化学工程与工艺专业英语第1621单元翻译_化学工程与工艺翻译
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Unit 16 Evaporation, Crystallization and Drying
第十六单元蒸发、结晶和干燥
1．蒸发
蒸发器是利用加热来浓缩溶液，或是利用热把溶解的固体从饱和溶液沉淀析出以对之回收。蒸发器是有着特殊规定的再沸器，以用于分离气液两相，或当固体物质沉淀或结晶析出时，用于除去该固体物质。在一些应用中，尤其当提供足够的干舷时，简单的釜式再沸器就足够了。管式的蒸发器或是水平的或是垂直的，或长或短；液体可位于管内或管外，循环可以是自然循环或是以泵或推进器驱动的强制性循环。
自然循环型的蒸发器是最常见的。强制循环型循环器非常适合于处理粘性或腐蚀性的物料，但是购置和维修的费用高。在长管式垂直设计中，由于蒸发，液体处于在环流或膜流中，相应地，该蒸发器称之为升膜式蒸发器。在降膜式蒸发器，液体分布于蒸发器的顶部，然后以流体的形式向下流。静压头可忽略，压降只不过是汽流的摩擦力，传热效果较好。由于接触时间短以及两相分离完全，降膜式蒸发适合于热敏性物料。
长管式蒸发器（或是自然循环或是强制循环）用得最广泛。管的直径范围从19～63 mm，长度12～30 ft。排管式蒸发器管长3～5 ft，它的中央降压管的面积与该管的横截面积相等。有时，排管式蒸发器中的循环以推进器来驱动。在某些类型的蒸发器中，固体直到它们达到所需的尺度时才开始循环。
在蒸发器的设计和操作时，热经济是一个主要考虑因素。因为离开的蒸汽的潜热没有被利用而是丢弃，所以单效蒸发器浪费能量。然而，利用多效蒸发器可以回收和再次利用大部分潜热。
已经开发了各种各式的蒸发器以用于特殊工业中的特殊应用。蒸发器的设计可分成如下基本类型： 直接加热蒸发器 该类型的蒸发器包括盐池和浸泡燃烧装置。浸泡燃烧蒸发器可应用于那些由燃烧产物引起的溶液污染可接受的场所。
长管蒸发器 在该类型蒸发器中，液体以薄膜的形式在长的垂直的热的蒸发管中流动，既可用降膜式蒸发器又可用升膜式蒸发器，处理能力大，适合于低粘度的溶液。
强制循环蒸发器 在强制循环蒸发器中，液体由泵输送到蒸发管中，适用于那些会污染传热表面的物料，以及适用于蒸发器发生结晶的场所。
搅拌式薄膜蒸发器 在这种蒸发器的设计中，利用机械方法（手段）将一薄层溶液撒到加热表面上。刮薄式蒸发器用于高粘度的物料和固体产物。
短管式蒸发器 也称排管式蒸发器，用于制糖工业中。蒸发器的选择
对于某一特殊应用，最适合的蒸发器类型的选择取决于下列因素：（1）所需的处理量
（2）进料的粘度以及蒸发过程中粘度的增加（3）所需的产物的本质：固体、淤泥或浓溶液（4）产物的热敏性（5）物料是否会产生污染（6）溶液是否会起泡（7）是否可用直接加热
辅助设备 对于真空条件下操作的蒸发器，需要冷凝器和真空泵；对于水溶液，则需利用蒸汽喷射器和喷射式冷凝器。喷射式冷凝器是直接冷凝器，在该冷凝器中，蒸汽是利用冷却水喷射直接而冷却。2．结晶
结晶用于固体的产生、纯化及其回收。结晶的产物有着好看的外表，流动性能好，易处理，易包装。该操作的应用范围广：从特种化学品（如药物）的小规模生产，到产品以吨数生产（如糖、常见盐类和肥料）生产（都可以使用该操作）。
结晶的设备可用于所得到液体过程和现象的方法加以分类，也可用用于悬浮增长晶体的方法加以分类。可以通过冷却或蒸发得到过饱和现象。有四类基本的结晶器：槽式结晶器、刮膜式结晶器、晶浆循环结晶器、以及母液循环式结晶器。
