化学工程与工艺专业英语

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Unit1ChemicalIndustry

化学工业

1．化学工业的起源

尽管化学品的使用可以追溯到古代文明时代,我们所谓的现代化学工业的发展却是非常近代〔才开始

的〕.可以认为它起源于工业革命其间,大约在1800年,并发展成为为其它工业部门提供化学原料的产业.

比如制肥皂所用的碱,棉布生产所用的漂白粉,玻璃制造业所用的硅与Na

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CO

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.我们会注意到所有这些都

是无机物.有机化学工业的开始是在十九世纪六十年代以WilliamHenryPerkin发现第一种合成染料—苯

胺紫并加以开发利用为标志的.20世纪初,德国花费大量资金用于实用化学方面的重点研究,到1914年,德

国的化学工业在世界化学产品市场上占有75%的份额.这要归因于新染料的发现以与硫酸的接触法生产和

氨的哈伯生产工艺的发展.而后者需要较大的技术突破使得化学反应第一次可以在非常高的压力条件下进

行.这方面所取得的成绩对德国很有帮助.特别是由于1914年第一次世界大仗的爆发,对以氮为基础的化合

物的需求飞速增长.这种深刻的改变一直持续到战后〔1918-1939〕.

1940年以来,化学工业一直以引人注目的速度飞速发展.尽管这种发展的速度近年来已大大减慢.化学

工业的发展由于1950年以来石油化学领域的研究和开发大部分在有机化学方面取得.石油化工在60年代

和70年代的迅猛发展主要是由于人们对于合成高聚物如聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚脂和环氧树脂的需求

巨大增加.

今天的化学工业已经是制造业中有着许多分支的部门,并且在制造业中起着核心的作用.它生产了数

千种不同的化学产品,而人们通常只接触到终端产品或消费品.这些产品被购买是因为他们具有某些性质

适合〔人们〕的一些特别的用途,例如,用于盆的不粘涂层或一种杀虫剂.这些化学产品归根到底是由于它们

能产生的作用而被购买的.

2．化学工业的定义

在本世纪初,要定义什么是化学工业是不太困难的,因为那时所生产的化学品是很有限的,而且是非常

清楚的化学品,例如,烧碱,硫酸.然而现在有数千种化学产品被生产,从一些原料物质像用于制备许多的半成

品的石油,到可以直接作为消费品或很容易转化为消费品的商品.困难在于如何决定在一些特殊的生产过

程中哪一个环节不再属于化学工业的活动范畴.举一个特殊的例子来描述一下这种困境.乳剂漆含有聚氯

乙烯/聚醋酸乙烯.显然,氯乙烯〔或醋酸乙烯〕的合成以与聚合是化学活动.然而,如果这种漆,包括高聚物,

它的配制和混合是由一家制造配料的跨国化学公司完成的话,那它仍然是属于化学工业呢还是应当归属于

装饰工业中去呢？

因此,很明显,由于化学工业经营的种类很多并在很多领域与其它工业有密切的联系,所以不能对它下

一个简单的定义.相反的每一个收集和出版制造工业统计数据的官方机构都会对如何届定哪一类操作为化

学工业有自己的定义.当比较来自不同途径的统计资料时,记住这点是很重要的.

3．对化学工业的需要

化学工业涉与到原材料的转化,如石油首先转化为化学中间体,然后转化为数量众多的其它化学产品.

这些产品再被用来生产消费品,这些消费品可以使我们的生活更为舒适或者作药物维持人类的健康或生命.

在生产过程的每一个阶段,都有价值加到产品上面,只要这些附加的价值超过原材料和加工成本之和,这个

加工就产生了利润.而这正是化学工业要达到的目的.

在这样的一本教科书中提出："我们需要化学工业吗？"这样一个问题是不是有点奇怪呢？然而,先回

答下面几个问题将给我们提供一些信息：〔1〕化学工业的活动范围,〔2〕化学工业对我们日常生活的影响,

〔3〕社会对化学工业的需求有多大.在回答这些问题的时候我们的思路将要考虑化学工业在满足和改善我

们的主要需求方面所做的贡献.是些什么需求呢？很显然,食物和健康是放在第一位的.其它我们要考虑的

按顺序是衣物、住所、休闲和旅行.

<1>食物.化学工业对粮食生产所做的巨大贡献至少有三个方面.第一,提供大量可以获得的肥料以补

充由于密集耕作被农作物生长时所带走的营养成分.〔主要是氮、磷和钾〕.第二,生产农作物保护产品,如

杀虫剂,它可以显著减少害虫所消耗的粮食数量.第三,生产兽药保护家禽免遭疾病或其它感染的侵害.

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〔2〕健康.我们都很了解化学工业中制药这一块在维护我们的身体健康甚至延长寿命方面所做出的巨

大贡献,例如,用抗生素治疗细菌感染,用β-抗血栓降低血压.

衣物.在传统的衣服面料上,现代合成纤维性质的改善也是非常显著的.用聚脂如涤纶或聚酰胺如尼龙

所制作的T恤、上衣、衬衫抗皱、可机洗,晒干自挺或免烫,也比天然面料便宜.

与此同时,现代合成染料开发和染色技术的改善使得时装设计师们有大量的色彩可以利用.的确他们

几乎利用了可见光谱中所有的色调和色素.事实上如果某种颜色没有现成的,只要这种产品确有市场,就可

以很容易地通过对现有的色彩进行结构调整而获得.

这一领域中另一些重要进展是不褪色,即在洗涤衣物时染料不会被洗掉.

〔4〕住所,休闲和旅游.讲到住所方面现代合成高聚物的贡献是巨大的.塑料正在取代像木材一类的传

统建筑材料,因为它们更轻,免维护〔即它们可以抵抗风化,不需油漆〕.另一些高聚物,比如,脲甲醛和聚脲,

是非常重要的绝缘材料可以减少热量损失因而减少能量损耗.

塑料和高聚物的应用对休闲活动有很重要的影响,从体育跑道的全天候人造篷顶,足球和网球的经纬

线,到球拍的尼龙线还有高尔夫球的元件,还有制造足球的合成材料.

多年来化学工业对旅游方面所作的贡献也有很大的提高.一些添加剂如抗氧化剂的开发和发动机油粘

度指数改进使汽车日产维修期限从3000英里延长到6000英里再到12000英里.研发工作还改进了润滑油

和油脂的性能,并得到了更好的刹车油.塑料和高聚物对整个汽车业的贡献的比例是惊人的,源于这些材料

—挡板,轮胎,坐垫和涂层等等—超过40%.

很显然简单地看一下化学工业在满足我们的主要需求方面所做的贡献就可以知道,没有化工产品人类

社会的生活将会多么困难.事实上,一个国家的发展水平可以通过其化学工业的生产水平和精细程度来加

以判断.

4．化学工业的研究和开发.

发达国家化学工业飞速发展的一个重要原因就是它在研究和开发方面的投入和投资.通常是销售收入

的5%,而研究密集型分支如制药,投入则加倍.要强调这里我们所提出的百分数不是指利润而是指销售收入,

也就是说全部回收的钱,其中包括要付出原材料费,企业管理费,员工工资等等.过去这笔巨大的投资支付得

很好,使得许多有用的和有价值的产品被投放市场,包括一些合成高聚物如尼龙和聚脂,药品和杀虫剂.尽管

近年来进入市场的新产品大为减少,而且在衰退时期研究部门通常是最先被裁减的部门,在研究和开发方

面的投资仍然保持在较高的水平.

化学工业是高技术工业,它需要利用电子学和工程学的最新成果.计算机被广泛应用,从化工厂的自动

控制,到新化合物结构的分子模拟,再到实验室分析仪器的控制.

一个制造厂的生产量很不一样,精细化工领域每年只有几吨,而巨型企业如化肥厂和石油化工厂有可

能高达500,000吨.后者需要巨大的资金投入,因为一个这样规模的工厂要花费2亿5千万美元,再加上自动

控制设备的普遍应用,就不难解释为什么化工厂是资金密集型企业而不是劳动力密集型企业.

大部分化学公司是真正的跨国公司,他们在世界上的许多国家进行销售和开发市场,他们在许多国家

都有制造厂.这种国际间的合作理念,或全球一体化,是化学工业中发展的趋势.大公司通过在别的国家建造

制造厂或者是收购已有的工厂进行扩张.

Unit2RearchandDevelopment

研究和开发

研究和开发,或通常所称R&D是制造业各个部门都要进行的一项活动.我们马上可以看到,它的内容

变化很大.我们首先了解或先感觉一下这个词的含义.尽管研究和开发的定义总是分得不很清楚,而且有

许多重叠的部分,我们还是要试着把它们区分开来.简单说来,研究是产生新思想和新知识的活动,而开发

则是把这些思想贯彻到实践中得到新工艺和新产品的行为.可以用一个例子来描述这一点,预测一个有

特殊生物活性的分子结构并合成它可以看成是研究而测试它并把它发展到可以作为一种新药推向市场

这一阶段则看作开发部分.

1．基础研究和应用研究

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在工业上进行研究和开发最主要的原因是经济利益方面,是为了加强公司的地位,提高公司的利

润.R&D的目的是做出并提供信息和知识以减低不确定性,解决问题,以与向管理层提供更好的数据以便他

们能据此做出决定.特别的项目涵盖很大的活动范围和时间范围,从几个月到20年.

我们可以在后面的段落里举出大量的R&D活动.但是如果我们举出的点子来源于研究院而不是工

业化学家的头脑,这就是基础的或探索性的研究

基础研究通常与大学研究联系在一起,它可能是由于对其内在的兴趣而进行研究并且这种研究能够拓

宽知识范围,但在现实世界中的直接应用可能性是很小的.请注意,这种以内就在提出和解决问题方面提供

了极有价值的训练,比如,在指导下完成研究工作的学生所接受的研究方法学〔的训练〕.而且,从这些工作

中产生的"有用的副产品"随后也能带来可观的使用价值.因此,物理学家宣称要不是量子理论的研究和发

展我们可能仍然没有计算机和核能量.不管怎样,举一个特殊的化学方面的例子吧,在各个领域如烃的氧化

方面所做的广泛的研究将为一些特殊的领域如环己烯氧化生成尼龙中间产物提供有用的信息.

通过合成可以生产出一些新的、更特殊的试剂以控制特殊的官能团转换,即发展合成方法或完成

一些具有生物活性的新分子的合成.尽管前者显然属于基础性研究而后者则包括基础研究和实用性研究两

部分.所谓"实用性"习惯上是指与在工业实验室完成的研究联系在一起的,因为它更具目的性,它是商业行

为驱动的结果.

然而,请注意.近几年有很大的变化,大学研究机构正越来越多地转向工业界寻求研究经费,其结果就

是他们的研究工作越来越多地是致力于实用研究.即使这样,学院工作的重点通常还是在于研究而不是开

发.

2．工业研究和开发的类型

通常在生产中完成的实用型的或有目的性的研究和开发可以分为好几类,我们对此加以简述.它

们是：〔1〕产品开发；〔2〕工艺开发；〔3〕工艺改进；〔4〕应用开发；每一类下还有许多分支.我们.对每

一类举一个典型的例子来加以说明.在化学工业的不同部门内每类的工作重点有很大的不同.

<1>产品开发.产品开发不仅包括一种新药的发明和生产,还包括,比如说,给一种汽车发动机提供更长

时效的抗氧化添加剂.这种开发的产品已经使〔发动机〕的服务期限在最近的十年中从3000英里提高到

6000、9000现在已提高到12000英里.请注意,大部分的买家所需要的是化工产品能创造出来的效果,亦即

某种特殊的用途.Tdflon,或称聚四氟乙烯〔PTFE〕被购买是因为它能使炒菜锅、盆表面不粘,易于清洗.

〔2〕工艺开发.工业开发不仅包括为一种全新的产品设计一套制造工艺,还包括为现有的产品设计新的

工艺或方案.而要进行后者时可能源于下面的一个或几个原因：新技术的利用、原材料的获得或价格发生

了变化.氯乙烯单聚物的制造就是这样的一个例子.它的制造方法随着经济、技术和原材料的变化改变了好

几次.另一个刺激因素是需求的显著增加.因而销售量对生产流程的经济效益有很大影响.Penicillin早期的

制造就为此提供了一个很好的例子.

Penicillin能预防战争中因伤口感染引发的败血症,因而在第二次世界大战〔1939-1945〕中,penicillin

的需求量非常大,需要大量生产.而在那时,penicillin只能用在瓶装牛奶表面发酵的方法小量的生产.英国和

美国投入了巨大的人力物力联合进行研制和开发,对生产流程做出了两个重大的改进.首先用一个不同的

菌株—黄霉菌代替普通的青霉,它的产量要比后者高得多.第二个重大的流程开发是引进了深层发酵过程.

只要在培养液中持续通入大量纯化空气,发酵就能在所有部位进行.这使生产能力大大地增加,达到现代容

量超过5000升的不锈钢发酵器.而在第一次世界大战中,死于伤口感染的士兵比直接死于战场上的人还要

多.注意到这一点不能不让我们心存感激.

对一个新产品进行开发要考虑产品生产的规模、产生的副产品以与分离/回收,产品所要求的纯度.在

开发阶段利用中试车间〔最大容量可达100升〕获得的数据设计实际的制造厂是非常宝贵的,例如石油化

工或氨的生产.要先建立一个中试车间,运转并测试流程以获得更多的数据.他们需要测试产品的性质,如杀

虫剂,或进行消费评估,如一种新的聚合物.

注意,副产品对于化学过程的经济效益也有很大的影响.酚的生产就是一个有代表性的例子.早期的方

法,苯磺酸方法,由于它的副产品亚硫酸钠需求枯竭而变的过时.亚硫酸钠需回收和废置成为生产过程附加

的费用,增加了生产酚的成本.相反,异丙基苯方法,在经济效益方面优于所有其他方法就在于市场对于它的

副产品丙酮的迫切需求.丙酮的销售所得降低了酚的生产成本.

