1、.Unit 1 Chemical Industry化學工業1 化學工業的起源盡管化學品的使用可以追溯到古代文明時代，我們所謂的現代化學工業的發展卻是非常近代（才開始的）。可以認為它起源于工業革命其間，大約在1800年，并發展成為為其它工業部門提供化學原料的產業。比如制肥皂所用的堿，棉布生產所用的漂白粉，玻璃制造業所用的硅及Na2CO3. 我們會注意到所有這些都是無機物。有機化學工業的開始是在十九世紀六十年代以William Henry Perkin 發現第一種合成染料苯胺紫并加以開發利用為標志的。20世紀初，德國花費大量資金用于實用化學方面的重點研究，到1914年，德國的化學工業在世界化學產品

2、市場上占有75%的份額。這要歸因于新染料的發現以及硫酸的接觸法生產和氨的哈伯生產工藝的發展。而后者需要較大的技術突破使得化學反應第一次可以在非常高的壓力條件下進行。這方面所取得的成績對德國很有幫助。特別是由于1914年第一次世界大仗的爆發，對以氮為基礎的化合物的需求飛速增長。這種深刻的改變一直持續到戰后（1918-1939）。1940年以來，化學工業一直以引人注目的速度飛速發展。盡管這種發展的速度近年來已大大減慢。化學工業的發展由于1950年以來石油化學領域的研究和開發大部分在有機化學方面取得。石油化工在60年代和70年代的迅猛發展主要是由于人們對于合成高聚物如聚乙烯、聚丙烯、尼龍、聚脂和環氧

3、樹脂的需求巨大增加。今天的化學工業已經是制造業中有著許多分支的部門，并且在制造業中起著核心的作用。它生產了數千種不同的化學產品，而人們通常只接觸到終端產品或消費品。這些產品被購買是因為他們具有某些性質適合（人們）的一些特別的用途，例如，用于盆的不粘涂層或一種殺蟲劑。這些化學產品歸根到底是由于它們能產生的作用而被購買的。2 化學工業的定義在本世紀初，要定義什么是化學工業是不太困難的，因為那時所生產的化學品是很有限的，而且是非常清楚的化學品，例如，燒堿，硫酸。然而現在有數千種化學產品被生產，從一些原料物質像用于制備許多的半成品的石油，到可以直接作為消費品或很容易轉化為消費品的商品。困難在于如何決定

4、在一些特殊的生產過程中哪一個環節不再屬于化學工業的活動范疇。舉一個特殊的例子來描述一下這種困境。乳劑漆含有聚氯乙烯/聚醋酸乙烯。顯然，氯乙烯（或醋酸乙烯）的合成以及聚合是化學活動。然而，如果這種漆，包括高聚物，它的配制和混合是由一家制造配料的跨國化學公司完成的話，那它仍然是屬于化學工業呢還是應當歸屬于裝飾工業中去呢.因此，很明顯，由于化學工業經營的種類很多并在很多領域與其它工業有密切的聯系，所以不能對它下一個簡單的定義。相反的每一個收集和出版制造工業統計數據的官方機構都會對如何屆定哪一類操作為化學工業有自己的定義。當比較來自不同途徑的統計資料時，記住這點是很重要的。3 對化學工業的需要化學工業

5、涉及到原材料的轉化，如石油 首先轉化為化學中間體，然后轉化為數量眾多的其它化學產品。這些產品再被用來生產消費品，這些消費品可以使我們的生活更為舒適或者作藥物維持人類的健康或生命。在生產過程的每一個階段，都有價值加到產品上面，只要這些附加的價值超過原材料和加工成本之和，這個加工就產生了利潤。而這正是化學工業要達到的目的。在這樣的一本教科書中提出：“我們需要化學工業嗎.”這樣一個問題是不是有點奇怪呢.然而，先回答下面幾個問題將給我們提供一些信息：（1）化學工業的活動范圍，（2）化學工業對我們日常生活的影響，（3）社會對化學工業的需求有多大。在回答這些問題的時候我們的思路將要考慮化學工業在滿足和改善

6、我們的主要需求方面所做的貢獻。是些什么需求呢.很顯然，食物和健康是放在第一位的。其它我們要考慮的按順序是衣物、住所、休閑和旅行。 (1)食物。化學工業對糧食生產所做的巨大貢獻至少有三個方面。第一，提供大量可以獲得的肥料以補充由于密集耕作被農作物生長時所帶走的營養成分。（主要是氮、磷和鉀）。第二，生產農作物保護產品，如殺蟲劑，它可以顯著減少害蟲所消耗的糧食數量。第三，生產獸藥保護家禽免遭疾病或其它感染的侵害。（2）健康。我們都很了解化學工業中制藥這一塊在維護我們的身體健康甚至延長壽命方面所做出的巨大貢獻，例如，用抗生素治療細菌感染，用-抗血栓降低血壓。衣物。在傳統的衣服面料上，現代合成纖維性質的

7、改善也是非常顯著的。用聚脂如滌綸或聚酰胺如尼龍所制作的T恤、上衣、襯衫抗皺、可機洗，曬干自挺或免燙，也比天然面料便宜。與此同時，現代合成染料開發和染色技術的改善使得時裝設計師們有大量的色彩可以利用。的確他們幾乎利用了可見光譜中所有的色調和色素。事實上如果某種顏色沒有現成的，只要這種產品確有市場，就可以很容易地通過對現有的色彩進行結構調整而獲得。這一領域中另一些重要進展是不褪色，即在洗滌衣物時染料不會被洗掉。（4）住所，休閑和旅游。講到住所方面現代合成高聚物的貢獻是巨大的。塑料正在取代像木材一類的傳統建筑材料，因為它們更輕，免維護（即它們可以抵抗風化，不需油漆）。另一些高聚物，比如，脲甲醛和聚脲

