工 技 术 进 展
纯 碱, 硫 酸 由 工 业 化 学 与 工 艺 学 发 展 出 化
学 工 程 技 术, 过 程 大 型 化, 连
续化
汽 车 工 业 兴 起 炼 油 工 艺 革 新 （ M I T ）
合成氨 （ HB 法） 化 工 热 力 学 分 析
二次大战 （ 汽 车, 橡 胶, 药 品 等 ） C
4
分 离 利 用, 丁 苯 橡 胶 乳 液 聚
合, 浓 缩 铀 提 炼, 青 霉 素 大 规
模生产
战 后 发 展 需 要 石 油 化 工 高 速 发 展, 反 应 工 程,
催 化 剂 工 程
资 源 与 能 源 有 效 利 用 过 程 系 统 分 析 与 优 化, 过 程 控
制与管理
人居环境、安全与健康 生物工程、生物制药、营养科学
化工过程与催化作用合成出氨
气，解决了全世界粮食问题
氨合成催化剂的研究与改进已经尝试
10万多个配方，至今仍是工业催化界
研究的方向之一
利用化工与催化过程（催化裂化、催化重整）将石油炼制生产出
各种燃料（汽油、柴油和煤油）去驱动汽车、飞机等交通工具
上海炼油厂之夜
扬子石化乙
烯工程二期
扬子石化（聚乙烯、
聚丙烯二期）
我们依赖催化作用通过石油化工过程
生产各种高分子材料（工程塑料、橡
胶和功能高分子材料）
1957年 Ziegler-Natta发明了用于烯烃聚合的
催化剂体系的研究，使聚烯烃的大规模生产成
为可能，推动了以塑料工业为标志的高分子材
料工业的崛起,Ziegler-Natta分享了 1963年
诺贝尔化学奖。
医药、营养与健康离不开化工过程技术的进步
工
程
学
科
支
柱 土木工程
机械工程
电机工程
化学工程
瓦特发明蒸汽机 (1736-1819)
伏特 \法拉第 \爱迪生 (1800-)
英国土木工程师学会成立 (1750-)
美国化学工程师学会成立 (1908-)
化工学科与过程工业发展沿革
1921年，美国麻省理工学院
（ MIT）设立世界上第一个化
工系 (Department of Chemical
Engineering),1922年，系主
任 A.D.Little在 MIT尝试开设,
工业化学, 课程，将化学与
机械、电工和土木等工程知
识有机结合起来进行化工教
育
化学工程与技术学科的形成
A.D.Little(1886-)
“三传一反”化工理论体系的建立
? 1915年,A.D.Little 提出单元操作概念，将复杂的化工生产过程归纳
为有限的操作单元，如精馏、萃取、吸收和干燥等。 1922年，在
AIChE年会上，确立, Unit Operation”概念。 1923年,MIT的
W.H.Walker,W.K.Lewis,W.H,McAdams 编写出版 Principles of
Chemical Engineering,重点阐述了, 单元操作,,被公认为化工学科
体系第一阶段标志 （ First paradigm)
? 1957年，随着石油炼制与化工技术发展，化学反应工程形成独立的理
论,标志着化学工程学科第二个里程碑的诞生 （ Second paradigm)
? 1960年,R.B.Bird,W.E.Stewart,E.N.Lightfoot正式出版了
,Transport Phenomena, （中译本在 1990年由化工出版社出版），
即从分子水平阐述单元操作、化学反应过程、设备设计与过程控制中
的共性科学问题，确立了 动量传递、热量传递、质量传递 和 反应工程
在化工学科中的基础理论地位,,三传一反, 成为化工学科理论基石,
?,化学工程手册”（ 1901，英）出版
?“化工原理”（ 1920，美）出版标志着化工学科理论体系
的诞生
?1922年，在 AIChE年会上，确立, Unit Operation”概念，
提出, Chemical Engineering,化学工程, 的, 独立宣言,
