化學(xué)工程與工藝專業(yè)英語翻譯

PAGEUnit1ChemicalIndustry化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)的起源盡管化學(xué)品的使用可以追溯到古代文明時代，我們所謂的現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展卻是非常近代（才開始的）?？梢哉J(rèn)為它起源于工業(yè)革命其間，大約在1800年，并發(fā)展成為為其它工業(yè)部門提供化學(xué)原料的產(chǎn)業(yè)。比如制肥皂所用的堿，棉布生產(chǎn)所用的漂白粉，玻璃制造業(yè)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(xué)工業(yè)的開始是在十九世紀(jì)六十年代以WilliamHenryPerkin發(fā)現(xiàn)第一種合成染料—苯胺紫并加以開發(fā)利用為標(biāo)志的。20世紀(jì)初，德國花費大量資金用于實用化學(xué)方面的重點研究，到1914年，德國的化學(xué)工業(yè)在世界化學(xué)產(chǎn)品市場上占有75%的份額。這要歸因于新染料的發(fā)現(xiàn)以及硫酸的接觸法生產(chǎn)和氨的哈伯生產(chǎn)工藝的發(fā)展。而后者需要較大的技術(shù)突破使得化學(xué)反應(yīng)第一次可以在非常高的壓力條件下進(jìn)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(fā)，對以氮為基礎(chǔ)的化合物的需求飛速增長。這種深刻的改變一直持續(xù)到戰(zhàn)后（1918-1939）。1940年以來，化學(xué)工業(yè)一直以引人注目的速度飛速發(fā)展。盡管這種發(fā)展的速度近年來已大大減慢?；瘜W(xué)工業(yè)的發(fā)展由于1950年以來石油化學(xué)領(lǐng)域的研究和開發(fā)大部分在有機化學(xué)方面取得。石油化工在60年代和70年代的迅猛發(fā)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(huán)氧樹脂的需求巨大增加。今天的化學(xué)工業(yè)已經(jīng)是制造業(yè)中有著許多分支的部門，并且在制造業(yè)中起著核心的作用。它生產(chǎn)了數(shù)千種不同的化學(xué)產(chǎn)品，而人們通常只接觸到終端產(chǎn)品或消費品。這些產(chǎn)品被購買是因為他們具有某些性質(zhì)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(xué)產(chǎn)品歸根到底是由于它們能產(chǎn)生的作用而被購買的?；瘜W(xué)工業(yè)的定義在本世紀(jì)初，要定義什么是化學(xué)工業(yè)是不太困難的，因為那時所生產(chǎn)的化學(xué)品是很有限的，而且是非常清楚的化學(xué)品，例如，燒堿，硫酸。然而現(xiàn)在有數(shù)千種化學(xué)產(chǎn)品被生產(chǎn)，從一些原料物質(zhì)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(zhuǎn)化為消費品的商品。困難在于如何決定在一些特殊的生產(chǎn)過程中哪一個環(huán)節(jié)不再屬于化學(xué)工業(yè)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(xué)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(xué)公司完成的話，那它仍然是屬于化學(xué)工業(yè)呢還是應(yīng)當(dāng)歸屬于裝飾工業(yè)中去呢？因此，很明顯，由于化學(xué)工業(yè)經(jīng)營的種類很多并在很多領(lǐng)域與其它工業(yè)有密切的聯(lián)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(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的官方機構(gòu)都會對如何屆定哪一類操作為化學(xué)工業(yè)有自己的定義。當(dāng)比較來自不同途徑的統(tǒng)計資料時，記住這點是很重要的。對化學(xué)工業(yè)的需要化學(xué)工業(yè)涉及到原材料的轉(zhuǎn)化，如石油首先轉(zhuǎn)化為化學(xué)中間體，然后轉(zhuǎn)化為數(shù)量眾多的其它化學(xué)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品再被用來生產(chǎn)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(chǎn)過程的每一個階段，都有價值加到產(chǎn)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(chǎn)生了利潤。而這正是化學(xué)工業(yè)要達(dá)到的目的。在這樣的一本教科書中提出：“我們需要化學(xué)工業(yè)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(xué)工業(yè)的活動范圍，（2）化學(xué)工業(yè)對我們?nèi)粘Ｉ畹挠绊?，?）社會對化學(xué)工業(yè)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(xué)工業(yè)在滿足和改善我們的主要需求方面所做的貢獻(xiàn)。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?；瘜W(xué)工業(yè)對糧食生產(chǎn)所做的巨大貢獻(xiàn)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(nóng)作物生長時所帶走的營養(yǎng)成分。（主要是氮、磷和鉀）。第二，生產(chǎn)農(nóng)作物保護(hù)產(chǎn)品，如殺蟲劑，它可以顯著減少害蟲所消耗的糧食數(shù)量。第三，生產(chǎn)獸藥保護(hù)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(xué)工業(yè)中制藥這一塊在維護(hù)我們的身體健康甚至延長壽命方面所做出的巨大貢獻(xiàn)，例如，用抗生素治療細(xì)菌感染，用β-抗血栓降低血壓。衣物。在傳統(tǒng)的衣服面料上，現(xiàn)代合成纖維性質(zhì)的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(xiàn)代合成染料開發(fā)和染色技術(shù)的改善使得時裝設(shè)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(diào)和色素。事實上如果某種顏色沒有現(xiàn)成的，只要這種產(chǎn)品確有市場，就可以很容易地通過對現(xiàn)有的色彩進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整而獲得。這一領(lǐng)域中另一些重要進(jìn)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(xiàn)代合成高聚物的貢獻(xiàn)是巨大的。塑料正在取代像木材一類的傳統(tǒng)建筑材料，因為它們更輕，免維護(hù)（即它們可以抵抗風(fēng)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(yīng)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(wǎng)球的經(jīng)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(xué)工業(yè)對旅游方面所作的貢獻(xiàn)也有很大的提高。一些添加劑如抗氧化劑的開發(fā)和發(fā)動機油粘度指數(shù)改進(jìn)使汽車日產(chǎn)維修期限從3000英里延長到6000英里再到12000英里。研發(fā)工作還改進(jìn)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(yè)的貢獻(xiàn)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(xué)工業(yè)在滿足我們的主要需求方面所做的貢獻(xiàn)就可以知道，沒有化工產(chǎn)品人類社會的生活將會多么困難。事實上，一個國家的發(fā)展水平可以通過其化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)水平和精細(xì)程度來加以判斷?；瘜W(xué)工業(yè)的研究和開發(fā)。發(fā)達(dá)國家化學(xué)工業(yè)飛速發(fā)展的一個重要原因就是它在研究和開發(fā)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(diào)這里我們所提出的百分?jǐn)?shù)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(yè)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(chǎn)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(jìn)入市場的新產(chǎn)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，在研究和開發(fā)方面的投資仍然保持在較高的水平?；瘜W(xué)工業(yè)是高技術(shù)工業(yè)，它需要利用電子學(xué)和工程學(xué)的最新成果。計算機被廣泛應(yīng)用，從化工廠的自動控制，到新化合物結(jié)構(gòu)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(chǎn)量很不一樣，精細(xì)化工領(lǐng)域每年只有幾噸，而巨型企業(yè)如化肥廠和石油化工廠有可能高達(dá)500,000噸。后者需要巨大的資金投入，因為一個這樣規(guī)模的工廠要花費2億5千萬美元，再加上自動控制設(shè)備的普遍應(yīng)用，就不難解釋為什么化工廠是資金密集型企業(yè)而不是勞動力密集型企業(yè)。大部分化學(xué)公司是真正的跨國公司，他們在世界上的許多國家進(jìn)行銷售和開發(fā)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，是化學(xué)工業(yè)中發(fā)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(jìn)行擴(kuò)張。