8、，是非常重要的絕緣材料可以減少熱量損失因而減少能量損耗。塑料和高聚物的應用對休閑活動有很重要的影響，從體育跑道的全天候人造篷頂，足球和網球的經緯線，到球拍的尼龍線還有高爾夫球的元件，還有制造足球的合成材料。多年來化學工業對旅游方面所作的貢獻也有很大的提高。一些添加劑如抗氧化劑的開發和發動機油粘度指數改進使汽車日產維修期限從3000英里延長到6000英里再到12000英里。研發工作還改進了潤滑油和油脂的性能，并得到了更好的剎車油。塑料和高聚物對整個汽車業的貢獻的比例是驚人的，源于這些材料擋板，輪胎，坐墊和涂層等等超過40%。很顯然簡單地看一下化學工業在滿足我們的主要需求方面所做的貢獻就可以知道，

9、沒有化工產品人類社會的生活將會多么困難。事實上，一個國家的發展水平可以通過其化學工業的生產水平和精細程度來加以判斷。4 化學工業的研究和開發。發達國家化學工業飛速發展的一個重要原因就是它在研究和開發方面的投入和投資。通常是銷售收入的5%，而研究密集型分支如制藥，投入則加倍。要強調這里我們所提出的百分數不是指利潤而是指銷售收入，也就是說全部回收的錢，其中包括要付出原材料費，企業管理費，員工工資等等。過去這筆巨大的投資支付得很好，使得許多有用的和有價值的產品被投放市場，包括一些合成高聚物如尼龍和聚脂，藥品和殺蟲劑。盡管近年來進入市場的新產品大為減少，而且在衰退時期研究部門通常是最先被裁減的部門，在

10、研究和開發方面的投資仍然保持在較高的水平。化學工業是高技術工業，它需要利用電子學和工程學的最新成果。計算機被廣泛應用，從化工廠的自動控制，到新化合物結構的分子模擬，再到實驗室分析儀器的控制。一個制造廠的生產量很不一樣，精細化工領域每年只有幾噸，而巨型企業如化肥廠和石油化工廠有可能高達500,000噸。后者需要巨大的資金投入，因為一個這樣規模的工廠要花費2億5千萬美元，再加上自動控制設備的普遍應用，就不難解釋為什么化工廠是資金密集型企業而不是勞動力密集型企業。大部分化學公司是真正的跨國公司，他們在世界上的許多國家進行銷售和開發市場，他們在許多國家都有制造廠。這種國際間的合作理念，或全球一體化，是

11、化學工業中發展的趨勢。大公司通過在別的國家建造制造廠或者是收購已有的工廠進行擴張。Unit 2 Research and Development研究和開發研究和開發，或通常所稱R&D是制造業各個部門都要進行的一項活動。我們馬上可以看到，它的內容變化很大。我們首先了解或先感覺一下這個詞的含義。盡管研究和開發的定義總是分得不很清楚，而且有許多重疊的部分，我們還是要試著把它們區分開來。簡單說來，研究是產生新思想和新知識的活動，而開發則是把這些思想貫徹到實踐中得到新工藝和新產品的行為。可以用一個例子來描述這一點，預測一個有特殊生物活性的分子結構并合成它可以看成是研究而測試它并把它發展到可以作為

12、一種新藥推向市場這一階段則看作開發部分。1 基礎研究和應用研究在工業上進行研究和開發最主要的原因是經濟利益方面，是為了加強公司的地位，提高公司的利潤。R&D的目的是做出并提供信息和知識以減低不確定性，解決問題，以及向管理層提供更好的數據以便他們能據此做出決定。特別的項目涵蓋很大的活動范圍和時間范圍，從幾個月到20年。我們可以在后面的段落里舉出大量的R&D活動。但是如果我們舉出的點子來源于研究院而不是工業化學家的頭腦，這就是基礎的或探索性的研究基礎研究通常與大學研究聯系在一起，它可能是由于對其內在的興趣而進行研究并且這種研究能夠拓寬知識范圍，但在現實世界中的直接應用可能性是很小的

13、。請注意，這種以內就在提出和解決問題方面提供了極有價值的訓練，比如，在指導下完成研究工作的學生所接受的研究方法學（的訓練）。而且，從這些工作中產生的“有用的副產品”隨后也能帶來可觀的使用價值。因此，物理學家宣稱要不是量子理論的研究和發展我們可能仍然沒有計算機和核能量。不管怎樣，舉一個特殊的化學方面的例子吧，在各個領域如烴的氧化方面所做的廣泛的研究將為一些特殊的領域如環己烯氧化生成尼龍中間產物提供有用的信息。通過合成可以生產出一些新的、更特殊的試劑以控制特殊的官能團轉換，即發展合成方法或完成一些具有生物活性的新分子的合成。盡管前者顯然屬于基礎性研究而后者則包括基礎研究和實用性研究兩部分。所謂“實

14、用性”習慣上是指與在工業實驗室完成的研究聯系在一起的，因為它更具目的性，它是商業行為驅動的結果。然而，請注意。近幾年有很大的變化，大學研究機構正越來越多地轉向工業界尋求研究經費，其結果就是他們的研究工作越來越多地是致力于實用研究。即使這樣，學院工作的重點通常還是在于研究而不是開發。2工業研究和開發的類型通常在生產中完成的實用型的或有目的性的研究和開發可以分為好幾類，我們對此加以簡述。它們是：（1）產品開發；（2）工藝開發；（3）工藝改進；（4）應用開發；每一類下還有許多分支。我們.對每一類舉一個典型的例子來加以說明。在化學工業的不同部門內每類的工作重點有很大的不同。 (1)產品開發。產品開發不

15、僅包括一種新藥的發明和生產，還包括，比如說，給一種汽車發動機提供更長時效的抗氧化添加劑。這種開發的產品已經使（發動機）的服務期限在最近的十年中從3000英里提高到6000、9000現在已提高到12000英里。請注意，大部分的買家所需要的是化工產品能創造出來的效果，亦即某種特殊的用途。Tdflon，或稱聚四氟乙烯（PTFE）被購買是因為它能使炒菜鍋、盆表面不粘，易于清洗。（2）工藝開發。工業開發不僅包括為一種全新的產品設計一套制造工藝，還包括為現有的產品設計新的工藝或方案。而要進行后者時可能源于下面的一個或幾個原因：新技術的利用、原材料的獲得或價格發生了變化。氯乙烯單聚物的制造就是這樣的一個例子

