【導讀】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(xiàn)代化學工業(yè)的發(fā)展卻是非常近代。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)部門提供化學原料的產(chǎn)業(yè)。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。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(yè)在世界化學產(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(fā)，對以氮為基礎的化合。盡管這種發(fā)展的速度近年來已大大減慢。今天的化學工業(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。

　　

【正文】 Unit 8 Petroleum Processing 石油加工 石油是有機物幾千年自然變化生成的，在地下聚集很大的數(shù)量，石油被人類發(fā)現(xiàn)和使用。它用來滿足人們的需要，石油是成千上萬有機物組成的混合物，通過改變精煉和加工的方式生產(chǎn)不同的燃料。石油化工產(chǎn)品通過化學反應生產(chǎn)純的化學物質(zhì)。 現(xiàn)代工業(yè)是連續(xù)的操作過程。首先，管式加熱器加熱原油，通過沸點分離這些物質(zhì) ，和間歇蒸餾得到的物質(zhì)相似。但是這種分離方法更好。使用的程序包括分裂，聚合，加氫裂化，加氫處理，異構(gòu)化，焦化處理。很多化學過程被設計用來改變沸點和分子結(jié)構(gòu)。 石油的組成 原油是由幾千種不同的化學物質(zhì)組成，包括氣體、液體、固體以及甲烷，瀝青，大多數(shù)成分是烴類，但也含有氮，硫 12 磺，氧化物。沒有一種成分是在原油中大量存在的。 正鏈烷烴：這類物質(zhì)占了含量比其他的多，許多直餾汽油主要成分是正鏈烷烴。他們的抗震性能差。 異構(gòu)烷烴：含有支鏈的烷烴有更好的抗震性能，因此，被人廣泛使用。它們由催化重整，烷基化，異構(gòu)化制備。它在原油中含量少。 烯烴：原油中不存在烯烴，但是加工過程中可以產(chǎn)生，例如裂化。這種分子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，但它能改變汽油的抗爆性，雖然他的抗爆性能比異構(gòu)的差，在儲罐內(nèi)容易催化裂化，這是我們所不希望的。我們可以利用這個反應的附加反應制成其他的石化產(chǎn)品。例如，乙烯、丙烯、丁烯，裂化汽油后產(chǎn)生大量這類物質(zhì)。 環(huán)狀化合物 環(huán)烷烴：這類物質(zhì)與萘類相似，它們有相同的化學式，例如烯烴，但是沒有烯烴那么不穩(wěn)定和易于反應，因為他們分子構(gòu)造趨于飽和，像烷烴那樣不易反應。低分子量的這類物質(zhì)是很好的燃料，高分子量的主要用做汽油和潤滑油。 芳 香烴：天然原油中此類物質(zhì)比較少，他們的效果很好，他們有很高的抗震性、穩(wěn)定性等等。許多芳香族化合物通過精煉制備。例如笨、甲苯、乙苯和二甲苯。 含量少的物質(zhì)：人們認為硫磺不是理想物質(zhì)。他有很強的氣味，他是有毒氣體，使用它之前要先除氣味。這種物質(zhì)有很多缺點。目前，含氮化合物比含含硫化合物的問題少。 原油分布很廣，每種都要不同的提煉過程，常用方法是蒸餾。根據(jù)殘余物來區(qū)分石蠟基、瀝青和混合基。 純化合物沒有分離提煉過程。低分子化合物單獨加工成石化產(chǎn)品。 隨著市場變化，石化產(chǎn)品制造中使用材料不斷變化。如何低成本的生產(chǎn)成 為一個問題。在早期，乙炔被廣泛應用，但是它難以制造和儲存，因此乙炔成為主要天然材料。乙炔目前被用于液化石油氣、石腦油、汽油、柴油、乙烷、丙烷和丁烷。煤很快將被探索。 