1、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
2、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
3、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。1 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。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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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置的变化。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：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。2. 化学工程学的基本发展趋
10、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
11、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
12、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
13、，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 11 Chemical and Process Thermodynamics化工热力学在投入大量的时间和精力去研究一个学科时，有理由去 问一下以下两个问题：该学科是什么？（研究）它有何用途？关于热力学，虽然第二个问题更容易回答，但回答第一个问题有必要对该学科较深入的理解。（尽管）许多 专家或学者赞同热力学的简单而准确的定义的观点（看法）值得怀疑，但是还是有必要确定它的定义 。然而，在讨论热力学的应用之后，就可以很容易完成其定义1热 力学的应用热力学有两个主要的应用，两者 对化学工程师都很重要。（1）与过程相
14、联系的热效应和功效应的计算，以及从 过程得到的最大功或驱动过程所需的最小功的计算。（2）描述处于平衡的系统的各变量之间的关系的确定。第一种应用由热力学这个名词可联想到，热力学表示运动中的热。直接利用第一和第二定律可完成许多（热效应和功效应的）计算。例如： 计算压缩气体的功，对一个完整过程或某一过程单元的进行能量衡算，确定分离乙醇和水混合物所需的最小功，或者（evaluate）评估一个氨合成工厂的效率。热力学在特殊体系中的应用，引出了一些有用的函数的定义以及这些函数和其它变量（如压强、温度、体积和摩尔分数）关系网 络的确定。 实际上，在运用第一、第二定律时，除非用于 评价必要的热力学函数变化已经
15、存在，否则热 力学的第一种应用不可能实现。通 过已经建立的关系网络，从实验确定的数据可以计算函数变化。除此之外，某一体系中变量的关系网络，可让那些未知的或者那些难以从变量（这些变量容易得到或较易测量）中实验确定的变量得以计算。例如，一种液体的汽化热，可以通过测量几个温度的蒸汽压和几个温度下液相和汽相的密度得以计算；某一化学反应中任一温度下的可得的最大转化率，可以通过参与该反应的各物质的热量法测量加以计算。2. 热力学的本质热力学定律有这经验的基础或实验基础，但是在描述其 应用时，依 赖实验测量显得很明显化学工程与工艺专业英语第十一单元化工热力学（stand out 突出）。因此，热力学广义上可
16、以定义为：拓展我们实验所得的体系知识的一种手段（方法），或定义为：观察和关联一个体系的行为的基本框架。 为了理解热力学，拥有实验的观点有必要，因为，如果我们不能对研究的体系或现象做出物理上正确的评价，那么 热力学的方法就无意义。我 们应该要经常问问如下问题：怎样测量这一特殊的变量？怎样计算以及从哪一类的数据计算一个特殊的函数。由于热力学的实验基础，热力学处理的是宏 观函数或大量的物质的函数，这与微观的函数恰恰相反，微观函数涉及到的是组成物质的原子或分子。宏 观函数要么可以直接测量，要么可以从直接 测量的函数计算得到，而不需要借助于某一具体的理论。相反，尽管（while）微观函数最终是从实验测量