16、。它的制造方法隨著經濟、技術和原材料的變化改變了好幾次。另一個刺激因素是需求的顯著增加。因而銷售量對生產流程的經濟效益有很大影響。Penicillin早期的制造就為此提供了一個很好的例子。Penicillin能預防戰爭中因傷口感染引發的敗血癥，因而在第二次世界大戰（1939-1945）中，penicillin的需求量非常大，需要大量生產。而在那時，penicillin只能用在瓶裝牛奶表面發酵的方法小量的生產。英國和美國投入了巨大的人力物力聯合進行研制和開發，對生產流程做出了兩個重大的改進。首先用一個不同的菌株黃霉菌代替普通的青霉，它的產量要比后者高得多。第二個重大的流程開發是引進了深層發酵過程

17、。只要在培養液中持續通入大量純化空氣，發酵就能在所有部位進行。這使生產能力大大地增加，達到現代容量超過5000升的不銹鋼發酵器。而在第一次世界大戰中，死于傷口感染的士兵比直接死于戰場上的人還要多。注意到這一點不能不讓我們心存感激。對一個新產品進行開發要考慮產品生產的規模、產生的副產品以及分離/回收，產品所要求的純度。在開發階段利用中試車間（最大容量可達100升）獲得的數據設計實際的制造廠是非常寶貴的，例如石油化工或氨的生產。要先建立一個中試車間，運轉并測試流程以獲得更多的數據。他們需要測試產品的性質，如殺蟲劑，或進行消費評估，如一種新的聚合物。注意，副產品對于化學過程的經濟效益也有很大的影響。

18、酚的生產就是一個有代表性的例子。早期的方法，苯磺酸方法，由于它的副產品亞硫酸鈉需求枯竭而變的過時。亞硫酸鈉需回收和廢置成為生產過程附加的費用，增加了生產酚的成本。相反，異丙基苯方法，在經濟效益方面優于所有其他方法就在于市場對于它的副產品丙酮的迫切需求。丙酮的銷售所得降低了酚的生產成本。對一個新產品進行工藝開發的一個重要部分是通過設計把廢品減到最低，或盡可能地防止可能的污染，這樣做帶來的經濟利益和對環境的益處是顯而易見的。最后要注意，工業開發需要包括化學家、化學工程師、電子和機械工程師這樣一支龐大隊伍的協同合作才能取得成功。（3）工藝改進。工藝改進與正在進行的工藝有關。它可能出現了某個問題使生產

19、停止。在這種情形下，就面臨著很大的壓力要盡快地解決問題以便生產重新開始，因為故障期耗費資財。然而，更為常見的，工藝改進是為了提高生產過程的利潤。這可以通過很多途徑實現。例如通過優化流程提高產量，引進新的催化劑提高效能，或降低生產過程所需要的能量。可說明后者的一個例子是在生產氨的過程中渦輪壓縮機的引進。這使生產氨的成本（主要是電）從每噸6.66美元下降到0.56美元。通過工藝的改善提高產品質量也會為產品打開新的市場。然而，近年來，最重要的工藝改進行為主要是減少生產過程對環境的影響，亦即防止生產過程所引起的污染。很明顯，有兩個相關連的因素推動這樣做。第一，公眾對化學產品的安全性及其對環境所產生影響

20、的關注以及由此而制訂出來的法律；第二，生產者必須花錢對廢物進行處理以便它能安全地清除，比如說，排放到河水中。顯然這是生產過程的又一筆費用，它將增加所生產化學產品的成本。通過減少廢物數量提高效益其潛能是不言而喻的。然而，請注意，對于一個已經建好并正在運行的工廠來說，只能做一些有限的改變來達到上述目的。因此，上面所提到的減少廢品的重要性應在新公廠的設計階段加以考慮。近年來另一個當務之急是保護能源及降低能源消耗。（4）應用開發。顯然發掘一個產品新的用處或新的用途能拓寬它的獲利渠道。這不僅能創造更多的收入，而且由于產量的增加使單元生產成本降低，從而使利潤提高。舉例來說，PVC早期是用來制造唱片和塑料雨

21、衣的，后來的用途擴展到塑料薄膜，特別是工程上所使用的管子和排水槽。我們已經強調了化學產品是由于它們的效果，或特殊的用途、用處而得以售出這個事實。這就意味著化工產品公司的技術銷售代表與顧客之間應有密切的聯系。對顧客的技術支持水平往往是贏得銷售的一個重要的因素。進行研究和開發的化學家們為這些應用開發提供了幫助。CH3CH3F的制造就是一個例子。它最開始是用來做含氟氯烴的替代物作冷凍劑的。然而近來發現它還可以用作從植物中萃取出來的天然物質的溶解劑。當它作為制冷劑被制造時，固然沒有預計到這一點，但它顯然也是應用開發的一個例子。3化工行業中研究與開發活動的變化化學工業的不同部門所進行的R&D的性

22、質與數量都有很大的變化。與大規模生產的基礎化工產品有關的部門中，化學產品和技術變化都很慢，因為流程已很成熟。R&D經費支出屬于化工行業中低的一端，而且大部分的費用是用于過程改進和廢水處理。無機方面的例子有氨、肥料和氯堿的生產，有機方面的如乙烯等一些基礎石油化學的中間產物。不一樣規模生產的是藥品和除草劑。人們付出了巨大而持續的努力以合成能產生所希望的、特殊的生物作用的新分子。一家公司每年可能要合成10,000新化合物以供篩選。可以想象一些醫藥公司其每年的R&D經費支出高達100億美元。換句話說，他們把超過14%的銷售收入投入在R&D上。Unit 3 Typical Act

23、ivities of Chemical Engineers化學工程師的例行工作化學工程師經典的角色是把化學家在實驗室里的發現拿來并發展成為能賺錢的、商業規模的化學過程。化學家用少量的反應物在試管和派式氧彈中反應相應得到少量的生成物，所進行的通常是間歇性的恒溫下的實驗，反應物放在很小的置于恒溫水槽的容器中，加點催化劑，反應繼續進行，隨時間推移，反應物被消耗，并有生成物產生，產物在合適的間歇時間獲得。與之相比，化學工程師通常面對的是數量多得多的物質和龐大的（昂貴的）設備。反應器可以容納1000 到10,000加侖甚至更多。蒸餾塔有100英尺多高，直徑10到30英尺。化工廠一個單元流程的投資可能超過