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对一个新产品进行工艺开发的一个重要部分是通过设计把废品减到最低,或尽可能地防止可能的污

染,这样做带来的经济利益和对环境的益处是显而易见的.

最后要注意,工业开发需要包括化学家、化学工程师、电子和机械工程师这样一支庞大队伍的协同合

作才能取得成功.

〔3〕工艺改进.工艺改进与正在进行的工艺有关.它可能出现了某个问题使生产停止.在这种情形下,

就面临着很大的压力要尽快地解决问题以便生产重新开始,因为故障期耗费资财.

然而,更为常见的,工艺改进是为了提高生产过程的利润.这可以通过很多途径实现.例如通过优化流程

提高产量,引进新的催化剂提高效能,或降低生产过程所需要的能量.可说明后者的一个例子是在生产氨的

过程中涡轮压缩机的引进.这使生产氨的成本〔主要是电〕从每吨6.66美元下降到0.56美元.通过工艺的

改善提高产品质量也会为产品打开新的市场.

然而,近年来,最重要的工艺改进行为主要是减少生产过程对环境的影响,亦即防止生产过程所引起的

污染.很明显,有两个相关连的因素推动这样做.第一,公众对化学产品的安全性与其对环境所产生影响的关

注以与由此而制订出来的法律；第二,生产者必须花钱对废物进行处理以便它能安全地清除,比如说,排放到

河水中.显然这是生产过程的又一笔费用,它将增加所生产化学产品的成本.通过减少废物数量提高效益其

潜能是不言而喻的.

然而,请注意,对于一个已经建好并正在运行的工厂来说,只能做一些有限的改变来达到上述目的.因此,

上面所提到的减少废品的重要性应在新公厂的设计阶段加以考虑.近年来另一个当务之急是保护能源与降

低能源消耗.

〔4〕应用开发.显然发掘一个产品新的用处或新的用途能拓宽它的获利渠道.这不仅能创造更多的收

入,而且由于产量的增加使单元生产成本降低,从而使利润提高.举例来说,PVC早期是用来制造唱片和塑料

雨衣的,后来的用途扩展到塑料薄膜,特别是工程上所使用的管子和排水槽.

我们已经强调了化学产品是由于它们的效果,或特殊的用途、用处而得以售出这个事实.这就意味着化

工产品公司的技术销售代表与顾客之间应有密切的联系.对顾客的技术支持水平往往是赢得销售的一个重

要的因素.进行研究和开发的化学家们为这些应用开发提供了帮助.CH

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CH

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F的制造就是一个例子.它最开

始是用来做含氟氯烃的替代物作冷冻剂的.然而近来发现它还可以用作从植物中萃取出来的天然物质的溶

解剂.当它作为制冷剂被制造时,固然没有预计到这一点,但它显然也是应用开发的一个例子.

3．化工行业中研究与开发活动的变化

化学工业的不同部门所进行的R&D的性质与数量都有很大的变化.与大规模生产的基础化工产品有

关的部门中,化学产品和技术变化都很慢,因为流程已很成熟.R&D经费支出属于化工行业中低的一端,而

且大部分的费用是用于过程改进和废水处理.无机方面的例子有氨、肥料和氯碱的生产,有机方面的如乙烯

等一些基础石油化学的中间产物.

不一样规模生产的是药品和除草剂.人们付出了巨大而持续的努力以合成能产生所希望的、特殊的生

物作用的新分子.一家公司每年可能要合成10,000新化合物以供筛选.可以想象一些医药公司其每年的

R&D经费支出高达100亿美元.换句话说,他们把超过14%的销售收入投入在R&D上.

Unit3TypicalActivitiesofChemicalEngineers

化学工程师的例行工作

化学工程师经典的角色是把化学家在实验室里的发现拿来并发展成为能赚钱的、商业规模的化学过

程.化学家用少量的反应物在试管和派式氧弹中反应相应得到少量的生成物,所进行的通常是间歇性的恒

温下的实验,反应物放在很小的置于恒温水槽的容器中,加点催化剂,反应继续进行,随时间推移,反应物被消

耗,并有生成物产生,产物在合适的间歇时间获得.

与之相比,化学工程师通常面对的是数量多得多的物质和庞大的〔昂贵的〕设备.反应器可以容纳1000

到10,000加仑甚至更多.蒸馏塔有100英尺多高,直径10到30英尺.化工厂一个单元流程的投资可能超过1

亿美元.

在把化学家研制的小型反应器与分离系统"放大"到很大的商业化车间时,通常需要化学工程师的参与.

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为了彻底了解过程中的化学反应,化学工程师必须与化学家密切合作以确保能得到所需要的反应的动力学

性质和物理性质参数以进行设计、运转和优选流程.这就是为什么化工课程要包括那么多的化学类课程的

原因.

化学工程师还必须与机械、电子、土木建筑和冶金工程师密切协作以设计和操作工厂的机械设备—

反应器、槽、蒸馏塔、热交换器、泵、压缩机、控制器和仪器设备等等.在这张设备单上还有一大类是管

子.化工厂最典型的特征之一就是数目庞大的管道贯穿所有生产间.可以毫不夸张地说,在许多车间都有几

百英里长的管道.这些管道输入和输出车间的反应物质进行传递,同时还可携带有用的东西〔水蒸气、冷却

水、空气、氧、冷却剂〕进入操作单元.

要把实验室研究商业化,化学工程师要参与进行开发、设计、建筑、操作、销售和研究工作.各个公司

用来表示这些工作的名词不完全一样,但万变不离其宗.让我们简单地把每个工作描述一下.应该强调的是,

我们所讨论的工作是"典型的"和"经典的",但并不意味着化学工程师只能做这些事.化学工程师在数学、化

学和物理学方面都有很好的知识基础,因此,他或她能够而且确实适应工业、政府部门、大专院校等非常广

泛的职业要求.

1.开发

开发工作是从实验室规模向商业化规模转化所必需的中间阶段.开发阶段所涉与的"中试"流程所使用

的反应器容量为5加仑,蒸馏塔直径为3英寸.开发通常是化学流程商业化的一部分.因为"放大"规模是一个

非常困难的问题.直接从试管研制跳到在10.000加仑反应器里生产是非常棘手的有时甚至是危险的工作.

一些〔在实验室研究阶段〕根本不明显的未加以考虑的细微问题,如混合不均匀,温度梯度辐射状升高,热交

换面积逐渐降低以与热交换速度下降等〔在后一阶段变得影响很大〕.

化学工程师与化学家和其他一些工程师协作对中师车间进行设计、安装和运行,设计方面包括确定设

备的尺寸、结构、制造所用的材料.通常中师车间的设计是有很大的变通性的,以便能对各种情况和构造进

行评估.

中试车间一旦开始运转,就能获得性能数据和选定最佳数值以便从经济学角度对流程进行评价.对生

产过程的每一个阶段可能获得的利润进行评定.如果结果显示投入的资金不能有足够的回报,这项计划将

被停止.

中师车间还提供了评价设备制造材料、测量方法、流程控制技术的机会.中试车间的这些实验数据对

于工业装置设计的改善能提供有用的帮助.

2．设计

根据在实验室和中试车间获得的经验和数据,一组工程师集中起来设计工业化的车间.化学工程师的

职责就是详细说明所有过程中的流速和条件,设备类型和尺寸,制造材料,流程构造,控制系统,环境保护系统

以与其它相关技术参数.这是一个责任重大的工作.

设计阶段是大把金钱花进去的时候.一个常规的化工流程可能需要五千万到一亿美元的资金投入,有

许多的事情要做.化学工程师是做出很多决定的人之一.当你身处其位时,你会对自己曾经努力学习而能运

用自己的方法和智慧处理这些问题感到欣慰.

设计阶段的产物是很多图纸：

〔1〕工艺流程图.是显示所有设备的图纸.要标出所有的流线和规定的条件〔流速、温度、压力、构

造、粘度、密度等〕.

〔2〕管道与设备图.标明所有设备〔包括尺寸、喷嘴位置和材料〕、所有管道〔包括大小、控制阀、

控制器〕以与所有安全系统〔包括安全阀、安全膜位置和大小、火舌管、安全操作规则〕.

〔3〕仪器设备说明书.详细说明所有设备准确的空间尺度、操作参数、构造材料、耐腐蚀性、操作

温度和压力、最大和最小流速以与诸如此类等等.这些规格说明书应交给中标的设备制造厂以进行设备生

产.

3．建造

当设备制造把设备的所有部分都做好了以后,这些东西要运到工厂所在地〔有时这是后勤部门颇具挑

战性的任务,尤其对象运输分馏塔这样大型的船只来说〕.建造阶段要把所有的部件装配成完整的工厂,首先

要做的就是在地面打洞并倾入混凝土,为大型设备与建筑物打下基础〔比如控制室、流程分析实验室、维

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修车间〕.

完成了第一步,就开始安装设备的主要部分以与钢铁上层建筑.要装配热交换器、泵、压缩机、管道、

测量元件、自动控制阀.控制系统的线路和管道连接在控制室和操作间之间.电线、开关、变换器需装备在

马达上以驱动泵和压缩机.生产设备安装完毕后,化学工程师的职责就是检查它们是否连接完好,每部分是

否正常工作.

对大部分工程师来说这通常是一个令人激动、享受成功的时候.你将看到自己的创意由图纸变为现实.

钢铁和混凝土代替了示意图和表格.建筑是许多人多年辛劳的结果.你终于站到了发射台上,工厂将要起飞

还是最后失败.揭晓的那一刻即将到来.

测试阶段一旦完成,"运转阶段"就开始了.启动是工厂的首项任务,是令人兴奋的时刻和日夜不停的工

作.这是化学工程师最好的学习机会之一.现在你可以了解你的构思和计算究竟有些什么好.参与中试车间

和设计工作的工程师通常也是启动队伍中的人员.

启动阶段需要几天或几个月,根据设计所涉与工艺技术的新颖、流程的复杂程度以与工程的质量而定.

中间经常会遇到要求设备完善的问题.这是耗时耗财的阶段：仅仅每天从车间出来的废品会高达数千美金.

确实,曾经有些车间因为没有预计到的问题如控制、腐蚀、杂质或因为经济方面的问题而从来没有运转过.

在启动阶段,工程师们通常需轮流值班.在很短的时间里有很多的东西需要学习.一旦车间按照设定程

序成功运转,它就转变为产品的常规生产或制造部门.

4．制造

化学工程师在制造阶段占据中心的位置.车间技术服务部门负责车间有效而安全地运转的技术方面.

他们进行生产量和性能测试以找出设备的瓶颈在哪,然后设计一些修正或附加的东西以解决这些瓶颈.

化学工程师研究一些方法节省能源,降低原材料消耗、减少不合要求的需进行处理的产品的生产,以降

低生产成本.他们还研究一些提高产品质量、减少空气和水中环境污染的措施.

除了提供技术服务外,许多工程师还负责生产监督.这些监督保证工厂日常生产的各个方面正常进行.

包括管理换班工作的操作工,满足质量要求,按期按量发出产品,生产并保持设备备件的存储量,为车间设备

维修,保证安全规则被遵守,避免过多排出废物污染环境,并且做工厂对当地社会的代言人.

5．技术销售

许多化学工程师发现在技术销售中充满了刺激性的、有利可图的机会.与其它的销售业务一样,这项业

务包括拜访客户,推荐一些特别的商品以满足客户的需要,并确保订单能顺利完成.销售工程师是公司的代

表,必须十分清楚公司的产品生产情况.销售工程师的销售能力极大地影响公司的发展和利润.

许多化工产品的市场开发需要制造化工产品公司的工程师与使用化工产品公司的工程师密切合作.这

种合作所采取的方式可以是对如何使用一种化学产品提出建议,或者是生产出一种新的化学产品以解决客

户的某个特殊的困难.

当销售工程师碰到他自己没有把握解决的问题时,他或她必须要请教专家.有时销售工程师还需组织

来自不同公司的研究人员共同努力来解决某个问题.

6．研究

化学工程师能从事多种类型的研究工作.他们与化学家联合开发新的或革新的产品.他们探索新的和

改良的工程技术〔比如更好的计算机程序以模拟化工工艺,更好的实验室分析方法分析有代表性的化学产

品,新型的反应和分离系统.〕他们研究改进的传感器以进行物理性质的在线检测,他们还研究单个流程结构

和设备.

研究工程师可能是在实验室或办公桌前钻研难题.他们通常是一组科学家或工程师中的一员.了解生

产流程以与通常流程所使用的设备使化学工程师能在研究工作中做出突出的贡献.化学工程师的日常工作

有时颇似那些化学家和物理学家.

Unit4Sourcesofchemicals

化学物质的来源

化学物质的数量多得惊人,其差异很大：所知道的化学物质的数量就达上千万种.如此的数量与理论上可

能形成的含碳化合物的数量相比,相形见绌.含碳化合物的数量之大是耦合的结果：即相对较强的碳碳共

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价键的碳原子长链和异构体的形成.大部分这些化合物只是满足实验室好奇心或学术兴趣.然而,其他剩

余的达几千种,是商业和实践兴趣.因此,可以预料到这些化学物质的来源很广.虽然对无机化学品如此,

但是奇怪的是,大多数有机化学品来源于一种资源,即原油〔石油〕.