17、得以确定，但是它们的真实性取决于用于它们计算时的特殊理论的有效性。因此，热力学的权威性在于：它的结果与物质的理论无关，倍受尊敬，为大家大胆地接受。除了与热力学结论一致的必然性以外，热力学有着广泛的应用性。因此，热力学形成了许多学科中的工程师和科学家的教育中不可分割的部分。尽管如此，因为每门科学都只局限于（ focus on）关于热力学方面的较少应用，所以其全貌常被低估。实际上，在明显的（可观察到）可再现的平衡态中存在的任何体系，都服从与 热力学方法。除了流体、化学反应系统和处于相平衡（化学工程师对这些十分感兴趣）之外，热力学也成功适用于有表面效 应的系统、受 压力的固体以及处于重力场、离心力场
18、、磁场和电场的物质。通过热力学，可以被确定用于定义和确定平衡的位能，并将之定量化。位能也可以确定一个体系移动的方向以及体系达到的终态，但是不能提供有关到达终态所需要的时间的信息。因此，时间不是热力学的变量，速度的研究已超出了热力学的范畴，或者除了体系接近平衡的极限以外，速率的研究属于热力学的范畴。在 这儿，速率的表达式应该在热力学上是连续的。热力学定律建立于实验和观测基础之上的， 这些实验和观测既不是最重要的，又不复 杂。同时， 这些定律的本身是用相当普通 语言加以描述的。然而，从这一明显的平淡的开始，发展成为一个很大的结构，这种结构对人类 思想归纳力做出了贡献。 这在想象力丰富、严肃认真的学
19、生中成功地激发了敬畏（inspire awe），这使得 Lewis 和Randall 将热力学视为科学的权威。因为 除了技术上的成功和结构的严密性， 这个比喻选择很恰当，我们可观察到美妙之处（和宏观体）。因此，毫无疑问， 热力学的研究在学术上有价值的，智力上可以得到激发，同时，对一些人来说，是一种很好的经历。3. 热力学定律第一定律. 热力学第一定律是能量守恒的简单的一种描述。如图3-1 所示，稳态时离开一个过程的所有能量的 总和必须与所进入该过程的能量总和相等。工程 师在设计和操作各种过程时绝对遵循质量和能量守恒定律。所不幸的是，就其本身而言，当试图评估过程的效率时，第化学工程与工艺专业英语
20、第十一单元化工热力学3一定律引起混淆不清。人们将能量守恒 视为一种重要的努力成果，但是事实上，使能量守恒不需要花任何努力 能量本身就是守恒的。因为第一定律没有区分各种各 样能量的形式，所以从第一定律所得到的结论是有限的。由往复泵引入的轴功会以 热量流向冷凝器的形式离开蒸馏塔，与在再沸器引入的 热一样容易。在试图确定过程的效率时 ，一些工程 师总掉入将各种形式的能量一起 处理的陷阱。这种做法明显是不合理，因为各种能量形式有着不同的 费用。第二定律第二定律应用于热转变为功的循环，有多种不同的描述。至于这一点，一种更加普通的描述是需要的：从一种形式的能量到另一种形式的能量的转换，总是导致质量上总量的
21、损失。另一种描述为：所有系统都有接近平衡（无序）的 趋势。 这些表达方式指出了在表达第二定律 时的困难之处。如果不定义另一个专门 描述质量或无序的词语，第二定律的表达就不能令人满意。这个专用名词为熵。这个状态函数对流体、物质或系统中的无序程度进 行了定量化。绝对零熵值定义绝对零度时纯净的、晶体固体的状态。每一个分子都由其他的以相当有序结构的相同的分子所包围。运动、随意、污染、不确定性，这一切都增加了混乱度，因此 对熵做出了贡献。相反，不论是透明宝石，还是纯净化学产品，还是清洁的生活空 间， 还是新鲜的空气和水，（都是属于有序状态），有序是有价值的。有序需要付出很高的代价，只有通过做功才得以实现
