化工能源

2017-08-07 11:55:45 阅读 58

远古化学

化学加工在形成工业之前的历史,可以从18世纪中叶追溯到远古时期,从那时起人类就能运用化学加工方法制作一些生活必需品,如制陶,酿造,染色,冶炼,制漆,造纸以及制造医药,火药和肥皂.

在中国新石器时代的洞穴中就有了残陶片.公元前50世纪左右仰韶文化时,已有红陶,灰陶,黑陶,彩陶等出现(见彩图[中国新石器时期(公元前2500年)烧制的彩陶罐],[隋代(581~618)烧制的三彩陶骆驼],[西汉(公元前 206~公元25年)制作的云纹漆]" ,[唐代(618~907)越州窑烧制的青瓷水注],[中国古代炼丹白描图]).在中国浙江河姆渡出土文物中,有同一时期的木胎碗,外涂朱红色生漆.商代(公元前17~前11世纪)遗址中有漆器破片战国时代(公元前475~前221)漆器工艺已十分精美.公元前20世纪,夏禹以酒为饮料并用于祭祀.公元前25世纪,埃及用染色物包裹干尸.在公元前21世纪,中国已进入青铜时代,公元前5世纪,进入铁器时代,用冶炼之铜,铁制作武器,耕具,炊具,餐具,乐器,货币等.盐,早供食用,在公元前11世纪,周朝已设有掌盐政之官.公元前7~前6世纪,腓尼基人用山羊脂和草木灰制成肥皂.公元1世纪中国东汉时,造纸工艺已相当完善.

公元前后,中国和欧洲进入炼丹术,炼金术时期.中国由于炼制长生不老药,而对医药进行研究.于秦汉时期完成的最早的药物专著《神农本草经》,载录了动,植,矿物药品365种.16世纪,李时珍的《本草纲目》总结了以前药物之大成,具有很高的学术水平.此外,7~9世纪已有关于三种成分混炼法的记载,并且在宋初时火药已作为军用.欧洲自3世纪起迷信炼金术,直至15世纪才由炼金术渐转为制药,史称15~17世纪为制药时期.在制药研究中为了配制药物,酸,硝酸,盐酸和有机酸.虽未形成工业,但它导致化学品制备方法的发展,为18世纪中叶化学工业的建立,准备了条件。

能源可以分为一次能源和二次能源。一次能源系指从自然界获得、而且可以直接应用的热能或动力,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年世界一次能源消费量达10610Mt标准煤,其中石油39.9%、煤29.7%、天然气21.1%、水电7.7%、核电4.9%;中国一次能源消费量达764Mt标准煤,其中煤75.9%、石油17.1%、水电4.8%、天然气2.2%。二次能源(除电外)通常是指从一次能源(主要是化石燃料)经过各种化工过程加工制得的、使用价值更高的燃料。例如:由石油炼制获得的汽油、喷气燃料、 柴油、重油等液体燃料,它们广泛用于汽车、飞机、轮船等,是现代交通运输和军事的重要物资;还有煤加工所制成的工业煤气、民用煤气等重要的气体燃料;此外,也包括从煤和油页岩制取的人造石油。

化工与能源的关系非常密切,还表现在化石燃料及其衍生的产品不仅是能源,而且还是化学工业的重要原料。以石油为基础,形成了现代化的强大的石油化学工业,生产出成千上万种石油化工产品。在化工生产中,有些物料既是某种加工过程(如合成气生产)中的燃料,同时又是原料,两者合而为一。所以化工生产既是生产二次能源的部门,本身又往往是耗能的大户。

化石燃料特别是煤的加工和应用常常产生污水、固体废料和有害的气体,导致环境的污染。对于污染的防治,也有赖于多种化工技术的应用。

中国的能源生产自1949年以来有了很大的发展,但能源(尤其是石油)仍是制约国民经济发展的一个重要因素,因此能源的增产和节约有很重要的意义。改进化工生产工艺,减少能耗,既能降低生产成本,提高经济效益,也有利于能源紧张程度的缓解。