1.无机化学品

Table1-1无机化学品的主要来源因为"无机化学品"这个词〔术语〕涉与到〔cover,包括、涵盖〕的是除

碳以外所有元素构成的化合物.其来源的多样性并不很大〔见表1-1〕.一些较重要的来源是金属矿〔包括

重要的金属铁和铝〕以与盐和海水〔用于生产氯、钠、氢氧化钠和碳酸钠〕.在这些情况下,至少两种不

同的元素化合以一种稳定的化合物在一起.因此,如果要得到单个元素〔也就是金属〕,那么提取过程除了

纯物理的分离方法以外,还必

须涉与到化学处理〔过程〕.金属矿或无机矿很少以纯物质的形式存在,因此,处理过程的第一步通常是：

〔将无机矿中〕从不要的固体如粘土或沙石中分离出来.固体筛分后经压碎和研磨,利用颗粒尺寸差异可

以完成一些物理分离.下一步骤则取决于所需矿物的本质与其特征.例如,铁矿常在磁分离器利用他们的

磁性加以分离.泡沫浮选是另一种广泛应用的分离技术.在该技术中,所需要的矿物,以细小颗粒形式存在,

借助被水溶液润湿能力的差异而与其他矿物加以分离.常加入表面活性剂〔抗润湿剂〕,这些典型的分子,

一头为非极性部分〔如长碳氢链〕,另一头为极性部分〔如-NH2〕.该极性基团与矿物相吸,形成不牢固的

键；而碳氢基团与水相斥而阻止矿物被润湿,因而矿物能浮选.相反,其他固体物质很容易被润湿而沉在水

溶液中.搅拌溶液或液体中鼓泡以产生泡沫能大大促进表面活性剂包裹的矿物的漂浮,这些矿物从容器中

溢出到收集容器中,在收集容器,矿物得到回收.显然,该过程成功的关键在于,为所处理矿物选择一种高

选择的特定的表面活性剂.2有机化合物

相比于无机化学品来自于众多不同的资源〔这一点我们已经明白了〕,商业上的一些重要的有机化合物基

本上来源单一.如今,所有有机化合物的99%以上,可以通过石化工艺过程从原油〔石油〕和天然气得到.这

是一种有趣的情形——该情形一直在改变,而且将来也会变化,因为从技术上讲,相同的化学品可以从其

他原料得到.尤其是脂肪族化合物,可以通过由碳水化合物的发酵所得的乙醇加以生产,另一方面,芳香族

化合物可以从煤焦油中分离得到.煤焦油是煤炭化工过程的副产物.动植物油脂,是为数不多的脂肪族化

合物的特定的资源,这些脂肪族化合物包括长链脂肪酸〔如正十八酸〕和长链醇〔如正十二烷醇〕.化石

燃料〔即石油、天然气和煤〕的形成要花上百万年,一旦用掉就不能被替换,因此,它们称之为不可再生的

资源.这与来自于植物的碳水化合物恰恰相反,碳水化合物能够较快被更新.一种较为普遍应用的资源为

蔗糖——一旦作物被收割和土地被清理,又可以种植和收割新的作物,通常少于一年.因此,碳氢化合物

可称为可再生资源.据估计,植物原料〔干重〕的总的年产量为1*1011吨.化石燃料－天然气、原油和煤,

主要用作为能源,而不是作为有机化合物的资源.例如,各种石油分馏物的气体,用于家用烹调和取暖、用

作为汽车用的汽油、加热建筑物重燃油,或用于在工业处理以产生的蒸汽.通常,一桶原油的8%用于化学品

的生产.下列数据可以说明,为什么化学工业在原油的使用方面与燃料或能源消耗的工业展开着竞争.显

然,若我们愿意使用可代替化石燃料的其他能源,那么这些可替代能源可以利用的,同时,我们自信地预料

到在不久的将来,可以用上其他的可替代能源.因此,有必要要去保存宝贵的石油供应以用于化学品的生

产."处理石油的最后一件事情是将之燃烧"该说法是有根据的.注意到这件事很有趣且有益的：早在1894

年门捷列夫〔发现元素周期表之俄国科学家〕就向当局报道,"石油是太宝贵的资源而不能将之燃烧掉,应

该将之以化学品资源加以保存."来自于碳水化合物〔植物茎杆〕的有机化学物质,职务的主要成分是碳水

化合物,碳水化合物组成职务的结构.它们为多糖〔如纤维素和淀粉〕,大量的淀粉存在于食物〔如谷类、

大米和马铃薯〕之中,纤维素是组成细胞壁的主要物质,因而广泛存在,可以从木材、棉花等中得到.因此,

来自于碳水化合物的化学品的潜力是相当大的,而且该原料可再生.从碳水化合物得到化学物质的主要途

径是通过发酵过程.然而发酵过程不能利用多糖〔如维素和淀粉〕,因此,淀粉必须先收到酸性或酶水解反

应生成更简单的糖类〔单糖或二糖〔如蔗糖〕,这些较为简单的糖是发酵过程中的〕合适的起始原料.发

酵过程是利用单细胞的微生物〔一般有酵母菌、真菌、细菌或霉菌〕生产特殊化学品.有些发酵农家已用

了上千年.最著名的例子为,谷物发酵生产含酒精的饮料.直到1950年,该方法才成为生产脂肪族有机化

学品的最普遍的途径.因为生产的乙醇脱水生成乙烯,而乙烯是合成大量脂肪族化合物的关键中间体.尽

管用此方法生产的化学品有所减少,但是用这种方法生产汽车燃料方面存在大量的兴趣.反映在发酵过程

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的缺点可分为两方面〔1〕原料〔2〕发酵过程.因为植物茎杆是一种农业原料,其生产和收割均为劳动力

密集型的过程,所以相比之,它的原料费用高于原油的费用.同时,物料的运输更困难,费用更高.与石化处

理过程相比,发酵过程的主要缺点是：其一,时间通常要好几天,相比有些催化石油反应只要几秒；其二,

所得的产物通常是以稀的水溶液〔浓度<10%〕存在,因此,分离和纯化费用较高.因为微生物是活的体系,

过程的条件几乎不容许改变.为了增加反应速度,即使相对于小的温升,独有可能会导致微生物的死亡和

发酵过程终止.另一方面,发酵方法的独特优点是,其选择性高,一些结构复杂而很难以合成或者需要多步

合成的化合物,通过发酵很容易制得.著名的实例有多种多样的抗生素的生产.如青霉素,头孢菌素和链霉

素.如果也基因工程中快速发展的过程中大量的实际问题得到解决,那么发酵方面的兴趣存在很大的兴趣.

在基因工程中.微生物〔如细菌〕能定制地生产成所需的化学品.然而,因为发酵反应速度慢和产物

分离费用高,在不久的将来要实现用发酵方法生产大众化学品〔即需求量极大的化学品如依稀,笨.〕看来

是不可能.

来自于动植物油和脂肪的有机化学品,动植物油脂〔常指类肪〕是由甘油脂组成,甘油酯为三羟基醇,甘油

〔丙烷-1,2,3-三醇,丙三醇〕.有多种不同的种植物油资源,较为普通的有,大豆,谷物,棕树核,油菜籽,橄

榄油,动物脂肪和巨鲸.这些油类可通过溶剂萃取分离得到.有相当大的部分,烹调油脂的形式用食品工业

中,用于生产黄油,人选黄油和其他食品〔如冰激凌〕.这些食品的烷基对人的健康的影响,尤其对血液中

的胆固醇的影响,存在着争议.血液中的高胆固醇的含量会引起高血压和心脏病.目前的观点似乎赞成高

含量不饱和的基因在降低胆固醇的水平和降低心脏病〔发病率〕危险是有利的.这引起如下趋势.不用烹

调脂类和普通黄油或人造黄油〔这些物质中饱和烷基含量丰富〕,而转向用烹调油和不饱和烷基的含量高

的人造黄油.

类脂属于脂类〔物质〕,用于生产化学物质时,以水解反应开始,虽然水解反应可以用酸或碱催化,但碱催

化效果更好,因为碱催化反应不可逆.碱性条件下的水解反应叫做皂化反应.

注意到这样事实很重要—皂化反应,水解反应〔脂肪分解〕一级氢解反应不会利用单一甘油酯〔或甲基

醇,实际上,所用植物油是各种甘油酯的混合物,因此〔水解〕产物也是混合物,需要分离.

Unit5BasicChemicals

基本化学品

我们将化学工业部门分成两类,生产量较大的部门和产量较低的部门.在产量高的部门中,各种化学品的

年产量达上万吨至几十万吨.结果这样所用的工厂专门生产某一个单个产品.这些工厂的连续方式进行操

作,自动化程度高〔计算机控制〕归类于产量高的部门有硫酸,含磷化合物,含氮化合物,氯碱与其相关化

合物,加上石油化学品和商品聚合物〔如聚乙烯〕〔生产部门〕.除商品聚合物外,其它的均为重要的中间

体,或基本化学品.这些基本化学品是其他许多化学品的生产原料,其他许多基本化学品的需求量很大.

相反,产量低的部门主要从事精细化学品的生产.单个化学品的年产量只有几十吨到几千吨.然而,与高产

量的产品相比,这些产品单位重量具有很高的价值.通常,精细化斜坡的生产与间歇方式操作在工厂中,而

且这些工厂常进行多种产品的生产.低产量生产部门生产农用化学品,染料,药品和特种聚合物〔如聚醚醚

酮〕.基础化学品在化学工业中得不到支持,它们不那么引人注意〔如药品〕,有时候利润不很高.其利润

来自于经济盛衰时难以预测的周期.这些基本化学品不被公众注意到和直接使用,因此其重要性常得不到

理解.即使在化学工业中,其重要性也得不到足够的重视.然而,如果没有这些基本化学品,其他工业就不

复存在.基本化学品处于原料〔与那些从地下通过采矿、开采或用泵抽出来的物质〕和最终产品的中间位

置.基本化学品的一个显著的特征就是它们的生产规模,每一种〔基本化学品〕的生产规模都相当大.图2-1

表示在1993年美国市场上的25中化学品.〔为了使我们了解化学品的分类与生产量有关.〕通常,基本化

学品生产于那些年产量上万吨的工厂.年产量10万吨的工厂每小时要生产1.25吨.基本化学品的另一显

著重要的特征是其价格.大多数价格相当便宜.基本化学品工业所作的工作〔或任务〕是找到经济的途径

将原来转变为有用的中间体.生产厂家要对它们的产品收取较高的价格几乎没有余地,因此,那些最低费

用生产产品的厂家可能获得的利润最高.这就意味着,厂家就必须不断准备寻求新的,更经济的生产和转

变原料的方法.许多基本化学品为石油精炼的产物,而部分基本化学品工业----硫、氮、磷和氯碱工业是

把除C和H、S外的元素转变为化学品.总之,这些产品和石化工业的基本产物两者结合起来可生产无数重

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要的化学物质,这些重要的化学物质可作为其余化学工业的原料.基本化学工业现在面临着其历史上中最

大的挑战之一,该工业中的产品消费部门---农业以停止增长.同时大大减小了对肥料的需求.西方的农场

主生产了大多的食物,政府减小了对农业部门的津贴,结果导致了更少的土地用于耕种和所需的肥料减少.

过量肥料的流失而引起的环境的关注也减少了对肥料的需求.诸如含氯化合物之类的产品,已收到了来自

环境学家的压力.根据《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔白皮书》,一些产品将受到禁止.而其它的物质,

可以受得住环境学家的压力.基本化学品工业再也不会依靠在需求量方面的长期增长.为了实现更好的规

模经济和某一特殊产品更好的市场地位,厂家相互交换工厂〔车间〕,该工业注重不断合并联合.这使从事

某一工业的人员减少,使该工业达到更好的供需平衡和更好的利润.基本化学品工业正逐渐转向为其他化

学工业服务,而越来越小地为农业服务.基本化学品受到的压力是许多大规模过程引起的〔觉察得到的〕

较大的环境污染.尽管许多大厂家的生产效率较高,但是该工业要实现最好的环境标准还有很长的路要走.

增加重复利用的驱动力和理想化的无排放的工厂,是影响接下来十年该工业发展的主要因素.

技术的进步不会停止,我们将日益重视无污染的工厂和过程.厂家将在效率上展开竞争.那些能以最低的

成本生产最高质量产品的厂家将繁荣昌盛.这需要厂家在技术改进方面保持投资.基本化学品的合成有用

的中间体的新颖方法将不断被人们发现.在基本化学品工业中,仍然还有许多工作有待去做.

Unit6Chlor-AlkaliandRelatedProcess

氯碱与其相关过程

纵观历史,大众化学品工业在氯碱与其相关过程之上.该部分通常包括氯气、苛性苏打〔氢氧化钠〕无水

碳酸钠〔以各种形式存在的碳酸钠的衍生物〕,以与以石灰为基础的产品.自从无水碳酸钠和氢氧化钠的

各种制备工艺发现以来,两者在作为碱为主要原料方面相互竞争.电解过程的特殊经济性意味着不管对氯

气和氢氧化钠这两种不同类型的产品的相对需求量如何,你只有以固定的比例同时制备氯气和氢氧化钠.

这引起了氢氧化钠的价格的摇摆不定,从而使得纯碱作为一种碱或多或少有利.氯气苛性苏打和纯碱的生

产都取决于廉价易得的原料供应,前者的生产需要廉价的海水和电力的供应,而纯碱的生产需要海水、石

灰和大量的能耗.纯碱厂只有在其原料不必要长距离的运输时才能赢利.这些原料供应利用是影响化工企

业位置分布的一个重要因素.

1.石灰为基础的产品

一种关键〔重要〕原料是石灰石.石灰石主要是由CaCO3组成,高质量的石灰石可直接用于下一步反应.石

灰石通常在大型露天石矿中开采,许多采石矿也进行原料的一些处理.