Unit2ResearchandDevelopment研究和開發(fā)研究和開發(fā)，或通常所稱R&D是制造業(yè)各個部門都要進(jìn)行的一項活動。我們馬上可以看到，它的內(nèi)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(fā)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(qū)分開來。簡單說來，研究是產(chǎn)生新思想和新知識的活動，而開發(fā)則是把這些思想貫徹到實踐中得到新工藝和新產(chǎn)品的行為。可以用一個例子來描述這一點，預(yù)測一個有特殊生物活性的分子結(jié)構(gòu)并合成它可以看成是研究而測試它并把它發(fā)展到可以作為一種新藥推向市場這一階段則看作開發(fā)部分。基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究在工業(yè)上進(jìn)行研究和開發(fā)最主要的原因是經(jīng)濟(jì)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(shù)據(jù)以便他們能據(jù)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(yè)化學(xué)家的頭腦，這就是基礎(chǔ)的或探索性的研究基礎(chǔ)研究通常與大學(xué)研究聯(lián)系在一起，它可能是由于對其內(nèi)在的興趣而進(jìn)行研究并且這種研究能夠拓寬知識范圍，但在現(xiàn)實世界中的直接應(yīng)用可能性是很小的。請注意，這種以內(nèi)就在提出和解決問題方面提供了極有價值的訓(xùn)練，比如，在指導(dǎo)下完成研究工作的學(xué)生所接受的研究方法學(xué)（的訓(xùn)練）。而且，從這些工作中產(chǎn)生的“有用的副產(chǎn)品”隨后也能帶來可觀的使用價值。因此，物理學(xué)家宣稱要不是量子理論的研究和發(fā)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(xué)方面的例子吧，在各個領(lǐng)域如烴的氧化方面所做的廣泛的研究將為一些特殊的領(lǐng)域如環(huán)己烯氧化生成尼龍中間產(chǎn)物提供有用的信息。通過合成可以生產(chǎn)出一些新的、更特殊的試劑以控制特殊的官能團(tuán)轉(zhuǎn)換，即發(fā)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(chǔ)性研究而后者則包括基礎(chǔ)研究和實用性研究兩部分。所謂“實用性”習(xí)慣上是指與在工業(yè)實驗室完成的研究聯(lián)系在一起的，因為它更具目的性，它是商業(yè)行為驅(qū)動的結(jié)果。然而，請注意。近幾年有很大的變化，大學(xué)研究機構(gòu)正越來越多地轉(zhuǎn)向工業(yè)界尋求研究經(jīng)費，其結(jié)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(xué)院工作的重點通常還是在于研究而不是開發(fā)。2．工業(yè)研究和開發(fā)的類型通常在生產(chǎn)中完成的實用型的或有目的性的研究和開發(fā)可以分為好幾類，我們對此加以簡述。它們是：（1）產(chǎn)品開發(fā)；（2）工藝開發(fā)；（3）工藝改進(jìn)；（4）應(yīng)用開發(fā)；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(xué)工業(yè)的不同部門內(nèi)每類的工作重點有很大的不同。(1)產(chǎn)品開發(fā)。產(chǎn)品開發(fā)不僅包括一種新藥的發(fā)明和生產(chǎn)，還包括，比如說，給一種汽車發(fā)動機提供更長時效的抗氧化添加劑。這種開發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)使（發(fā)動機）的服務(wù)期限在最近的十年中從3000英里提高到6000、9000現(xiàn)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(chǎn)品能創(chuàng)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(fā)。工業(yè)開發(fā)不僅包括為一種全新的產(chǎn)品設(shè)計一套制造工藝，還包括為現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計新的工藝或方案。而要進(jìn)行后者時制造化學(xué)工程師在制造階段占據(jù)中心的位置。車間技術(shù)服務(wù)部門負(fù)責(zé)車間有效而安全地運轉(zhuǎn)的技術(shù)方面。他們進(jìn)行生產(chǎn)量和性能測試以找出設(shè)備的瓶頸在哪，然后設(shè)計一些修正或附加的東西以解決這些瓶頸。化學(xué)工程師研究一些方法節(jié)省能源，降低原材料消耗、減少不合要求的需進(jìn)行處理的產(chǎn)品的生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。他們還研究一些提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少空氣和水中環(huán)境污染的措施。除了提供技術(shù)服務(wù)外，許多工程師還負(fù)責(zé)生產(chǎn)監(jiān)督。這些監(jiān)督保證工廠日常生產(chǎn)的各個方面正常進(jìn)行。包括管理換班工作的操作工，滿足質(zhì)量要求，按期按量發(fā)出產(chǎn)品，生產(chǎn)并保持設(shè)備備件的存儲量，為車間設(shè)備維修，保證安全規(guī)則被遵守，避免過多排出廢物污染環(huán)境，并且做工廠對當(dāng)?shù)厣鐣拇匀?。技術(shù)銷售許多化學(xué)工程師發(fā)現(xiàn)在技術(shù)銷售中充滿了刺激性的、有利可圖的機會。與其它的銷售業(yè)務(wù)一樣，這項業(yè)務(wù)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(chǎn)品生產(chǎn)情況。銷售工程師的銷售能力極大地影響公司的發(fā)展和利潤。許多化工產(chǎn)品的市場開發(fā)需要制造化工產(chǎn)品公司的工程師與使用化工產(chǎn)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(xué)產(chǎn)品提出建議，或者是生產(chǎn)出一種新的化學(xué)產(chǎn)品以解決客戶的某個特殊的困難。當(dāng)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。研究化學(xué)工程師能從事多種類型的研究工作。他們與化學(xué)家聯(lián)合開發(fā)新的或革新的產(chǎn)品。他們探索新的和改良的工程技術(shù)（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(xué)產(chǎn)品，新型的反應(yīng)和分離系統(tǒng)。）他們研究改進(jìn)的傳感器以進(jìn)行物理性質(zhì)的在線檢測，他們還研究單個流程結(jié)構(gòu)和設(shè)備。研究工程師可能是在實驗室或辦公桌前鉆研難題。他們通常是一組科學(xué)家或工程師中的一員。了解生產(chǎn)流程以及通常流程所使用的設(shè)備使化學(xué)工程師能在研究工作中做出突出的貢獻(xiàn)。化學(xué)工程師的日常工作有時頗似那些化學(xué)家和物理學(xué)家。Unit4Sourcesofchemicals化學(xué)物質(zhì)的來源化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量多得驚人，其差異很大：所知道的化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量就達(dá)上千萬種。如此的數(shù)量與理論上可能形成的含碳化合物的數(shù)量相比，相形見絀。含碳化合物的數(shù)量之大是耦合的結(jié)果：即相對較強的碳碳共價鍵的碳原子長鏈和異構(gòu)體的形成。大部分這些化合物只是滿足實驗室好奇心或?qū)W術(shù)興趣。然而，其他剩余的達(dá)幾千種，是商業(yè)和實踐興趣。因此，可以預(yù)料到這些化學(xué)物質(zhì)的來源很廣。雖然對無機化學(xué)品如此，但是奇怪的是，大多數(shù)有機化學(xué)品來源于一種資源，即原油（石油）。1.無機化學(xué)品Table1-1無機化學(xué)品的主要來源因為“無機化學(xué)品”這個詞（術(shù)語）涉及到（cover，包括、涵蓋）的是除碳以外所有元素構(gòu)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(chǎn)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(wěn)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(xué)處理（過程）。金屬礦或無機礦很少以純物質(zhì)的形式存在，因此，處理過程的第一步通常是：（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(jīng)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(zhì)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(yīng)用的分離技術(shù)。在該技術(shù)中，所需要的礦物，以細(xì)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?jié)櫇駝?，這些典型的分子，一頭為非極性部分（如長碳?xì)滏湥硪活^為極性部分（如-NH2）。該極性基團(tuán)與礦物相吸，形成不牢固的鍵；而碳?xì)浠鶊F(tuán)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(zhì)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(chǎn)生泡沫能大大促進(jìn)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(guān)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(xué)品來自于眾多不同的資源（這一點我們已經(jīng)明白了），商業(yè)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(shù)上講，相同的化學(xué)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(fā)酵所得的乙醇加以生產(chǎn)，另一方面，芳香族化合物可以從煤焦油中分離得到。