24、1億美元。在把化學家研制的小型反應器及分離系統“放大”到很大的商業化車間時，通常需要化學工程師的參與。為了徹底了解過程中的化學反應，化學工程師必須與化學家密切合作以確保能得到所需要的反應的動力學性質和物理性質參數以進行設計、運轉和優選流程。這就是為什么化工課程要包括那么多的化學類課程的原因。化學工程師還必須與機械、電子、土木建筑和冶金工程師密切協作以設計和操作工廠的機械設備反應器、槽、蒸餾塔、熱交換器、泵、壓縮機、控制器和儀器設備等等。在這張設備單上還有一大類是管子。化工廠最典型的特征之一就是數目龐大的管道貫穿所有生產間。可以毫不夸張地說，在許多車間都有幾百英里長的管道。這些管道輸入和輸出車間

25、的反應物質進行傳遞，同時還可攜帶有用的東西（水蒸氣、冷卻水、空氣、氧、冷卻劑）進入操作單元。要把實驗室研究商業化，化學工程師要參與進行開發、設計、建筑、操作、銷售和研究工作。各個公司用來表示這些工作的名詞不完全一樣，但萬變不離其宗。讓我們簡單地把每個工作描述一下。應該強調的是，我們所討論的工作是“典型的”和“經典的”，但并不意味著化學工程師只能做這些事。化學工程師在數學、化學和物理學方面都有很好的知識基礎，因此，他或她能夠而且確實適應工業、政府部門、大專院校等非常廣泛的職業要求。1. 開發開發工作是從實驗室規模向商業化規模轉化所必需的中間階段。開發階段所涉及的“中試”流程所使用的反應器容量為5

26、加侖，蒸餾塔直徑為3英寸。開發通常是化學流程商業化的一部分。因為“放大”規模是一個非常困難的問題。直接從試管研制跳到在10.000加侖反應器里生產是非常棘手的有時甚至是危險的工作。一些（在實驗室研究階段）根本不明顯的未加以考慮的細微問題，如混合不均勻，溫度梯度輻射狀升高，熱交換面積逐漸降低以及熱交換速度下降等（在后一階段變得影響很大）。化學工程師與化學家和其他一些工程師協作對中師車間進行設計、安裝和運行，設計方面包括確定設備的尺寸、結構、制造所用的材料。通常中師車間的設計是有很大的變通性的，以便能對各種情況和構造進行評估。中試車間一旦開始運轉，就能獲得性能數據和選定最佳數值以便從經濟學角度對流

27、程進行評價。對生產過程的每一個階段可能獲得的利潤進行評定。如果結果顯示投入的資金不能有足夠的回報，這項計劃將被停止。中師車間還提供了評價設備制造材料、測量方法、流程控制技術的機會。中試車間的這些實驗數據對于工業裝置設計的改善能提供有用的幫助。2 設計根據在實驗室和中試車間獲得的經驗和數據，一組工程師集中起來設計工業化的車間。化學工程師的職責就是詳細說明所有過程中的流速和條件，設備類型和尺寸，制造材料，流程構造，控制系統，環境保護系統以及其它相關技術參數。這是一個責任重大的工作。設計階段是大把金錢花進去的時候。一個常規的化工流程可能需要五千萬到一億美元的資金投入，有許多的事情要做。化學工程師是做

28、出很多決定的人之一。當你身處其位時，你會對自己曾經努力學習而能運用自己的方法和智慧處理這些問題感到欣慰。設計階段的產物是很多圖紙：（1）工藝流程圖。是顯示所有設備的圖紙。要標出所有的流線和規定的條件（流速、溫度、壓力、構造、粘度、密度等）。（2）管道及設備圖。標明所有設備（包括尺寸、噴嘴位置和材料）、所有管道（包括大小、控制閥、控制器）以及所有安全系統（包括安全閥、安全膜位置和大小、火舌管、安全操作規則）。（3）儀器設備說明書。詳細說明所有設備準確的空間尺度、操作參數、構造材料、耐腐蝕性、操作溫度和壓力、最大和最小流速以及諸如此類等等。這些規格說明書應交給中標的設備制造廠以進行設備生產。3 建

29、造當設備制造把設備的所有部分都做好了以后，這些東西要運到工廠所在地（有時這是后勤部門頗具挑戰性的任務，尤其對象運輸分餾塔這樣大型的船只來說）。建造階段要把所有的部件裝配成完整的工廠，首先要做的就是在地面打洞并傾入混凝土，為大型設備及建筑物打下基礎（比如控制室、流程分析實驗室、維修車間）。完成了第一步，就開始安裝設備的主要部分以及鋼鐵上層建筑。要裝配熱交換器、泵、壓縮機、管道、測量元件、自動控制閥。控制系統的線路和管道連接在控制室和操作間之間。電線、開關、變換器需裝備在馬達上以驅動泵和壓縮機。生產設備安裝完畢后，化學工程師的職責就是檢查它們是否連接完好，每部分是否正常工作。對大部分工程師來說這通

30、常是一個令人激動、享受成功的時候。你將看到自己的創意由圖紙變為現實。鋼鐵和混凝土代替了示意圖和表格。建筑是許多人多年辛勞的結果。你終于站到了發射臺上，工廠將要起飛還是最后失敗。揭曉的那一刻即將到來。測試階段一旦完成，“運轉階段”就開始了。啟動是工廠的首項任務，是令人興奮的時刻和日夜不停的工作。這是化學工程師最好的學習機會之一。現在你可以了解你的構思和計算究竟有些什么好。參與中試車間和設計工作的工程師通常也是啟動隊伍中的人員。啟動階段需要幾天或幾個月，根據設計所涉及工藝技術的新穎、流程的復雜程度以及工程的質量而定。中間經常會遇到要求設備完善的問題。這是耗時耗財的階段：僅僅每天從車間出來的廢品會高