长远来看,在全世界范围内,预计至21世纪上半叶,化石燃料仍将占能源的主要地位。随着时间的推移,由于化石燃料资源的限制,除上述常规能源外,若干非常规能源的发展将越来越受到重视。非常规能源指核能和新能源,后者包括、波浪能、海洋能和生物能(如沼气)等。在太阳能、核能利用的研究开发和大规模应用的漫长过程中,化学工程和化工生产技术也大有用武之地。

其他技术

推动化工发展的动力是工农业生产和人民生活对化学品的需要,它所依靠的基础是化学、 物理学、数学和各种工程技术。其中与化学的关系尤为密切,化学是化工须臾不能离开的学科。在它们之间,也曾有过“工业化学”、“应用化学”等学科,起过一定的历史作用。化工基本建设离不开土木工程、电力工程。化工机械的制造离不开机械工程和各种金属材料,尤其是不锈钢,乃至特种钢材。化工机械特别注意的是高温、高压下的可靠性,即指系统、设备、元件在规定条件下完成规定功能的概率。现代化工装置趋于大型化、单系列生产,对于可靠性的研究就显得格外重要。

化工过程的控制离不开电子学、计算机和自动化,这些理论和仪器仪表,不仅能运用于生产,甚至也能运用于解决发展预测、决策和经营管理等问题。20世纪80年代,新技术革命中蓬勃发展的若干领域,除前述能源和材料外,微电子技术和生物技术等前沿科学,以自己强大的生命力,对化工提出了更高的要求,从而把化工推向前进。

微电子技术  电技术都离不开微电子技术。在微电子技术中,大规模和超大规模集成电路的应用,对化工提出了新的要求。例如超纯气体和纯水、电子工业用试剂、光刻胶、液晶以及腐蚀剂、掺杂剂、粘合剂等等。

微电子技术中使用的超纯气体有几十种,除氧、氢、氮、二氧化碳、氩等常见气体外,还有硼烷、三氯化硼、二氯硅烷、四氟化碳等自然界不存在的气体。所用化工产品的纯度对半导体成品的影响很大。使用工业气体时,成品率只有10%;使用含杂质小于10ppm的气体和相应的高纯化学试剂时,则成品率可提高到70%~80%。以用水而言,集成度为1Mb的集成电路,允许水中微粒的粒径不大于0.1μm 。为了制得接近理论的纯水,生产方法从蒸馏、离子交换发展到70年代的膜分离与离子交换相结合的方法,使纯水制备技术达到新的水平。

微电子器件生产的关健在于光刻胶。超大规模集成电路所用的光刻胶是由芳香族叠氮化合物制成的感光树脂,其优点是分辨率高,去胶容易,图像清晰。液晶是微电子器件中不可缺少的显示材料。它是一种有机化合物,由于要求显示温单一液晶都达不到这种要求,须用多种同类型或不同类型的液晶混配使用。

生物技术  微生物是一种活细胞催化剂,在常压和不高的温度下通过发酵过程,将原料转变为产品。多年来,应用这种传统的生物技术生产了乙醇、丁醇、丙酮、醋酸等产品。研究开发的利用固定化细胞,由丙烯腈生产丙烯酰胺,收率可达99.8%。此外,还可利用酶催化剂,特别是固定化酶,生产有机产品。生物技术用于化工,投资较少,节省能源和原料,污染少,可以制得利用常规方法难以制取的物质,如干扰素、胰岛素、单克隆抗体等。这些药物运用重组DNA技术来制备,可望使制药工业面貌一新。

生物技术对化学工程提出了新的要求,主要是解决适宜于微生物大量培养的生化反应器,满足复杂生化反应过程的分离技术以及过程控制等。在这方面,已形成了新的边缘学科──生物化学工程,它把化学工程理论,运用于生物催化剂、生化反应工程和新型单元操作的研究开发,做出了许多