22、。我 们很多工作都花 费在家里、车间和环境中创造或恢复有序状态。环境中较高的 熵值是较高的生产费用的具体化表现。每一种生 产过程的目的都是，利用将混合物分离为纯净物、减小我们知识的不确定性、或是从原料创造（works of art）艺术品以减小熵值。总之，从将原料转变为产品的过程中，熵值不断减小。然而，（inasmuch as）因为随着系统接近平衡，熵 的增加是自发的趋势，所以减少熵值是艰难的工作（struggle ）。生产过程所需熵减的驱动力同时伴随着宇宙其余部分熵的剧增。一般说来， 这种熵的增加在同一工厂内不断持续下去，因此这种造成了产 品熵的减小。反 过来（whereas 而，却，其实，
23、反过来）， 熵减存在于原料向产品的转化过程。燃料、电、空气以及水向燃烧产品、 废水和无用的热量的形式的转化可表示熵值的大大增加。正象 图3-1 中中间部分描述为第一定律一样，图中的底线部分描述了第二定律。离开一个过程的所有的物流的熵值的总和，总是超过进入该过 程的物流的熵值的总和。如果熵达到平衡，象质量和能量达到平衡一样，那么该过程是可逆的，即该过程也会反向移动。可逆过程只是在理论上是可能的，需要动力学平衡维持连续存在，因此可逆过程是不可 产生的。而且，如果不化学工程与工艺专业英语第十一单元化工热力学4平衡（过程）倒过来，即如果有 净熵的减少，那么所有的箭头也要反向，该过程被迫反向进行。实质上
24、，是 熵增驱使该过程：是同一种驱动力使水向下流，热流从热物质流向冷物质，使玻璃打碎，金属腐蚀。 简而言之，所有事物都同它们周围的环境接近平衡。第一定律，需要能量守恒，所有形式能量变化有着相同的重要性。尽管所有过程都受第一定律权威性的影响，但是 该定律不能区分能量的质量，也不能解释为什么观察不到自 发发生的过程自发地使自身可逆。功可以全部 转化为热而反向转换从来不会定量发生， 这种反复验证过的观测达成了这样的共识 热是一种低质量的能量。第二定律，深深扎根于热发动机效率的研究，能分辨能量的质量。通过这一定律，揭示了以前未认可的函数 熵的存在，可以看出，该函数确定了自发变化的方向。第二定律并没有（i
25、n no way）减小第一定律的权威性；相反，第二定律拓展和加 强了热力学的权限。第三定律 热力学第三定律规定了熵的绝对零值，描述如下： 对于那些处在绝对零度的完美晶体的变化来说， 总的熵的变化为零。该 定律使用绝对值来描述熵。Unit 20 Material Science and Chemical Engineering材料科学和化学工程几年以前，谁会想到一架飞机可以 绕地球航行而中途不需要着陆或添加燃料？而在1986年新型的飞机航海者就做到了这一点。航海者具 备长途飞行能力的秘密就在于几年前还没有出现的先进的材料。其机身大部分是由强度大、质量轻的聚合纤维用耐久的、高强度的粘合剂组装而成的
26、。而发动机润滑油是合成的多组分液体，可 维持很长时间连续运转的 润滑性。 这些特殊材料具有科学家和工程师们为满足现代社会的需求所发明的先进技术。如运输、通讯、 电子、能量转换这些工业的未来多依赖新的、先进的材料以及生产中所需要的加工技术。近年来，在我们了解了如何把一些特殊的具有高性能的物质融入原材料并且怎样最好地在复杂设计中使用这些材料后，这 方面已有了很大的发展。材料科学和工程的革命为化学工程师带来了机会，也 带来了挑战。化学工程 师凭借他们在化学、物理和数学方面的知识基础以及他们对传输现象、动力学、反应工程和过程设计的了解，能够创造性地解决现代材料技术中的问题。但是他 们一定要摈弃掉传统职
27、业理念中“ 考虑大的”这个习惯，要有效地投入现代材料科学和工程中必须要学会“从小处思考”。在制造现代先进材料时的关键现象是发生在分子级和微观的水平。如果化学工程 师要为这些新材料 设计新产品和工艺就必须了解并且学会控制这些现象。在下面选择介绍 的几种材料领域里我们将叙述 这种困难的挑战。1聚合物现代聚合物科学的时代属于化学工程师。这些年来，聚合物化学家创造了大量的高分子和聚合物。然而了解这些高分子是怎样被合成并加工以最大限度地具备理论性质仍然是研究的前沿领域。一直到最近才开发了现代仪器帮助我们了解高分子之间、高分子与固体粒子、有机和无机纤维与其它界面之间的相互作用。化学工程师正使用 这些工具探