31、達數千美金。確實，曾經有些車間因為沒有預計到的問題如控制、腐蝕、雜質或因為經濟方面的問題而從來沒有運轉過。在啟動階段，工程師們通常需輪流值班。在很短的時間里有很多的東西需要學習。一旦車間按照設定程序成功運轉，它就轉變為產品的常規生產或制造部門。4 制造化學工程師在制造階段占據中心的位置。車間技術服務部門負責車間有效而安全地運轉的技術方面。他們進行生產量和性能測試以找出設備的瓶頸在哪，然后設計一些修正或附加的東西以解決這些瓶頸。化學工程師研究一些方法節省能源，降低原材料消耗、減少不合要求的需進行處理的產品的生產，以降低生產成本。他們還研究一些提高產品質量、減少空氣和水中環境污染的措施。除了提供技

32、術服務外，許多工程師還負責生產監督。這些監督保證工廠日常生產的各個方面正常進行。包括管理換班工作的操作工，滿足質量要求，按期按量發出產品，生產并保持設備備件的存儲量，為車間設備維修，保證安全規則被遵守，避免過多排出廢物污染環境，并且做工廠對當地社會的代言人。5 技術銷售許多化學工程師發現在技術銷售中充滿了刺激性的、有利可圖的機會。與其它的銷售業務一樣，這項業務包括拜訪客戶，推薦一些特別的商品以滿足客戶的需要，并確保訂單能順利完成。銷售工程師是公司的代表，必須十分清楚公司的產品生產情況。銷售工程師的銷售能力極大地影響公司的發展和利潤。許多化工產品的市場開發需要制造化工產品公司的工程師與使用化工產

33、品公司的工程師密切合作。這種合作所采取的方式可以是對如何使用一種化學產品提出建議，或者是生產出一種新的化學產品以解決客戶的某個特殊的困難。當銷售工程師碰到他自己沒有把握解決的問題時，他或她必須要請教專家。有時銷售工程師還需組織來自不同公司的研究人員共同努力來解決某個問題。6 研究化學工程師能從事多種類型的研究工作。他們與化學家聯合開發新的或革新的產品。他們探索新的和改良的工程技術（比如更好的計算機程序以模擬化工工藝，更好的實驗室分析方法分析有代表性的化學產品，新型的反應和分離系統。）他們研究改進的傳感器以進行物理性質的在線檢測，他們還研究單個流程結構和設備。研究工程師可能是在實驗室或辦公桌前鉆

34、研難題。他們通常是一組科學家或工程師中的一員。了解生產流程以及通常流程所使用的設備使化學工程師能在研究工作中做出突出的貢獻。化學工程師的日常工作有時頗似那些化學家和物理學家。Unit 4 Sources of chemicals化學物質的來源化學物質的數量多得驚人，其差異很大：所知道的化學物質的數量就達上千萬種。如此的數量與理論上可能形成的含碳化合物的數量相比，相形見絀。含碳化合物的數量之大是耦合的結果：即相對較強的碳碳共價鍵的碳原子長鏈和異構體的形成。大部分這些化合物只是滿足實驗室好奇心或學術興趣。然而，其他剩余的達幾千種，是商業和實踐興趣。因此，可以預料到這些化學物質的來源很廣。雖然對無機

35、化學品如此，但是奇怪的是，大多數有機化學品來源于一種資源，即原油（石油）。1. 無機化學品Table1-1 無機化學品的主要來源因為“無機化學品”這個詞（術語）涉及到（cover，包括、涵蓋）的是除碳以外所有元素構成的化合物。其來源的多樣性并不很大（見表1-1）。一些較重要的來源是金屬礦（包括重要的金屬鐵和鋁）以及鹽和海水（用于生產氯、鈉、氫氧化鈉和碳酸鈉）。在這些情況下，至少兩種不同的元素化合以一種穩定的化合物在一起。因此，如果要得到單個元素（也就是金屬），那么提取過程除了純物理的分離方法以外，還必須涉及到化學處理（過程）。金屬礦或無機礦很少以純物質的形式存在，因此，處理過程的第一步通常是：

36、（將無機礦中）從不要的固體如粘土或沙石中分離出來。固體篩分后經壓碎和研磨，利用顆粒尺寸差異可以完成一些物理分離。下一步驟則取決于所需礦物的本質及其特征。例如，鐵礦常在磁分離器利用他們的磁性加以分離。泡沫浮選是另一種廣泛應用的分離技術。在該技術中，所需要的礦物，以細小顆粒形式存在，借助被水溶液潤濕能力的差異而與其他礦物加以分離。常加入表面活性劑（抗潤濕劑），這些典型的分子，一頭為非極性部分（如長碳氫鏈），另一頭為極性部分（如-NH2）。該極性基團與礦物相吸，形成不牢固的鍵；而碳氫基團與水相斥而阻止礦物被潤濕，因而礦物能浮選。相反，其他固體物質很容易被潤濕而沉在水溶液中。攪拌溶液或液體中鼓泡以產生

37、泡沫能大大促進表面活性劑包裹的礦物的漂浮，這些礦物從容器中溢出到收集容器中，在收集容器，礦物得到回收。顯然，該過程成功的關鍵在于，為所處理礦物選擇一種高選擇的特定的表面活性劑。2 有機化合物相比于無機化學品來自于眾多不同的資源（這一點我們已經明白了），商業上的一些重要的有機化合物基本上來源單一。如今，所有有機化合物的99%以上，可以通過石化工藝過程從原油（石油）和天然氣得到。這是一種有趣的情形 該情形一直在改變，而且將來也會變化，因為從技術上講，相同的化學品可以從其他原料得到。尤其是脂肪族化合物，可以通過由碳水化合物的發酵所得的乙醇加以生產，另一方面，芳香族化合物可以從煤焦油中分離得到。煤焦油