化工作为一个知识门类来说,在各个不同的历史时期,在各种不同目的的要求下,有多种分解或综合的分类方法。可按照原料来源、产品性质分类,也可按照过程规律、历史联系分类。每种划分方法都难于严格适应。本卷力求减少不必要的交叉,采取综合分类的方法,设计了从原料出发的燃料化工分支;从产品出发的无机化工、基本有机化工、高分子化工、精细化工等分支;还有从共同的过程规律出发的化学工程分支,以及从历史发展和横向联系出发的综论分支。燃料化工的原料是石油、天然气、煤和油页岩等可燃矿物,所以它又划分为石油炼制工业、石油化工、天然气化工、煤化工和页岩油工业。其中,石油炼制工业是创造产值较高的工业部门,是国家的重要经济命脉。天然气常与石油共生,也常把天然气化工归属于石油化工。在现阶段,石油炼制和石油化工是燃料化工的主体。燃料化工生产的产品包括燃料和化工原料,后者主要是有机化工原料(除合成气也用于生产无机化工产品,如合成氨等外)。所以,石油化工也是基本有机化工的主要组成部分。由石油化工可以生产塑料、 合成橡胶、 合成纤维等三大合成材料,这是高分子化工的主要产品。因此,燃料化工、基本有机化工和高分子化工三者是有机地联系在一起的。至于无机化工所采用的原料既有可燃矿物,也有无机矿物。其产品主要有化肥,硫酸、硝酸、磷酸等酸类,纯碱、烧碱等碱类,还有无机盐,工业气体和无机非金属材料等。无机非金属材料中的硅酸盐材料,有时被划入传统的建筑材料领域。精细化工生产小批量、具有专门功能、主要用于消费的化学品。由于市场需求的发展,有些产品已变成大批量产品,但按习惯,往往仍视作精细化工产品。主要有染料、农药、医药、火炸药、信息记录材料、涂料、颜料、胶粘剂、催化剂、各种助剂和化学试剂等。医药和火炸药的生产又往往被分别划料考虑,则精细化工是既有无机的,又有有机的,还有聚合物,是一个着眼于使用功能的综合部门。在微电子技术、生物技术和新型材料蓬勃发展的新技术革命中,精细化工给化学工业增添了新的活力。

化学工程又分为化工热力学、传递过程、单元操作、化学反应工程和化工系统工程。前两者是化学工程的理论基础,单元操作是化学工程最早形成的概念,它把化工生产的物理过程分解为若干单元,如流体输送、蒸馏、萃取、换热、干燥等。这些单元操作不仅在化工生产中起着重要作用,也广泛用于冶金、轻工、食品、核工业等与化工有共同特点的工业领域。单元操作仍在继续发展和完善,如21世纪发展的颗粒学,作为粉体工程的一种理论,已应用于催化剂粒度设计、高温气体除尘、粮食干燥和输送。化学反应工程着眼于工业规模的化学反应过程的传递和动力学等规律,以解决反应器的设计和放大的问题。至于化工系统工程,则是运用系统工程的理论和方法,来解决化工过程优化问题的边缘学科。

化工所包含的核心内容基本上都可以归纳在上述六个分支之中,并且综论也是由这六个分支组成的。但是,这种分类方法并不是完全合理的,如催化剂工业被列入精细化工。虽然理论上讲,催化剂具有加快反应速率的专门功能,是不参与反应的少量物质,但在大型化生产的今天,催化剂的产量和装填量也是相当大的,中国1985年石油炼制催化剂的用量达20kt。而且催化剂的使用范围遍及燃料、无机、有机、高分子和精细化工等所有领域。这样的归属问题尚有很多。

此外,环境保护既是化工各部门不断解决的共性问题,也是化工能作出贡献的领域。18世纪兴起的近代化学工业,迄今已有200多年的历史,创造了无数的化工产品,同时也排放了废气、废液、废渣,污染了环境。因此,人们要求化学工尽其用,成为无排放工程。国民经济中其他部门的发展也或多或少造成公害。长此以往,超越大自然环境自净能力的排放,必将使人类的生活环境日益恶化。因此,有识之士对世界上大气、水、土壤、生物所受到的污染和破坏,发出了危险警告。为了解决污染,保护环境,使自然界的生态平衡走向新的和谐一致,化工将成为一支主力军。

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