表3-2 总结了这些主要类型的结晶器的典型应用（译成为主动句较好）结晶器的类型应用典型的用途
槽式结晶器间歇操作、规模生产小脂肪酸、植物油、糖 刮膜式结晶器有机化合物、用于有污染问题 的场所，粘性的物料
氯苯、有机酸、烷烃、石蜡油、环烷烃、尿素
岩浆循环结晶器大颗粒晶体的生产、生产量大铵和其它无机盐、氯化钠和氯化钾 液体循环结晶器生产均匀的晶体（其尺寸小于岩浆）、生产量大 石膏、无机盐、硝酸钠和硝酸钾、硝酸银 3．干燥
干燥是用蒸发方法除去水和其它的挥发性液体。大部分在其生产时需要干燥。选择干燥设备的最主要的考虑因素是进料的本质及其浓度。干燥是能源密集型的过程，利用热干燥来除去液体的费用较利用机械技术的费用要高得多。
除了几种特殊的应用之外，热的空气在工业干燥器中用作加热和传质介质。空气可直接用所用燃料（石油、天然气和煤）的燃烧产物加热，或者间接加热，通常通过蒸汽加热的翅片管 管道加热。
用于化学过程工业中的干燥器基本类型有：
板式干燥器 间歇板式干燥器用于干燥少量的固体，所适用的物料范围广。欲干燥的物料位于固体底板上，在固体底板上吹入热空气，欲干燥的物料位于穿了孔的底板上，热空气流经该底板。间歇干燥器劳动力要求高，但在干燥条件和产物存货可以得到很好的控制。板式干燥器适合于干燥有价值的产物（品）。
带式干燥器（连续循环带式干燥器）该类型的干燥器，固体产物在一个很长的穿孔的传送带上，热空气强制地流过该传送带。传送带被罩在一长的矩形箱内，该箱分成几个区域，以致能控制干燥气体的流型和温度。固体干燥器和干燥空气的相对运动可以是并流的，或者更多的是对流。
该类型的干燥器只适合于那些形成带式结晶的床层的物料，可实现较高的干燥速率，质量控制容易，热效率高，以蒸汽加热，干燥每1 kg 蒸发水需要用蒸汽低于1.5 kg。该类型的干燥器的缺点为，由于机械传送带、维护费用高，所以首次（最初的）费用高。
旋转式干燥器 在旋转式干燥器中，固体物质沿着一旋转的倾斜的圆柱的内部进行输送，通过直接与流经圆柱的热空气而加热、干燥。有时，圆柱间接加热。
旋转干燥器适合于干燥自由流动的粒状的物质，适合用于产量高的连续操作；热效率高，投资费用和劳力费用相对较低。该类型干燥器的一些缺点为：停留时间不统一，产生灰尘，噪声程度较大。
流化床干燥器 在该类型的干燥器中，干燥气以足够的速率通过固体床层，以使床层保持在流化状态，该流化状态可提高很大传热和干燥速率。流化床干燥器适合于粒状大小范围，为1～3ｍｍ的粒状和晶体状物质。该干燥器可设计为连续操作和间歇操作。流化床干燥器的主要优点：热传递快且均匀、干燥时间短、干燥条件能很好控制、占地面积的要求低。与其它类型的干燥器相比，需要的动力高。
气流干燥器 也称flash 干燥器它们的操作原理与喷雾式干燥器相似。欲干燥的产品由
一个合适的进料器分散于向上流动的加热气的蒸汽中。该设备起着气流传送设备和干燥器的作用。接触时间短，（该因素）限制了要干燥的物料颗粒的大小。气流干燥器适合于那些颗粒太小而不能在流化床干燥器中干燥的物料。该类型的干燥剂的热效率一般较低。
喷雾式干燥器 喷雾式干燥器一般适合用于液体和稀的淤泥进料，但是可通过设计以处理任何能用泵输送的物料。放置于垂直的圆柱形容器的要干燥的物料，在一喷嘴中或在一圆盘状的原子化器中原子化。热的空气在容器中向上流（在有些设计中向下流）、输送以及干燥液滴。液体从液滴的表面上快速汽化，同时形成有空隙的多孔的颗粒。干燥过的颗粒在旋风（cyclone）分离器中或在袋状过滤器中加以除去。
