化学工程与工艺英语

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Unit1化学工业的研究和开发

Oneofthemain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commitment和投资

investment。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technologyindustry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automaticcontrol，到新化合物结构的分子模拟，再到实

验室分析仪器的控制。

Individualmanufacturing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。

Themajor大部分化学公司是真正的跨国公司

multinational，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。

Unit2工业研究和开发的类型

Theapplied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。productdevelopment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。，或称聚四氟乙烯（）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processdevelopment。工艺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。早期的制造就为此

提供了一个很好的例子。

Theabilityof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，pencillin的需求量非常大，需要

大量生产。而在那时，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。

Processdevelopmentforanewproduct对一个新产品进行开

发要考虑产品生产的规模、产生的副产品以及分离/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。

Notethatby-products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。

Amajorpart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。

Finallyitshouldbenotedthat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）processimprovement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commonly，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inrencentyears，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

学产品的安全性及其对环境所产生影响的关注以及由此而制订

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note，withaplant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及降低能源消耗。

（4）applicationdevelopment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，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emphasis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。

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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

。

Unit3设计

Badontheexperienceanddata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，环境保护系统以及

其它相关技术参数。这是一个责任重大的工作。

Thedesignstage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designstage的产物是很多图纸：

（1）工艺流程图flowsheets。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）管道及设备图pipingandinstrumentation。标明

drawings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）以及所有安全系统（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equipmenspecificationsheets。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、最大和最小流速以及诸如此类等等。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construction

Aftertheequipmentmanufactures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，为大型设备及建筑物打下基础

（比如控制室、流程分析实验室、维修车间）。

完成了第一步initialactivities，就开始安装设备的主要部分

以及钢铁上层建筑。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。

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对大部分工程师来说这通常是一个令人激动exciting、享受

rewarding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check-outpha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thestartupperiodcanrequire阶段需要几天或几个月，

根据设计所涉及工艺技术的新颖、流程的复杂程度以及工程的质

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。

Theengineer在启动阶段duringthestartupperiod，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。