从石灰石得到两种重要的产物：生石灰〔CaO〕和熟石灰水,生石灰是由石灰石根据该反应是热分解

〔1200-1500℃〕制备得到.CaCO3——>CaO+CO2

一般的,石灰石经过粉碎加入倾斜旋转窑的较高端,在此发生热分解反应,生石灰在另一端回收.然而,通

常生石灰用于进一步反应而分离,而加入其它化合物,与生石灰在窑的较低口处生成最低产品.例如,加入

铝矿、铁矿和沙石可生成硅酸盐水泥.纯碱的生产,通常要向生石灰加入焦炭,焦炭燃烧生成纯碱所需的

CO2,熟石灰由生石灰和水的反应制造,较生石灰更加方便.大约40%的石灰工业的产品用于钢铁制造业.在

钢铁制造业中,纯碱用来与铁矿石中难溶解的硅酸盐反应,生成流态矿渣,矿渣漂浮于表面上,很容易从液

态金属中分离,叫少量但重要的石灰工业的产品用于化学品的制造,污染控制和水处理.从石灰石得到的

最重要的化学茶品是纯碱.

2.纯碱

索尔维工艺,该工艺发现于1965年由ES优化：工艺是以当含氮的盐溶液经来自于石灰窑中焦炭燃烧产物

CO2碳酸盐反应时,NaHCO3沉淀析出为基础.NaHCO3经过滤、干燥、煅烧生成CaCO3.过滤后NH4Cl溶液和熟

石灰反应后〔溶液体呈碱性〕.蒸馏出NH3在该过程中循环利用,生成物CaCl2是废弃物或副产物.对于某

一简单的基本产物来说,索尔维法看起来十分复杂.该反应的基本原理是,以NaCl2和CaCO3为原料生成产

物CaCl2和Na2CO3.然而发生于原料和产物之间的反应并不明显,需要利用NH3和Ca2作为中间化合物.

该过程的基本原理为：利用准确的控制组分〔尤其是NH3和NaCl〕的浓度,NaHCO3能够从含NaCl、CO2和

NH3的溶液里沉淀析出.该过程的关键是控制溶液的酸碱强度和结晶的速度,该工艺的基本路线如下,NH3

气于氨气吸收器中吸收于事先经纯化的海水中,纯化的海水以减小Ca+、Mg+离子的量.〔Ca+、Mg+在生产过程

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中易产生沉淀而阻塞管道〕.含NaCl和NH4HCO3的溶液经吸收了CO2的吸收塔开

始时形成2CO3然后再生成NH4HCO3.在工厂的下面步骤中,Nacl和NH4HCO3经复分解反应生成NaHCO3

〔以沉淀形式形成〕和NH4Cl.过滤将固体NaHCO3从溶液中分离.将NaHCO3送至旋转干燥器,在该干燥器

中,NaHCO3失去水和CO2后生成疏松的晶体块〔即轻质纯碱〕它的主要成分为Na2CO3蓬松的晶体块很轻,是

因为NaHCO3失去CO2后,留下很多空隙,而保留原来的晶体形状.通常要得到密度更大的物质很方便,加入

水〔水能引起咦密度较大的形式重结晶〕进一步干燥即可实现.值得争议的是,上述的化学知识是否为该

过程的很好的描述,但这些只是肯定有助于理解过程.想要对此过程有详细的理解,必须要熟悉该组分体

系中关于溶度积的很多知识.需要知道的重要知识是,该体系是复杂体系,为了使该过程高效操作,需要对

该过程每部分小心控制.该过程的一个缺点是：产生的CaCl2的量很大,其产生量比所需量大得多.因此,

大部分CaCl2只是简单的倒掉〔CaCl2毒性不大〕,如果能要该过程中的有的进料加以利用,那么该过程是

有优势,例如,从该氯化物可产生HCl.纯碱的用途,有50%的纯碱销往玻璃制造业,因为穿件是玻璃制造过

程中的主要原料.因此纯碱工业的财富与玻璃需求量息息相关.纯碱作为一种碱在许多化学过程中与NaOH

存在直接竞争.Na2SO3是由纯碱和SiO2在1200-1400℃反应衍生而来的另一类化学物质.硅酸是具有大表

面积细小颗粒的Na2SO3,可用于催化剂、色谱之中,洗涤剂和肥皂中作为部分磷酸盐的替代品.

3.生成Cl2/NaOH的电解过程

简介,在化学工业法杖是的各个时期,Cl2和NaOH两者的需求量均很大,但是不幸的是,对于电化学工厂的

操作人员来说,两者的需求量必总是相同.Cl2可作为漂白粉或作为漂白粉的生产原料,水供应的消毒剂,

以与作为塑料和溶解剂知道的原料.苛性钠用于生产纯碱、肥皂和纺织品,以与在多种化学过程中作为一

种十分重要的原料.所有的电解有着共同之处,盐的电解生成Cl2和NaOH.大多数生产过程是电解〔盐的〕

水溶液,但是有些重要的工厂,电解熔融盐生成Cl2和液态钠.这些电解熔融盐的过程用用于重要液态Na

的工业.虽然石油添加剂厂家多种多样,设会出现液态钠的其他用途,但是他的主要是用于生产四烷基铅

石油添加剂.实质上用于水溶液电解过程有三种不同的电解槽：水银槽、隔板槽和膜电解槽.膜电解槽只

是用于此案在化工厂中新的生产过程,但是还存在着大量的旧生产过程,尽管说阴曹涉与到对环境的影响,

但是许多生产厂家上位法此案膜片电解槽代替水印电解槽的经济性.

所有的电解反应都是以电子作为化学反应的试剂的观点为基础.设水电解过程的基本反应可写成下式：

阳极2Cl——2e-→Cl2阴极2H2O+2e—→H2+2OH—

总反应为2Na++2Cl—+2H2O→NaOH+Cl2+H2

该反应的自由能为正,因此,需要电驱使进行.像其他许多化学品工艺一样,尽管该反应看起来似乎极其简

单,但是有一些方面很复杂.首先,该反应的产物必须分开,如果H2和Cl2允许混合在一起,它们会剧烈反

应.H2和Cl2反应生成HOCl和氯化物〔两者均会浪费产物、生成副产物〕.接着,HOCl和次氯酸盐反应生

成氯酸盐〔ClO3-〕、质子和更多的氯化物.OH—在阳极区反应生成能污染Cl2的O2.所有的这些反应可降低

效率和〔或〕引起分解困难或污染问题.因此,在产物销售之前,有必要对这些反应清理.理解各种用于电

解过程的关键是各种类型的过程分离反应产物的方式.尽管不同的制造商所用的电解槽在细节方面有着

多种改变,但是用于盐水的电解过程的电解槽基本可分为以上三类.

4、Cl2和NaOH的用途

NaOH的用途之多,以致很难将它们方便地进行分类.最大的用途之一是用于造纸,造纸业中木材的处理需

要强碱.有些国家造纸业中NaOH的消耗占其产量的20%,另外的20%用于无机化学品〔如,次氯酸钠、漂白

粉和消毒剂〕的生产.各种有机合成约消耗另外的15%,氧化铝和肥皂的生产需要少量的2广泛用于

其它各种产品的生产.在全世界范围内大约有1/4的Cl2用于生产氯乙烯〔生产PVC的单体〕.1/4至1/2

的Cl2用于水的纯化.尽管因为《关于消耗臭氧层物质的蒙特利议定书》多种溶剂正在被逐步淘汰,但是仍

有高达20%的氯气用于溶剂的生产〔如甲基氯仿、三氯乙烯等〕.全世界范围内,大约10%的Cl2用于无机含

氯的化合物的生产.尽管Cl2用于漂白木材浆是来自环境压力的另一种途径,但是在一些国家Cl2的十分

重要的用途是用于木材浆的漂白.

Unit7Ammonia,NitricAcidandUrea

氯、硝酸和尿素

11/23

虽然N2占我们呼吸的空气3/4以上,但是氯气不容易用于进一步化学应用.对化学工业来说,N2的生成

有用化学品的生物转化反应难以实现,因为所有的工业技术人员的努力〔或尝试〕还没有找到该过程的简

单其他方法.在常压和室温条件下,豆类植物能从空气中吸入N2将之转化为NH3以与含NH4-的产物.尽

管〔化学工艺师〕花了一百年的精力,要实现上述转化,化学工业仍然需要高温和上百个大气压的压力.直

到Harber过程的发明,所有的含N化学品都来自于有生物活性的矿物资源.基本上,所生产的化学品中所

有的N〔元素〕都来自于Harber法得来的3的生产之大,〔尽管因为氨分子较轻,生产的其它产

品的量更大,但其生产的NH3的分子数要多于其他任何化合物〕,以与该过程的能源是如此的密集,以致

于据估计,在二十世纪八十年代NH3的生产就消耗全世界能源供应的3%.1、Harber法合成NH3

引言所有的生产NH3的方法基本都是以Harber法为基础,稍稍加以改变,该过程是由Harber、Nerst、Bosh

在德国于一战前开发出来的.N2+3H2≒2NH3原则上,H2和N2间的反应很容易进行,该反应是放热反

应,低温时平衡向右移动.所不幸的是,自然界赋予的N2一个很强的叁键,这使得N2分子不易受热力学

因素的影响.用科学术语来说,该分子是动力学惰性的.因此,要使该反应以一定的速度进行,需要相当苛

刻的反应条件.实际上,"固定"〔意思相互矛盾,"有用的反应活性"〕氦的一种主要来源是闪电过程,闪电时

生产大量的热量,把N2和O2转化为N2O.在化工厂中要得到可观的NH3的转化率,我们有必要使用催化

剂.Harber发现的催化剂〔这使他获得诺贝尔奖〕是一些价廉的含铁的化合物.即使有该催化剂,这反应

也需要很高压力〔早期高达600个大气压〕和高温〔大约4000C〕因为四个气体分子转化为两个气体分子,

所以增加压力使平衡向右〔正方向〕移动.然而,尽管高温使反应速度加快,但是高温使平衡向右移动,因

此,所选的条件必须要折中的能以合理的速率得到令人满意的转化率.条件的准确选择将取决于其他的经

济因素和催化剂的具体情况.因为资本和能耗费用越发重要,当代的工厂已经趋向于比早期工厂在更低的

压力和更高的温度〔循环使用未转化的物料〕下进行操作.氮的生物固定也使用了一种催化剂,该催化剂

镶在较大的蛋白质分子中含有钼和铁,其详细结构直到1992年才被化学家弄清楚,该催化剂的详细作用

机理尚未清楚.原料.该过程需要以下几种原料〔进料〕的能源、N2和H2.N2很容易从空气中提取,但是

H2的来源很成问题.以前,H2来源于通过煤的焦化反应,煤用作蒸汽重整的原料〔主要是C的来源〕,

在蒸汽重整过程中,水蒸气与C反应生成H2、CO和CO2.如今,以天然气〔主要是甲烷〕代替,尽管也使

用来自石油的烃类物质.通常,制NH3的工厂包括与NH3生产相连接的H2生产车间.在重整反应之前,

含硫化合物必须从烃原料中除去,因为它们既能污染重整催化剂又能污染Harber催化剂.第一除硫步骤需

要钴-铜催化剂.该催化剂能将所有的含硫化合物氢化生成H2S,H2S能与ZnO反应〔ZnS和H2O〕加以除

去.主要的重整反应中,下列甲烷反应最为典型〔甲烷的反应发生于约7500C.含镍催化剂上〕CH4+H2O→

CO+3H2〔合成气〕CH2+2H2O→CO2+4H2其他烃经历类似反应.在次级重整器中,空气注入温度11000C

的气流,除了发生其他反应外,空气中的O2与H2反应生成H2O,结果剩下不会污染的O2的混合物,该混

合物中O2与H2的比接近理想比3：1.然而,下一步反应必须通过下列转化反应将更多的CO转变为H2

和+H2O→CO2+H2为使其尽可能完全的转化,此反应应该在较低温度下以两步进行〔一步是在

4000C用铁为催化剂,另一步是在2000C下用催化剂〕.下一步中,CO2必须从气体混合物中除去.除去CO2

可以用该酸性气体与碱性溶液〔如KOH和〔或〕单乙醇胺或二乙醇胺反应得以实现.

这一步中,任然存在CO〔污染Harbor催化剂〕对H2-N2混合物造成很大污染,需要用另一步去将CO得

量降低至PPM级,这一步称为甲烷化反应,涉与到CO和H2反应生成甲烷〔即一些重整反应的逆反应〕,

该反应大约在325℃操作,用一种Ni催化剂.合成气混合物准备用于Harbor反应NH3的生产各种不同氨

厂的共同特征是合成经过加热,压缩,递往含成催化剂的反应器中,该基本反应方程式很简单：N2+3H2≒

2NH3该工业要实现的事：反应速度和反应产率的结合要令人满意,不同的时期和不同的经济环境下谋求

不同的折中方案,早期的制氨厂热衷于高压反应〔其目的是在单程反应器中提高产率〕但是当今大多数氨

厂采用在较低的压力,很低的单程转化率,同时为节能而选择较低温度.为了确保反应器中的转化率最大,

通常在当反应达到平衡时,冷却合成气,使用热交换器或者在反应器的合适位置注入冷却氨,可实现合成

气的冷却,这样做的作用是：在反应在尽可能接近平衡使其冷冻停止,因为此反应时放热反应〔同时在较

高温度下的平衡对氨的合成时不利的〕所以为了得到好的收率,可以用这种方法,对热量进行很好的控制.

哈伯法的产物由氨和合成气混合物〔组成〕因此,下一步需要将两者进行分离以能循环利用合成气,这可

以压缩氨气得以实现〔氨气的挥发度较其他组成小得多,大约在—40℃沸腾〕氨的用途氨的主要用途不是

12/23

用于进一步应用的含氨化合物的生产,而是用于生产肥料〔如尿素,硝酸铵和磷酸铵〕.肥料消耗了所生产

氨的80%.例如：在1991年美国消费的由氨得来的产物如下：其中大部分用作肥料〔数量以百万吨计〕

尿素〔4.2百万吨〕硫酸铵〔二百二十万吨〕,硝酸铵〔二百六十万吨〕,磷酸氢二铵〔一千三百五十万吨〕.

