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      1. 化工能源

        2017-08-07 11:55:45 admin 58

        遠古化學

        化學加工在形成工業之前的歷史,可以從18世紀中葉追溯到遠古時期,從那時起人類就能運用化學加工方法制作一些生活必需品,如制陶,釀造,染色,冶煉,制漆,造紙以及制造醫藥,火藥和肥皂.

        在中國新石器時代的洞穴中就有了殘陶片.公元前50世紀左右仰韶文化時,已有紅陶,灰陶,黑陶,彩陶等出現(見彩圖[中國新石器時期(公元前2500年)燒制的彩陶罐],[隋代(581~618)燒制的三彩陶駱駝],[西漢(公元前 206~公元25年)制作的云紋漆]" ,[唐代(618~907)越州窯燒制的青瓷水注],[中國古代煉丹白描圖]).在中國浙江河姆渡出土文物中,有同一時期的木胎碗,外涂朱紅色生漆.商代(公元前17~前11世紀)遺址中有漆器破片戰國時代(公元前475~前221)漆器工藝已十分精美.公元前20世紀,夏禹以酒為飲料并用于祭祀.公元前25世紀,埃及用染色物包裹干尸.在公元前21世紀,中國已進入青銅時代,公元前5世紀,進入鐵器時代,用冶煉之銅,鐵制作武器,耕具,炊具,餐具,樂器,貨幣等.鹽,早供食用,在公元前11世紀,周朝已設有掌鹽政之官.公元前7~前6世紀,腓尼基人用山羊脂和草木灰制成肥皂.公元1世紀中國東漢時,造紙工藝已相當完善.

        公元前后,中國和歐洲進入煉丹術,煉金術時期.中國由于煉制長生不老藥,而對醫藥進行研究.于秦漢時期完成的最早的藥物專著《神農本草經》,載錄了動,植,礦物藥品365種.16世紀,李時珍的《本草綱目》總結了以前藥物之大成,具有很高的學術水平.此外,7~9世紀已有關于三種成分混煉法的記載,并且在宋初時火藥已作為軍用.歐洲自3世紀起迷信煉金術,直至15世紀才由煉金術漸轉為制藥,史稱15~17世紀為制藥時期.在制藥研究中為了配制藥物,酸,硝酸,鹽酸和有機酸.雖未形成工業,但它導致化學品制備方法的發展,為18世紀中葉化學工業的建立,準備了條件。

        能源可以分為一次能源和二次能源。一次能源系指從自然界獲得、而且可以直接應用的熱能或動力,通常包括煤、 石油等。消耗量十分巨大的世界能源,主要是化石燃料。1985年世界一次能源消費量達10610Mt標準煤,其中石油39.9%、煤29.7%、天然氣21.1%、水電7.7%、核電4.9%;中國一次能源消費量達764Mt標準煤,其中煤75.9%、石油17.1%、水電4.8%、天然氣2.2%。二次能源(除電外)通常是指從一次能源(主要是化石燃料)經過各種化工過程加工制得的、使用價值更高的燃料。例如:由石油煉制獲得的汽油、噴氣燃料、 柴油、重油等液體燃料,它們廣泛用于汽車、飛機、輪船等,是現代交通運輸和軍事的重要物資;還有煤加工所制成的工業煤氣、民用煤氣等重要的氣體燃料;此外,也包括從煤和油頁巖制取的人造石油。

        化工與能源的關系非常密切,還表現在化石燃料及其衍生的產品不僅是能源,而且還是化學工業的重要原料。以石油為基礎,形成了現代化的強大的石油化學工業,生產出成千上萬種石油化工產品。在化工生產中,有些物料既是某種加工過程(如合成氣生產)中的燃料,同時又是原料,兩者合而為一。所以化工生產既是生產二次能源的部門,本身又往往是耗能的大戶。

        化石燃料特別是煤的加工和應用常常產生污水、固體廢料和有害的氣體,導致環境的污染。對于污染的防治,也有賴于多種化工技術的應用。

        中國的能源生產自1949年以來有了很大的發展,但能源(尤其是石油)仍是制約國民經濟發展的一個重要因素,因此能源的增產和節約有很重要的意義。改進化工生產工藝,減少能耗,既能降低生產成本,提高經濟效益,也有利于能源緊張程度的緩解。

