10 8 6 4 2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
GDP 27% Profit 27%
FLOTU
• • •
利用煤生产三烯、三苯？ 过程中的环境、水问题？ 小分子产品大规模生产问 题及环境控制？
2004 2006 2008 2010 Year
大尺度下观察的化工问题
FLOTU
FLOTU

化学工程与工艺核心课程的基本框架
FLOTU
化工过程集成（工艺）
分 离 工 程 化工热力学 反 应 工 程 传递过程原理
四大化学、数学、物理学、生物学
化工生产过程及流程
化工生产工艺流程组织—— 推论分析法 FLOTU
反应器
分离与再循环
换热网络 公用工程 环境、安全 资源、生态
制造业
过程工业

9,733.1
1,106.3 627.3 19,920.3 3,505.4
化学工程在发生着革命性的变化:越来越向着基础, 不依靠经验, 创新是第一位的.
FLOTU
• • • •
仅19 % 的引用为学术研究论文 只有 0.3% 是化学工程学科的学术论文。 只有20% 以下的教授有一年以上工业经验； 化工教授少于 15% 的论文发表在化工杂志上
课程目标
FLOTU
反应工程学什么？知识、技能、思维方法？ 课程目标：反应器分析与设计并重，结合实际、 结合工艺、拓宽思路、引导创新。 内容：多相流反应工程、能源、大化工、材料 等 授课方法：讲课与讨论、设计、专题调研相结 合，研讨当前反应工程的发展及一些方向性、 热点性问题。 成绩：平时作业（３０％）＋专题报告（4０ ％）＋课程开卷考试（3０％）
多相反应过程工程化的层次
工业装置 工业试验
10-1 ~ 101 m 10-9 ~ 10-7 10-2 ~ 100
中试
10-2 ~ 10-1
小试
催化剂
FLOTU 微反
10-3 ~ 10-2
10-6 ~ 10-3
6、工程化
5、工程放大
4、流动区域及接触
3、聚团结构
2、催化剂
1、量子输运与反应
• 完整研发周期越来越长 • 如何缩短周期？是否可行？
ZSM-5纳米结构晶面选择性高产PX
FLOTU
B轴直孔 道方向
C轴直孔 道Z形孔 道交替方 向
Shen K. et al, JMC, 2013, JACS, 2013
ZSM-5 MTA结果
100
FLOTU
NK-38 B NK-38 BD D A AC C
Coversion, aromatics yield, %
46
碳纳米管的可视化
FLOTU
Adv. Mater. 2010, 22(16):1867; Nature Comm. 2013, 1727, doi: 10.1038/ncomms2736
毫米级碳纳米管可视化
FLOTU
0.349 mN 110 GPa
1mm 1mm
多级结构反应器放大
外表面 尺寸2
体积 尺寸3
反应、流动、传递的放大
自然界中的自组装多级结构
FLOTU
自然界中多级结构与自组装制造
FLOTU
现代化工业企业-以大为美
FLOTU
FLOTU ！中国、印度怎么办？
全球煤及石油储量
FLOTU
FLOTU
500强中的化工企业
FLOTU
国际炼油企业
FLOTU
中国公司排名
2011 2010
排名 排名 5 6 7 60 77 7 10 8 112 87 公司名称 (中英文) 中国石油化工集团公司 中国石油天然气集团公司 国家电网公司 鸿海科技集团 中国工商银行
营业收入
(百万美元) 273,421.9 240,192.4 226,294 95,190.5 80,501.3
3 否 75.7 5.7 21.2 8.6 18.3 8.3 24.3
4 是 64.7 4.2 22.2 25.1 2.3 0.7 89.4
不同基板作用力下的两种生长机理及对CNT结构的影响 碳-基板作用强
FLOTU
催化剂-基板作用强
CNT apply 10-30 GPa tensile, without flow influence on tip Tip growth