煤焦油是煤炭化工過程的副產(chǎn)物。動植物油脂，是為數(shù)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）?；剂希词汀⑻烊粴夂兔海┑男纬梢ㄉ习偃f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(yīng)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?xì)浠衔锟煞Q為可再生資源。據(jù)估計，植物原料（干重）的總的年產(chǎn)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，用于家用烹調(diào)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(yè)處理以產(chǎn)生的蒸汽。通常，一桶原油的8%用于化學(xué)品的生產(chǎn)。下列數(shù)據(jù)可以說明，為什么化學(xué)工業(yè)在原油的使用方面與燃料或能源消耗的工業(yè)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(yù)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(yīng)以用于化學(xué)品的生產(chǎn)?！疤幚硎偷淖詈笠患虑槭菍⒅紵痹撜f法是有根據(jù)的。注意到這件事很有趣且有益的：早在1894年門捷列夫（發(fā)現(xiàn)元素周期表之俄國科學(xué)家）就向當(dāng)局報道，“石油是太寶貴的資源而不能將之燃燒掉，應(yīng)該將之以化學(xué)品資源加以保存?！眮碜杂谔妓衔铮ㄖ参锴o桿）的有機化學(xué)物質(zhì)，職務(wù)的主要成分是碳水化合物，碳水化合物組成職務(wù)的結(jié)構(gòu)。它們?yōu)槎嗵牵ㄈ缋w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(xì)胞壁的主要物質(zhì)，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(xué)品的潛力是相當(dāng)大的，而且該原料可再生。從碳水化合物得到化學(xué)物質(zhì)的主要途徑是通過發(fā)酵過程。然而發(fā)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(yīng)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(fā)酵過程中的）合適的起始原料。發(fā)酵過程是利用單細(xì)胞的微生物（一般有酵母菌、真菌、細(xì)菌或霉菌）生產(chǎn)特殊化學(xué)品。有些發(fā)酵農(nóng)家已用了上千年。最著名的例子為，谷物發(fā)酵生產(chǎn)含酒精的飲料。直到1950年，該方法才成為生產(chǎn)脂肪族有機化學(xué)品的最普遍的途徑。因為生產(chǎn)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(guān)鍵中間體。盡管用此方法生產(chǎn)的化學(xué)品有所減少，但是用這種方法生產(chǎn)汽車燃料方面存在大量的興趣。反映在發(fā)酵過程的缺點可分為兩方面（1）原料（2）發(fā)酵過程。因為植物莖桿是一種農(nóng)業(yè)原料，其生產(chǎn)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(fā)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(yīng)只要幾秒；其二，所得的產(chǎn)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(yīng)速度，即使相對于小的溫升，獨有可能會導(dǎo)致微生物的死亡和發(fā)酵過程終止。另一方面，發(fā)酵方法的獨特優(yōu)點是，其選擇性高，一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜而很難以合成或者需要多步合成的化合物，通過發(fā)酵很容易制得。著名的實例有多種多樣的抗生素的生產(chǎn)。如青霉素，頭孢菌素和鏈霉素。如果也基因工程中快速發(fā)展的過程中大量的實際問題得到解決，那么發(fā)酵方面的興趣存在很大的興趣。在基因工程中。微生物（如細(xì)菌）能定制地生產(chǎn)成所需的化學(xué)品。然而，因為發(fā)酵反應(yīng)速度慢和產(chǎn)物分離費用高，在不久的將來要實現(xiàn)用發(fā)酵方法生產(chǎn)大眾化學(xué)品（即需求量極大的化學(xué)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(xué)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(dāng)大的部分，烹調(diào)油脂的形式用食品工業(yè)中，用于生產(chǎn)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病（發(fā)病率）危險是有利的。這引起如下趨勢。不用烹調(diào)脂類和普通黃油或人造黃油（這些物質(zhì)中飽和烷基含量豐富），而轉(zhuǎn)向用烹調(diào)油和不飽和烷基的含量高的人造黃油。類脂屬于脂類（物質(zhì)），用于生產(chǎn)化學(xué)物質(zhì)時，以水解反應(yīng)開始，雖然水解反應(yīng)可以用酸或堿催化，但堿催化效果更好，因為堿催化反應(yīng)不可逆。堿性條件下的水解反應(yīng)叫做皂化反應(yīng)。注意到這樣事實很重要—皂化反應(yīng)，水解反應(yīng)（脂肪分解）一級氫解反應(yīng)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(chǎn)物也是混合物，需要分離。Unit5BasicChemicals基本化學(xué)品我們將化學(xué)工業(yè)部門分成兩類，生產(chǎn)量較大的部門和產(chǎn)量較低的部門。在產(chǎn)量高的部門中，各種化學(xué)品的年產(chǎn)量達(dá)上萬噸至幾十萬噸。結(jié)果這樣所用的工廠專門生產(chǎn)某一個單個產(chǎn)品。這些工廠的連續(xù)方式進(jìn)行操作，自動化程度高（計算機控制）歸類于產(chǎn)量高的部門有硫酸，含磷化合物，含氮化合物，氯堿及其相關(guān)化合物，加上石油化學(xué)品和商品聚合物（如聚乙烯）（生產(chǎn)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(xué)品。這些基本化學(xué)品是其他許多化學(xué)品的生產(chǎn)原料，其他許多基本化學(xué)品的需求量很大。相反，產(chǎn)量低的部門主要從事精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)。單個化學(xué)品的年產(chǎn)量只有幾十噸到幾千噸。然而，與高產(chǎn)量的產(chǎn)品相比，這些產(chǎn)品單位重量具有很高的價值。通常，精細(xì)化斜坡的生產(chǎn)與間歇方式操作在工廠中，而且這些工廠常進(jìn)行多種產(chǎn)品的生產(chǎn)。低產(chǎn)量生產(chǎn)部門生產(chǎn)農(nóng)用化學(xué)品，染料，藥品和特種聚合物（如聚醚醚酮）?；A(chǔ)化學(xué)品在化學(xué)工業(yè)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(jīng)濟(jì)盛衰時難以預(yù)測的周期。這些基本化學(xué)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(xué)工業(yè)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(xué)品，其他工業(yè)就不復(fù)存在?；净瘜W(xué)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(zhì)）和最終產(chǎn)品的中間位置。基本化學(xué)品的一個顯著的特征就是它們的生產(chǎn)規(guī)模，每一種（基本化學(xué)品）的生產(chǎn)規(guī)模都相當(dāng)大。圖2-1表示在1993年美國市場上的25中化學(xué)品。（為了使我們了解化學(xué)品的分類與生產(chǎn)量有關(guān)。）通常，基本化學(xué)品生產(chǎn)于那些年產(chǎn)量上萬噸的工廠。年產(chǎn)量10萬噸的工廠每小時要生產(chǎn)1.25噸?；净瘜W(xué)品的另一顯著重要的特征是其價格。大多數(shù)價格相當(dāng)便宜?；净瘜W(xué)品工業(yè)所作的工作（或任務(wù)）是找到經(jīng)濟(jì)的途徑將原來轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫闹虚g體。生產(chǎn)廠家要對它們的產(chǎn)品收取較高的價格幾乎沒有余地，因此，那些最低費用生產(chǎn)產(chǎn)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(zhǔn)備尋求新的，更經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)和轉(zhuǎn)變原料的方法。許多基本化學(xué)品為石油精煉的產(chǎn)物，而部分基本化學(xué)品工業(yè)硫、氮、磷和氯堿工業(yè)是把除C和H、S外的元素轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)品?？傊?，這些產(chǎn)品和石化工業(yè)的基本產(chǎn)物兩者結(jié)合起來可生產(chǎn)無數(shù)重要的化學(xué)物質(zhì)，這些重要的化學(xué)物質(zhì)可作為其余化學(xué)工業(yè)的原料?；净瘜W(xué)工業(yè)現(xiàn)在面臨著其歷史上中最大的挑戰(zhàn)之一，該工業(yè)中的產(chǎn)品消費部門農(nóng)業(yè)以停止增長。同時大大減小了對肥料的需求。西方的農(nóng)場主生產(chǎn)了大多的食物，政府減小了對農(nóng)業(yè)部門的津貼，結(jié)果導(dǎo)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(huán)境的關(guān)注也減少了對肥料的需求。諸如含氯化合物之類的產(chǎn)品，已收到了來自環(huán)境學(xué)家的壓力。根據(jù)《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾白皮書》，一些產(chǎn)品將受到禁止。