38、是煤炭化工過程的副產物。動植物油脂，是為數不多的脂肪族化合物的特定的資源，這些脂肪族化合物包括長鏈脂肪酸（如正十八酸）和長鏈醇（如正十二烷醇）。化石燃料（即石油、天然氣和煤）的形成要花上百萬年，一旦用掉就不能被替換，因此，它們稱之為不可再生的資源。這與來自于植物的碳水化合物恰恰相反，碳水化合物能夠較快被更新。一種較為普遍應用的資源為蔗糖 一旦作物被收割和土地被清理，又可以種植和收割新的作物，通常少于一年。因此，碳氫化合物可稱為可再生資源。據估計，植物原料（干重）的總的年產量為1*1011 噸。化石燃料天然氣、原油和煤，主要用作為能源，而不是作為有機化合物的資源。例如，各種石油分餾物的氣體，用于

39、家用烹調和取暖、用作為汽車用的汽油、加熱建筑物重燃油，或用于在工業處理以產生的蒸汽。通常，一桶原油的8%用于化學品的生產。下列數據可以說明，為什么化學工業在原油的使用方面與燃料或能源消耗的工業展開著競爭。顯然，若我們愿意使用可代替化石燃料的其他能源，那么這些可替代能源可以利用的，同時，我們自信地預料到在不久的將來，可以用上其他的可替代能源。因此，有必要要去保存寶貴的石油供應以用于化學品的生產。“處理石油的最后一件事情是將之燃燒”該說法是有根據的。注意到這件事很有趣且有益的：早在1894 年門捷列夫（發現元素周期表之俄國科學家）就向當局報道，“石油是太寶貴的資源而不能將之燃燒掉，應該將之以化學品

40、資源加以保存。”來自于碳水化合物（植物莖桿）的有機化學物質，職務的主要成分是碳水化合物，碳水化合物組成職務的結構。它們為多糖（如纖維素和淀粉），大量的淀粉存在于食物（如谷類、大米和馬鈴薯）之中，纖維素是組成細胞壁的主要物質，因而廣泛存在，可以從木材、棉花等中得到。因此，來自于碳水化合物的化學品的潛力是相當大的，而且該原料可再生。從碳水化合物得到化學物質的主要途徑是通過發酵過程。然而發酵過程不能利用多糖（如維素和淀粉），因此，淀粉必須先收到酸性或酶水解反應生成更簡單的糖類（單糖或二糖（如蔗糖），這些較為簡單的糖是發酵過程中的）合適的起始原料。發酵過程是利用單細胞的微生物（一般有酵母菌、真菌、細菌

41、或霉菌）生產特殊化學品。有些發酵農家已用了上千年。最著名的例子為，谷物發酵生產含酒精的飲料。直到1950 年，該方法才成為生產脂肪族有機化學品的最普遍的途徑。因為生產的乙醇脫水生成乙烯，而乙烯是合成大量脂肪族化合物的關鍵中間體。盡管用此方法生產的化學品有所減少，但是用這種方法生產汽車燃料方面存在大量的興趣。反映在發酵過程的缺點可分為兩方面（1）原料（2）發酵過程。因為植物莖桿是一種農業原料，其生產和收割均為勞動力密集型的過程，所以相比之，它的原料費用高于原油的費用。同時，物料的運輸更困難，費用更高。與石化處理過程相比，發酵過程的主要缺點是：其一，時間通常要好幾天，相比有些催化石油反應只要幾秒；

42、其二，所得的產物通常是以稀的水溶液（濃度<10%）存在，因此，分離和純化費用較高。因為微生物是活的體系，過程的條件幾乎不容許改變。為了增加反應速度，即使相對于小的溫升，獨有可能會導致微生物的死亡和發酵過程終止。另一方面，發酵方法的獨特優點是，其選擇性高，一些結構復雜而很難以合成或者需要多步合成的化合物，通過發酵很容易制得。著名的實例有多種多樣的抗生素的生產。如青霉素，頭孢菌素和鏈霉素。如果也基因工程中快速發展的過程中大量的實際問題得到解決，那么發酵方面的興趣存在很大的興趣。在基因工程中。微生物（如細菌）能定制地生產成所需的化學品。然而，因為發酵反應速度慢和產物分離費用高，在不久的將來要實

43、現用發酵方法生產大眾化學品（即需求量極大的化學品如依稀，笨。）看來是不可能。來自于動植物油和脂肪的有機化學品，動植物油脂（常指類肪）是由甘油脂組成，甘油酯為三羥基醇，甘油（丙烷-1，2，3-三醇，丙三醇）。有多種不同的種植物油資源，較為普通的有，大豆，谷物，棕樹核，油菜籽，橄欖油，動物脂肪和巨鯨。這些油類可通過溶劑萃取分離得到。有相當大的部分，烹調油脂的形式用食品工業中，用于生產黃油，人選黃油和其他食品（如冰激凌）。這些食品的烷基對人的健康的影響，尤其對血液中的膽固醇的影響，存在著爭議。血液中的高膽固醇的含量會引起高血壓和心臟病。目前的觀點似乎贊成高含量不飽和的基因在降低膽固醇的水平和降低心臟

44、病（發病率）危險是有利的。這引起如下趨勢。不用烹調脂類和普通黃油或人造黃油（這些物質中飽和烷基含量豐富），而轉向用烹調油和不飽和烷基的含量高的人造黃油。類脂屬于脂類（物質），用于生產化學物質時，以水解反應開始，雖然水解反應可以用酸或堿催化，但堿催化效果更好，因為堿催化反應不可逆。堿性條件下的水解反應叫做皂化反應。注意到這樣事實很重要 皂化反應，水解反應（脂肪分解）一級氫解反應不會利用單一甘油酯（或甲基醇，實際上，所用植物油是各種甘油酯的混合物，因此（水解）產物也是混合物，需要分離。Unit 5 Basic Chemicals基本化學品我們將化學工業部門分成兩類，生產量較大的部門和產量較低的部門

45、。在產量高的部門中，各種化學品的年產量達上萬噸至幾十萬噸。結果這樣所用的工廠專門生產某一個單個產品。這些工廠的連續方式進行操作，自動化程度高（計算機控制）歸類于產量高的部門有硫酸，含磷化合物，含氮化合物，氯堿及其相關化合物，加上石油化學品和商品聚合物（如聚乙烯）（生產部門）。除商品聚合物外，其它的均為重要的中間體，或基本化學品。這些基本化學品是其他許多化學品的生產原料，其他許多基本化學品的需求量很大。相反，產量低的部門主要從事精細化學品的生產。單個化學品的年產量只有幾十噸到幾千噸。然而，與高產量的產品相比，這些產品單位重量具有很高的價值。通常，精細化斜坡的生產與間歇方式操作在工廠中，而且這些工