喷雾式干燥器的主要优点是：接触时间短，这使它适合于干燥热敏性物质；能很好地控制产物颗粒尺度、体相密度。因为进料中固体浓度低，所以加热的要求高。
旋转鼓式干燥器
鼓式干燥器适合用于液体和稀淤泥进料。当欲干燥的物料会的加热表面形成一薄膜，不是热敏性物料时，鼓式干燥器可以替代喷雾式干燥器（另一种选择）。
Unit 17 Chemical Reaction Engineering
第十七单元化学反应工程
每一种工业化的化工过程的目的都是通过一系列的处理步骤从各种原料经济性地生成所需的产品。图3－5 表示一种典型的过程。为了使原料处于能发生化学反应的形式，原料要经过许多物理处理步骤，然后，通过反应器。为了得到最终的所需的产品，反应的产物必须经过进一步的物理处理，如分离、纯化等。
用于物理处理步骤的设备的设计在单元操作中研究，这里我们关心的是过程的化学处理步骤。经济上，化学处理步骤是不重要的装置，如一简单的混合槽。然而，化学处理步骤通常是整个过程的核心，在经济方面可使过程发生或停止的因素。
反应器的设计不是例行公事，对于某一过程可以提出许多其它的设计。为了寻求最佳的设计，必须减少的费用不仅仅是反应器费用。一种设计可以是反应器费用低，但离开该装置的物料可以是该情况：物料的处理费用比其它设计费用高得多。所以全过程的经济性必须要考虑。
反应器的设计要运用各种领域（热力学、化学动力学、流体力学、传质、传热以及经济学）的信息、知识和经验。化学反应工程是这些所有的因素的综合，其目的是精确地设计化学反应器。
化学反应器的设计可能是化学工程师的独特（unique）的一种活动，这可能较其它方面更能证明化学工程作为工程学科的独特的分支的存在。
在化学反应器设计时，必须要回答两个问题：（1）我们期望发生什么变化？（2）变化发生有多快？。
第一个问题关于热力学，而第二个问题是关于各种速率过程— — 化学动力学、传热，等等。把这些过程综合起来以及要确定这些过程是如何关联的，是相当难的问题（事情）。因此我们必须从简单的情况开始，利用考虑其它的因素来增长（帮助）我们的分析，直到我们能处理更困难的问题。
1、热力学
热力学给出了设计所需的两条重要的信息：反应释放（或吸收）的热量以及反应的最大的可能程度。
化学反应总是伴随着热量的释放或吸收，对于一合适的设计，热量的大小必须要知道，如 反应： 正，吸热反应 aA→ rR＋sS △Hr 负，放热反应
在反应前后，对体系在同一温度、压力下进行测量，当a 摩尔的A 消失生成r 摩尔的R和s 摩尔的S 时，在T 温度下的反应热为环境传给该反应体系的热量。若知道反应热或是通热化学数据对反应热进行估计，那么可以计算反应过程的热效应。
热力学中，也可以从反应物料的标准自由能来计算平衡常数K。如果知道了平衡常数，那么可以估计反应物的最大的可得的收率。
2、化学动力学
在合适的条件下，进料可以转变为新的不同的物质，这些物质可构成不同的化学种类。如果该过程只是通过组成的原子的重排和重新分配的发生来形成新的分子，那么我们说发生了化学反应。化学是与这些反应的研究有关，研究反应的形式和机理，研究所涉及到的物理和能量变化以及产品的生成速率。
最后提起的感兴趣的领域是化学动力学，化学动力学是我们首先所关注的。化学动力学研究的是影响反应速率的因素，测定反应速率以及对得到的数值的提出解释。对于化学工程师来说，如果他要满意地设计影响工业规模的反应的设备，那么他必须知道一个反应的动力学。当然，如果该反应如此快以致该体系基本上处于平衡，那么可大大简化设备的设计。不需要动力学信息，热力学信息就足够了。