而其它的物質(zhì)，可以受得住環(huán)境學(xué)家的壓力。基本化學(xué)品工業(yè)再也不會依靠在需求量方面的長期增長。為了實現(xiàn)更好的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和某一特殊產(chǎn)品更好的市場地位，廠家相互交換工廠（車間），該工業(yè)注重不斷合并聯(lián)合。這使從事某一工業(yè)的人員減少，使該工業(yè)達(dá)到更好的供需平衡和更好的利潤。基本化學(xué)品工業(yè)正逐漸轉(zhuǎn)向為其他化學(xué)工業(yè)服務(wù)，而越來越小地為農(nóng)業(yè)服務(wù)?；净瘜W(xué)品受到的壓力是許多大規(guī)模過程引起的（覺察得到的）較大的環(huán)境污染。盡管許多大廠家的生產(chǎn)效率較高，但是該工業(yè)要實現(xiàn)最好的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)還有很長的路要走。增加重復(fù)利用的驅(qū)動力和理想化的無排放的工廠，是影響接下來十年該工業(yè)發(fā)展的主要因素。技術(shù)的進(jìn)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(chǎn)最高質(zhì)量產(chǎn)品的廠家將繁榮昌盛。這需要廠家在技術(shù)改進(jìn)方面保持投資?；净瘜W(xué)品的合成有用的中間體的新穎方法將不斷被人們發(fā)現(xiàn)。在基本化學(xué)品工業(yè)中，仍然還有許多工作有待去做。Unit6Chlor-AlkaliandRelatedProcesses氯堿及其相關(guān)過程縱觀歷史，大眾化學(xué)品工業(yè)在氯堿及其相關(guān)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(chǔ)的產(chǎn)品。自從無水碳酸鈉和氫氧化鈉的各種制備工藝發(fā)現(xiàn)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(jīng)濟(jì)性意味著不管對氯氣和氫氧化鈉這兩種不同類型的產(chǎn)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(chǎn)都取決于廉價易得的原料供應(yīng)，前者的生產(chǎn)需要廉價的海水和電力的供應(yīng)，而純堿的生產(chǎn)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(yīng)利用是影響化工企業(yè)位置分布的一個重要因素。1.石灰為基礎(chǔ)的產(chǎn)品一種關(guān)鍵（重要）原料是石灰石。石灰石主要是由CaCO3組成，高質(zhì)量的石灰石可直接用于下一步反應(yīng)。石灰石通常在大型露天石礦中開采，許多采石礦也進(jìn)行原料的一些處理。從石灰石得到兩種重要的產(chǎn)物：生石灰（CaO）和熟石灰水，生石灰是由石灰石根據(jù)該反應(yīng)是熱分解（1200-1500℃）制備得到。CaCO3——>CaO+CO2一般的，石灰石經(jīng)過粉碎加入傾斜旋轉(zhuǎn)窯的較高端，在此發(fā)生熱分解反應(yīng)，生石灰在另一端回收。然而，通常生石灰用于進(jìn)一步反應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)，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(yīng)制造，較生石灰更加方便。大約40%的石灰工業(yè)的產(chǎn)品用于鋼鐵制造業(yè)。在鋼鐵制造業(yè)中，純堿用來與鐵礦石中難溶解的硅酸鹽反應(yīng)，生成流態(tài)礦渣，礦渣漂浮于表面上，很容易從液態(tài)金屬中分離，叫少量但重要的石灰工業(yè)的產(chǎn)品用于化學(xué)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(xué)茶品是純堿。2.純堿索爾維工藝，該工藝發(fā)現(xiàn)于1965年由ES優(yōu)化：工藝是以當(dāng)含氮的鹽溶液經(jīng)來自于石灰窯中焦炭燃燒產(chǎn)物CO2碳酸鹽反應(yīng)時，NaHCO3沉淀析出為基礎(chǔ)。NaHCO3經(jīng)過濾、干燥、煅燒生成CaCO3。過濾后NH4Cl溶液和熟石灰反應(yīng)后（溶液體呈堿性）。蒸餾出NH3在該過程中循環(huán)利用，生成物CaCl2是廢棄物或副產(chǎn)物。對于某一簡單的基本產(chǎn)物來說，索爾維法看起來十分復(fù)雜。該反應(yīng)的基本原理是，以NaCl2和CaCO3為原料生成產(chǎn)物CaCl2和Na2CO3.然而發(fā)生于原料和產(chǎn)物之間的反應(yīng)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(zhǔn)確的控制組分（尤其是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(guān)鍵是控制溶液的酸堿強度和結(jié)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(jīng)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(chǎn)過程中易產(chǎn)生沉淀而阻塞管道）。含NaCl和NH4HCO3的溶液經(jīng)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(jīng)復(fù)分解反應(yīng)生成NaHCO3（以沉淀形式形成）和NH4Cl。過濾將固體NaHCO3從溶液中分離。將NaHCO3送至旋轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)很方便，加入水（水能引起咦密度較大的形式重結(jié)晶）進(jìn)一步干燥即可實現(xiàn)。值得爭議的是，上述的化學(xué)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(xì)的理解，必須要熟悉該組分體系中關(guān)于溶度積的很多知識。需要知道的重要知識是，該體系是復(fù)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(chǎn)生的CaCl2的量很大，其產(chǎn)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(jìn)料加以利用，那么該過程是有優(yōu)勢，例如，從該氯化物可產(chǎn)生HCl。純堿的用途，有50%的純堿銷往玻璃制造業(yè)，因為穿件是玻璃制造過程中的主要原料。因此純堿工業(yè)的財富與玻璃需求量息息相關(guān)。純堿作為一種堿在許多化學(xué)過程中與NaOH存在直接競爭。Na2SO3是由純堿和SiO2在1200-1400℃反應(yīng)衍生而來的另一類化學(xué)物質(zhì)。硅酸是具有大表面積細(xì)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(xué)工業(yè)法杖是的各個時期，Cl2和NaOH兩者的需求量均很大，但是不幸的是，對于電化學(xué)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(chǎn)原料，水供應(yīng)的消毒劑，以及作為塑料和溶解劑知道的原料?？列遭c用于生產(chǎn)純堿、肥皂和紡織品，以及在多種化學(xué)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(shù)生產(chǎn)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(tài)鈉。這些電解熔融鹽的過程用用于重要液態(tài)Na的工業(yè)。雖然石油添加劑廠家多種多樣，設(shè)會出現(xiàn)液態(tài)鈉的其他用途，但是他的主要是用于生產(chǎn)四烷基鉛石油添加劑。實質(zhì)上用于水溶液電解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(chǎn)過程，但是還存在著大量的舊生產(chǎn)過程，盡管說陰曹涉及到對環(huán)境的影響，但是許多生產(chǎn)廠家上位法此案膜片電解槽代替水印電解槽的經(jīng)濟(jì)性。所有的電解反應(yīng)都是以電子作為化學(xué)反應(yīng)的試劑的觀點為基礎(chǔ)。設(shè)水電解過程的基本反應(yīng)可寫成下式：陽極2Cl——2e-→Cl2陰極2H2O+2e—→H2+2OH—總反應(yīng)為2Na++2Cl—+2H2O→NaOH+Cl2+H2該反應(yīng)的自由能為正，因此，需要電驅(qū)使進(jìn)行。像其他許多化學(xué)品工藝一樣，盡管該反應(yīng)看起來似乎極其簡單，但是有一些方面很復(fù)雜。首先，該反應(yīng)的產(chǎn)物必須分開，如果H2和Cl2允許混合在一起，它們會劇烈反應(yīng)。H2和Cl2反應(yīng)生成HOCl和氯化物（兩者均會浪費產(chǎn)物、生成副產(chǎn)物）。接著，HOCl和次氯酸鹽反應(yīng)生成氯酸鹽（ClO3-）、質(zhì)子和更多的氯化物。OH—在陽極區(qū)反應(yīng)生成能污染Cl2的O2。所有的這些反應(yīng)可降低效率和（或）引起分解困難或污染問題。因此，在產(chǎn)物銷售之前，有必要對這些反應(yīng)清理。理解各種用于電解過程的關(guān)鍵是各種類型的過程分離反應(yīng)產(chǎn)物的方式。盡管不同的制造商所用的電解槽在細(xì)節(jié)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(jìn)行分類。最大的用途之一是用于造紙，造紙業(yè)中木材的處理需要強堿。有些國家造紙業(yè)中NaOH的消耗占其產(chǎn)量的20%，另外的20%用于無機化學(xué)品（如，次氯酸鈉、漂白粉和消毒劑）的生產(chǎn)。各種有機合成約消耗另外的15%，氧化鋁和肥皂的生產(chǎn)需要少量的NaOH。Cl2廣泛用于其它各種產(chǎn)品的生產(chǎn)。在全世界范圍內(nèi)大約有1/4的Cl2用于生產(chǎn)氯乙烯（生產(chǎn)PVC的單體）。1/4至1/2的Cl2用于水的純化。盡管因為《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利議定書》多種溶劑正在被逐步淘汰，但是仍有高達(dá)20%的氯氣用于溶劑的生產(chǎn)（如甲基氯仿、三氯乙烯等）。全世界范圍內(nèi)，大約10%的Cl2用于無機含氯的化合物的生產(chǎn)。盡管Cl2用于漂白木材漿是來自環(huán)境壓力的另一種途徑，但是在一些國家Cl2的十分重要的用途是用于木材漿的漂白。