氨的化学应用各式各样,尽管在制备纯碱的索维尔工艺中氨气得到回收而没出现于最终产品中,但是该过

程需要使用氨气,很多过程直接吸收氨气,这些过程包括氰化物和芳香族含氮化合物〔如吡啶〕的生产.许

多聚合物〔如尼龙和丙烯酸类聚合物〕中的氮可以追溯到氨,通常通过睛或氰〔HCN〕大多数的其他过称

〔工艺〕以氨制的硝酸或硝酸盐作氮源,硝酸铵,用作含氮的肥料,它的另一种主要用途用作大众化炸药.

2硝酸硝酸的生产化学工业制造其他原料时,所用的大部分氮元素不是以氨的形式直接利用,而是先将氨

转化为硝酸,硝酸的生产大约消耗所生产的氨的20%氨生成硝酸的转化反应是一个三步过程：14NH3+5O2

→4NO+6H2O22NO+O2→2NO233NO2+H2O→2HNO3+NO第一个反应用铂〔实际上是铂铑金属网〕催化,

该催化反应可以再实验室上用一根铂丝和浓氨水溶液观察到.初看起来,生成硝酸的总反应似乎很简单,

所不幸的事,实际过程比化学家和工程师所想的要糟的多,因此,存在许多复杂的因素.工业上,第一反应

于含铂铑金属网的反应器中,在900度左右进行,温度由该反应产生的热量得以维持,在该温度下,一些重

要的副反应也进行得很快,其一,氨和空气混合物能被氧化生成氨气和水〔如果反应器器壁的温度高,那么

该反应趋向于在壁上进行,因此有必要特意将之冷却〕,其二,催化剂可促进第一反应的产物NO的分解,

生成氨气和氧气,因此重要的是尽可能快地将产物移出反应器,尽管这一做法与下列事实相矛盾：为使原

料和催化剂得以反应,有必要保持原料与催化剂接触时间足够长.其三：反应产物NO与氨反应生成氨气

和水,因此重要的事,不让过多的暗器流过催化剂床层,否则,原料不可回收而浪费.利用精心设计的反应

器,控制温度和通过反应器的流速可以实现这些矛盾要素的控制.通常该反应的实际接触时间约3×10-4

秒

第二步和第三步反应复杂性较小,但是,两者的反应速度很慢,尚未发现高效的催化剂,一般的,令氨气和

NO的混合物流经一系列的冷凝压缩器,在这些压缩器中发生部分氧化反应,低温对该反应有利.当混合

气体流经大型泡罩吸收塔时,NO2从该混合气体得以吸收,塔底为55%—60%硝酸因为硝酸在68%时与水

形成共沸物,所以不能用蒸馏法加工以浓缩,硝酸厂通常利用含98%的硫酸塔在其塔顶去生成90%硝酸,如

有必要,利用硝酸镁对之进一步脱水可得到接近100%的硝酸硝酸的用途在所生产硝酸大约有65%与氨反

应制造硝酸铵,80%的硝酸铵用于肥料,其余的用作炸药.硝酸的另一个主要作用是用于有机硝化反应,几

乎所有的炸药最终都是来自硝酸〔大部分为硝酸酯,如硝化甘油或为硝化芳香族化合物如三硝基甲苯〕在

合成重要的硝基或氨基芳香族中间体时〔如苯胺〕时,第一步为利用和硝酸的硝化反应.苯胺的合成,第一

步为芳香族化合物的硝化,然而将硝基还原为胺基.许多重要的染料和药物最终都是通过该反应得到,尽

它们的需求量很小,聚氨酯塑料的制备时以芳香族异氰酸酯为基础,而芳香族异氰酸酯最终来自于硝化甲

苯和苯,该用途大约要消耗5%—10%的硝酸产量

3尿素

尿素的生产,另一种重要的直接由氨大量生产的产物为尿素,大约有20%的氨用于尿素的生产,尿素是通

过CO2和NH3的高压反应合成〔一般为200—400个atm和180℃—210℃〕该反应可分为两步：

1CO2+2NH3-NH2CO-2NH+4

2NH2CO-2NH+4-NH2CONH2+H2O

该高压反应可实现将60%的CO2转化为氨基甲酸酯,生成的混合物输入低压分解器使之转化为尿素,未反

应的物料被输回该工艺中高压步骤的开始阶段,这样做可以大大提高车间的总效率,第二阶段所得的溶液

可直接用作液态含氮肥料或经浓缩生产纯度为99%固体尿素尿素的用途尿素的含氮量高使之成为另一种

有利氮肥,尿素占氮肥市场的绝大部分,其他的用途也很重要,但是只占所生产品尿素的10%左右.尿素的

最大的另一用途是用于树脂〔甲醛二聚氰酰胺和尿素甲醛〕例如这些树脂用作胶合板粘结剂和弗莱卡的

表面.

Unit10WhatIsChemicalEngineering?

什么是化学工程学

13/23

广义来讲,工程学可以定义为对某种工业所用技术和设备的科学表达.例如,机械工程学涉与的是制造

机器的工业所用技术和设备.它优先讨论的是机械力,这种作用力可以改变所加工对象的外表或物理性质

而不改变其化学性质.化学工程学包括原材料的化学过程,以更为复杂的化学和物理化学现象为基础.

因此,化学工程学是工程学的一个分支,它涉与工业化化学过程中工厂和机器的设计、制造、和操作的

研究.

前述化学工程学都是以化学科学为基础的,如物理化学,化学热力学和化学动力学.然而这样做的时候,

它并不是仅仅简单地照搬结论,而是要把这些知识运用于大批量生产的化学加工过程.把化学工程学与纯

化学区分开来的首要目的是"找到最经济的生产路线并设计商业化的设备和辅助设备尽可能地适应它."因

此如果没有与经济学,物理学,数学,控制论,应用机械以与其它技术的联系就不能想象化学工程会是什么样

的.

早期的化学工程学以描述性为主.许多早期的有关化学工程的教科书和手册都是那个时候已知的商品

生产过程的百科全书.科学和工业的发展使化学品的制造数量迅速增加.举例来说,今天石油已经成为八万

多种化学产品生产的原材料.一方面是化学加工工业扩张的要求,另一方面是化学和技术水平的发展为化

学工艺建立理论基础提供了可能.

随着化学加工工业的发展,新的数据,新的关系和新的综论不断添加到化学工程学的目录中.然后又从

主干上分出许多的分支,如工艺和工厂设计,自动化,化工工艺模拟和模型,等等.

1．简要的历史轮廓

从历史上来说,化学工程学与化学加工工业密不可分.在早期,化学工程学随着早期化学产品交易的发展而

出现,是应用化学的纯描述性的分支.

在欧洲,基础化学产品的制造出现在15世纪.一些小的、专门的企业开始创立,生产酸、碱、盐、药物中

间体和一些有机化合物.

由于十九世纪英国的学院化学家强调纯化学的研究高于应用化学,他们的要成为工业化学家的学生也只

是定性和定量分析者.在19世纪80年代以前,德国的化学公司也是这样.他们愿意聘请那些在大学里进行研

究的人作顾问,这些人偶尔为制造的革新提供一些意见.然而到了80年代,工业家们开始认识到要把顾问们

在实验室的准备和合成工作进行放大是一个与实验室研究截然不同的活动.他们开始把这个放大的问题以

与解决的方法交给"化学工程师"—这可能是受到已经进入工厂的机械工程师的表现的启发.由于机械工程

师熟悉所涉与的加工工艺,是维修日益复杂化的工业生产中的蒸气机和高压泵的最合适的人选.学院研究

中头和手两分的现象逐渐消亡.

单元操作.1881年英国曾经准备把化学工业的一个新的协会命名为"化学工程师协会",这个建议遭到

了拒绝.另一方面,由于受到来自工业界日益加重的压力,大学的课程开始体现出除了培养分析工作者还

要培养化学工程师的要求.现在仅仅对现有工业过程进行描述已经不够了,需要对各种特殊工业进行工艺

属性的分析.这就为引入热力学与动力学、溶液和相等物理化学新思想提供了空间.

在这个转变期,一位关键的人物是化学顾问GeorgeDavis,化学工业协会的首任秘书.1887年Davis那时

是Manchester专科学校的一名讲师,做了一系列有关化学工程学的讲座.他把化学工程学定义为对"大规模

化学生产中所应用的机器和工厂"的研究.这们课程包括了大规模工业化操作的工厂的各种类型,如干燥、

破碎、蒸馏、发酵、蒸发和结晶.后来逐渐在别的地方而不仅仅在英国,而是国外,成为许多课程的雏形.英

国直到1909年化学工程学才成为一门较为完善的课程,而在美国,MIT的LewisNorton早在1888年就已率

先开出了Davis型课程.

1915年,在一份MIT的计划书中,提出了"单元操作"这个概念,这几乎为二十世纪化学工

程学的突出特点做了定性.Davis这一倡议的成功原因是很明显的：它避免了泄露特殊化学过程中受专利

权或某个拥有者的保留权所保护的秘密.过去这种泄露已经严重限制了制造者对学院研究机构训练计划的

支持.Davis把化学工业分解为"能独立进行研究的单个的工序"从而克服了这个困难.并且在大学或专科学

校的工厂里用中试车间进行了试验.

他采用了工业顾问公司的理念,经验传递从一个车间到另一个车间,从一个过程到另一个过程.这种方

式不包含限于某个给定工厂的利润的私人的或特殊的知识.单元操作的概念使每一个化学制造过程都能分

解为一系列的操作步骤,如研末、干燥、烤干、电解等等.例如,学校对松节油制造的特殊性质的研究可以用

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蒸馏属性研究来代替.这是一个对许多其它工业制造也很普通的工艺过程.单元操作概念的定量形式大概

出现在1920年,刚好是在第一次全球石油危机出现的时候.化学工程师能赋予单元操作定量特性的能力使

得他们合理地设计了第一座现代炼油厂.石油工业第一次大量聘请化学工程师的繁荣时代开始了.

在单元操作密集繁殖的时代,化学工程学另一些经典的分析手段也开始被引入或广泛发展.这包括过程

中材料和能量平衡的研究以与多组分体系中基础热力学的研究.

化学工程师在帮助美国与其盟国赢得第二次世界大战的胜利中起了关键的作用.他们发展了合成橡胶

的方法以代替在战争初期因日本的封锁而失去来源的天然橡胶.他们提供了制造原子弹所需要的铀-235,

把制造过程从实验室研究一步放大到当时最大规模的工业化工厂,而他们在完善penicillin的生产工艺中

也是功不可没,它挽救了几十万受伤士兵的生命.

工程学运动.由于不满意对工艺设备运行的经验描述,化学工程师开始从更基础的角度再审视单元操作.

发生在单元操作中的现象可以分解到分子运动水平.这些运动的定量机械模型被建立并用于分析已有的仪

器设备.过程和放应器的数学模型也被建立并被应用于资金密集型的美国工业如石油化学工业.

与工程学同时发展的是现在的化学工程课程设置的变化.也许与其它发展相比较,核心课程为化学工程

师运用综合技能解决复杂问题更加提供了信心.

核心课程固定了一些基础科学为背景,包括数学,物理,和化学.这些背景对于从事以化学工程为中心的

课题的艰苦研究是必须的,包括：

·多组分体系热力学与动力学

·传输现象

·单元操作

·反应工程

·过程设计和控制

·工厂设计和系统工程

这种训练使化学工程师们成为了在许多学科领域做出了突出贡献的人,包括在催化学、胶体科学和技

术、燃烧、电化学工程、以与聚合物科学和技术方面.

2.化学工程学的基本发展趋势

未来几年里,科学的进步,技术的竞争以与经济的驱动力将为化学工程是什么以与化学工程能做什么

打造一个新的模型.

化学工程学的焦点一直是改变物体的物理状态或化学性质的工业过程.化学工程师致力于这些过程的

合成、设计、测试放大、操作、控制和优选.他们从事于解决的这些问题,传统的规模水平和复杂程度可称

之为中等的,这种规模的例子包括有单个过程〔单元操作〕所使用的反应器和设备以与制造厂里单元操作

的组合,未来的研究将在规模上逐渐进行补充.除了中等规模,还有微型的以与更为复杂的系统----巨型的规

模.

未来的化学工程师将比任何其他分支的工程师在更为宽广的规模范围紧密协作.例如,有些人可能从

事于了解大范围的环境与中等规模的燃烧系统以与微型的分子水平的反应和传递之间的关系.另一些人则

从事了解合成的飞机的的性能与机翼所用化学反应器与反应器的设计和对此有影响的复杂流体动力学的

研究工作.

因此,未来的化学工程师们要准备好解决从微型的到巨型的规模范围内出现的问题.他们要用来自其

它学科的新的工具和理念来研究和实践：分子生物学,化学,固体物理学,材料学和电子工程学.他们还将越

来越多地使用计算机、人工智能以与专家系统来解决问题,进行产品和过程设计,生产制造.

在这个学科中还有两个重要的发展是我们前面没有提到的：

化学工程师将越来越多地涉与到对过程设计进行补充的产品设计中.因为产品所表现出来的性能将逐

渐与它被加工的途径挂钩.传统概念上产品设计与过程设计之间的区别将变得模糊,不再那么明显.在已有

的和新兴的工业中将出现一个特殊的设计竞争,那就是生产有专利权的、有特点的产品以适应严格的性能

指标.这些产品的特征是服从快速革新的需要,因而他们将在市场上很快地被更新的产品所取代.

化学工程师将经常性地介入到多学科领域的研究工程.化学工程师参与跨学科研究与化学科学、特种

工业进行合作具有悠久的历史.随着工程学与分子科学最紧密地联系在一起,化学工程学的地位也越来越

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崇高.因为如化学、分子生物学、生物医学以与固体物理这样的科学都是为明天的科学技术提供种子,作为

"界面科学",化学工程学具有光明的未来,它将在多学科领域中搭建科学和工程学之间的桥梁,而在这里将

出现新的工业技术.