自上而下的方法： ——以物理学为基础、结构 性能关系为基础；
——物质在复杂程度、形貌、 结构等发生变化 创造的后发劣势？


FLOTU
石油化工基础
C2 production , Mt/a
10
3
World
10
2
Ann. growth rate % 1940-1973 26 1980-2012 4.5 China 1960-2012 15
10
1
FLOTU
10
0
=
10
-1
10
-2
1940
1960
1980
2000
Year
00
10
1
Ann. Growth rate, % China PX 20 World PX 8
三烯 三苯
Polimeri Europa
0.1
中国化学工业的发展

GDP & Profit, Trillion Yuan

化学工业GDP12万亿元，世 界最大化工产业，完全依 赖石油。 我国资源95%为煤，我国仅 产50%的三烯、三苯，PX为 单一进口量最大产品。
大尺度下观察的CO2问题
FLOTU
论文、专利与产能关系
FLOTU
Carbon nanotube Production and pulications Number or ton,
10
4
10
3
Journal paper
45% Patent 60%
18%
10
2
Production capacity 60%
80 60 40 20 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Time on stream（hr）
PX生产最大化
FLOTU
催化剂 是否硅改性 芳烃总选择性 苯 甲苯 对二甲苯 间二甲苯 邻二甲苯 PX/X
1 否 70.0 10.7 30.6 6.1 13.1 5.7 24.6
2 是 41.7 5.2 15.7 18.6 0.4 0.1 97.0

人口与合成氨、青霉素关系
FLOTU
对人类贡献最大的化工技术
用化学反应为人类创造价值
实验室的3p原则： 平台 专利 论文
FLOTU
Robert Langer：43岁美国三院院士， 有史以来工程领域被引次数最多的人
化学工程的历史





FLOTU 1900 年起，单元操作，主要以单相流动、分离为主，很少催化，不 着重于数学，化学+设备。煤化工为主 1957年反应工程：动力学、传递、流体力学，化学+数学，石油化工 1960年 传递过程，现代化工时代，三传一反 1960年分子筛催化剂，纳米材料等 1980年微型反应器、电池、燃料电池等分布式应用 1990年纳米技术，CVD反应器等与电子工业结合 课程结构体系无重大变化，但内容由传统化工走向现代化工：怎样 定义目前的化工及反应工程？ 三大支柱：流体力学、传递、反应 两个层面：介面(颗粒，固体表面)对流体的作用与影响 化学与化工相互结合？这世界在变，而我们没有 应用技术抽象成科学时, 我们会失去什么?
化学反应器理论
FLOTU 第一章、绪
第二章
第三章
第四章
第五章
第六章
第七章
论 反应动力学 催化剂上反应传递现象 催化剂失活 反应器选择性 多功能反应器 反应器设计
化学反应器理论
第一章 绪论
魏飞, 王铁峰 助教：王琪 清华大学化工系 Wf-dce@ /homepage/~weifei
化工能干什么？
交 叉

与 信 息
与生
物交
叉
FLOTU
化工以优势 学科为依托
与生态环境交叉
材料
叉
与新
源
与
交叉
能
交
FLOTU
FLOTU
chemkin
反应工程的尺度
FLOTU
化工过程的多尺度问题
Layer 1: Molecular Insight
FLOTU
Layer 2: Kinetic Models
Base growth
42
550 mm 超长碳纳米管
FLOTU
无缺陷超长碳纳米管
FLOTU
•
•
高 TOF ~105 s-1
高 WHSV ~ 107
•
•
低缺陷 10-9
高纯度原料
Wei et al, ACS Nano，2013
离散条件下的传递问题
FLOTU
FLOTU
Adv. Mater. 2010, 22(16):1867; Chem. Mater. 2010, 22:1294.
机电工业

FLOTU


炼油工业 石化工业 冶金工业 建材工业 制药工业 能源工业


汽车工业 家电工业 航空航天工业 计算机等信息产业 机械工业



——自下而上自组装的方法： 物质在分子水平进行重组 ——创造了世界上最大的工业 产业之一 ——以数学、物理，化学，生 物学为基础； 我们可以在规模上有后发优势！