Unit7Ammonia,NitricAcidandUrea氯、硝酸和尿素雖然N2占我們呼吸的空氣3/4以上，但是氯氣不容易用于進(jìn)一步化學(xué)應(yīng)用。對化學(xué)工業(yè)來說，N2的生成有用化學(xué)品的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)難以實現(xiàn)，因為所有的工業(yè)技術(shù)人員的努力（或嘗試）還沒有找到該過程的簡單其他方法。在常壓和室溫條件下，豆類植物能從空氣中吸入N2將之轉(zhuǎn)化為NH3以及含NH4-的產(chǎn)物。盡管（化學(xué)工藝師）花了一百年的精力，要實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)化，化學(xué)工業(yè)仍然需要高溫和上百個大氣壓的壓力。直到Harber過程的發(fā)明，所有的含N化學(xué)品都來自于有生物活性的礦物資源。基本上，所生產(chǎn)的化學(xué)品中所有的N（元素）都來自于Harber法得來的NH3。NH3的生產(chǎn)之大，（盡管因為氨分子較輕，生產(chǎn)的其它產(chǎn)品的量更大，但其生產(chǎn)的NH3的分子數(shù)要多于其他任何化合物），以及該過程的能源是如此的密集，以致于據(jù)估計，在二十世紀(jì)八十年代NH3的生產(chǎn)就消耗全世界能源供應(yīng)的3%。1、Harber法合成NH3引言所有的生產(chǎn)NH3的方法基本都是以Harber法為基礎(chǔ)，稍稍加以改變，該過程是由Harber、Nerst、Bosh在德國于一戰(zhàn)前開發(fā)出來的。N2+3H2≒2NH3原則上，H2和N2間的反應(yīng)很容易進(jìn)行，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，低溫時平衡向右移動。所不幸的是，自然界賦予的N2一個很強的叁鍵，這使得N2分子不易受熱力學(xué)因素的影響。用科學(xué)術(shù)語來說，該分子是動力學(xué)惰性的。因此，要使該反應(yīng)以一定的速度進(jìn)行，需要相當(dāng)苛刻的反應(yīng)條件。實際上，“固定”（意思相互矛盾，“有用的反應(yīng)活性”）氦的一種主要來源是閃電過程，閃電時生產(chǎn)大量的熱量，把N2和O2轉(zhuǎn)化為N2O.在化工廠中要得到可觀的NH3的轉(zhuǎn)化率，我們有必要使用催化劑。Harber發(fā)現(xiàn)的催化劑（這使他獲得諾貝爾獎）是一些價廉的含鐵的化合物。即使有該催化劑，這反應(yīng)也需要很高壓力（早期高達(dá)600個大氣壓）和高溫（大約4000C）因為四個氣體分子轉(zhuǎn)化為兩個氣體分子，所以增加壓力使平衡向右（正方向）移動。然而，盡管高溫使反應(yīng)速度加快，但是高溫使平衡向右移動，因此，所選的條件必須要折中的能以合理的速率得到令人滿意的轉(zhuǎn)化率。條件的準(zhǔn)確選擇將取決于其他的經(jīng)濟(jì)因素和催化劑的具體情況。因為資本和能耗費用越發(fā)重要，當(dāng)代的工廠已經(jīng)趨向于比早期工廠在更低的壓力和更高的溫度（循環(huán)使用未轉(zhuǎn)化的物料）下進(jìn)行操作。氮的生物固定也使用了一種催化劑，該催化劑鑲在較大的蛋白質(zhì)分子中含有鉬和鐵，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)直到1992年才被化學(xué)家弄清楚，該催化劑的詳細(xì)作用機理尚未清楚。原料。該過程需要以下幾種原料（進(jìn)料）的能源、N2和H2。N2很容易從空氣中提取，但是H2的來源很成問題。以前，H2來源于通過煤的焦化反應(yīng)，煤用作蒸汽重整的原料（主要是C的來源），在蒸汽重整過程中，水蒸氣與C反應(yīng)生成H2、CO和CO2。如今，以天然氣（主要是甲烷）代替，盡管也使用來自石油的烴類物質(zhì)。通常，制NH3的工廠包括與NH3生產(chǎn)相連接的H2生產(chǎn)車間。在重整反應(yīng)之前，含硫化合物必須從烴原料中除去，因為它們既能污染重整催化劑又能污染Harber催化劑。第一除硫步驟需要鈷-銅催化劑。該催化劑能將所有的含硫化合物氫化生成H2S，H2S能與ZnO反應(yīng)（ZnS和H2O）加以除去。主要的重整反應(yīng)中，下列甲烷反應(yīng)最為典型（甲烷的反應(yīng)發(fā)生于約7500C.含鎳催化劑上）CH4+H2O→CO+3H2（合成氣）CH2+2H2O→CO2+4H2其他烴經(jīng)歷類似反應(yīng)。在次級重整器中，空氣注入溫度11000C的氣流，除了發(fā)生其他反應(yīng)外，空氣中的O2與H2反應(yīng)生成H2O，結(jié)果剩下不會污染的O2的混合物，該混合物中O2與H2的比接近理想比3：1.然而，下一步反應(yīng)必須通過下列轉(zhuǎn)化反應(yīng)將更多的CO轉(zhuǎn)變?yōu)镠2和CO2。CO+H2O→CO2+H2為使其盡可能完全的轉(zhuǎn)化，此反應(yīng)應(yīng)該在較低溫度下以兩步進(jìn)行（一步是在4000C用鐵為催化劑，另一步是在2000C下用催化劑）。下一步中，CO2必須從氣體混合物中除去。除去CO2可以用該酸性氣體與堿性溶液（如KOH和（或）單乙醇胺或二乙醇胺反應(yīng)得以實現(xiàn)。這一步中，任然存在CO（污染Harbor催化劑）對H2-N2混合物造成很大污染，需要用另一步去將CO得量降低至PPM級，這一步稱為甲烷化反應(yīng)，涉及到CO和H2反應(yīng)生成甲烷（即一些重整反應(yīng)的逆反應(yīng)），該反應(yīng)大約在325℃操作，用一種Ni催化劑。合成氣混合物準(zhǔn)備用于Harbor反應(yīng)NH3的生產(chǎn)各種不同氨廠的共同特征是合成經(jīng)過加熱，壓縮，遞往含成催化劑的反應(yīng)器中，該基本反應(yīng)方程式很簡單：N2+3H2≒2NH3該工業(yè)要實現(xiàn)的事：反應(yīng)速度和反應(yīng)產(chǎn)率的結(jié)合要令人滿意，不同的時期和不同的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下謀求不同的折中方案，早期的制氨廠熱衷于高壓反應(yīng)（其目的是在單程反應(yīng)器中提高產(chǎn)率）但是當(dāng)今大多數(shù)氨廠采用在較低的壓力，很低的單程轉(zhuǎn)化率，同時為節(jié)能而選擇較低溫度。為了確保反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化率最大，通常在當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時，冷卻合成氣，使用熱交換器或者在反應(yīng)器的合適位置注入冷卻氨，可實現(xiàn)合成氣的冷卻，這樣做的作用是：在反應(yīng)在盡可能接近平衡使其冷凍停止，因為此反應(yīng)時放熱反應(yīng)（同時在較高溫度下的平衡對氨的合成時不利的）所以為了得到好的收率，可以用這種方法，對熱量進(jìn)行很好的控制。哈伯法的產(chǎn)物由氨和合成氣混合物（組成）因此，下一步需要將兩者進(jìn)行分離以能循環(huán)利用合成氣，這可以壓縮氨氣得以實現(xiàn)（氨氣的揮發(fā)度較其他組成小得多，大約在—40℃沸騰）氨的用途氨的主要用途不是用于進(jìn)一步應(yīng)用的含氨化合物的生產(chǎn)，而是用于生產(chǎn)肥料（如尿素，硝酸銨和磷酸銨）。肥料消耗了所生產(chǎn)氨的80%。例如：在1991年美國消費的由氨得來的產(chǎn)物如下：其中大部分用作肥料（數(shù)量以百萬噸計）尿素（4.2百萬噸）硫酸銨（二百二十萬噸），硝酸銨（二百六十萬噸），磷酸氫二銨（一千三百五十萬噸）。氨的化學(xué)應(yīng)用各式各樣，盡管在制備純堿的索維爾工藝中氨氣得到回收而沒出現(xiàn)于最終產(chǎn)品中，但是該過程需要使用氨氣，很多過程直接吸收氨氣，這些過程包括氰化物和芳香族含氮化合物（如吡啶）的生產(chǎn)。許多聚合物（如尼龍和丙烯酸類聚合物）中的氮可以追溯到氨，通常通過睛或氰（HCN）大多數(shù)的其他過稱（工藝）以氨制的硝酸或硝酸鹽作氮源，硝酸銨，用作含氮的肥料，它的另一種主要用途用作大眾化炸藥。2硝酸硝酸的生產(chǎn)化學(xué)工業(yè)制造其他原料時，所用的大部分氮元素不是以氨的形式直接利用，而是先將氨轉(zhuǎn)化為硝酸，硝酸的生產(chǎn)大約消耗所生產(chǎn)的氨的20%氨生成硝酸的轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一個三步過程：14NH3+5O2→4NO+6H2O22NO+O2→2NO233NO2+H2O→2HNO3+NO第一個反應(yīng)用鉑（實際上是鉑銠金屬網(wǎng)）催化，該催化反應(yīng)可以再實驗室上用一根鉑絲和濃氨水溶液觀察到。初看起來，生成硝酸的總反應(yīng)似乎很簡單，所不幸的事，實際過程比化學(xué)家和工程師所想的要糟的多，因此，存在許多復(fù)雜的因素。工業(yè)上，第一反應(yīng)于含鉑銠金屬網(wǎng)的反應(yīng)器中，在900度左右進(jìn)行，溫度由該反應(yīng)產(chǎn)生的熱量得以維持，在該溫度下，一些重要的副反應(yīng)也進(jìn)行得很快，其一，氨和空氣混合物能被氧化生成氨氣和水（如果反應(yīng)器器壁的溫度高，那么該反應(yīng)趨向于在壁上進(jìn)行，因此有必要特意將之冷卻），其二，催化劑可促進(jìn)第一反應(yīng)的產(chǎn)物NO的分解，生成氨氣和氧氣，因此重要的是盡可能快地將產(chǎn)物移出反應(yīng)器，盡管這一做法與下列事實相矛盾：為使原料和催化劑得以反應(yīng)，有必要保持原料與催化劑接觸時間足夠長。其三：反應(yīng)產(chǎn)物NO與氨反應(yīng)生成氨氣和水，因此重要的事，不讓過多的暗器流過催化劑床層，否則，原料不可回收而浪費。利用精心設(shè)計的反應(yīng)器，控制溫度和通過反應(yīng)器的流速可以實現(xiàn)這些矛盾要素的控制。通常該反應(yīng)的實際接觸時間約3×10-4秒第二步和第三步反應(yīng)復(fù)雜性較小，但是，兩者的反應(yīng)速度很慢，尚未發(fā)現(xiàn)高效的催化劑，一般的，令氨氣和NO的混合物流經(jīng)一系列的冷凝壓縮器，在這些壓縮器中發(fā)生部分氧化反應(yīng)，低溫對該反應(yīng)有利。當(dāng)混合氣體流經(jīng)大型泡罩吸收塔時，NO2從該混合氣體得以吸收，塔底為55%—60%硝酸因為硝酸在68%時與水形成共沸物，所以不能用蒸餾法加工以濃縮，硝酸廠通常利用含98%的硫酸塔在其塔頂去生成90%硝酸，如有必要，利用硝酸鎂對之進(jìn)一步脫水可得到接近100%的硝酸硝酸的用途在所生產(chǎn)硝酸大約有65%與氨反應(yīng)制造硝酸銨，80%的硝酸銨用于肥料，其余的用作炸藥。