Unit11ChemicalandProcessThermodynamics

化工热力学

在投入大量的时间和精力去研究一个学科时,有理由去问一下以下两个问题：该学科是什

么？〔研究〕它有何用途？关于热力学,虽然第二个问题更容易回答,但回答第一个问题有必要对该学科

较深入的理解.〔尽管〕许多专家或学者赞同热力学的简单而准确的定义的观点〔看法〕值得怀疑,但是

还是有必要确定它的定义.然而,在讨论热力学的应用之后,就可以很容易完成其定义

1．热力学的应用

热力学有两个主要的应用,两者对化学工程师都很重要.

〔1〕与过程相联系的热效应和功效应的计算,以与从过程得到的最大功或驱动过程所需

的最小功的计算.

〔2〕描述处于平衡的系统的各变量之间的关系的确定.

第一种应用由热力学这个名词可联想到,热力学表示运动中的热.直接利用第一和第二定

律可完成许多〔热效应和功效应的〕计算.例如：计算压缩气体的功,对一个完整过程或某一过程单元的

进行能量衡算,确定分离乙醇和水混合物所需的最小功,或者〔evaluate〕评估一个氨合成工厂的效率.热

力学在特殊体系中的应用,引出了一些有用的函数的定义以与这些函数和其它变量〔如压强、温度、体积

和摩尔分数〕关系网络的确定.实际上,在运用第一、第二定律时,除非用于评价必要的热力学函数变化已

经存在,否则热力学的第一种应用不可能实现.通过已经建立的关系网络,从实验确定的数据可以计算函

数变化.除此之外,

某一体系中变量的关系网络,可让那些未知的或者那些难以从变量〔这些变量容易得到或较易测量〕中实

验确定的变量得以计算.例如,一种液体的汽化热,可以通过测量几个温度的蒸汽压和几个温度下液相和

汽相的密度得以计算；某一化学反应中任一温度下的可得的最大转化率,可以通过参与该反应的各物质的

热量法测量加以计算.

2.热力学的本质

热力学定律有这经验的基础或实验基础,但是在描述其应用时,依赖实验测量显得很明显

化学工程与工艺专业英语第十一单元化工热力学〔standout突出〕.因此,热力学广义上可以定义为：拓

展我们实验所得的体系知识的一种手段〔方法〕,或定义为：观察和关联一个体系的行为的基本框架.为

了理解热力学,拥有实验的观点有必要,因为,如果我们不能对研究的体系或现象做出物理上正确的评价,

那么热力学的方法就无意义.我们应该要经常问问如下问题：怎样测量这一特殊的变量？怎样计算以与从

哪一类的数据计算一个特殊的函数.由于热力学的实验基础,热力学处理的是宏观函数或大量的物质的函

数,这与微观的函数恰恰相反,微观函数涉与到的是组成物质的原子或分子.宏观函数要么可以直接测量,

要么可以从直接测量的函数计算得到,而不需要借助于某一具体的理论.相反,尽管〔while〕微观函数最终

是从实验测量得以确定,但是它们的真实性取决于用于它们计算时的特殊理论的有效性.因此,热力学的

权威性在于：它的结果与物质的理论无关,倍受尊敬,为大家大胆地接受.除了与热力学结论一致的必然性

以外,热力学有着广泛的应用性.因此,热力学形成了许多学科中的工程师和科学家的教育中不可分割的

部分.尽管如此,因为每门科学都只局限于〔focuson〕关于热力学方面的较少应用,所以其全貌常被低估.

实际上,在明显的〔可观察到〕可再现的平衡态中存在的任何体系,都服从与热力学方法.除了流体、化学

反应系统和处于相平衡〔化学工程师对这些十分感兴趣〕之外,热力学也成功适用于有表面效应的系统、

受压力的固体以与处于重力场、离心力场、磁场和电场的物质.通过热力学,可以被确定用于定义和确定

平衡的位能,并将之定量化.位能也可以确定一个体系移动的方向以与体系达到的终态,但是不能提供有

关到达终态所需要的时间的信息.因此,时间不是热力学的变量,速度的研究已超出了热力学的范畴,或者

除了体系接近平衡的极限以外,速率的研究属于热力学的范畴.在这儿,速率的表达式应该在热力学上是

连续的.

16/23

热力学定律建立于实验和观测基础之上的,这些实验和观测既不是最重要的,又不复杂.

同时,这些定律的本身是用相当普通语言加以描述的.然而,从这一明显的平淡的开始,发展成为一个很大

的结构,这种结构对人类思想归纳力做出了贡献.这在想象力丰富、严肃认真的学生中成功地激发了敬畏

〔inspireawe〕,这使得Lewis和Randall将热力学视为科学的权威.因为除了技术上的成功和结构的严密

性,这个比喻选择很恰当,我们可观察到美妙之处〔和宏观体〕.因此,毫无疑问,热力学的研究在学术上有

价值的,智力上可以得到激发,同时,对一些人来说,是一种很好的经历.

3.热力学定律

第一定律.热力学第一定律是能量守恒的简单的一种描述.如图3-1所示,稳态时离开一个过程的所有能

量的总和必须与所进入该过程的能量总和相等.工程师在设计和操作各种过程

时绝对遵循质量和能量守恒定律.所不幸的是,就其本身而言,当试图评估过程的效率时,第

化学工程与工艺专业英语第十一单元化工热力学

3

一定律引起混淆不清.人们将能量守恒视为一种重要的努力成果,但是事实上,使能量守恒不需要花任何

努力——能量本身就是守恒的.因为第一定律没有区分各种各样能量的形式,所以从第一定律所得到的

结论是有限的.由往复泵引入的轴功会以热量流向冷凝器的形式离开蒸馏塔,与在再沸器引入的热一样容

易.在试图确定过程的效率时,一些工程师总掉入将各种形式的能量一起处理的陷阱.这种做法明显是不

合理,因为各种能量形式有着不同的费用.第二定律第二定律应用于热转变为功的循环,有多种不同的描

述.至于这一点,一种更

加普通的描述是需要的：从一种形式的能量到另一种形式的能量的转换,总是导致质量上总量的损失.另

一种描述为：所有系统都有接近平衡〔无序〕的趋势.这些表达方式指出了在表达第二定律时的困难之处.

如果不定义另一个专门描述质量或无序的词语,第二定律的表达就不能令人满意.这个专用名词为熵.这

个状态函数对流体、物质或系统中的无序程度进行了定量化.绝对零熵值定义绝对零度时纯净的、晶体固

体的状态.每一个分子都由其他的以相当有序结构的相同的分子所包围.运动、随意、污染、不确定性,这

一切都增加了混乱度,因此对熵做出了贡献.相反,不论是透明宝石,还是纯净化学产品,还是清洁的生活

空间,还是新鲜的空气和水,〔都是属于有序状态〕,有序是有价值的.有序需要付出很高的代价,只有通过

做功才得以实现.我们很多工作都花费在家里、车间和环境中创造或恢复有序状态.环境中较高的熵值是

较高的生产费用的具体化表现.每一种生产过程的目的都是,利用将混合物分离为纯净物、减小我们知识

的不确定性、或是从原料创造〔worksofart〕艺术品以减小熵值.总之,从将原料转变为产品的过程中,熵

值不断减小.然而,〔inasmuchas〕因为随着系统接近平衡,熵的增加是自发的趋势,所以减少熵值是艰难

的工作〔struggle〕.生产过程所需熵减的驱动力同时伴随着宇宙其余部分熵的剧增.一般说来,这种熵的

增加在同一工厂内不断持续下去,因此这种造成了产品熵的减小.反过来〔whereas而,却,其实,反过来〕,

熵减存在于原料向产品的转化过程.燃料、电、空气以与水向燃烧产品、废水和无用的热量的形式的转化

可表示熵值的大大增加.正象图3-1中中间部分描述为第一定律一样,图中的底线部分描述了第二定律.

离开一个过程的所有的物流的熵值的总和,总是超过进入该过程的物流的熵值的总和.如果熵达到平衡,

象质量和能量达到平衡一样,那么该过程是可逆的,即该过程也会反向移动.可逆过程只是在理论上是可

能的,需要动力学平衡维持连续存在,因此可逆过程是不可产生的.而且,如果不化学工程与工艺专业英语

第十一单元化工热力学4平衡〔过程〕倒过来,即如果有净熵的减少,那么所有的箭头也要反向,该过程被

迫反向进行.实质上,是熵增驱使该过程：是同一种驱动力使水向下流,热流从热物质流向冷物质,使玻璃

打碎,金属腐蚀.简而言之,所有事物都同它们周围的环境接近平衡.第一定律,需要能量守恒,所有形式能

量变化有着相同的重要性.尽管所有过程都受第一定律权威性的影响,但是该定律不能区分能量的质量,

也不能解释为什么观察不到自发发生的

过程自发地使自身可逆.功可以全部转化为热而反向转换从来不会定量发生,这种反复验证过的观测达成

了这样的共识——热是一种低质量的能量.第二定律,深深扎根于热发动机效率的研究,能分辨能量的质

量.通过这一定律,揭示了以前未认可的函数——熵的存在,可以看出,该函数确定了自发变化的方向.第

二定律并没有〔innoway〕减小第一定律的权威性；相反,第二定律拓展和加强了热力学的权限.第三定

律热力学第三定律规定了熵的绝对零值,描述如下：对于那些处在绝对零度的完美晶体的变化来说,总的

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熵的变化为零.该定律使用绝对值来描述熵.

Unit12whatdowemeanbytransportphenomena?

传递现象是工程科学三个典型领域系统性和综合性研究的总称：能量或热量传递,质量传递或扩散,

以与动量传递或流体力学..当然,热量和质量传递在流体中经常发生,正因如此一些工程教育家喜欢把这些

过程包含在流体力学的范畴内.由于传递现象也包括固体中的热传导和扩散,因此,传递现象实际上比流体

力学的领域更广.传递现象的研究充分利用描述传热,传质,动量传递过程的方程间的相似性,这也区别于流

体力学.这些类推<通常被这么叫>常常可以与传递现象发生的物理机制间的相似性关联起来.因此,一个传

递过程的理解能够容易促使其他过程的理解.而且,如果微分方程和边界条件是一样的,只需获得一个传递

过程的解决方案即可,因为通过改变名称就可以用来获得其他任何传递过程的解决方案.

必须强调,虽然有相似之处,也有传递过程之间的差异,尤其重要的是运输动量<矢量>和热或质量<标

量>.然而,系统地研究了相似性传递过程之间的相似性,使它更容易识别和理解它们之间的差别.

1．怎么研究传递过程？

为了找出传递过程间的相似性,我们将同时研究每一种传递过程——取代先研究动量传递,再传热,最后

传质的方法.除了促进理解之外,对于不使用在其他教科书里用到的顺序法还有另一个教学的原因：在三个

过程中,包含在动量传递研究中的概念和方程对初学者来说是最难以理解并使用.因为在不具有有关动量

传递的知识前提下一个人不可能完全理解传热和传质,在顺序法的情况下他就被迫先研究最难的课程即动

量传递.另一方面,如果课程同时被研究,通过参照有关传热的熟悉课程动量传递就变得更好理解.而且,平行

研究法可以先研究较为简单的概念,再深入到较难和较抽象的概念.我们可以先强调所发生的物理过程而

不是数学性步骤和描述.例如,我们将先研究一维传递现象,因为它在不要求矢量标注下就可以被解决,并且

我们常常可以使用普通的微分方程代替难以解决的偏微分方程.加上传递现象的许多实际问题可以通过一

维模型解决的这样一个事实,这种处理做法也是合理的.

2.为什么工程师要研究传递现象？

因为传递现象这个学科牵扯到自然界定则,一些人就把它划分为工程的一个分支.正因如此,对于那些

关心工厂和设备设计和操作经济性的工程师而言,十分应该探知在实际中传递现象如何起到价值作用.对

于那些问题有两种通用型答案.第一种要求大家认识到传热,传质和动量传递发生在许多工程设备中,如热

交换器,压缩机,核化反应器,增湿器,空气冷却器,干燥器,分离器和吸收器.这些传递过程也发生在人体内以

与大气中污染物反应和扩散的一些复杂过程中.如果工程师要知道工程设备中正在发生什么并要做出能达

到经济性操作的决策,对主导这些传递过程的物理定律有一个认识很重要.

第二种答案是工程师需要能够运用自然定律的知识设计包含这些过程的工艺设备.要做到这点,他们

必须能够预测传热,传质,或动量传递速率.例如,考虑一个简单的热交换器,也就是一根管道——通过维持壁

温高于流经管道的流体温度来加热流体.热量从管壁传递到流体的速率取决于传热系数,传热系数反过来

取决于管的大小,流体流速,流体性质等.传统上传热系数是在耗费和耗时的实验室或模范工厂的测量之后

获得并且通过使用一维经验方程关联起来.经验方程是适合一定数据范围的方程,它们不是建立在理论基

础上而且在应用数据的范围外不能被精确使用.

使用在传递现象中比较不耗费和通常较为可靠的方法是从以自然定律为基础的方程中预测传热系

数.预测的结果将由一个研究工程师通过解一些方程获得〔常常在电脑上〕设计工程师再使用由研究工程

师获得的关于传热系数的方程.

要记住无论传热系数是怎么得来的设计热交换器的工作将基本上是一样的.正因如此,传递现象的一

些课程只强调传热系数的决定而把真正的设计步骤留给单元操作中的一个课程.当然,能获得参数也就是

设计中使用的传热系数是事实,并正因此,一个传递现象课程可被视为一个工程课程或一个科学课程.