3、均相反应和多相反应
均相反应是这样的反应：在该反应中，反应物、产物和所用的催化剂形成一个连续相：气相或液相。均相的气相反应器总是连续操作，而均匀的液相反应器可以间歇操作或连续操作。管式反应器通常用于均相的气相反应，例如，在石油组分热裂解以生成乙烯过程中，以及二氯甲烷热分解生成氯乙烯中。管式和搅拌釜式反应器均可用于均相的液相反应。
在多相反应中，存在两相或多相，反应器的设计的主要问题是提高相间的质量传递。可能的相的组合有：
（1）液－液两相不互溶的液相；反应有用混合酸对甲苯或苯的硝化反应、乳状液的聚合反应。（2）液－固两相一种或多种液相对一种固体相接触，该固体或是反应物或是催化剂。（3）液－固－气三相此时，固体通常为催化剂，如在氨的氢解反应中，用固在活性 炭上的浆状铂（Pt）作为催化剂。
（4）气－固两相在这种情况下，固体可以参与反应或用作催化剂，例如：吹气炉中铁矿的还原反应以及固体燃料的燃烧，在这些例子中固体为反应物。
（5）气－液相在这种情况下，液体参与反应或用作催化剂。
4、反应器的几何构型（类型）
用于那些已经成熟的过程的反应器的设计通常较为复杂，这些设计经过长时间的开发（或发展）以满足该过程的要求，而且该反应器的设计独特。然而，可方便地将反应器的设计分成以下几类。
搅拌釜式反应器
搅拌釜式反应器由带有机械搅拌器和冷却外套或线圈的釜组成，可以是间歇反应器或连续反应器。几个反应器可以串联使用。
可以认为搅拌釜式反应器是基本的化学反应器，其模型建立常见的大规模实验室烧瓶的基础之上。反应釜的尺寸从几升到几千升不等。它们用于均相和多相的液－液和液－气反应；以及用于那些涉及到有细小的悬浮固体的反应，悬浮固体由搅拌得以保持。因为搅拌的程度由设计师（者）的控制，所以搅拌釜式反应特别适合于那些需要良好的传质或传热的反应。
当反应器以连续操作时，反应器中的组成不变，与产品流中的组成相同。因此，除了快速反应外，这将限制一步反应所能得到的转化率。
搅拌的动力要求取决于所需的搅拌程度，其范围为：从适中混合的0.2 KW/ms 到剧烈混合时的2 KW /ms。
管式反应器
管式反应器通常用于气相反应，但也适用于一些液相反应。
如果需要传热速率高，那么可用直径小的管子以增加表面积与体积的比率。几根管子可并联排列，以相似排列连接于多种或固定每于一外壳和管式加热器上以形成管板。对于高温反应，这些管子可排列在一炉子之中。
填料床反应器 有两种类型的填料床反应器：一类以固体是反应物，另一类以固体是催化剂。在萃取湿法冶金工业中，可找到第一类反应器许多例子。
化学过程工业的设计者，通常关注的是第二类反应器：催化反应器。工业上的填料床催化反应器尺寸范围：小到直径为厘米长小试管，大到直径很大的填料床。填料床反应器用于气体和气－液两相反应。在直径很大的填料床上传热速率慢，需要很大的传热速率的场所，应该考虑流化床反应器。
流化床反应器 流化床的基本特征为，固体物质通过反应流体的向上流动而维护悬浮状态，这有助于提高传质和传热速率、混合均匀。该固体物质可以是催化剂；流化燃烧过程中的一种反应物或是为了提高传热而加入的惰性粉末。与固定床相比，尽管流化床的主要优点（势）在于传热速率较高，但是在那些必须要输送大量的固体时，流化床作为反应过程一部分很有用，如用于催化剂从一个容器转移到另一个容器而再生的场所。
流化床只用于尺度相对较小（30um）的颗粒和气体。
近年来，在流化床反应器方面作了大量的研究和开发工作，但是直径很大的反应器的设计和放大仍然是不稳定的过程，设计的方法主要是经验（方法）。