Unit4

由碳水化合物得到的有机化学产品（生物量）。

Themainconstituentsofplants植物主要组成部分是碳水化合

物，它包含了植物的主要成分。他们是像纤维素、淀粉之类的聚

多糖。淀粉包括植物的结构部分，大量出现在食物中如谷物、水

稻和土豆，纤维素是植物细胞壁的主要成分。因此它很广泛地存

在并可以从木柴、棉花中获得，所以它不但化学品资源很多而且

是可再生的。

Themajotroute从生物质到化学品主要路线是通过发酵过程

完成的。然而这些发酵过程不能够利用像纤维素淀粉这样聚合多

糖。因此后者必须先受到酸的或酶的水解生成单糖（单个或双糖

例如蔗糖）他们是合适的起始物料。

Fermentationprocessutilize发酵过程是利用单细胞微生物：

典型有酵母、真菌、细菌或者霉菌来生成特定化学品。在家用情

况下某些发酵过程的使用已经有了几千年历史了。最著名的例子

是把谷物发酵成酒类饮料。一直到1950年代还是用粮食发酵这

种普遍生产途径来生产脱脂肪族化学品。因为所生成的乙醇可以

脱氢生成乙烯。乙烯是合成整个范围内脂肪族化合物的关键的中

间产物。显然用这种方法生产的化学品已经下降了。但是用这种

方法生产汽车燃料让人很感兴趣。

Disadvantagesreflected这种发酵过程反映出来的缺点可分为

两个部分（1）原料（2）发酵过程。原材料费用比原油费用高，

因为生物质是一种农业材料。因此相对照，它的生产和收割是非

常花费大量劳动力的。而且农作物作为一种固体物料运输很困难

也很贵。发酵相对于石油化工主要缺点首先是发酵花费的时间。

发酵过程数量级通常是以天来计算而某些石油化工催化反应仅

仅只要几秒钟就完成了。第二个是，发酵过程的产品通常是稀释

的水溶液（<10%浓度）。它的分离和提纯花费就很高。微生物是

一种生态系统，很小的变化在过程条件下是允许的。即便为了增

加反应速率，在温度上一个相对小的增加可能导致微生物的死亡

以及终止这个过程。

Ontheotherhand另一方面，发酵方法也有特别好处，它们是

非常有选择行的。因为它所发酵生成的化学品在结构上是很复杂

的，要想合成它是极为困难的和//或者需要多步骤合成，但是用

发酵就很容易制成。最明显的例子是这种不同抗生素，例如，青

霉素、头孢霉素、链霉素。

Providedthattheimmenpractical只要与基因工程快速发展

领域相关联的是巨大的实际问题。在基因工程里，微生物如细菌

是特制的来生产特定的化学品，这样问题就能够被克服。那么人

们对发酵方法的兴趣将会非常大。可是在不久的将来发酵方法看

起来不像是生产大吨位化学品，就是需要量比较大的化学品例如

乙烯和苯。这是因为反应速度很慢而且十分巨大部分的分离花

费。

Unit6

石灰工艺大约40%的产量进入钢铁制造业，在钢铁制造业中

石灰产品用于存在于铁矿石中耐热的sio2反应，生成流动的渣浮

在表面上，这样就很容易与液态金属分开。少量但很重要的石灰

石的用途用于化学产品的制造，污染控制和水处理。其中从石灰

石中最重要产品是苏打灰。

Unit7

1haber合成氨方法

导言。制造NH3所有方法基本上都是habei方法微调版本这

个方法是第一次世界大战在德国的Nerst和Bosch发明的。

N2+3H2=2NH3

在原理上讲H2和N2反应是简单的，这是放热反应，所以平

衡点低温时在反应式的右方。不幸的是自然界给予N2很不容易

打开的很强的三键，使分子能够嘲笑热力学。在科学术语上讲，

N2在动力学上是惰性的，使反应以合理速度向前进行必须有相当

苛刻的反应条件。在自然界中固定氮（固氮意味着极为讽刺地“普

遍反应”）主要是闪电。在闪电过程中产生足够大能量使N2和

O2反应生成N的氧化物。

在化工厂里要得到NH3的可观的收率，我们需要催化剂。

Haber发现就是许多含铁的化合物是可行的催化剂，这为他赢得

了诺贝尔奖。即使有了这样催化剂还要有极高压力（早期合成

NH3生产过程中要达到600个大气压）和温度（可为400℃）。

压力推动平衡点向前移动。因为4个原子气体转化为2个。

可是较高温度可使平衡点向错误方向移动。尽管它们确实可以加

快反应，其选择条件必须是一种折衷也就是在合理的速度下给出

可接受的转化率。相对于早起接近理想化工厂，精确的选择条件

须依据其他经济因素还取决于催化剂的细节，现代化工厂倾向于

低压高温下工作（将没转化物料循环使用）。因为固定资产投资

和能量消耗变得越来越重要。

生物学固氮也算用一种催化剂。这是种含有钼（或钒）和铁

原子嵌在很大的蛋白质分子里的催化剂。这种催化剂的详细结构

直到1992年还困扰着化学家们。这种催化剂如何起作用的细节

至今还是不知道。

原材料。Haber合成NH3过程需要几种进料：能量N2和H2。

N2很容易从空气中提取出来，但是H2来源是另外一个问题。原

先H2是从煤中获得，通过蒸汽重整当中以焦炭作为原材料（基

本上是一种碳的资源）2.提取的蒸汽与碳反应生成H2,CO,CO2。

现在用天然气（主要是甲烷）代替，但是来自于原油其它碳氢化

合物也可以制造H2。合成氨工厂总是包含产生H的装置，它直

接与合成NH3联系在一起。

在重整反应之前，含S化合物必须从含H化合物进料中除掉。

因为含S化合物会使重整催化剂和Haber催化剂中毒。第一个脱

硫步骤包含一种钴—钼催化剂。这种催化剂能够氢化所有含S化

合物生成H2S。生成的H2S可与ZnO反应出去（生成ZnS和

H2O）。

主要的重整反应是典型的如下反应（重整反应是从镍基为催

化剂在150℃下面发生的）：

CH4+H2O→CO+3H2CH4+2H2O→CO2+4H2

其它碳氢化合物进行类似反应。

在第二步重整反应里，把空气注入1100℃蒸汽中。除此之外，

还有其它的反应发生，空气中O2和H2反应生成H2O。留下一种

混合物，接近于理想化的3：1的H2与N2的反应，且没有氧化

污染。然而进一步反应也是必须的，以便来将大部分CO转化为

H2和CO2通过变换反应进行：CO+H2O→CO2+H2

这个反应是在低温下进行的，且有2个步骤（400℃下用铁

催化剂，200℃下用铜催化剂）来确保这个反应尽可能的完全反

应。

下一步，CO2必须从混合气体中除掉。要除掉CO2需通过将

酸性气体通入碱性溶液反应，例如KOH和/或单乙醇铵。

到这个步骤为止，仍然有大多CO来污染氢氮混合物气体（CO

能使Haber催化剂中毒）需要另一个步骤，将CO量降低到ppm

水平。此步骤称为甲烷化，包含CO和H2生成CH4(与有些重整步

骤相反)。这个反应操作在大约325℃，还用一种镍催化剂。

到现在合成气体混合物已准备好进入Haber反应。

NH3的生产：各种不同类型合成NH3工厂的共同特征是合成

气体混合物被加热压缩并被送到含有催化剂反应的容器中。反应

基本方程式：N2+3H2〓2NH3

工业上通过合成NH3实现目标是可以接受的反应速度和反应

收率。在不同时期和经济环境中寻求不同方案的折衷方案。早期

合成NH3工厂强调用高压（来使得在一过性反应器中使收率提

高），但许多最为现代化工厂已经接受在低压下的低得多的单程

收率，并且也选择低温来节省能量。为了确保在反应器里面最高

收率，当反应气体达到平衡点时合成气体被冷却。可以通过使用

热交换器来降低反应器温度或者在合适处注入冷气。这种做法的

作用是为了冷却反应，从而尽可能接近平衡点。因为反应是放热

反应，（在比较高温度下不利于NH3的合成）所以反应热量必须

小心控制好来获得好的收率。

Haber反应出料是由NH3和混合气体组成的，所以下一步是

需要分开两者以便混合气体也循环使用。混合气的分离通常通过

冷凝NH3完成（NH3在-40℃时沸腾比其它化合物的挥发性小得

多）。

NH3的用途。NH3主要用途并不是为了生产含N化学品，以

作为进一步化学应用而是用于化肥，例如尿素、NH4NO3、磷酸盐。

化肥消耗产生NH3的80%。例如，在1991年美国由NH3得到产品，

大部分为化肥（以百万吨计）：尿素（4.2）、（NH4）2SO4(2.2)、

NH4NH3(2.6)、磷酸氢二铵（13.5）。

NH3化学用途多种多样。苏打灰生产过量要用到NH3，但是

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他并不出现在最终产品而被循环使用。一个广泛地过程直接用到

NH3，包括氰化物，含有N的芳香类化合物，例如嘧啶的生产。

许多聚合物中N(例如尼龙或者丙烯酸)可以追踪到NH3。经常通

过腈或HCN。大部分其它过程用HNO3或盐来作为N来源。NH4NO3

作为一种富含N的肥料，也作为一种大包炸药原料。