硝酸的另一個主要作用是用于有機硝化反應(yīng)，幾乎所有的炸藥最終都是來自硝酸（大部分為硝酸酯,如硝化甘油或為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間體時（如苯胺）時，第一步為利用和硝酸的硝化反應(yīng)。苯胺的合成，第一步為芳香族化合物的硝化，然而將硝基還原為胺基。許多重要的染料和藥物最終都是通過該反應(yīng)得到，盡它們的需求量很小，聚氨酯塑料的制備時以芳香族異氰酸酯為基礎(chǔ)，而芳香族異氰酸酯最終來自于硝化甲苯和苯，該用途大約要消耗5%—10%的硝酸產(chǎn)量3尿素尿素的生產(chǎn)，另一種重要的直接由氨大量生產(chǎn)的產(chǎn)物為尿素，大約有20%的氨用于尿素的生產(chǎn)，尿素是通過CO2和NH3的高壓反應(yīng)合成（一般為200—400個atm和180℃—210℃）該反應(yīng)可分為兩步：1CO2+2NH3-NH2CO-2NH+42NH2CO-2NH+4-NH2CONH2+H2O該高壓反應(yīng)可實現(xiàn)將60%的CO2轉(zhuǎn)化為氨基甲酸酯，生成的混合物輸入低壓分解器使之轉(zhuǎn)化為尿素，未反應(yīng)的物料被輸回該工藝中高壓步驟的開始階段，這樣做可以大大提高車間的總效率，第二階段所得的溶液可直接用作液態(tài)含氮肥料或經(jīng)濃縮生產(chǎn)純度為99%固體尿素尿素的用途尿素的含氮量高使之成為另一種有利氮肥，尿素占氮肥市場的絕大部分，其他的用途也很重要，但是只占所生產(chǎn)品尿素的10%左右。尿素的最大的另一用途是用于樹脂（甲醛二聚氰酰胺和尿素甲醛）例如這些樹脂用作膠合板粘結(jié)劑和弗萊卡的表面。Unit10WhatIsChemicalEngineering?什么是化學(xué)工程學(xué)廣義來講，工程學(xué)可以定義為對某種工業(yè)所用技術(shù)和設(shè)備的科學(xué)表達(dá)。例如，機械工程學(xué)涉及的是制造機器的工業(yè)所用技術(shù)和設(shè)備。它優(yōu)先討論的是機械力，這種作用力可以改變所加工對象的外表或物理性質(zhì)而不改變其化學(xué)性質(zhì)?；瘜W(xué)工程學(xué)包括原材料的化學(xué)過程，以更為復(fù)雜的化學(xué)和物理化學(xué)現(xiàn)象為基礎(chǔ)。因此，化學(xué)工程學(xué)是工程學(xué)的一個分支，它涉及工業(yè)化化學(xué)過程中工廠和機器的設(shè)計、制造、和操作的研究。前述化學(xué)工程學(xué)都是以化學(xué)科學(xué)為基礎(chǔ)的，如物理化學(xué)，化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)。然而這樣做的時候，它并不是僅僅簡單地照搬結(jié)論，而是要把這些知識運用于大批量生產(chǎn)的化學(xué)加工過程。把化學(xué)工程學(xué)與純化學(xué)區(qū)分開來的首要目的是“找到最經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)路線并設(shè)計商業(yè)化的設(shè)備和輔助設(shè)備盡可能地適應(yīng)它?！币虼巳绻麤]有與經(jīng)濟(jì)學(xué)，物理學(xué)，數(shù)學(xué)，控制論，應(yīng)用機械以及其它技術(shù)的聯(lián)系就不能想象化學(xué)工程會是什么樣的。早期的化學(xué)工程學(xué)以描述性為主。許多早期的有關(guān)化學(xué)工程的教科書和手冊都是那個時候已知的商品生產(chǎn)過程的百科全書?？茖W(xué)和工業(yè)的發(fā)展使化學(xué)品的制造數(shù)量迅速增加。舉例來說，今天石油已經(jīng)成為八萬多種化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)的原材料。一方面是化學(xué)加工工業(yè)擴(kuò)張的要求，另一方面是化學(xué)和技術(shù)水平的發(fā)展為化學(xué)工藝建立理論基礎(chǔ)提供了可能。隨著化學(xué)加工工業(yè)的發(fā)展，新的數(shù)據(jù)，新的關(guān)系和新的綜論不斷添加到化學(xué)工程學(xué)的目錄中。然后又從主干上分出許多的分支，如工藝和工廠設(shè)計，自動化，化工工藝模擬和模型，等等。簡要的歷史輪廓從歷史上來說，化學(xué)工程學(xué)與化學(xué)加工工業(yè)密不可分。在早期，化學(xué)工程學(xué)隨著早期化學(xué)產(chǎn)品交易的發(fā)展而出現(xiàn)，是應(yīng)用化學(xué)的純描述性的分支。在歐洲，基礎(chǔ)化學(xué)產(chǎn)品的制造出現(xiàn)在15世紀(jì)。一些小的、專門的企業(yè)開始創(chuàng)立，生產(chǎn)酸、堿、鹽、藥物中間體和一些有機化合物。由于十九世紀(jì)英國的學(xué)院化學(xué)家強調(diào)純化學(xué)的研究高于應(yīng)用化學(xué)，他們的要成為工業(yè)化學(xué)家的學(xué)生也只是定性和定量分析者。在19世紀(jì)80年代以前，德國的化學(xué)公司也是這樣。他們愿意聘請那些在大學(xué)里進(jìn)行研究的人作顧問，這些人偶爾為制造的革新提供一些意見。然而到了80年代，工業(yè)家們開始認(rèn)識到要把顧問們在實驗室的準(zhǔn)備和合成工作進(jìn)行放大是一個與實驗室研究截然不同的活動。他們開始把這個放大的問題以及解決的方法交給“化學(xué)工程師”—這可能是受到已經(jīng)進(jìn)入工廠的機械工程師的表現(xiàn)的啟發(fā)。由于機械工程師熟悉所涉及的加工工藝，是維修日益復(fù)雜化的工業(yè)生產(chǎn)中的蒸氣機和高壓泵的最合適的人選。學(xué)院研究中頭和手兩分的現(xiàn)象逐漸消亡。單元操作。1881年英國曾經(jīng)準(zhǔn)備把化學(xué)工業(yè)的一個新的協(xié)會命名為“化學(xué)工程師協(xié)會”，這個建議遭到了拒絕。另一方面，由于受到來自工業(yè)界日益加重的壓力，大學(xué)的課程開始體現(xiàn)出除了培養(yǎng)分析工作者還要培養(yǎng)化學(xué)工程師的要求?，F(xiàn)在僅僅對現(xiàn)有工業(yè)過程進(jìn)行描述已經(jīng)不夠了，需要對各種特殊工業(yè)進(jìn)行工藝屬性的分析。這就為引入熱力學(xué)及動力學(xué)、溶液和相等物理化學(xué)新思想提供了空間。在這個轉(zhuǎn)變期，一位關(guān)鍵的人物是化學(xué)顧問GeorgeDavis，化學(xué)工業(yè)協(xié)會的首任秘書。1887年Davis那時是Manchester?？茖W(xué)校的一名講師，做了一系列有關(guān)化學(xué)工程學(xué)的講座。他把化學(xué)工程學(xué)定義為對“大規(guī)模化學(xué)生產(chǎn)中所應(yīng)用的機器和工廠”的研究。這們課程包括了大規(guī)模工業(yè)化操作的工廠的各種類型，如干燥、破碎、蒸餾、發(fā)酵、蒸發(fā)和結(jié)晶。后來逐漸在別的地方而不僅僅在英國，而是國外，成為許多課程的雛形。英國直到1909年化學(xué)工程學(xué)才成為一門較為完善的課程，而在美國，MIT的LewisNorton早在1888年就已率先開出了Davis型課程。1915年，ArthurD.little在一份MIT的計劃書中，提出了“單元操作”這個概念，這幾乎為二十世紀(jì)化學(xué)工程學(xué)的突出特點做了定性。Davis這一倡議的成功原因是很明顯的：它避免了泄露特殊化學(xué)過程中受專利權(quán)或某個擁有者的保留權(quán)所保護(hù)的秘密。過去這種泄露已經(jīng)嚴(yán)重限制了制造者對學(xué)院研究機構(gòu)訓(xùn)練計劃的支持。Davis把化學(xué)工業(yè)分解為“能獨立進(jìn)行研究的單個的工序”從而克服了這個困難。并且在大學(xué)或?qū)？茖W(xué)校的工廠里用中試車間進(jìn)行了試驗。他采用了工業(yè)顧問公司的理念，經(jīng)驗傳遞從一個車間到另一個車間，從一個過程到另一個過程。這種方式不包含限于某個給定工廠的利潤的私人的或特殊的知識。單元操作的概念使每一個化學(xué)制造過程都能分解為一系列的操作步驟，如研末、干燥、烤干、電解等等。例如，學(xué)校對松節(jié)油制造的特殊性質(zhì)的研究可以用蒸餾屬性研究來代替。這是一個對許多其它工業(yè)制造也很普通的工藝過程。單元操作概念的定量形式大概出現(xiàn)在1920年，剛好是在第一次全球石油危機出現(xiàn)的時候?；瘜W(xué)工程師能賦予單元操作定量特性的能力使得他們合理地設(shè)計了第一座現(xiàn)代煉油廠。石油工業(yè)第一次大量聘請化學(xué)工程師的繁榮時代開始了。在單元操作密集繁殖的時代，化學(xué)工程學(xué)另一些經(jīng)典的分析手段也開始被引入或廣泛發(fā)展。這包括過程中材料和能量平衡的研究以及多組分體系中基礎(chǔ)熱力學(xué)的研究?；瘜W(xué)工程師在幫助美國及其盟國贏得第二次世界大戰(zhàn)的勝利中起了關(guān)鍵的作用。他們發(fā)展了合成橡膠的方法以代替在戰(zhàn)爭初期因日本的封鎖而失去來源的天然橡膠。他們提供了制造原子彈所需要的鈾-235，把制造過程從實驗室研究一步放大到當(dāng)時最大規(guī)模的工業(yè)化工廠，而他們在完善penicillin的生產(chǎn)工藝中也是功不可沒，它挽救了幾十萬受傷士兵的生命。工程學(xué)運動。由于不滿意對工藝設(shè)備運行的經(jīng)驗描述，化學(xué)工程師開始從更基礎(chǔ)的角度再審視單元操作。發(fā)生在單元操作中的現(xiàn)象可以分解到分子運動水平。這些運動的定量機械模型被建立并用于分析已有的儀器設(shè)備。過程和放應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型也被建立并被應(yīng)用于資金密集型的美國工業(yè)如石油化學(xué)工業(yè)。與工程學(xué)同時發(fā)展的是現(xiàn)在的化學(xué)工程課程設(shè)置的變化。也許與其它發(fā)展相比較，核心課程為化學(xué)工程師運用綜合技能解決復(fù)雜問題更加提供了信心。核心課程固定了一些基礎(chǔ)科學(xué)為背景，包括數(shù)學(xué)，物理，和化學(xué)。這些背景對于從事以化學(xué)工程為中心的課題的艱苦研究是必須的，包括：·多組分體系熱力學(xué)及動力學(xué) ·傳輸現(xiàn)象 ·單元操作 ·反應(yīng)工程 ·過程設(shè)計和控制 ·工廠設(shè)計和系統(tǒng)工程這種訓(xùn)練使化學(xué)工程師們成為了在許多學(xué)科領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)的人，包括在催化學(xué)、膠體科學(xué)和技術(shù)、燃燒、電化學(xué)工程、以及聚合物科學(xué)和技術(shù)方面。2.