间歇或连续操作（处理）
在间歇操作中，所有的试剂在开始时同时加入；反应进行时，组成随着时间的改变，当达到所需的转化率时，停止反应，取出产物。间歇过程适合于小量（规模）的生产，以及适合于在同一设备生产不同的产品或不同种级别产品的过程，如，生产颜料、染料和聚合物。
在连续的过程中，反应物连续不断地加入到反应器中以及产物连续不断地取出。反应器在稳态条件下进行操作，通常连续生产较间歇生产的生产费用要低，但是缺少间歇生产的弹性。大规模的生产常常选择连续反应器。那些不适合间歇操作和连续操作的定义的操作常叫做半连续或半间歇操作。在半间歇反应器中，随着反应的进行，可以加入某些反应物或取出某些反应产物。半连续的过程是那些为了某一目的而定期中断的过程，如为了催化剂的再生。
第18单元
化工建模
在阅读本单元之前，试着回答下面的问题： 在化工中建模和经验方法的主要特征是什么？ 你能列举出一个结合建模和模拟方法的一些优点吗？ 你能指出建模过程的主要阶段吗？ 你知道在过程控制中有多少基本概念吗？
与描述化学过程现象纯粹的经验方法相比，建模方法试图用已建立好的理论描述性能。当用数学语言描述时，这些理论描述了过程的工作模型。在执行一个建模设计时，设计者需要考虑过程所有重要参数的特性、它们对过程的影响以及每个参数如何能够用定量的公式定义，也就是说，模拟者必须确定重要的变量和它们各自的作用，实际上可能对整个过程有强烈的相互影响。这样，既然必须严格地评估所有相关的理论，这个模型的作用就是为了对过程进行更好的理解。而且，用数学方程表达理论的工作也是促进基本概念用明显的公式表达的一个非常积极的因素。
一旦公式化，模型可以求解，利用该模型预测的行为可以与实验数据相比较。性能上的任何差别然后可以用来进一步重新定义或精修模型，直至获得好的一致性。模型一旦建立，它以合理的置信度被用来预测在不同的过程条件下的性能，用于过程设计、优化和控制。当然，为了建立或检验模型，需要输入工厂或实验数据。但是相比经验方法，所需的数据量大大减少了.模拟和经验方法的比较列在下面。
经验方法.测定所有工厂操作条件下的生产率，建立相关联系。
优点：需要较少的思考。
缺点：需要许多实验。
模拟方法.建立模型，设计实验确定模型的参数。把实验测量和模型进行比较。采用模型进行理性设计、控制和优化。
优点：需要较少的实验，获得更重要的信息。
缺点：开发模型需要时间 1.建模方法的一般性质（通用特性）
在开发任何模型时一个重要的阶段是建立合适的质量和能量平衡方程。还必须加上能够代表体系性能变化、相平衡和应用控制的合适的化学反应速率、传热和传质速率动力学方程。这些关系式组合起来为定量描述过程提供了一个基础，并构成了基本的数学模型。得到的模型从包括一个相对少的方程的简单情况到非常复杂的模型。然而，模型越复杂，找到增加参数值的困难越大。因此，建模的一个技巧是获得能够代表实际过程的可能的最简单的模型。
过程模型的一个基本的应用是通过对重要的过程变量设置数值，对实验数据进行分析，进而表征该过程。该模型也可以用合适的数学数据值和模拟预测进行求解，并与实际的结果相比较。这个过程被称为模拟，即证实模型以及合适的参数值是正确的。然而，模拟也可以预测的方式用于测试变化条件下的可能行为，并进行过优化，获得高级的控制策略。
应用模型和模拟组合方法具有如下优点：
（1）模型增进理解.在构建数学模型时，模拟者需要详细地考虑复杂的因果顺序以及涉及到过程中的复杂的相互关系。把模型预测和实际行为进行比较通常可以促进对过程的进一步理解，简言之，就是不得不考虑模型可能出错的方式。