28、索高分子的微型动力学现象，他 们利用从这些技术中获得的知识，正在处理高分子 间的反应以开发先进的工艺 并制造新的材料。通过化学加工控制材料微型结构的能力可用现代高强度聚合纤维进行描述。一些聚合纤维的强度-质量比比钢铁高一个数量级。它的自由取向是由所 选择的加工条件以及芳香族聚酰胺的高度刚性的线性分子结构所决定的。在纺丝时 ，液相中的定向部分是 围绕纤维轴 方向排列而使得纤维具有高强度和高硬度，各向异性的纺丝纤维 的概念则在新聚合物如聚苯并噻唑、聚乙 烯的溶解和熔融方面都有了延伸。超高强度的聚乙烯纤维 是通过冻胶纺丝的方法制备的。同 样的，控制聚合物的分子取向以生产高强度产品也可以通过其它的工艺
29、途径，如在极其精确的条件下进行纤维拉伸而完成。除了这些可以得到具有特别高性能的材料的加工过程，化学工程师们还设计一些新的工艺过程以生产低成本的聚合物。2聚合复合材料复合材料包括在一个聚合物母体上嵌入或粘合上高强度或高模数纤维。这些纤维可能是短的、 长的或连续的。它们可能是随意取向的而使复合材料在所有方向上都具有较大的强度或硬度，也可能沿某个特殊方向取向而使复合材料的高性能优先沿着某个轴线表现出来。后者是根据一向微结构加固的原理，通过不连贯的、拉伸支撑电缆线或电缆条达到目的。要得到在多个方向上具有优良性能的材料，可以通 过改变角度粘结各向异性的复合片得到合成板。另一方面，两向强化的材料可以通过把
30、高性能的纤维编织成一个平面，面上有足够的粘结力而使加固结构表现得就像联结起来的网或桁架。你可以想象，化学工程师和纺织工程师之间的学术合作将有利于选择经线、纬线和高强度 纤维的编织方法，以得到高 选择 性能分布的桁架型的复合材料。第一代聚合合成材料（如玻璃纤维）使用热固性环氧树脂聚合物。它是用任意取向的短玻璃纤维进行强化的。环氧树脂填充在一个模型中被塑化成永久的形状而得到轻质的、 强度适当的模制塑胶。现代复合材料是用手工把编织好的玻璃纤维放到模具或预型件中，然后用树脂灌注，固化成型后制得的。这些复合材料最先是使用在某些型号的 军用飞机上。因为比较轻的机身使飞行巡航范围增大。今天，飞机和航空飞船的
31、大部分部件都是这样制造的，而且汽车也正在加入到这个行列。现代复合材料正被应用于小汽车和载重卡车的车身面板、 车棚、后行李箱盖、管道、驱动轴和燃料罐。在 这些应用中，复合材料表现出比金属更好的 强度-质量比和更优良的抗腐蚀性。例如，一种聚合复合材料制成的汽车车棚比用铝质的轻一点，比钢铁的轻两倍，但这种方法所需能量比 钢铁的低一点，比 铝的低20%。模塑和刀具加工的成本也比较低，使模型的改变可以更快而适应新设计的要求。这些复合材料表现出来的机械强度主要是由强化玻璃纤维决定的，尽管结构缺陷会使强度减弱。工程学研究正提供重要的信息说明材料结构是如何受到玻璃树脂的界面性质、构造空隙和类似缺陷的影响以及这
32、些微缺陷是如何扩散产生构造裂缝的。这些复合材料以及从对它们的研究中获得的信息使人类进入到生产第二代聚合复合材料的阶段，即以高 强 度纤维如芳香族聚酰胺为基础的复合材料。3现 代陶瓷对大多数人来说，“陶瓷” 这个词会让人联想到瓷器、陶器、砖、瓦这些东西。现代陶瓷以它们的组成、加工过程和微细结构区别 于这些传统的陶瓷。例如：传统的陶瓷是用天然的原料如粘土或硅石制成的。 现代陶瓷则要求非常纯的人造原料如碳化硅、氮化硅、氧化锆或氧化铝，可能还要渗入一些复杂的添加剂来 产生特殊的微结构。传统陶瓷是先在陶工轮上或粉浆浇注成型，然后在窑里 烧结定型。现代陶瓷是用更为复杂的工艺过程如高温静压成型法来定型的。传
33、统陶瓷的微结构容易形成在光学显微镜下就可以看见的裂痕。而现代陶瓷的微结构则要均匀得多，一般要在5万倍或更大倍数的 电子显微镜下才能检查出瑕疵来。现代陶瓷的应用范围更为广泛。在很多情况下，现代陶瓷并未直接成为最终产品，而是组合在一些复杂的系统中成为优良性能的关键部分。现代陶瓷的商业应 用可以在切削工具、 发动机喷嘴、涡轮和涡轮增压器的元件、太空舱的瓦面、储藏原子和化学废物的圆 柱体、气体和石油钻探阀、电动极板和防护罩以及腐蚀性液体中的电极等等方面看见。4陶瓷合成材料像聚合复合材料一样，陶瓷复合材料也包括在 连续的基质上嵌入高强度或高模数的纤维。 纤维可以是碳化硅或氧化铝以“晶须”的形式出现，然后