实际上,在设备设计中有一些情况下设计工程师可能直接使用传递现象的方法和方程.一种情况就是

设计可以被称为管道的管式反应器,如,前面所提过的热交换器,在它里面的液相中发生着一个均相化学反

应.流体以一定浓度的反应物流进并以浓度降低的反应物和浓度增加的产物流出反应管.

如果反应是放热的,为了移除化学反应生成的热量反应器壁通常维持在一个低的温度.因此沿径向方

向也就是说随离管道中心线距离的增大,温度降低.再者,因为反应速率随温度升高而增大,在温度高的中心

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处的反应速率高于温度低的管壁处的反应速率.结果,反应产物将倾向于在中心线处积累而反应物在靠近

管壁处积累.因此,沿径向和横向浓度和温度都将改变.为了设计反应器我们需要知道在任意给定的管长下

产物的平均浓度.由于这个平均浓度是将整个反应器内每个点的浓度平均起来得到的,实际上我们需要得

到反应器内每个点的浓度,也就是说,在每个径向和横向位置.但是为了计算每个点的浓度我们需要知道每

个点处的反应速率,而为了计算每个点处的速率我们需要知道温度和浓度！而且,为了计算温度我们也要知

道每个点处的反应速率和速度.我们将不得到所包含的方程,但显然有一组必须由精细繁琐的步骤解决的

复杂偏微分方程〔通常在电脑上〕.我们不能通过用于单元操作课程中关于热交换器的经验设计步骤来解

决这样一个问题,应该是明显的.然而传递现象的理论和数学步骤是必不可少的,除非一个人愿意花金钱和

时间去建立规模不断扩大的模范工厂并测出每一个工厂的产率.即便最后的扩大规模是靠不住和不确定

的.

当然,并非今天所有的问题都能通过传递现象的方法解决.然而,随着电脑科技的发展,越来越多的问题

通过这些方法正被解决.如果工程学学生要得到一个不过时的教育,他们必须通过理解传递现象的方法准

备好去充分利用将在未来形成的计算机计算.由于其极大的潜能与当前的实用性,在一个大学生的在校学

习生涯中,传递现象这门课程或许最终证明是最实用和有用的课程.

Unit13UnitOperationsinChemicalEngineering

化学工程中的单元操作

化学工程由不同顺序的步骤组成,这些步骤的原理与被操作的物料以与该特殊体系的其他特征无关.在设

计一个过程中,如果〔研究〕步骤得到认可,那么所用每一步骤可以分别进行研究.有些步骤为化学反应,

而其他步骤为物理变化.化学工程的可变通性〔versatility〕源于将一复杂过程的分解为单个的物理步

骤〔叫做单元操作〕和化学反应的实践.化学工程中单元操作的概念基于这种哲学观点：各种不同顺序的

步骤可以减少为简单的操作或反应.不管所处理的物料如何,这些简单的操作或反应基本原理

〔fundamentals〕是相同的.这一原理,在美国化学工业发展期间先驱者来说是明显的,首先由

于1915年明确提出：任何化学过程,不管所进行的规模如何,均可分解为〔beresolvedinto〕一系列的

相同的单元操作,如：粉碎、混合、加热、烘烤、吸收、压缩、沉淀、结晶、过滤、溶解、电解等等.这

些基本单元操作〔的数目〕为数不多,任何特殊的过程中包含其中的几种.化学工程的复杂性来自于条件

〔温度、压力等等〕的多样性,在这些条件下,单元操作以不同的过程进行,同时其复杂性来自于限制条件,

如由反应物质的物化特征所规定的结构材料和设备的设计.最初列出的单元操作,引用的是上述的十二种

操作,不是所有的操作都可视为单元操作.从那时起,确定了其他单元操作,过去确定的速度适中,但是近

来速度加快.流体流动、传热、蒸馏、润湿、气体吸收、沉降、分粒、搅拌以与离心得到了认可.近年来,

对新技术的不断理解以与古老但很少使用的分离技术的采用,引起了分离、处理操作或生产过程步骤上的

数量不断增加,在多种操作中,这些操作步骤在使用时不要大的改变.这就是"单元操作"这个术语的基础,

此基础为我们提供了一系列的技术.1.单元操作的分类

〔1〕流体流动流体流动所涉与到的是确定任何流体的从一位置到另一位置的流动或输送的原理.〔2〕传

热该单元操作涉与到〔dealwith〕原理为：支配热量和能量从一位置到另一位置的积累和传递.〔3〕蒸

发这是传热中的一种特例,涉与到的是在溶液中挥发性溶剂从不挥发性的溶质〔如盐或其他任何物质〕的

挥发.〔4〕干燥在该操作中,挥发性的液体〔通常是水〕从固体物质中除去.〔5〕蒸馏蒸馏是这样一个操

作：因为液体混合物的蒸汽压强的差别,利用沸腾可将其中的各组分加以分离.〔6〕吸收在该操作中,一

种气流经过一种液体处理后,其中一种组分得以除去.〔7〕膜分离该操作涉与到液体或气体中的一种溶质

通过半透膜向另一种流中的扩散〔8〕液-液萃取在该操作中,〔液体〕溶液中的一种溶质通过与该溶液相

对不互溶的另一种液体溶剂相接触而加以分离.〔9〕液-固浸取在该操作所涉与的是,用一种液体处理一

种细小可分固体,该液体能溶解这种固体,从而除去该固体中所含的溶质.〔10〕结晶结晶涉与到的是,通

过沉降方法将溶液中的溶质〔如一种盐〕从该溶液中加以分离.〔11〕机械物理分离这些分离方法包括,

利用物理方法分离固体、液体、或气体.这些物理方法,如过滤、沉降、粒分,通常归为分离单元操作.许

多单元操作有着相同的基本原理、基本原则或机理.例如,扩散机理或质量传递发生于干燥、吸收、蒸馏

和结晶中,传热存在于干燥、蒸馏、蒸发等等.

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2.基本概念

因为单元操作是工程学的一个分支,所以它们同时建立在科学研究和实验的基础之上.在设计那些能够制

造、能组合、能操作、能维修的设备时,必须要将理论和实践结合起来.下面四个概念是基本的〔basic〕,

形成了所有操作的计算的基础.物料衡算如果物质既没有被创造又没有被消灭,除了在操作中物质停留和

积累以外,那么进入某一操作的所有物料的总质量与离开该操作的所有物料的总质量相等.应用该原理,

可以计算出化学反应的收率或工程操作的得率.在连续操作中,操作中通常没有物料的积累,物料平衡简

单地由所有的进入的物料和所有的离开的物料组成,这种方式与会计所用方法相同.结果必须要达到平衡.

只要〔aslongas〕该反应是化学反应,而且不消灭或创造原子,那么将原子作为物料平衡的基础是正确

的,而且常常非常方便.可以整个工厂或某一单元的任何一部分进行物料衡算,这取决于所研究的问题.能

量恒算相似地,要确定操作一操作所需的能量或维持所需的操作条件时,可以对任何工厂或单元操作进行

能量衡算.该原理与物料衡算同样重要,使用方式相同.重要的是记住,尽管能量可能会转换为另一种等量

形式,但是要把各种形式的所有的能量包括在内.理想接触〔平衡级模型〕无论〔whenever〕所处理的物

料在具体条件〔如温度、压强、化学组成或电势条件〕下接触时间长短如何,这些物料都有接近一定的平

衡条件的趋势,该平衡由具体的条件确定.在多数情况下,达到平衡条件的速率如此之快或所需时间足够

长,以致每一次接触都达到了平衡条件.这样的接触可视为一种平衡或一种平衡接触.理想接触数目的计

算是理解这些单元操作时所需的重要的步骤,这些单元操作涉与到物料从一相到另一相的传递,如浸取、

萃取、吸收和溶解.操作速率〔传递速率模型〕在大多数操作中,要么是因为时间不够,要么是因为不需要

平衡,因此达不到平衡,只要一达到平衡,就不会发生进一步变化,该过程就会停止,但是工程师们必须要

使该过程继续进行.由于这种原因,速率操作,例如能量传递速率、质量传递速率以与化学反应速率,是极

其重要而有趣的.在所有的情况中,速率和方向决定于位能的差异或驱动力.速率通常可表示为,与除以阻

力的压降成正比.这种原理在电能中应用,与用于稳定或直流电流的欧姆定律相似.用这种简单的概念解

决传热或传质中的速率问题时,主要的困难是对阻力的估计,阻力一般是通过不同条件下许多传递速率的

确定式〔determination〕的经验关联式加以计算.速率直接地决定于压降,间接地决定于阻力的这种基本

概念,可以运用到任一速率操作,尽管对于特殊情况的速率可以不同的方式用特殊的系数来表达.

Unit20MaterialScienceandChemicalEngineering

材料科学和化学工程

几年以前,谁会想到一架飞机可以绕地球航行而中途不需要着陆或添加燃料？而在1986年新型的飞

机航海者就做到了这一点.航海者具备长途飞行能力的秘密就在于几年前还没有出现的先进的材料.其机

身大部分是由强度大、质量轻的聚合纤维用耐久的、高强度的粘合剂组装而成的.而发动机润滑油是合成

的多组分液体,可维持很长时间连续运转的润滑性.这些特殊材料具有科学家和工程师们为满足现代社会

的需求所发明的先进技术.

如运输、通讯、电子、能量转换这些工业的未来多依赖新的、先进的材料以与生产中所需要的加工

技术.近年来,在我们了解了如何把一些特殊的具有高性能的物质融入原材料并且怎样最好地在复杂设计

中使用这些材料后,这方面已有了很大的发展.

材料科学和工程的革命为化学工程师带来了机会,也带来了挑战.化学工程师凭借他们在化学、物理和

数学方面的知识基础以与他们对传输现象、动力学、反应工程和过程设计的了解,能够创造性地解决现代

材料技术中的问题.但是他们一定要摈弃掉传统职业理念中"考虑大的"这个习惯,要有效地投入现代材料

科学和工程中必须要学会"从小处思考".在制造现代先进材料时的关键现象是发生在分子级和微观的水平.

如果化学工程师要为这些新材料设计新产品和工艺就必须了解并且学会控制这些现象.在下面选择介绍的

几种材料领域里我们将叙述这种困难的挑战.

1．聚合物

现代聚合物科学的时代属于化学工程师.这些年来,聚合物化学家创造了大量的高分子和聚合物.然而了

解这些高分子是怎样被合成并加工以最大限度地具备理论性质仍然是研究的前沿领域.一直到最近才开发

了现代仪器帮助我们了解高分子之间、高分子与固体粒子、有机和无机纤维与其它界面之间的相互作用.

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化学工程师正使用这些工具探索高分子的微型动力学现象,他们利用从这些技术中获得的知识,正在处理

高分子间的反应以开发先进的工艺并制造新的材料.

通过化学加工控制材料微型结构的能力可用现代高强度聚合纤维进行描述.一些聚合纤维的强度-质量

比比钢铁高一个数量级.它的自由取向是由所选择的加工条件以与芳香族聚酰胺的高度刚性的线性分子结

构所决定的.在纺丝时,液相中的定向部分是围绕纤维轴方向排列而使得纤维具有高强度和高硬度,各向异

性的纺丝纤维的概念则在新聚合物如聚苯并噻唑、聚乙烯的溶解和熔融方面都有了延伸.超高强度的聚乙

烯纤维是通过冻胶纺丝的方法制备的.同样的,控制聚合物的分子取向以生产高强度产品也可以通过其它

的工艺途径,如在极其精确的条件下进行纤维拉伸而完成.

除了这些可以得到具有特别高性能的材料的加工过程,化学工程师们还设计一些新的工艺过程以生产低

成本的聚合物.

2．聚合复合材料

复合材料包括在一个聚合物母体上嵌入或粘合上高强度或高模数纤维.这些纤维可能是短的、长的或连

续的.它们可能是随意取向的而使复合材料在所有方向上都具有较大的强度或硬度,也可能沿某个特殊方

向取向而使复合材料的高性能优先沿着某个轴线表现出来.后者是根据一向微结构加固的原理,通过不连

贯的、拉伸支撑电缆线或电缆条达到目的.

要得到在多个方向上具有优良性能的材料,可以通过改变角度粘结各向异性的复合片得到合成板.另一

方面,两向强化的材料可以通过把高性能的纤维编织成一个平面,面上有足够的粘结力而使加固结构表现

得就像联结起来的网或桁架.你可以想象,化学工程师和纺织工程师之间的学术合作将有利于选择经线、纬

线和高强度纤维的编织方法,以得到高选择性能分布的桁架型的复合材料.

第一代聚合合成材料〔如玻璃纤维〕使用热固性环氧树脂聚合物.它是用任意取向的短玻璃纤维进行强

化的.环氧树脂填充在一个模型中被塑化成永久的形状而得到轻质的、强度适当的模制塑胶.

现代复合材料是用手工把编织好的玻璃纤维放到模具或预型件中,然后用树脂灌注,固化成型后制得的.

这些复合材料最先是使用在某些型号的军用飞机上.因为比较轻的机身使飞行巡航范围增大.今天,飞机和

航空飞船的大部分部件都是这样制造的,而且汽车也正在加入到这个行列.现代复合材料正被应用于小汽

车和载重卡车的车身面板、车棚、后行李箱盖、管道、驱动轴和燃料罐.在这些应用中,复合材料表现出比

金属更好的强度-质量比和更优良的抗腐蚀性.例如,一种聚合复合材料制成的汽车车棚比用铝质的轻一点,

比钢铁的轻两倍,但这种方法所需能量比钢铁的低一点,比铝的低20%.模塑和刀具加工的成本也比较低,使

模型的改变可以更快而适应新设计的要求.