        長遠來看,在全世界范圍內,預計至21世紀上半葉,化石燃料仍將占能源的主要地位。隨著時間的推移,由于化石燃料資源的限制,除上述常規能源外,若干非常規能源的發展將越來越受到重視。非常規能源指核能和新能源,后者包括、波浪能、海洋能和生物能(如沼氣)等。在太陽能、核能利用的研究開發和大規模應用的漫長過程中,化學工程和化工生產技術也大有用武之地。

        其他技術

        推動化工發展的動力是工農業生產和人民生活對化學品的需要,它所依靠的基礎是化學、 物理學、數學和各種工程技術。其中與化學的關系尤為密切,化學是化工須臾不能離開的學科。在它們之間,也曾有過“工業化學”、“應用化學”等學科,起過一定的歷史作用?;せ窘ㄔO離不開土木工程、電力工程?;C械的制造離不開機械工程和各種金屬材料,尤其是不銹鋼,乃至特種鋼材?;C械特別注意的是高溫、高壓下的可靠性,即指系統、設備、元件在規定條件下完成規定功能的概率?,F代化工裝置趨于大型化、單系列生產,對于可靠性的研究就顯得格外重要。

        化工過程的控制離不開電子學、計算機和自動化,這些理論和儀器儀表,不僅能運用于生產,甚至也能運用于解決發展預測、決策和經營管理等問題。20世紀80年代,新技術革命中蓬勃發展的若干領域,除前述能源和材料外,微電子技術和生物技術等前沿科學,以自己強大的生命力,對化工提出了更高的要求,從而把化工推向前進。

        微電子技術  電技術都離不開微電子技術。在微電子技術中,大規模和超大規模集成電路的應用,對化工提出了新的要求。例如超純氣體和純水、電子工業用試劑、光刻膠、液晶以及腐蝕劑、摻雜劑、粘合劑等等。

        微電子技術中使用的超純氣體有幾十種,除氧、氫、氮、二氧化碳、氬等常見氣體外,還有硼烷、三氯化硼、二氯硅烷、四氟化碳等自然界不存在的氣體。所用化工產品的純度對半導體成品的影響很大。使用工業氣體時,成品率只有10%;使用含雜質小于10ppm的氣體和相應的高純化學試劑時,則成品率可提高到70%~80%。以用水而言,集成度為1Mb的集成電路,允許水中微粒的粒徑不大于0.1μm 。為了制得接近理論的純水,生產方法從蒸餾、離子交換發展到70年代的膜分離與離子交換相結合的方法,使純水制備技術達到新的水平。

        微電子器件生產的關健在于光刻膠。超大規模集成電路所用的光刻膠是由芳香族疊氮化合物制成的感光樹脂,其優點是分辨率高,去膠容易,圖像清晰。液晶是微電子器件中不可缺少的顯示材料。它是一種有機化合物,由于要求顯示溫單一液晶都達不到這種要求,須用多種同類型或不同類型的液晶混配使用。

        生物技術  微生物是一種活細胞催化劑,在常壓和不高的溫度下通過發酵過程,將原料轉變為產品。多年來,應用這種傳統的生物技術生產了乙醇、丁醇、丙酮、醋酸等產品。研究開發的利用固定化細胞,由丙烯腈生產丙烯酰胺,收率可達99.8%。此外,還可利用酶催化劑,特別是固定化酶,生產有機產品。生物技術用于化工,投資較少,節省能源和原料,污染少,可以制得利用常規方法難以制取的物質,如干擾素、胰島素、單克隆抗體等。這些藥物運用重組DNA技術來制備,可望使制藥工業面貌一新。

        生物技術對化學工程提出了新的要求,主要是解決適宜于微生物大量培養的生化反應器,滿足復雜生化反應過程的分離技術以及過程控制等。在這方面,已形成了新的邊緣學科──生物化學工程,它把化學工程理論,運用于生物催化劑、生化反應工程和新型單元操作的研究開發,做出了許多

