《化学工程与工艺专业英语》课文翻译完

Unit 1 Chemical Industry 化学工业化学工业的起源

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。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

1． 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

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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（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。

2． 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。 Unit 2 Research and Development

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

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，以及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

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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。

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

废臵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。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。down time: 故障期

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，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）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。CH3CH3F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

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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，氯碱及其相关化合物，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（及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臵。 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。 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。

Unit 5 Basic Chemicals

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。

Unit 9 Polymers 聚合物聚合物与我们的生活密切相关。他们是食物（淀粉，蛋白质） 、衣物（丝绸，棉花，聚酯，尼龙） 、 建筑房屋（木纤维素，油漆）和我们身体（核酸，多糖，蛋白质）的主要成分。生物高聚物和合成 聚合物之间没有差别。实际上许多早期的合成聚合物是基于天然形成的聚合物而合成的，比如，赛 璐珞/电影胶片（硝酸纤维素） ，橡胶硫化，人造纤维（醋酸纤维素） 。聚合物是由单体单元通过共价键连接而成的。聚合物的定义是：是—R—R—R—R—或者， 一般来说，—[R]n—构成的物质。R 是一种双官能团的物质（或者二 价自由基） ，而这两种官能团是不能分开单独存在的。在这里 n 代表的是聚合度，DPn。这个定义不包括简单的有机和无机物质，比如，CH4, NaCl，同时 也不包括像钻石，硅石和金属等材料，这些材料看起来具有聚合物的性质，但是能够蒸发成单体单 元。分子量（严格来说是相对分子质量）可以由单体（或重复单元）乘以 n 获得。于是，CH4 或者 NaCl 的分子量分别为 18 或者 58.5， 而一个聚合物的分子量能大于 100。 n 的值较小时比如说 2 到 20， 当 这种物质叫做低聚物，通常这些低聚物可进一步聚合，成为高聚物。由定义， 摩尔高聚物含有 6×1023 个高聚物分子， 1 因此 1 克摩尔等于以克作单位的高聚物的分子量， 理论上它可大于 106 克。但习惯上，通常 1 克摩尔指重复单元的分子量；这样 1 克摩尔聚乙烯 -(CH2)n- 可认为是 14 克（末端基团可以忽略） 。一个分子量为 107 的高聚物，若完全展开，其长度约 1mm，直径约 0.5nm.这相当于约两公里长的 生的意大利面条。但是，实际上，在大多数高聚物中的链决不是完全展开的——一个任意的圈式结 构被采用，占有约 200nm 直径的空间。因此看来像煮熟的意大利面条或蠕虫，这些高聚物链的转 移由几个因素来决定，如：(i)温度 (ii)骨架-C-C-C-链的化学组成;不管链是柔性的或是刚性的 (iii)骨架上是否有支链存在 (iv)共聚物链的引力 (v)聚合物的分子量和分子量分布。若上述因素已知，可以预测聚

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合物的几乎所有的性质，比如此聚合物是非晶的还是部分晶状；晶态 的融化温度；聚合物是脆的还是韧性的；它的刚性，此聚合物是否溶于溶剂等。聚合物的确能对它们制成的化学品产生影响，如塑料，纤维，胶卷，合成橡胶，粘合剂，涂料等， 每一种用途都要求不同的聚合物特性。 塑料的许多原始用途是不适当的， 这就使人们认为塑料是 “没 什么价值的讨厌东西” ，但是最近的产品责任法和对塑料优缺点的更深入的了解已经改变了这种状 况。经济， 即制造聚合物的费用， 具有头等的重要性。 这已导致了把聚合物大致地分成日用品聚合物， 工程聚合物，和高级聚合材料。 1. 聚乙烯 日用品聚合物 这方面例子有： 低密度聚乙烯 高密度聚乙烯 线性低密度聚乙烯 Low density polyethylene (LDPE) high density polyethylene (HDPE) Linear low density polyethylene (LLDPE) Polypropylene (PP) 聚丙烯 Poly vinyl chloride (PVC) 聚氯乙烯 Polystyrene (PS) 聚苯乙烯其中每一种都以年产 1 千万吨的规模生产。价格<1500 美元/吨。 2. Engineering polymers 工程聚合物这种材料在近十年来比任何聚合物的增长百分比都高， 主要用于适中的温度和环境条件下作金属的 替代品，或它们可能具有杰出的化学惰性和其它特性,如具有低摩擦系数的聚四氟乙烯。这些工程 聚合物包括： Acetal (or polyoxymethylene, POM) 乙缩醛（聚甲醛） 尼龙（聚酰胺） Nylons (polyamides) Polyethylene or polybutylene terephthalate (PET or PBT) 聚乙烯或聚丁烯对苯二酸酯 3 Polycarbonate (of bisphenol A) (PC) 聚碳酸酯（双酚 A） Polyphenylene oxide (PPO) (usually blended with styrene). 聚苯氧化物（通常与苯乙烯混合） The prices are (＄3000～＄15000)/tonne. 价格为（3000 美元 - 15000 美元）/吨。 3. Advanced polymeric Materials 高级聚合材料此种材料有很好的温度稳定性,当用纤维增强后,即复合材料,它们的强度超过大部分同重量的金属. 它们通常仅仅被少量地使用,常用在一个结构的关键部分.它们的价格可能高达 150000 美元 / 吨. 4. Making of polymers 聚合物的生产每年生产的聚合物大约有 1 亿吨，其规模有年产 24 万吨的连续单一产品的聚丙烯装臵，也有一批 制备几公斤改性复合材料的小型装臵。产量最高的有 LDPE，HDPE，LLDPE，PP，PVC 和 PS。生产聚合物时最重要的参数是质量控制参数和重现性参数。 它们不同于简单的有机化合物， 如丙酮 的生产中通常只要简单蒸馏就能得到所需的纯度。按其最终用途， “同一种”聚合物也分为许多不 同的级别，如不同的平均分子量，平均分子量分布，支链的大小，交联等，若考虑到共聚物，交替 和嵌段,这些变量还会成倍增加。在聚合过程中许多性质已被固定，不能通过后处理来改变。有时 也进行混合操作来获得所需的性质，或仅是为了把已形成的不太合指标的聚合物提高级别。: 聚合过程由三个步骤组成： (1)单体制备。在此不作讨论，只是强调单体的纯度要求是最高的。所以，在逐步增长过程中的单 功能杂质，基团清除剂，链转移杂质和链聚合催化剂毒物都是非常有影响的2)聚合。如上所述，高聚物的性质的一致性是绝对必要的，这不仅包括分子量等，也包括如聚合 物颗粒的颜色，形状（如果高聚物没有造粒或者不是颗粒状的） ，残留催化剂，气味（尤其是应用 到食物方面）等。聚合操作必须能适应下面的各项变化： (i) Homogeneous or