化學(xué)工程學(xué)的基本發(fā)展趨勢未來幾年里，科學(xué)的進(jìn)步，技術(shù)的競爭以及經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動力將為化學(xué)工程是什么以及化學(xué)工程能做什么打造一個新的模型?；瘜W(xué)工程學(xué)的焦點一直是改變物體的物理狀態(tài)或化學(xué)性質(zhì)的工業(yè)過程?；瘜W(xué)工程師致力于這些過程的合成、設(shè)計、測試放大、操作、控制和優(yōu)選。他們從事于解決的這些問題，傳統(tǒng)的規(guī)模水平和復(fù)雜程度可稱之為中等的，這種規(guī)模的例子包括有單個過程（單元操作）所使用的反應(yīng)器和設(shè)備以及制造廠里單元操作的組合，未來的研究將在規(guī)模上逐漸進(jìn)行補充。除了中等規(guī)模，還有微型的以及更為復(fù)雜的系統(tǒng)巨型的規(guī)模。未來的化學(xué)工程師將比任何其他分支的工程師在更為寬廣的規(guī)模范圍緊密協(xié)作。例如，有些人可能從事于了解大范圍的環(huán)境與中等規(guī)模的燃燒系統(tǒng)以及微型的分子水平的反應(yīng)和傳遞之間的關(guān)系。另一些人則從事了解合成的飛機的的性能與機翼所用化學(xué)反應(yīng)器及反應(yīng)器的設(shè)計和對此有影響的復(fù)雜流體動力學(xué)的研究工作。因此，未來的化學(xué)工程師們要準(zhǔn)備好解決從微型的到巨型的規(guī)模范圍內(nèi)出現(xiàn)的問題。他們要用來自其它學(xué)科的新的工具和理念來研究和實踐：分子生物學(xué)，化學(xué)，固體物理學(xué)，材料學(xué)和電子工程學(xué)。他們還將越來越多地使用計算機、人工智能以及專家系統(tǒng)來解決問題，進(jìn)行產(chǎn)品和過程設(shè)計，生產(chǎn)制造。在這個學(xué)科中還有兩個重要的發(fā)展是我們前面沒有提到的：化學(xué)工程師將越來越多地涉及到對過程設(shè)計進(jìn)行補充的產(chǎn)品設(shè)計中。因為產(chǎn)品所表現(xiàn)出來的性能將逐漸與它被加工的途徑掛鉤。傳統(tǒng)概念上產(chǎn)品設(shè)計與過程設(shè)計之間的區(qū)別將變得模糊，不再那么明顯。在已有的和新興的工業(yè)中將出現(xiàn)一個特殊的設(shè)計競爭，那就是生產(chǎn)有專利權(quán)的、有特點的產(chǎn)品以適應(yīng)嚴(yán)格的性能指標(biāo)。這些產(chǎn)品的特征是服從快速革新的需要，因而他們將在市場上很快地被更新的產(chǎn)品所取代。化學(xué)工程師將經(jīng)常性地介入到多學(xué)科領(lǐng)域的研究工程?；瘜W(xué)工程師參與跨學(xué)科研究與化學(xué)科學(xué)、特種工業(yè)進(jìn)行合作具有悠久的歷史。隨著工程學(xué)與分子科學(xué)最緊密地聯(lián)系在一起，化學(xué)工程學(xué)的地位也越來越崇高。因為如化學(xué)、分子生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及固體物理這樣的科學(xué)都是為明天的科學(xué)技術(shù)提供種子，作為“界面科學(xué)”，化學(xué)工程學(xué)具有光明的未來，它將在多學(xué)科領(lǐng)域中搭建科學(xué)和工程學(xué)之間的橋梁，而在這里將出現(xiàn)新的工業(yè)技術(shù)。Unit11ChemicalandProcessThermodynamics化工熱力學(xué)在投入大量的時間和精力去研究一個學(xué)科時，有理由去問一下以下兩個問題：該學(xué)科是什么？（研究）它有何用途？關(guān)于熱力學(xué)，雖然第二個問題更容易回答，但回答第一個問題有必要對該學(xué)科較深入的理解。（盡管）許多專家或?qū)W者贊同熱力學(xué)的簡單而準(zhǔn)確的定義的觀點（看法）值得懷疑，但是還是有必要確定它的定義。然而，在討論熱力學(xué)的應(yīng)用之后，就可以很容易完成其定義1．熱力學(xué)的應(yīng)用熱力學(xué)有兩個主要的應(yīng)用，兩者對化學(xué)工程師都很重要。（1）與過程相聯(lián)系的熱效應(yīng)和功效應(yīng)的計算，以及從過程得到的最大功或驅(qū)動過程所需的最小功的計算。（2）描述處于平衡的系統(tǒng)的各變量之間的關(guān)系的確定。第一種應(yīng)用由熱力學(xué)這個名詞可聯(lián)想到，熱力學(xué)表示運動中的熱。直接利用第一和第二定律可完成許多（熱效應(yīng)和功效應(yīng)的）計算。例如：計算壓縮氣體的功，對一個完整過程或某一過程單元的進(jìn)行能量衡算，確定分離乙醇和水混合物所需的最小功，或者（evaluate）評估一個氨合成工廠的效率。熱力學(xué)在特殊體系中的應(yīng)用，引出了一些有用的函數(shù)的定義以及這些函數(shù)和其它變量（如壓強、溫度、體積和摩爾分?jǐn)?shù)）關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的確定。實際上，在運用第一、第二定律時，除非用于評價必要的熱力學(xué)函數(shù)變化已經(jīng)存在，否則熱力學(xué)的第一種應(yīng)用不可能實現(xiàn)。通過已經(jīng)建立的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，從實驗確定的數(shù)據(jù)可以計算函數(shù)變化。除此之外，某一體系中變量的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，可讓那些未知的或者那些難以從變量（這些變量容易得到或較易測量）中實驗確定的變量得以計算。例如，一種液體的汽化熱，可以通過測量幾個溫度的蒸汽壓和幾個溫度下液相和汽相的密度得以計算；某一化學(xué)反應(yīng)中任一溫度下的可得的最大轉(zhuǎn)化率，可以通過參與該反應(yīng)的各物質(zhì)的熱量法測量加以計算。2.熱力學(xué)的本質(zhì)熱力學(xué)定律有這經(jīng)驗的基礎(chǔ)或?qū)嶒灮A(chǔ)，但是在描述其應(yīng)用時，依賴實驗測量顯得很明顯化學(xué)工程與工藝專業(yè)英語第十一單元化工熱力學(xué)（standout突出）。因此，熱力學(xué)廣義上可以定義為：拓展我們實驗所得的體系知識的一種手段（方法），或定義為：觀察和關(guān)聯(lián)一個體系的行為的基本框架。為了理解熱力學(xué)，擁有實驗的觀點有必要，因為，如果我們不能對研究的體系或現(xiàn)象做出物理上正確的評價，那么熱力學(xué)的方法就無意義。我們應(yīng)該要經(jīng)常問問如下問題：怎樣測量這一特殊的變量？怎樣計算以及從哪一類的數(shù)據(jù)計算一個特殊的函數(shù)。由于熱力學(xué)的實驗基礎(chǔ)，熱力學(xué)處理的是宏觀函數(shù)或大量的物質(zhì)的函數(shù)，這與微觀的函數(shù)恰恰相反，微觀函數(shù)涉及到的是組成物質(zhì)的原子或分子。宏觀函數(shù)要么可以直接測量，要么可以從直接測量的函數(shù)計算得到，而不需要借助于某一具體的理論。相反，盡管（while）微觀函數(shù)最終是從實驗測量得以確定，但是它們的真實性取決于用于它們計算時的特殊理論的有效性。因此，熱力學(xué)的權(quán)威性在于：它的結(jié)果與物質(zhì)的理論無關(guān)，倍受尊敬，為大家大膽地接受。除了與熱力學(xué)結(jié)論一致的必然性以外，熱力學(xué)有著廣泛的應(yīng)用性。因此，熱力學(xué)形成了許多學(xué)科中的工程師和科學(xué)家的教育中不可分割的部分。盡管如此，因為每門科學(xué)都只局限于（focuson）關(guān)于熱力學(xué)方面的較少應(yīng)用，所以其全貌常被低估。實際上，在明顯的（可觀察到）可再現(xiàn)的平衡態(tài)中存在的任何體系，都服從與熱力學(xué)方法。除了流體、化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)和處于相平衡（化學(xué)工程師對這些十分感興趣）之外，熱力學(xué)也成功適用于有表面效應(yīng)的系統(tǒng)、受壓力的固體以及處于重力場、離心力場、磁場和電場的物質(zhì)。通過熱力學(xué)，可以被確定用于定義和確定平衡的位能，并將之定量化。位能也可以確定一個體系移動的方向以及體系達(dá)到的終態(tài)，但是不能提供有關(guān)到達(dá)終態(tài)所需要的時間的信息。因此，時間不是熱力學(xué)的變量，速度的研究已超出了熱力學(xué)的范疇，或者除了體系接近平衡的極限以外，速率的研究屬于熱力學(xué)的范疇。在這兒，速率的表達(dá)式應(yīng)該在熱力學(xué)上是連續(xù)的。熱力學(xué)定律建立于實驗和觀測基礎(chǔ)之上的，這些實驗和觀測既不是最重要的，又不復(fù)雜。同時，這些定律的本身是用相當(dāng)普通語言加以描述的。然而，從這一明顯的平淡的開始，發(fā)展成為一個很大的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對人類思想歸納力做出了貢獻(xiàn)。這在想象力豐富、嚴(yán)肅認(rèn)真的學(xué)生中成功地激發(fā)了敬畏（inspireawe），這使得Lewis和Randall將熱力學(xué)視為科學(xué)的權(quán)威。因為除了技術(shù)上的成功和結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性，這個比喻選擇很恰當(dāng)，我們可觀察到美妙之處（和宏觀體）。因此，毫無疑問，熱力學(xué)的研究在學(xué)術(shù)上有價值的，智力上可以得到激發(fā)，同時，對一些人來說，是一種很好的經(jīng)歷。3.熱力學(xué)定律第一定律.熱力學(xué)第一定律是能量守恒的簡單的一種描述。如圖3-1所示，穩(wěn)態(tài)時離開一個過程的所有能量的總和必須與所進(jìn)入該過程的能量總和相等。工程師在設(shè)計和操作各種過程時絕對遵循質(zhì)量和能量守恒定律。所不幸的是，就其本身而言，當(dāng)試圖評估過程的效率時，第化學(xué)工程與工藝專業(yè)英語第十一單元化工熱力學(xué)3一定律引起混淆不清。人們將能量守恒視為一種重要的努力成果，但是事實上，使能量守恒不需要花任何努力——能量本身就是守恒的。因為第一定律沒有區(qū)分各種各樣能量的形式，所以從第一定律所得到的結(jié)論是有限的。由往復(fù)泵引入的軸功會以熱量流向冷凝器的形式離開蒸餾塔，與在再沸器引入的熱一樣容易。在試圖確定過程的效率時，一些工程師總掉入將各種形式的能量一起處理的陷阱。這種做法明顯是不合理，因為各種能量形式有著不同的費用。第二定律第二定律應(yīng)用于熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ难h(huán)，有多種不同的描述。