（ Declaration of Independence）
化工学科理论体系的产生
Walter G,Whitman William H,McAdams
我国化学工业发展先驱
? 1917年范旭东与侯德榜在天津塘沽创办的永利碱厂，它
是亚洲第一座苏尔维法氨碱厂，是我国化学工业策源地
1941年侯德榜博
士发明了将合成
氨与氨碱法联合
制碱的新工艺 —
— 候氏碱法
我国化学工程与技术学科发展先驱
陈世璋（北大教授） 俞同奎（北大教授）
1922年陈世璋、俞同奎在北京创立中华化学工业会。 1923年 9月 8日
成立了中华化学工业会上海分部（现上海市化学化工学会）
根据学以致用之本意，不欲
专以学术相号召，成在促进
化学界与实业界之联系，以
振兴吾国之化学工业
—— 中华化学工业会宗旨
化学工业与化工学科相互
促进，化学工业成为 20世
纪下半叶世界各国经济发
展的支柱产业。
在我国，以石化为代表的
化学工业也成为对国民经
济贡献最大的行业。
上海化工区的建设，标志
着 21世纪的上海工业中，
化工依然是其主导产业，
也将创造更多就业机会
需求 —— 是学科发展的推动力
交通大学
21世纪的化工技术要适应几个变化
? 适应不断加快的全球化进程
在新的市场机遇中，人员、技术、资金、信息和产品将更多地跨越
国际间的界限，技术进步将对经济竞争力和未来产业开发发挥更大作
用
? 适应可持续发展的要求
发展绿色化工制药技术，推动清洁生产工艺，依靠技术进步获得高
水平的生产率和资金回报率
? 适应用户不断增长的需求
21世纪是新能源、新材料、生物医药、电子信息、先进制造技术的
时代，化学工业要为这些具有巨大活力的产业提供更优质的产品
化学工业 ——过程工业
From Chemical Industry to Process Industry
化工过程
化学反应 ---反应器
物理过程 — 单元操作
实例,VA 生产
分离提纯
分离提纯
甲基庚烯
酮合成
脱氢芳樟
醇生产
重排为
柠檬醛
异戊二烯
氯化氢
VA 紫罗兰酮
乙炔
B胡萝卜素
典型的化工制药生产过程流程
化工、制药和冶金等过程工业中
常用单元操作
单元操作 目 的 物 态 原 理 传递过程
流体输送
搅拌
过滤
沉降
换热
蒸发
气体吸收
液体精馏
萃取
干燥
吸附
输送
混合或分散
非均相混合物分离
非均相混合物分离
升温、降温，改变相
态
溶剂与不挥发性溶质
的分离
非均相混合物分离
非均相混合物分离
非均相混合物分离
去湿
非均相混合物分离
液或气
气 -液；液 -液；
固 -液
液 -固；气 -固
液 -固；气 -固
液或气
液
气
液
液
固体
液或气
输入机械能
输入机械能
尺度不同的截流
密度差引起的沉降运动
利用温度差而传入或移
走热量
供热以汽化溶剂
各组分在溶剂中的溶解
度的差异
各组分间挥发度差异
各组分在溶剂中的溶解
度的差异
供热汽化
各组分在吸附剂中的吸
附能力差异
动量传递
动量传递
动量传递
动量传递
热量传递
热量传递
质量传递
质量传递
质量传递
热、质传递
质量传递
本课程的学习目的
? 如何根据各单元操作的技术经济特点，进行“过
程与设备”的选择，以适应指定反应体系的特征，
经济而有效的满足生产工艺要求
? 在科学研究中提高工业化意识，与工程技术人员
建立共同语言，指导科研选题和研究路线的确定
? 如何进行过程操作和调节，以适应生产过程中的
不同要求
Introduction to Process Engineering
主讲：马紫峰 吴卫生 杨斌
助教：杜鹃
http://www.eecg.net/
Introduction to Process Engineering
From Chemical Engineering to Process Engineering?