乙烯的數(shù)量很大在世界上，生產(chǎn)條件是精煉，一些機器有很大的生產(chǎn)能力，年產(chǎn)量 7 108Kg。 丙烯被生產(chǎn)的很少，大部分丙烯是乙烯裂化產(chǎn)生。在煉油廠，丙烯主要用于烷基化反應。 芳烴是煤的一種成分，在 1980年，他在煤種含量非常少，含有 4%的笨， %的甲苯， %的二甲苯。苯可以通過環(huán)己烷的脫氫，環(huán)己烷的取代，甲基環(huán)戊烷的芳構(gòu)化，以及甲基苯的去甲 基化制得。 萘在芳烴化合物中非常少。但是他們的需求量很大。 輕餾分：航空煤油、車用汽油、石腦油，石油溶劑以及噴漆燃料一般都被認為是輕餾分。所有煉油廠都生產(chǎn)他們。汽油是最重要的生產(chǎn)產(chǎn)物。 45%的煉油廠是以此為他們的最后加工產(chǎn)品。 重質(zhì)油：他們能都轉(zhuǎn)化為潤滑油，重油有許多用途，做蠟以及重油裂解成分。 殘留物：包括瀝青、殘余燃料油，焦炭和凡士林。這些材料通過原油的精煉制備。他們用途廣泛，但是他們很難提取。 石油衍生品是石化產(chǎn)品，用來生產(chǎn)化學品和天然氣。衍生品的產(chǎn)量是非常巨大的，大約有 1000家化工廠都以此為他們的 原材料。例如：焦炭、丁二烯、苯乙烯、乙烯、乙二烯、聚乙烯等。 加工和精煉 精煉主要有分離過程和轉(zhuǎn)換過程，每個煉油廠的運作都沒有嚴格按照顯示，但所有煉油廠都將基本路線說明。 分離過程：石油精煉操作過程簡單。但化學反應復雜，大多數(shù)操作涉及到蒸餾。原油蒸餾由熱交換器、爐、分餾塔、冷凝器、冷卻器和助劑組成。 轉(zhuǎn)換過程： 70%的原油加工轉(zhuǎn)換受到正碳離子機理和自由基機理的影響。在催化劑存在下，溫度和壓力控制著反映類型，例如：裂解、聚合、烷基化、加氫、加氫裂解、異構(gòu)化、重整和芳構(gòu)化。 Unit 9 Polymers 聚合物 聚合物與我們的生活密切相關。他們是食物（淀粉，蛋白質(zhì)）、衣物（絲綢，棉花，聚酯，尼龍）、建筑房屋（木纖維素，油漆）和我們身體（核酸，多糖，蛋白質(zhì)）的主要成分。生物高聚物和合成聚合物之間沒有差別。實際上許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，賽璐珞 /電影膠片（硝酸纖維素），橡膠硫化，人造纖維（醋酸纖維素）。 聚合物是由單體單元通過共價鍵連接而成的。聚合物的定義是： 是 — R— R— R— R— 或者， 一般來說， — [R]n— 構(gòu)成的物質(zhì)。 R是一種雙官能團的物質(zhì)（或者二價自由基），而這兩種 13 官 能團是不能分開單獨存在的。 在這里 n代表的是聚合度， DPn。這個定義不包括簡單的有機和無機物質(zhì)，比如， CH4, NaCl，同時也不包括像鉆石，硅石和金屬等材料，這些材料看起來具有聚合物的性質(zhì)，但是能夠蒸發(fā)成單體單元。 分子量（嚴格來說是相對分子質(zhì)量）可以由單體（或重復單元）乘以 n獲得。于是， CH4或者 NaCl的分子量分別為 18或者 ，而一個聚合物的分子量能大于 100。當 n的值較小時比如說 2到 20，這種物質(zhì)叫做低聚物，通常這些低聚物可進一步聚合，成為高聚物。 由定義， 1摩爾高聚物含有 6 1023個高聚物 分子，因此 1克摩爾等于以克作單位的高聚物的分子量，理論上它可大于 106克。但習慣上，通常 1克摩爾指重復單元的分子量；這樣 1克摩爾聚乙烯 (CH2)n 可認為是 14克（末端基團可以忽略）。 一個分子量為 107的高聚物，若完全展開，其長度約 1mm，直徑約 。但是，實際上，在大多數(shù)高聚物中的鏈決不是完全展開的 —— 一個任意的圈式結(jié)構(gòu)被采用，占有約 200nm直徑的空間。因此看來像煮熟的意大利面條或蠕蟲，這些高聚物鏈的轉(zhuǎn)移由幾個因素來決定，如： (i)溫度 (ii)骨架 CCC鏈的化學組成 。不管鏈是柔性的或是剛性的 (iii)骨架上是否有支鏈存在 (iv)共聚物鏈的引力 (v)聚合物的分子量和分子量分布。 