        化工作為一個知識門類來說,在各個不同的歷史時期,在各種不同目的的要求下,有多種分解或綜合的分類方法??砂凑赵蟻碓?、產品性質分類,也可按照過程規律、歷史聯系分類。每種劃分方法都難于嚴格適應。本卷力求減少不必要的交叉,采取綜合分類的方法,設計了從原料出發的燃料化工分支;從產品出發的無機化工、基本有機化工、高分子化工、精細化工等分支;還有從共同的過程規律出發的化學工程分支,以及從歷史發展和橫向聯系出發的綜論分支。燃料化工的原料是石油、天然氣、煤和油頁巖等可燃礦物,所以它又劃分為石油煉制工業、石油化工、天然氣化工、煤化工和頁巖油工業。其中,石油煉制工業是創造產值較高的工業部門,是國家的重要經濟命脈。天然氣常與石油共生,也常把天然氣化工歸屬于石油化工。在現階段,石油煉制和石油化工是燃料化工的主體。燃料化工生產的產品包括燃料和化工原料,后者主要是有機化工原料(除合成氣也用于生產無機化工產品,如合成氨等外)。所以,石油化工也是基本有機化工的主要組成部分。由石油化工可以生產塑料、 合成橡膠、 合成纖維等三大合成材料,這是高分子化工的主要產品。因此,燃料化工、基本有機化工和高分子化工三者是有機地聯系在一起的。至于無機化工所采用的原料既有可燃礦物,也有無機礦物。其產品主要有化肥,硫酸、硝酸、磷酸等酸類,純堿、燒堿等堿類,還有無機鹽,工業氣體和無機非金屬材料等。無機非金屬材料中的硅酸鹽材料,有時被劃入傳統的建筑材料領域。精細化工生產小批量、具有專門功能、主要用于消費的化學品。由于市場需求的發展,有些產品已變成大批量產品,但按習慣,往往仍視作精細化工產品。主要有染料、農藥、醫藥、火炸藥、信息記錄材料、涂料、顏料、膠粘劑、催化劑、各種助劑和化學試劑等。醫藥和火炸藥的生產又往往被分別劃料考慮,則精細化工是既有無機的,又有有機的,還有聚合物,是一個著眼于使用功能的綜合部門。在微電子技術、生物技術和新型材料蓬勃發展的新技術革命中,精細化工給化學工業增添了新的活力。

        化學工程又分為化工熱力學、傳遞過程、單元操作、化學反應工程和化工系統工程。前兩者是化學工程的理論基礎,單元操作是化學工程最早形成的概念,它把化工生產的物理過程分解為若干單元,如流體輸送、蒸餾、萃取、換熱、干燥等。這些單元操作不僅在化工生產中起著重要作用,也廣泛用于冶金、輕工、食品、核工業等與化工有共同特點的工業領域。單元操作仍在繼續發展和完善,如21世紀發展的顆粒學,作為粉體工程的一種理論,已應用于催化劑粒度設計、高溫氣體除塵、糧食干燥和輸送?;瘜W反應工程著眼于工業規模的化學反應過程的傳遞和動力學等規律,以解決反應器的設計和放大的問題。至于化工系統工程,則是運用系統工程的理論和方法,來解決化工過程優化問題的邊緣學科。

        化工所包含的核心內容基本上都可以歸納在上述六個分支之中,并且綜論也是由這六個分支組成的。但是,這種分類方法并不是完全合理的,如催化劑工業被列入精細化工。雖然理論上講,催化劑具有加快反應速率的專門功能,是不參與反應的少量物質,但在大型化生產的今天,催化劑的產量和裝填量也是相當大的,中國1985年石油煉制催化劑的用量達20kt。而且催化劑的使用范圍遍及燃料、無機、有機、高分子和精細化工等所有領域。這樣的歸屬問題尚有很多。

        此外,環境保護既是化工各部門不斷解決的共性問題,也是化工能作出貢獻的領域。18世紀興起的近代化學工業,迄今已有200多年的歷史,創造了無數的化工產品,同時也排放了廢氣、廢液、廢渣,污染了環境。因此,人們要求化學工盡其用,成為無排放工程。國民經濟中其他部門的發展也或多或少造成公害。長此以往,超越大自然環境自凈能力的排放,必將使人類的生活環境日益惡化。因此,有識之士對世界上大氣、水、土壤、生物所受到的污染和破壞,發出了危險警告。為了解決污染,保護環境,使自然界的生態平衡走向新的和諧一致,化工將成為一支主力軍。

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