Raw materials Industrial
Processes
Useful
Product
矿 物
植 物
动 物
水
大 气
石油炼制 \煤气化 \分离
浸取 \萃取 \分离
油脂加工 \牛油脱脂
电解 \水热合成 \水解
空气分离
燃料油 \化学品 \药品
食用油 \香料 \药品
润滑 \护肤 \药品
氢气
氮气 \氧气
* 第 190次香山科学会议,2002,9
Introduction to Process Engineering
From Chemical Engineering to Process Engineering?
需求,推动化工学科与过程工业的发展源动力
20 世 纪 社 会 需 要 化 工 技 术 进 展
纯 碱, 硫 酸 由 工 业 化 学 与 工 艺 学 发 展 出 化
学 工 程 技 术, 过 程 大 型 化, 连
续化
汽 车 工 业 兴 起 炼 油 工 艺 革 新 （ M I T ）
合成氨 （ HB 法） 化 工 热 力 学 分 析
二次大战 （ 汽 车, 橡 胶, 药 品 等 ） C
4
分 离 利 用, 丁 苯 橡 胶 乳 液 聚
合, 浓 缩 铀 提 炼, 青 霉 素 大 规
模生产
战 后 发 展 需 要 石 油 化 工 高 速 发 展, 反 应 工 程,
催 化 剂 工 程
资 源 与 能 源 有 效 利 用 过 程 系 统 分 析 与 优 化, 过 程 控
制与管理
人居环境、安全与健康 生物工程、生物制药、营养科学
化工过程与催化作用合成出氨
气，解决了全世界粮食问题
氨合成催化剂的研究与改进已经尝试
10万多个配方，至今仍是工业催化界
研究的方向之一
利用化工与催化过程（催化裂化、催化重整）将石油炼制生产出
各种燃料（汽油、柴油和煤油）去驱动汽车、飞机等交通工具
上海炼油厂之夜
扬子石化乙
烯工程二期
扬子石化（聚乙烯、
聚丙烯二期）
我们依赖催化作用通过石油化工过程
生产各种高分子材料（工程塑料、橡
胶和功能高分子材料）
1957年 Ziegler-Natta发明了用于烯烃聚合的
催化剂体系的研究，使聚烯烃的大规模生产成
为可能，推动了以塑料工业为标志的高分子材
料工业的崛起,Ziegler-Natta分享了 1963年
诺贝尔化学奖。
医药、营养与健康离不开化工过程技术的进步
工
程
学
科
支
柱 土木工程
机械工程
电机工程
化学工程
瓦特发明蒸汽机 (1736-1819)
伏特 \法拉第 \爱迪生 (1800-)
英国土木工程师学会成立 (1750-)
美国化学工程师学会成立 (1908-)
化工学科与过程工业发展沿革
1921年，美国麻省理工学院
（ MIT）设立世界上第一个化
工系 (Department of Chemical
Engineering),1922年，系主
任 A.D.Little在 MIT尝试开设,
工业化学, 课程，将化学与
机械、电工和土木等工程知
识有机结合起来进行化工教
育
化学工程与技术学科的形成
A.D.Little(1886-)
“三传一反”化工理论体系的建立
? 1915年,A.D.Little 提出单元操作概念，将复杂的化工生产过程归纳
为有限的操作单元，如精馏、萃取、吸收和干燥等。 1922年，在
AIChE年会上，确立, Unit Operation”概念。 1923年,MIT的
W.H.Walker,W.K.Lewis,W.H,McAdams 编写出版 Principles of
Chemical Engineering,重点阐述了, 单元操作,,被公认为化工学科
体系第一阶段标志 （ First paradigm)
? 1957年，随着石油炼制与化工技术发展，化学反应工程形成独立的理
论,标志着化学工程学科第二个里程碑的诞生 （ Second paradigm)
? 1960年,R.B.Bird,W.E.Stewart,E.N.Lightfoot正式出版了
,Transport Phenomena, （中译本在 1990年由化工出版社出版），