若上述因素已知，可以預測聚合物的幾乎所有的性質(zhì)，比如此聚合物是非晶的還是部分晶狀；晶態(tài)的融化溫度；聚合物是脆的還是韌性的；它的剛性，此聚合物是否溶于溶劑等。 聚合物的確能對它們制成的化學品產(chǎn)生影響，如塑料，纖維，膠卷，合成橡膠，粘合劑，涂料等，每一種用途都要求不同的聚合物特性。塑料的許多原始用途是不適當?shù)?，這就使人們認為塑料是“沒什么價值的討厭東西”，但是最近的產(chǎn)品 責任法和對塑料優(yōu)缺點的更深入的了解已經(jīng)改變了這種狀況。 經(jīng)濟，即制造聚合物的費用，具有頭等的重要性。這已導致了把聚合物大致地分成日用品聚合物，工程聚合物，和高級聚合材料。 1 日用品聚合物 這方面例子有： 低密度聚乙烯 高密度聚乙烯 線性低密度聚乙烯 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 其中每一種都以年產(chǎn) 1千萬噸的規(guī)模生產(chǎn)。價格 1500美元 /噸。 2. 工程聚合物 這種材料在近十年來比任何聚合物的增長百分比都高，主要用于適中的溫度和 環(huán)境條件下作金屬的替代品，或它們可能具有杰出的化學惰性和其它特性 ,如具有低摩擦系數(shù)的聚四氟乙烯。這些工程聚合物包括： 乙縮醛（聚甲醛） 尼龍（聚酰胺） 聚乙烯或聚丁烯對苯二酸酯 聚碳酸酯（雙酚 A） 聚苯氧化物（通常與苯乙烯混合） 價格為（ 3000美元 15000美元） /噸。 3. 高級聚合材料 此種材料有很好的溫度穩(wěn)定性 ,當用纖維增強后 ,即復合材料 ,它們的強度超過大部分同重量的金屬 .它們通常僅僅被少量地使用 ,常用在一個結(jié)構(gòu)的關鍵部分 .它們的價格可能 高達 150000美元 / 噸 . 4. 聚合物的生產(chǎn) 14 每年生產(chǎn)的聚合物大約有 1億噸，其規(guī)模有年產(chǎn) 24萬噸的連續(xù)單一產(chǎn)品的聚丙烯裝置，也有一批制備幾公斤改性復合材料的小型裝置。產(chǎn)量最高的有 LDPE， HDPE， LLDPE， PP， PVC和 PS。 生產(chǎn)聚合物時最重要的參數(shù)是質(zhì)量控制參數(shù)和重現(xiàn)性參數(shù)。它們不同于簡單的有機化合物，如丙酮的生產(chǎn)中通常只要簡單蒸餾就能得到所需的純度。按其最終用途，“同一種”聚合物也分為許多不同的級別，如不同的平均分子量，平均分子量分布，支鏈的大小，交聯(lián)等，若考慮到共聚物，交替和嵌 段 ,這些變量還會成倍增加。在聚合過程中許多性質(zhì)已被固定，不能通過后處理來改變。有時也進行混合操作來獲得所需的性質(zhì)，或僅是為了把已形成的不太合指標的聚合物提高級別。 聚合過程由三個步驟組成： (1)單體制備。在此不作討論，只是強調(diào)單體的純度要求是最高的。所以，在逐步增長過程中的單功能雜質(zhì)，基團清除劑，鏈轉(zhuǎn)移雜質(zhì)和鏈聚合催化劑毒物都是非常有影響的。 (2)聚合。如上所述，高聚物的性質(zhì)的一致性是絕對必要的，這不僅包括分子量等，也包括如聚合物顆粒的顏色，形狀（如果高聚物沒有造粒或者不是顆粒狀的），殘留催化劑，氣味（ 尤其是應用到食物方面）等。 聚合操作必須能適應下面的各項變化： （ i）均相或非均相反應 （ ii）在均相系統(tǒng)中，粘度上有大的增加，影響聚合反應動力學，傳熱和混合效果。 (iii)大部分鏈增長聚合反應是放熱的，每生產(chǎn)一噸聚合物放出幾百千瓦的熱；此熱量必須除去。因為大部分聚合反應都是在恒溫下進行。熱量的除去是通過反應器器壁傳熱，反應器結(jié)構(gòu)設計，添加冷卻劑或利用單體或溶劑的蒸發(fā)潛熱來實現(xiàn)的。 (iv)分子量與分子量分布，聚合物中支鏈與交聯(lián)的控制 .聚合過程是分批，半分批還是連續(xù)操作會對這些方面產(chǎn)生影響。聚合過程停留時 間分布情況，是窄還是寬，也決定了分子量和分子量分布。 