这些复合材料表现出来的机械强度主要是由强化玻璃纤维决定的,尽管结构缺陷会使强度减弱.工程学

研究正提供重要的信息说明材料结构是如何受到玻璃树脂的界面性质、构造空隙和类似缺陷的影响以与

这些微缺陷是如何扩散产生构造裂缝的.这些复合材料以与从对它们的研究中获得的信息使人类进入到生

产第二代聚合复合材料的阶段,即以高强度纤维如芳香族聚酰胺为基础的复合材料.

3．现代陶瓷

对大多数人来说,"陶瓷"这个词会让人联想到瓷器、陶器、砖、瓦这些东西.现代陶瓷以它们的组成、

加工过程和微细结构区别于这些传统的陶瓷.例如：

·传统的陶瓷是用天然的原料如粘土或硅石制成的.现代陶瓷则要求非常纯的人造原料如碳化硅、氮化

硅、氧化锆或氧化铝,可能还要渗入一些复杂的添加剂来产生特殊的微结构.

·传统陶瓷是先在陶工轮上或粉浆浇注成型,然后在窑里烧结定型.现代陶瓷是用更为复杂的工艺过程

如高温静压成型法来定型的.

·传统陶瓷的微结构容易形成在光学显微镜下就可以看见的裂痕.而现代陶瓷的微结构则要均匀得多,

一般要在5万倍或更大倍数的电子显微镜下才能检查出瑕疵来.

现代陶瓷的应用范围更为广泛.在很多情况下,现代陶瓷并未直接成为最终产品,而是组合在一些复杂的

系统中成为优良性能的关键部分.现代陶瓷的商业应用可以在切削工具、发动机喷嘴、涡轮和涡轮增压器

的元件、太空舱的瓦面、储藏原子和化学废物的圆柱体、气体和石油钻探阀、电动极板和防护罩以与腐

蚀性液体中的电极等等方面看见.

4．陶瓷合成材料

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像聚合复合材料一样,陶瓷复合材料也包括在连续的基质上嵌入高强度或高模数的纤维.纤维可以是

碳化硅或氧化铝以"晶须"的形式出现,然后生长为单个晶体.这与同样的物质直接嵌入在大块陶瓷上相比

较所产生裂纹较少.陶瓷复合体上的纤维可以阻碍裂纹的扩散.正在生长的裂纹会向纤维处偏移或使纤维

脱离基质.这两个过程都要吸收能量,从而减慢了裂纹的扩散.陶瓷复合材料的强度、硬度和韧性主要取决于

强化纤维,但是基质也会对这些性质产生影响.复合材料的导热和导电性能受基质传导系数的影响很大.纤

维和基质之间的相互作用对复合材料机械性能的影响也很大,并可通过纤维表面纤维和基质间的化学兼容

性进行调整,这两种物质粘合在一起的前提就是基质以流体形态存在时能润湿纤维.两种组分间形成了化

学键.

与现代陶瓷的产生一样,化学反应在陶瓷复合材料的加工制造中也充当了关键的角色.这些复合材料

要求无瑕疵的陶瓷纤维、纤维和母体间有最适当的作用力,这才能在使用中展现所预想的机械性能.在实际

的制造过程中设计这样的化学反应要求化学工程师具备专业的知识.

5．复合液体

最后一类重要的复合材料是复合液体.复合液体是高结构液体,以悬浮液、表面活性剂、液晶相或其它

大分子与固体微粒或液滴组成.许多复合液体对现代工业和社会都是必不可少的,因为它们表现出来的性

质对一些特殊用途是非常重要的.这些用途包括润滑剂、水力牵引液体以与油田钻井泥浆,油漆、涂料和粘

合剂也可能是合成液体.确实,在任何情况下,如果好的液体状态对某种传递和反应是重要的,那么合成液体

就是有价值的.

化学工程师长期涉足材料科学和工程学研究工作.随着新材料的开发,其性质越来越依赖微结构和加

工过程,研究程度也将深入.化学工程师将探索微结构的本质—它是如何在材料中形成的,哪些因素可以用

来控制它.他们将采用新的方式把传统的分离开来的材料合成和材料加工融合起来.他们还将用新方法解

决构造的问题,修复复杂的材料系统.

Unit21ChemicalIndustryandEnvironment

化学工业与环境

我们怎样才能减少产生废物的数量？我们怎样才能使废弃物质和商品纳入循环使用的程序？所有这

些问题必须要在未来的几年里通过仔细的研究得到解决,这样我们才能保持文明与自然的平衡.

1．大气化学

燃煤发电厂像一些自然过程一样,也会释放硫化合物到大气层中,在那里氧化作用产生硫酸颗粒能反

射入射进来的可见太阳辐射.在对流层,化石燃料燃烧所产生的氮氧化物在阳光的影响下与许多有机物分

子结合产生都市烟雾.挥发的碳氢化合物异戊二烯,也就是众所周知的合成橡胶的结构单元,可以在森林中

天然产生含氯氟烃.我们所熟悉的CFCs,在汽车空调和家用冰箱里是惰性的,但在中平流层内在紫外线的照

射下回发生分解从而对地球大气臭氧层造成破坏,全球大气层中臭氧的平均浓度只有3ppm,但它对所有生

命体的生长发育都起了关键的保护作用,因为是它吸收了太阳光线中有害的短波紫外辐射.

在过去的二十年中,公众的注意力集中在人类对大气层的改变：酸雨、平流层臭氧空洞、温室现象,

以与大气的氧化能力增强,前几代人已经知道,人类的活动会对邻近的环境造成影响,但意识到像酸雨这样

的效应将由局部扩展到洲际范围则是慢慢发现的.随着臭氧空洞问题的出现,考虑到对全球的威胁,我们已

真正进入到全球话改变的时代,但是基本的科学论据还没有完全建立.

2．生命周期分析

产品生命循环周期的每一个阶段都会对环境造成影响.从原材料的提取,到加工、制造和运输的过程,

最后到被消耗和丢弃或回收,每一个阶段都对工艺学和化学提出了挑战.重新设计产品和过程以减少对环

境的影响需要新的生产原理和在不同的水平层面上理解化学变化,对环境友善的产品要求有新的原料,它

们应是可再使用的,可循环的,或者可生物降解的.物质的性质是由其化学组成和结构决定的,要减少废品和

有污染的副产品,就要开发新的化学工艺线路,已开发的化学分离技术需要有效地提高以分离出剩余的污

染物,这反过来又要求新的化学处理方法使它们变得无害.而诸如放射性元素和那些不容易转化为无害物

质的重金属污染物则需要把它们固定为惰性物质以便能安全地储放.还有最后一点,早期的污染残留物,对

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环境污染程度尚未很意识到的一些物质要求进一步用化学和生物的修复技术进行处理.

了解化学反应的机理可以帮助我们发现以前不知道的环境问题,CFCs对臭氧层造成的威胁能够正确

地预防要得益于大气化学的基础研究.由此导致了国际上一致同意逐步取消这些产品的生产.而代之以作

用相同但对环境更为友善的其它产品.另一方面,南极上空臭氧空洞的出现使科学家们大为震惊,随后才发

现了以前所不了解的南极寒冷的平流层内硝酸晶体表面所发生的氯原子的反应.这对我们进一步了解自然

界中所发生的化学反应过程是非常重要的.不管这些反应是发生在淡水中,海水中,土壤里,地下环境或是大

气中.

3．对环境影响最小的生产

把废物排放到空气、水或土壤中不仅对环境造成了直接的影响,还是对自然资源的一个潜在的浪费.

早期减少化学过程对环境影响的工作主要集中在工厂废气排放如环境之前有害物质的分离,但这种思路只

考虑了问题的一半.因为一个理想的化学过程,也就是没有有害的副产品产生的过程应在一开始就建立好,

任何排放物至少应像进入到工厂内的空气和水一样干净.这样的过程才可以称是"与环境友善的".

对健康有害影响的关注逐渐升级,人们首先考虑到如何消除或减少工业过程中所用有害化学物质的数

量.最好的方法是寻找替代的化学产品,它们能起到一样的作用但毒害性较小.如果不能寻找到一种有毒化

学物质的替代品,那么比较好的战略思想是开发一种就地生产的工艺,而且只生产当时所需要的那么多的

数量.

革新的化学方法已开始设计对环境合理的工艺过程,以便更为有效的使用能量和原材料.例如,催化剂

方面的近期进展使化学反应可以在较低的温度和压力下进行.反过来,这种改变又减少了这些过程的能量

需求,简化了制造加工设备对构成材料的选择,新的催化剂还用于避免生产不希望的副产品.

4.发电厂排放物的控制

通过燃煤、燃油和燃烧天然气产生能量的设备都会排放出一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物以与

许多其它不受欢迎的副产物如灰尘和痕量的汞.现在可以采用一系列不断发展的技术来减少不希望

有的物质的排放以适应国家和地区标准的要求.化学家和化学工程师对工业水平的进步做出了巨大

的贡献.而催化科学为开辟这些前沿领域正在扮演重要的角色.

同时控制多种污染物是近年来开发先进的催化剂或吸附剂技术的目的.例如,催化方法可以使汽车尾

气中CO氧化的同时,还原氮的氧化物.另一些研究工作则定位于在中试阶段通过一种吸附剂的作用同时去

除烟道气中的硫和氮氧化物,而不会产生大量的废物.

5．对环境友善的产品

对产品在环境中的变化越来越了解使得科学家们开始设计"绿色"产品.一个重要的例子来自1940-1950s

的洗涤剂工业.当时以支链烷基苯磺酸盐为表面活性剂的新产品被引入.这些洗涤剂洗涤效率更高.但其后

发现这些物质残留在废水中在河面上形成泡沫.问题追溯到这些支链的烷基苯磺酸盐：它不像以前人们所

使用的肥皂.它不能被传统污水处理厂的细菌所有效地生物降解.经过深入的研究工作了解了生物化学过

程使化学家们设计和合成了另一类新型的表面活性剂,为直链烷基苯磺酸盐.这些新的化合物与传统肥皂

中的脂肪酸有相似的分子结构,因而微生物可以降解这些组分,而它与支链烷基苯磺酸盐的相似性又使其

具有卓越的洗涤性能.

新的生物化学也正在帮助农民减少使用杀虫剂.例如,棉作物可以通过改变基因而具备对棉螟蛉的抵

抗力.天然存在的细菌中一个基因当被转移到棉作物中时,能够祖师作物产生一种原来有细菌产生的蛋白

质.当螟蛉虫开始吃作物时,这种蛋白质通过切断螟蛉的消化过程从而杀死害虫.

6.处理

越来越多的环境问题与废物的排放有关,而一些原材料又存在供给有限的问题.这二者的联系引起了

人们对处理这一课题越来越大的兴趣.金属和大多数纸张的处理从技术上来说是简单的,这些物质在世界

很多地方都已普遍进行了处理.塑料的处理则面临着较大的技术方面的挑战.即使把它们与其它类型的废

品分离开来以后,不同种类的塑料还需要再彼此分离.即使如此,不同类型的塑料具有不同的化学性质,因而

也需要开发不同的处理工艺.

一些塑料可以通过简单地熔化注塑或用合适的溶剂进行分解再重新塑造成新塑料的方法进行处理.比

如,把大的聚合物分子裂解成较小的亚单元,再以此作为新聚合物的结构单元.确实,用这种方法处理软塑料

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瓶的计划正在进行中.

化学家和化学工程师们所做的大量的研究工作需要被成功地开发为所需要的处理技术.有时,也需要

开发一些全新的聚合材料.它们具有更容易进行处理的分子结构.

7.通过分离和转换减少废物量

把一些需要进行特殊处理的成分从那些可用常规方法处理或处置的废物中分离出来需要新的工艺过

程.而开发这些过程则需要深入研究以从根本上了解所涉与的化学现象.

含金属离子的酸性废水.一些工业过程产生了大量的酸性废水.这些废水可以分离成干净的水、可再利

用的酸、以与可从中提取出可回收金属的淤渣吗？这样的处理过程既可以保护环境,所需费用又与处置废

水所需成本与罚款相差无几.

工业废水处理.工业废水中的有害有机物能被热催化或光催化的过程破坏.一项前景很好的研究工作

是利用高温高压下的超临界水.在这种条件下,水表现出截然不同的物理和化学性质,它可以溶解并有助于

那些在常态下的水中几乎是惰性的物质发生反应.

高辐射的核废料.如果需要储藏的核废料其数量和组成能够显著地减少,就可以节省一大笔的费用.这

种减少需要用经济的方法把放射性成分与大量其它与核废料共存的物质分离开来,这样有害的化学废料就

可以分别地进行处置,核废料的处置仍将需要今后许多年进行大量的研究和开发工作.

膜技术.应用半渗透性薄膜进行分离大有希望获得成功.这些膜通常是片状聚合物.能够让一些化学物

质通过而不让另一些物质通过.这些膜常用来纯化水,阻挡住一些溶解的盐类提供干净的饮用水.膜分离技

术也用来提纯制造厂出来的废水.膜分离还可以用在气体方面,用来回收天然气中的微量组分.通过清除CO

提高天然气的热值,以与从空气中得到氮气.研究中的难点包括开发化学和物理学方面更有弹性的膜.这样

可以使制造费用不那么贵,并且可以提供更好的分离效率以降低分离成本.

生物技术.科学家们已经向自然界寻求帮助战胜有毒物质.土壤、水和沉积物中的一些微生物能以许多

有机化学物质为食.数十年来它们一直被用于传统的水处理系统.研究者们正通过仔细测量微生物生存的

最佳物理、化学和营养条件致力于处理强度更高的对象.他们的工作可能导致设计和生产新一代生物废水

处理设备.近年来的一个很大的进展是生物反应器内微生物的固定.即把微生物固定在反应器内降解废物.

这种固定可以允许有更高的流速.传统反应器内流速过高会冲走微生物.新的多孔载体的使用也使每个反

应器中微生物的数量明显提高.