46、廠常進行多種產品的生產。低產量生產部門生產農用化學品，染料，藥品和特種聚合物（如聚醚醚酮）。基礎化學品在化學工業中得不到支持，它們不那么引人注意（如藥品），有時候利潤不很高。其利潤來自于經濟盛衰時難以預測的周期。這些基本化學品不被公眾注意到和直接使用，因此其重要性常得不到理解。即使在化學工業中，其重要性也得不到足夠的重視。然而，如果沒有這些基本化學品，其他工業就不復存在。基本化學品處于原料（及那些從地下通過采礦、開采或用泵抽出來的物質）和最終產品的中間位置。基本化學品的一個顯著的特征就是它們的生產規模，每一種（基本化學品）的生產規模都相當大。圖2-1表示在1993 年美國市場上的25 中化學品

47、。（為了使我們了解化學品的分類與生產量有關。）通常，基本化學品生產于那些年產量上萬噸的工廠。年產量10 萬噸的工廠每小時要生產1.25 噸。基本化學品的另一顯著重要的特征是其價格。大多數價格相當便宜。基本化學品工業所作的工作（或任務）是找到經濟的途徑將原來轉變為有用的中間體。生產廠家要對它們的產品收取較高的價格幾乎沒有余地，因此，那些最低費用生產產品的廠家可能獲得的利潤最高。這就意味著，廠家就必須不斷準備尋求新的，更經濟的生產和轉變原料的方法。許多基本化學品為石油精煉的產物，而部分基本化學品工業-硫、氮、磷和氯堿工業是把除C 和H、S 外的元素轉變為化學品。總之，這些產品和石化工業的基本產物兩

48、者結合起來可生產無數重要的化學物質，這些重要的化學物質可作為其余化學工業的原料。基本化學工業現在面臨著其歷史上中最大的挑戰之一，該工業中的產品消費部門-農業以停止增長。同時大大減小了對肥料的需求。西方的農場主生產了大多的食物，政府減小了對農業部門的津貼，結果導致了更少的土地用于耕種和所需的肥料減少。過量肥料的流失而引起的環境的關注也減少了對肥料的需求。諸如含氯化合物之類的產品，已收到了來自環境學家的壓力。根據關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾白皮書，一些產品將受到禁止。而其它的物質，可以受得住環境學家的壓力。基本化學品工業再也不會依靠在需求量方面的長期增長。為了實現更好的規模經濟和某一特殊產品更好的

49、市場地位，廠家相互交換工廠（車間），該工業注重不斷合并聯合。這使從事某一工業的人員減少，使該工業達到更好的供需平衡和更好的利潤。基本化學品工業正逐漸轉向為其他化學工業服務，而越來越小地為農業服務。基本化學品受到的壓力是許多大規模過程引起的（覺察得到的）較大的環境污染。盡管許多大廠家的生產效率較高，但是該工業要實現最好的環境標準還有很長的路要走。增加重復利用的驅動力和理想化的無排放的工廠，是影響接下來十年該工業發展的主要因素。技術的進步不會停止，我們將日益重視無污染的工廠和過程。廠家將在效率上展開競爭。那些能以最低的成本生產最高質量產品的廠家將繁榮昌盛。這需要廠家在技術改進方面保持投資。基本化學

50、品的合成有用的中間體的新穎方法將不斷被人們發現。在基本化學品工業中，仍然還有許多工作有待去做。Unit 6 Chlor-Alkali and Related Processes氯堿及其相關過程縱觀歷史，大眾化學品工業在氯堿及其相關過程之上。該部分通常包括氯氣、苛性蘇打（氫氧化鈉）無水碳酸鈉（以各種形式存在的碳酸鈉的衍生物），以及以石灰為基礎的產品。自從無水碳酸鈉和氫氧化鈉的各種制備工藝發現以來，兩者在作為堿為主要原料方面相互競爭。電解過程的特殊經濟性意味著不管對氯氣和氫氧化鈉這兩種不同類型的產品的相對需求量如何，你只有以固定的比例同時制備氯氣和氫氧化鈉。這引起了氫氧化鈉的價格的搖擺不定，從而使

51、得純堿作為一種堿或多或少有利。氯氣苛性蘇打和純堿的生產都取決于廉價易得的原料供應，前者的生產需要廉價的海水和電力的供應，而純堿的生產需要海水、石灰和大量的能耗。純堿廠只有在其原料不必要長距離的運輸時才能贏利。這些原料供應利用是影響化工企業位置分布的一個重要因素。1. 石灰為基礎的產品一種關鍵（重要）原料是石灰石。石灰石主要是由CaCO3 組成，高質量的石灰石可直接用于下一步反應。石灰石通常在大型露天石礦中開采，許多采石礦也進行原料的一些處理。從石灰石得到兩種重要的產物：生石灰（CaO）和熟石灰水，生石灰是由石灰石根據該反應是熱分解（1200-1500）制備得到。CaCO3 > CaO+

52、CO2一般的，石灰石經過粉碎加入傾斜旋轉窯的較高端，在此發生熱分解反應，生石灰在另一端回收。然而，通常生石灰用于進一步反應而分離，而加入其它化合物，與生石灰在窯的較低口處生成最低產品。例如，加入鋁礦、鐵礦和沙石可生成硅酸鹽水泥。純堿的生產，通常要向生石灰加入焦炭，焦炭燃燒生成純堿所需的CO2，熟石灰由生石灰和水的反應制造，較生石灰更加方便。大約40%的石灰工業的產品用于鋼鐵制造業。在鋼鐵制造業中，純堿用來與鐵礦石中難溶解的硅酸鹽反應，生成流態礦渣，礦渣漂浮于表面上，很容易從液態金屬中分離，叫少量但重要的石灰工業的產品用于化學品的制造，污染控制和水處理。從石灰石得到的最重要的化學茶品是純堿。2.