34、生长为单个晶体。这与同样的物质直接嵌入在大块陶瓷上相比较所产生裂纹较少。陶瓷复合体上的纤维可以阻碍裂 纹的扩散。正在生 长的裂纹会向纤维处偏移或使纤维脱离基质。 这两个 过程都要吸收能量，从而减慢了裂纹的扩散。陶瓷复合材料的强度、硬度和韧性主要取决于强 化纤维 ，但是基 质也会对这些性 质产生影响。复合材料的导热和导电性能受基质传导系数的影响很大。 纤维和基质之间的相互作用对复合材料机械性能的影响也很大，并可通过纤维表面纤维和基质间的化学兼容性进行调整，这两种物质粘合在一起的前提就是基质以流体形态存在时能润湿纤维。两种组分间形成了化学键。与现代陶瓷的产生一样，化学反 应在陶瓷复合材料的加工制造
35、中也充当了关键的角色。 这些复合材料要求无瑕疵的陶瓷纤维、 纤维 和母体间有最适当的作用力，这才能在使用中展现所预想的机械性能。在实际的制造过程中设计这样的化学反应要求化学工程 师具备专业的知识。5复合液体最后一类重要的复合材料是复合液体。复合液体是高结构液体，以悬浮液、表面活性剂、液晶相或其它大分子与固体微粒或液滴组成。许多复合液体对现代工 业和社会都是必不可少的，因 为它们表现出来的性质对一些特殊用途是非常重要的。 这些用途包括 润滑剂、水力 牵引液体以及油田钻井泥浆，油漆、涂料和粘合剂也可能是合成液体。确实，在任何情况下，如果好的液体状态对某种传递和反应是重要的，那么合成液体就是有价值的
36、。化学工程师长期涉足材料科学和工程学研究工作。随着新材料的开发，其性 质越来越依赖微结构和加工过程，研究程度也将深入。化学工程师将探索微结构的本质它是如何在材料中形成的， 哪些因素可以用来控制它。他们 将采用新的方式把 传统的分离开来的材料合成和材料加工融合起来。他们还 将用新方法解决构造的 问题 ，修复复 杂的材料系统。Unit 21 Chemical Industry and Environment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
37、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
38、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生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
39、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
40、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
41、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
42、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
43、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。1 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
44、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.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
45、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
46、处置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 费用又与处置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
47、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置，核废料的处置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。