heterogeneous reactions. （i）均相或非均相反应（ii）在均相系统中，粘度上有大的增加，影响聚合反应动力学，传热和混合效果。(iii)大部分链增长聚合反应是放热的，每生产一吨聚合物放出几百千瓦的热；此热量必须除去。因 为大部分聚合反应都是在恒温下进行。热量的除去是通过反应器器壁传热，反应器结构设计，添加 冷却剂或利用单体或溶剂的蒸发潜热来实现的。 (iv)分子量与分子量分布，聚合物中支链与交联的控制.聚合过程是分批，半分批还是连续操作会对 这些方面产生影响。聚合过程停留时间分布情况，是窄还是宽，也决定了分子量和分子量分布。作为一般的规律， 一旦一个工艺被完善后， 如果不是经济情况要求其改变的话就不再改变 — 例如， 在不使用溶剂情况下所进行的气相聚合反应，这样就消除了溶剂的提纯，回收，失火危险等。 (3) 聚合物回收。如果聚合反应不成块，就需要与溶剂分离。化学品再生的常规的办法如结晶，精 馏，吸附等在此并不常用，因为聚合物具有象高粘度，在溶剂中溶解度低这样的性质而且具有粘附 和不挥发性。不过，像非溶剂沉淀法后面接着离心分离，或乳液凝聚法或汽提法脱除溶剂等操作方 法可被采用。从高聚物中脱去溶剂和未反应的单体的脱挥发组分操作可在挤压机中造粒时进行。 6

Unit 10 What Is Chemical Engineering?

什么是化学工程学

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，机械工程学涉及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，它涉及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，应用机械以及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。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。

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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及解决的方法交给“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及的加工工艺，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。这就为引入热力学及动力学、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George Davis，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Lewis Norton早在1888年就已率先开出了Davis型课程。

1915年，Arthur D. little 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及多组分体系中基础热力学的研究。

化学工程师在帮助美国及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臵的变化。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：

〃Multicomponent thermodynamics and kinetics, 〃Transport phenomena, 〃Unit operations, 〃Reaction engineering, 〃Process design and control, and 〃Plant design and systems engineering. 〃多组分体系热力学及动力学 〃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、以及聚合物科学和技术方面。 Basic Trends In Chemical Engineering

2. 化学工程学的基本发展趋势

未来几年里，科学的进步，技术的竞争以及经济的驱动力将为化学工程是什么以及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及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，还有微型的以及更为复杂的系统----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及微型的分子水平的反应和传递之间的

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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及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、人工智能以及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及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崇高。因为如化学、分子生物学、生物医学以及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。

Unit 12 what do we mean by transport phenomena ? 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，以及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．How We Approach the Subject 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.Why Should Engineers Study Transport Phenomena? 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及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

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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臵。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。由于其极大的潜能及当前的实用性，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。

Unit 13 Unit Operations in Chemical Engineering

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 料以及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A.D.Lttle 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（be resolved into）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、搅拌以及离心得到了认可。近年来，对新技术的不断理解以及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及到的是确定任何流体的从一位 臵到另一位臵的流动或输送的原理。

（2）传热该单元操作涉及到（deal with）原理为：支配热量

和能量从一位臵到另一位臵的积累和传递。（3）蒸发这是传热中的一种特例，涉及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） 膜分离该操作涉及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及的是，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） 结晶结晶涉及到的是，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。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（as long as）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，这些单元操作涉及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

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传递速率、质量传递速率以及化学反应速率，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。

Unit 21 Chemical Industry and Environme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，以及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．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、氮氧化物以及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。

3． 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.

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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臵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及的化学现象.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、以及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，所需费用又与处臵废水所需成本及罚款相差无几。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臵，核废料的处臵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，以及从空气中得到氮气。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

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