53、 純堿索爾維工藝，該工藝發現于1965 年由ES 優化：工藝是以當含氮的鹽溶液經來自于石灰窯中焦炭燃燒產物CO2 碳酸鹽反應時，NaHCO3 沉淀析出為基礎。NaHCO3 經過濾、干燥、煅燒生成CaCO3。過濾后NH4Cl溶液和熟石灰反應后（溶液體呈堿性）。蒸餾出NH3 在該過程中循環利用，生成物CaCl2 是廢棄物或副產物。對于某一簡單的基本產物來說，索爾維法看起來十分復雜。該反應的基本原理是，以NaCl2 和CaCO3為原料生成產物CaCl2 和Na2CO3.然而發生于原料和產物之間的反應并不明顯，需要利用NH3 和Ca(OH)2作為中間化合物。該過程的基本原理為：利用準確的控制組分（尤其

54、是NH3 和NaCl）的濃度，NaHCO3 能夠從含NaCl、CO2 和NH3 的溶液里沉淀析出。該過程的關鍵是控制溶液的酸堿強度和結晶的速度，該工藝的基本路線如下，NH3 氣于氨氣吸收器中吸收于事先經純化的海水中，純化的海水以減小Ca+、Mg+離子的量。（Ca+、Mg+在生產過程中易產生沉淀而阻塞管道）。含NaCl 和NH4HCO3 的溶液經吸收了CO2 的吸收塔(CO2 氣體量塔底向上流) 開始時形成(NH4)2CO3 然后再生成NH4HCO3。在工廠的下面步驟中，Nacl 和NH4HCO3 經復分解反應生成NaHCO3（以沉淀形式形成）和NH4Cl。過濾將固體NaHCO3 從溶液中分離。

55、將NaHCO3 送至旋轉干燥器，在該干燥器中，NaHCO3 失去水和CO2后生成疏松的晶體塊（即輕質純堿）它的主要成分為Na2CO3 蓬松的晶體塊很輕，是因為NaHCO3 失去CO2后，留下很多空隙，而保留原來的晶體形狀。通常要得到密度更大的物質很方便，加入水（水能引起咦密度較大的形式重結晶）進一步干燥即可實現。值得爭議的是，上述的化學知識是否為該過程的很好的描述，但這些只是肯定有助于理解過程。想要對此過程有詳細的理解，必須要熟悉該組分體系中關于溶度積的很多知識。需要知道的重要知識是，該體系是復雜體系，為了使該過程高效操作，需要對該過程每部分小心控制。該過程的一個缺點是：產生的CaCl2 的量

56、很大，其產生量比所需量大得多。因此，大部分CaCl2 只是簡單的倒掉（CaCl2 毒性不大），如果能要該過程中的有的進料加以利用，那么該過程是有優勢，例如，從該氯化物可產生HCl。純堿的用途，有50%的純堿銷往玻璃制造業，因為穿件是玻璃制造過程中的主要原料。因此純堿工業的財富與玻璃需求量息息相關。純堿作為一種堿在許多化學過程中與NaOH 存在直接競爭。Na2SO3 是由純堿和SiO2 在1200-1400反應衍生而來的另一類化學物質。硅酸是具有大表面積細小顆粒的Na2SO3，可用于催化劑、色譜之中，洗滌劑和肥皂中作為部分磷酸鹽的替代品。3. 生成Cl2/NaOH 的電解過程簡介，在化學工業法杖

57、是的各個時期，Cl2 和NaOH 兩者的需求量均很大，但是不幸的是，對于電化學工廠的操作人員來說，兩者的需求量必總是相同。Cl2 可作為漂白粉或作為漂白粉的生產原料，水供應的消毒劑，以及作為塑料和溶解劑知道的原料。苛性鈉用于生產純堿、肥皂和紡織品，以及在多種化學過程中作為一種十分重要的原料。所有的電解有著共同之處，鹽的電解生成Cl2 和NaOH。大多數生產過程是電解（鹽的）水溶液，但是有些重要的工廠，電解熔融鹽生成Cl2 和液態鈉。這些電解熔融鹽的過程用用于重要液態Na 的工業。雖然石油添加劑廠家多種多樣，設會出現液態鈉的其他用途，但是他的主要是用于生產四烷基鉛石油添加劑。實質上用于水溶液電解

58、過程有三種不同的電解槽：水銀槽、隔板槽和膜電解槽。膜電解槽只是用于此案在化工廠中新的生產過程，但是還存在著大量的舊生產過程，盡管說陰曹涉及到對環境的影響，但是許多生產廠家上位法此案膜片電解槽代替水印電解槽的經濟性。所有的電解反應都是以電子作為化學反應的試劑的觀點為基礎。設水電解過程的基本反應可寫成下式：陽極2Cl 2e- Cl2陰極2H2O + 2e H2 + 2OH總反應為2Na+ + 2Cl + 2H2O NaOH + Cl2 + H2該反應的自由能為正，因此，需要電驅使進行。像其他許多化學品工藝一樣，盡管該反應看起來似乎極其簡單，但是有一些方面很復雜。首先，該反應的產物必須分開，如果H2

59、 和Cl2 允許混合在一起，它們會劇烈反應。H2 和Cl2 反應生成HOCl 和氯化物（兩者均會浪費產物、生成副產物）。接著，HOCl 和次氯酸鹽反應生成氯酸鹽（ClO3-）、質子和更多的氯化物。OH 在陽極區反應生成能污染Cl2 的O2。所有的這些反應可降低效率和（或）引起分解困難或污染問題。因此，在產物銷售之前，有必要對這些反應清理。理解各種用于電解過程的關鍵是各種類型的過程分離反應產物的方式。盡管不同的制造商所用的電解槽在細節方面有著多種改變，但是用于鹽水的電解過程的電解槽基本可分為以上三類。4、Cl2 和NaOH 的用途NaOH 的用途之多，以致很難將它們方便地進行分類。最大的用途之一是用于造紙，造紙業中木材的處理需要強堿。有些國家造紙業中NaOH 的消耗占其產量的20%，另外