化学工业的起源

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1、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及 Na2CO3. 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 William Henry Perkin 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

2、因于新染料的发现以及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） 。date bake to/from: 回溯到dated: 过时的，陈旧的stand sb. in good stead: 对。 。 。很有帮助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

3、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。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。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

4、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）的合成以及聚合是化学活动。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

5、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及到原材料的转化，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

6、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

7、感染的侵害。（ 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 -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

8、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

9、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，

10、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

11、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。Unit 3 Typical Activities of Chemical Engineers 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

12、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及分离系统 “放大” 到很大的商业化车间时， 通常需要化学工程师的参与。 为了彻底了解

13、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

14、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。 开发阶段所涉及的 “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“

15、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及热交换速度下降等（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

16、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。1 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，环境保护系统以及其它相关技术参数。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）管道及设备图。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）以及所