作為一般的規(guī)律，一旦一個工藝被完善后，如果不是經(jīng)濟情況要求其改變的話就不再改變 — 例如，在不使用溶劑情況下所進行的氣相聚合反應，這樣就消除了溶劑的提純，回收，失火危險等。 (3) 聚合物回收。如果聚合反應不成塊，就需要與溶劑分離?；瘜W品再生的常規(guī)的辦法如結(jié)晶，精餾，吸附等在此并不常用，因為聚合物具有象高粘度，在溶劑中溶解度低這樣的性質(zhì)而且具有粘附和不揮發(fā)性。不過，像非溶劑沉淀法后面接著離心分離，或乳液凝聚法或汽提法脫除溶劑等操作方法可被采用。從高聚物中 脫去溶劑和未反應的單體的脫揮發(fā)組分操作可在擠壓機中造粒時進行。 Unit 10 What Is Chemical Engineering? 什么是化學工程學 廣義來講，工程學可以定義為對某種工業(yè)所用技術和設備的科學表達。例如，機械工程學涉及的是制造機器的工業(yè)所用技術和設備。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)而不改變其化學性質(zhì)?；瘜W工程學包括原材料的化學過程，以更為復雜的化學和物理化學現(xiàn)象為基礎。 因此，化學工程學是工程學的一個分支，它涉及工業(yè)化化學過程中工廠和機器的設計 、制造、和操作的研究。 前述化學工程學都是以化學科學為基礎的，如物理化學，化學熱力學和化學動力學。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)的化學加工過程。把化學工程學與純化學區(qū)分開來的首要目的是“找到最經(jīng)濟的生產(chǎn)路線并設計商業(yè)化的設備和輔助設備盡可能地適應它?！币虼巳绻麤]有與經(jīng)濟學，物理學，數(shù)學，控制論，應用機械以及其它技術的聯(lián)系就不能想象化學工程會是什么樣的。 早期的化學工程學以描述性為主。許多早期的有關化學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。 科學和工業(yè)的發(fā)展使化學品的制造數(shù)量迅速增加。舉例來說，今天石油已經(jīng)成為八萬多種化學產(chǎn)品生產(chǎn)的原材料。一方面是化學加工工業(yè)擴張的要求，另一方面是化學和技術水平的發(fā)展為化學工藝建立理論基礎提供了可能。 隨著化學加工工業(yè)的發(fā)展，新的數(shù)據(jù)，新的關系和新的綜論不斷添加到化學工程學的目錄中。然后又從主干上分出許多的分支，如工藝和工廠設計，自動化，化工工藝模擬和模型，等等。 1． 簡要的歷史輪廓 從歷史上來說，化學工程學與化學加工工業(yè)密不可分。在早期，化學工程學隨著早期化學產(chǎn)品交易的發(fā)展而出現(xiàn)，是應用化學的純描述性的分支。 在 歐洲，基礎化學產(chǎn)品的制造出現(xiàn)在 15 世紀。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 15 有機化合物。 由于十九世紀英國的學院化學家強調(diào)純化學的研究高于應用化學，他們的要成為工業(yè)化學家的學生也只是定性和定量分析者。在 19 世紀 80年代以前，德國的化學公司也是這樣。他們愿意聘請那些在大學里進行研究的人作顧問，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)家們開始認識到要把顧問們在實驗室的準備和合成工作進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 學工程師” — 這可能是受到已經(jīng)進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)準備把化學工業(yè)的一個新的協(xié)會命名為“化學工程師協(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)化學工程師的要求?，F(xiàn)