至于這一點，一種更加普通的描述是需要的：從一種形式的能量到另一種形式的能量的轉(zhuǎn)換，總是導(dǎo)致質(zhì)量上總量的損失。另一種描述為：所有系統(tǒng)都有接近平衡（無序）的趨勢。這些表達(dá)方式指出了在表達(dá)第二定律時的困難之處。如果不定義另一個專門描述質(zhì)量或無序的詞語，第二定律的表達(dá)就不能令人滿意。這個專用名詞為熵。這個狀態(tài)函數(shù)對流體、物質(zhì)或系統(tǒng)中的無序程度進(jìn)行了定量化。絕對零熵值定義絕對零度時純凈的、晶體固體的狀態(tài)。每一個分子都由其他的以相當(dāng)有序結(jié)構(gòu)的相同的分子所包圍。運動、隨意、污染、不確定性，這一切都增加了混亂度，因此對熵做出了貢獻(xiàn)。相反，不論是透明寶石，還是純凈化學(xué)產(chǎn)品，還是清潔的生活空間，還是新鮮的空氣和水，（都是屬于有序狀態(tài)），有序是有價值的。有序需要付出很高的代價，只有通過做功才得以實現(xiàn)。我們很多工作都花費在家里、車間和環(huán)境中創(chuàng)造或恢復(fù)有序狀態(tài)。環(huán)境中較高的熵值是較高的生產(chǎn)費用的具體化表現(xiàn)。每一種生產(chǎn)過程的目的都是，利用將混合物分離為純凈物、減小我們知識的不確定性、或是從原料創(chuàng)造（worksofart）藝術(shù)品以減小熵值?？傊瑥膶⒃限D(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的過程中，熵值不斷減小。然而，（inasmuchas）因為隨著系統(tǒng)接近平衡，熵的增加是自發(fā)的趨勢，所以減少熵值是艱難的工作（struggle）。生產(chǎn)過程所需熵減的驅(qū)動力同時伴隨著宇宙其余部分熵的劇增。一般說來，這種熵的增加在同一工廠內(nèi)不斷持續(xù)下去，因此這種造成了產(chǎn)品熵的減小。反過來（whereas而，卻，其實，反過來），熵減存在于原料向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化過程。燃料、電、空氣以及水向燃燒產(chǎn)品、廢水和無用的熱量的形式的轉(zhuǎn)化可表示熵值的大大增加。正象圖3-1中中間部分描述為第一定律一樣，圖中的底線部分描述了第二定律。離開一個過程的所有的物流的熵值的總和，總是超過進(jìn)入該過程的物流的熵值的總和。如果熵達(dá)到平衡，象質(zhì)量和能量達(dá)到平衡一樣，那么該過程是可逆的，即該過程也會反向移動?？赡孢^程只是在理論上是可能的，需要動力學(xué)平衡維持連續(xù)存在，因此可逆過程是不可產(chǎn)生的。而且，如果不化學(xué)工程與工藝專業(yè)英語第十一單元化工熱力學(xué)4平衡（過程）倒過來，即如果有凈熵的減少，那么所有的箭頭也要反向，該過程被迫反向進(jìn)行。實質(zhì)上，是熵增驅(qū)使該過程：是同一種驅(qū)動力使水向下流，熱流從熱物質(zhì)流向冷物質(zhì)，使玻璃打碎，金屬腐蝕。簡而言之，所有事物都同它們周圍的環(huán)境接近平衡。第一定律，需要能量守恒，所有形式能量變化有著相同的重要性。盡管所有過程都受第一定律權(quán)威性的影響，但是該定律不能區(qū)分能量的質(zhì)量，也不能解釋為什么觀察不到自發(fā)發(fā)生的過程自發(fā)地使自身可逆。功可以全部轉(zhuǎn)化為熱而反向轉(zhuǎn)換從來不會定量發(fā)生，這種反復(fù)驗證過的觀測達(dá)成了這樣的共識——熱是一種低質(zhì)量的能量。第二定律，深深扎根于熱發(fā)動機效率的研究，能分辨能量的質(zhì)量。通過這一定律，揭示了以前未認(rèn)可的函數(shù)——熵的存在，可以看出，該函數(shù)確定了自發(fā)變化的方向。第二定律并沒有（innoway）減小第一定律的權(quán)威性；相反，第二定律拓展和加強了熱力學(xué)的權(quán)限。第三定律熱力學(xué)第三定律規(guī)定了熵的絕對零值，描述如下：對于那些處在絕對零度的完美晶體的變化來說，總的熵的變化為零。該定律使用絕對值來描述熵。Unit12whatdowemeanbytransportphenomena?傳遞現(xiàn)象是工程科學(xué)三個典型領(lǐng)域系統(tǒng)性和綜合性研究的總稱：能量或熱量傳遞，質(zhì)量傳遞或擴(kuò)散，以及動量傳遞或流體力學(xué)。.當(dāng)然，熱量和質(zhì)量傳遞在流體中經(jīng)常發(fā)生，正因如此一些工程教育家喜歡把這些過程包含在流體力學(xué)的范疇內(nèi)。由于傳遞現(xiàn)象也包括固體中的熱傳導(dǎo)和擴(kuò)散，因此，傳遞現(xiàn)象實際上比流體力學(xué)的領(lǐng)域更廣。傳遞現(xiàn)象的研究充分利用描述傳熱，傳質(zhì)，動量傳遞過程的方程間的相似性，這也區(qū)別于流體力學(xué)。這些類推(通常被這么叫)常?？梢耘c傳遞現(xiàn)象發(fā)生的物理機制間的相似性關(guān)聯(lián)起來。因此，一個傳遞過程的理解能夠容易促使其他過程的理解。而且，如果微分方程和邊界條件是一樣的，只需獲得一個傳遞過程的解決方案即可，因為通過改變名稱就可以用來獲得其他任何傳遞過程的解決方案。必須強調(diào),雖然有相似之處,也有傳遞過程之間的差異,尤其重要的是運輸動量(矢量)和熱或質(zhì)量(標(biāo)量).然而,系統(tǒng)地研究了相似性傳遞過程之間的相似性,使它更容易識別和理解它們之間的差別。1．怎么研究傳遞過程？為了找出傳遞過程間的相似性，我們將同時研究每一種傳遞過程——取代先研究動量傳遞，再傳熱，最后傳質(zhì)的方法。除了促進(jìn)理解之外，對于不使用在其他教科書里用到的順序法還有另一個教學(xué)的原因：在三個過程中，包含在動量傳遞研究中的概念和方程對初學(xué)者來說是最難以理解并使用。因為在不具有有關(guān)動量傳遞的知識前提下一個人不可能完全理解傳熱和傳質(zhì)，在順序法的情況下他就被迫先研究最難的課程即動量傳遞。另一方面，如果課程同時被研究，通過參照有關(guān)傳熱的熟悉課程動量傳遞就變得更好理解。而且，平行研究法可以先研究較為簡單的概念，再深入到較難和較抽象的概念。我們可以先強調(diào)所發(fā)生的物理過程而不是數(shù)學(xué)性步驟和描述。例如，我們將先研究一維傳遞現(xiàn)象，因為它在不要求矢量標(biāo)注下就可以被解決，并且我們常?？梢允褂闷胀ǖ奈⒎址匠檀骐y以解決的偏微分方程。加上傳遞現(xiàn)象的許多實際問題可以通過一維模型解決的這樣一個事實，這種處理做法也是合理的。2.為什么工程師要研究傳遞現(xiàn)象？因為傳遞現(xiàn)象這個學(xué)科牽扯到自然界定則，一些人就把它劃分為工程的一個分支。正因如此，對于那些關(guān)心工廠和設(shè)備設(shè)計和操作經(jīng)濟(jì)性的工程師而言，十分應(yīng)該探知在實際中傳遞現(xiàn)象如何起到價值作用。對于那些問題有兩種通用型答案。第一種要求大家認(rèn)識到傳熱，傳質(zhì)和動量傳遞發(fā)生在許多工程設(shè)備中，如熱交換器，壓縮機，核化反應(yīng)器，增濕器，空氣冷卻器，干燥器，分離器和吸收器。這些傳遞過程也發(fā)生在人體內(nèi)以及大氣中污染物反應(yīng)和擴(kuò)散的一些復(fù)雜過程中。如果工程師要知道工程設(shè)備中正在發(fā)生什么并要做出能達(dá)到經(jīng)濟(jì)性操作的決策，對主導(dǎo)這些傳遞過程的物理定律有一個認(rèn)識很重要。第二種答案是工程師需要能夠運用自然定律的知識設(shè)計包含這些過程的工藝設(shè)備。要做到這點，他們必須能夠預(yù)測傳熱，傳質(zhì)，或動量傳遞速率。例如，考慮一個簡單的熱交換器，也就是一根管道——通過維持壁溫高于流經(jīng)管道的流體溫度來加熱流體。熱量從管壁傳遞到流體的速率取決于傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)反過來取決于管的大小，流體流速，流體性質(zhì)等。傳統(tǒng)上傳熱系數(shù)是在耗費和耗時的實驗室或模范工廠的測量之后獲得并且通過使用一維經(jīng)驗方程關(guān)聯(lián)起來。經(jīng)驗方程是適合一定數(shù)據(jù)范圍的方程，它們不是建立在理論基礎(chǔ)上而且在應(yīng)用數(shù)據(jù)的范圍外不能被精確使用。使用在傳遞現(xiàn)象中比較不耗費和通常較為可靠的方法是從以自然定律為基礎(chǔ)的方程中預(yù)測傳熱系數(shù)。預(yù)測的結(jié)果將由一個研究工程師通過解一些方程獲得（常常在電腦上）設(shè)計工程師再使用由研究工程師獲得的關(guān)于傳熱系數(shù)的方程。要記住無論傳熱系數(shù)是怎么得來的設(shè)計熱交換器的工作將基本上是一樣的。正因如此，傳遞現(xiàn)象的一些課程只強調(diào)傳熱系數(shù)的決定而把真正的設(shè)計步驟留給單元操作中的一個課程。當(dāng)然，能獲得參數(shù)也就是設(shè)計中使用的傳熱系數(shù)是事實，并正因此，一個傳遞現(xiàn)象課程可被視為一個工程課程或一個科學(xué)課程。實際上，在設(shè)備設(shè)計中有一些情況下設(shè)計工程師可能直接使用傳遞現(xiàn)象的方法和方程。一種情況就是設(shè)計可以被稱為管道的管式反應(yīng)器，如，前面所提過的熱交換器，在它里面的液相中發(fā)生著一個均相化學(xué)反應(yīng)。流體以一定濃度的反應(yīng)物流進(jìn)并以濃度降低的反應(yīng)物和濃度增加的產(chǎn)物流出反應(yīng)管。如果反應(yīng)是放熱的，為了移除化學(xué)反應(yīng)生成的熱量反應(yīng)器壁通常維持在一個低的溫度。因此沿徑向方向也就是說隨離管道中心線距離的增大，溫度降低。再者，因為反應(yīng)速率隨溫度升高而增大，在溫度高的中心處的反應(yīng)速率高于溫度低的管壁處的反應(yīng)速率。結(jié)果，反應(yīng)產(chǎn)物將傾向于在中心線處積累而反應(yīng)物在靠近管壁處積累。因此，沿徑向和橫向濃度和溫度都將改變。為了設(shè)計反應(yīng)器我們需要知道在任意給定的管長下產(chǎn)物的平均濃度。由于這個平均濃度是將整個反應(yīng)器內(nèi)每個點的濃度平均起來得到的，實際上我們需要得到反應(yīng)器內(nèi)每個點的濃度，也就是說，在每個徑向和橫向位置。但是為了計算每個點的濃度我們需要知道每個點處的反應(yīng)速率，而為了計算每個點處的速率我們需要知道溫度和濃度！而且，為了計算溫度我們也要知道每個點處的反應(yīng)速率和速度。我們將不得到所包含的方程，但顯然有一組必須由精細(xì)繁瑣的步驟解決的復(fù)雜偏微分方程（通常在電腦上）。我們不能通過用于單元操作課程中關(guān)于熱交換器的經(jīng)驗設(shè)計步驟來解決這樣一個問題，應(yīng)該是明顯的。然而傳遞現(xiàn)象的理論和數(shù)學(xué)步驟是必不可少的，除非一個人愿意花金錢和時間去建立規(guī)模不斷擴(kuò)大的模范工廠并測出每