即从分子水平阐述单元操作、化学反应过程、设备设计与过程控制中
的共性科学问题，确立了 动量传递、热量传递、质量传递 和 反应工程
在化工学科中的基础理论地位,,三传一反, 成为化工学科理论基石,
?,化学工程手册”（ 1901，英）出版
?“化工原理”（ 1920，美）出版标志着化工学科理论体系
的诞生
?1922年，在 AIChE年会上，确立, Unit Operation”概念，
提出, Chemical Engineering,化学工程, 的, 独立宣言,
（ Declaration of Independence）
化工学科理论体系的产生
Walter G,Whitman William H,McAdams
我国化学工业发展先驱
? 1917年范旭东与侯德榜在天津塘沽创办的永利碱厂，它
是亚洲第一座苏尔维法氨碱厂，是我国化学工业策源地
1941年侯德榜博
士发明了将合成
氨与氨碱法联合
制碱的新工艺 —
— 候氏碱法
我国化学工程与技术学科发展先驱
陈世璋（北大教授） 俞同奎（北大教授）
1922年陈世璋、俞同奎在北京创立中华化学工业会。 1923年 9月 8日
成立了中华化学工业会上海分部（现上海市化学化工学会）
根据学以致用之本意，不欲
专以学术相号召，成在促进
化学界与实业界之联系，以
振兴吾国之化学工业
—— 中华化学工业会宗旨
化学工业与化工学科相互
促进，化学工业成为 20世
纪下半叶世界各国经济发
展的支柱产业。
在我国，以石化为代表的
化学工业也成为对国民经
济贡献最大的行业。
上海化工区的建设，标志
着 21世纪的上海工业中，
化工依然是其主导产业，
也将创造更多就业机会
需求 —— 是学科发展的推动力
交通大学
21世纪的化工技术要适应几个变化
? 适应不断加快的全球化进程
在新的市场机遇中，人员、技术、资金、信息和产品将更多地跨越
国际间的界限，技术进步将对经济竞争力和未来产业开发发挥更大作
用
? 适应可持续发展的要求
发展绿色化工制药技术，推动清洁生产工艺，依靠技术进步获得高
水平的生产率和资金回报率
? 适应用户不断增长的需求
21世纪是新能源、新材料、生物医药、电子信息、先进制造技术的
时代，化学工业要为这些具有巨大活力的产业提供更优质的产品
化学工业 ——过程工业
From Chemical Industry to Process Industry
化工过程
化学反应 ---反应器
物理过程 — 单元操作
实例,VA 生产
分离提纯
分离提纯
甲基庚烯
酮合成
脱氢芳樟
醇生产
重排为
柠檬醛
异戊二烯
氯化氢
VA 紫罗兰酮
乙炔
B胡萝卜素
典型的化工制药生产过程流程
化工、制药和冶金等过程工业中
常用单元操作
单元操作 目 的 物 态 原 理 传递过程
流体输送
搅拌
过滤
沉降
换热
蒸发
气体吸收
液体精馏
萃取
干燥
吸附
输送
混合或分散
非均相混合物分离
非均相混合物分离
升温、降温，改变相
态
溶剂与不挥发性溶质
的分离
非均相混合物分离
非均相混合物分离
非均相混合物分离
去湿
非均相混合物分离
液或气
气 -液；液 -液；
固 -液
液 -固；气 -固
液 -固；气 -固
液或气
液
气
液
液
固体
液或气
输入机械能
输入机械能
尺度不同的截流
密度差引起的沉降运动
利用温度差而传入或移
走热量
供热以汽化溶剂
各组分在溶剂中的溶解
度的差异
各组分间挥发度差异
各组分在溶剂中的溶解
度的差异
供热汽化
各组分在吸附剂中的吸
附能力差异
动量传递
动量传递
动量传递
动量传递
热量传递
热量传递
质量传递
质量传递
质量传递
热、质传递
质量传递
本课程的学习目的
? 如何根据各单元操作的技术经济特点，进行“过
程与设备”的选择，以适应指定反应体系的特征，
经济而有效的满足生产工艺要求
? 在科学研究中提高工业化意识，与工程技术人员
建立共同语言，指导科研选题和研究路线的确定
? 如何进行过程操作和调节，以适应生产过程中的
不同要求