（2）模型帮助实验设计.实验以模型进行适当测试的方式设计是很重要的。通常模型本身将表明需要某些特定参数，否则它们可能被忽略。相反地，对模型的灵敏性测试可能表明某些参数可能是可忽略的，因此在模型中可以被忽略。
（3）模型可预测设计与控制.一旦模型被建立，模型能够预测不同过程条件下，在实验上难于达到的性能。模型也可用于相对复杂的控制系统，通常可以形成控制算法的一个整体部分。基于数学和知识的模型可以用于设计和优化新的过程。
（4）模型可用于培训和教学.反应器操作的许多重要的方面可以用简单的模型模拟。这包括过程的开始、关闭、进料策略、动力学测试、热效应和控制。这些效应可以用计算机容易地演示，但是在实际中进行演示通常是困难和昂贵的。
（5）模型可以用于过程优化.优化通常涉及到两个或多个变量的影响，其中一个通常直接与利润相联系，而另一个与费用相联系。2.一般的建模程序
建模的一个更重要的特点是为了在模型预测结果和真实工厂数据之间获得一致，需要对基本理论（物理模型）和数学方程进行频繁鉴定，使其能够代表物理模型，即数学模型。如图4-1所示，显示了模拟过程中的几个相关阶段。
（1）第一包括对问题、研究目标和对象进行适当的定义。所有相关的理论必须结合实际的经验进行评估，可能需要开发、考察可选的物理模型。
（2）可用的理论然后必须用数学术语公式化。大多数反应器操作包括许多不同的变量（反应物和产物的浓度、温度、反应物消耗的速率、产品形成和热量产生），许多变量随时间发生变化（间歇、半间歇操作）。由于这些原因，数学模型将通常由许多微分方程构成。
（3）已经开发了一个模型，然后必须求解这些方程。化工系统的数学模型通常非常复杂，是高度非线性的，因此不能获得其分析解。因此必须使用数值求解方法。
数值模拟语言主要基于使用数值积分方法，可特别用于同时存在微分方程组的求解过程。
现在可提供许多快速有效的数值积分规则，以至许多数值模拟语言能够替代积分程序。在该语言结构中的分类算法能够编写非常简单的程序，几乎与初始构建基本模型方程的方式一一对应。得到的模拟程序非常容易理解和编写。另一个主要的优点是便于输出结果，是一些可以用非常简单的程序命令获得的表格和图形方式。
（4）计算机预测的有效性必须进行检验，步骤（1）到（3）通常将需要间隔一段时间进行修正。结果的有效性取决于理论的正确选择（物理和数学模型）、正确识别模型参数的能力和数值求解方法的准确性。
在许多情况中，我们不能完全理解系统，这样留下了很多不确定性。相关的理论也可能非常难于应用。然后在这些情况下，通常需要作简化假设，接下来可以去掉或优化这些假设，并获得较好的接受。这些都必须注意和判断以便于模型不要变得过于复杂、不要用不可测量的参数定义。通常缺少一致性可能是由于参数值的选择不正确，可能甚至得到与模拟过程中观察到的非常相反的变化趋势。很明显，这些模型响应的参数是非常敏感的，需要非常小心的选择或确定。
应该注意的是：由于有时数据与过程只是定性一致可能足够了，模型不必与数据有精确的一致。
Unit 19 过程设计简介
在阅读本单元之前，试着回答如下问题： 可持续工业活动的含义？ 化学过程设计怎么开始？
在一个过程设计中包含哪些过程文件？ 你能解释一下成功扩大规模的概念吗？
化工的目的并不是为了制备化合物，而是为了赚钱。但是，可持续工业活动必须保证工业生产和生活良好的生态性，而利润则作为可持续工业活动的重要一部分。也就是说化工过程的废物必须达到实际和经济上的最小化。由于废物处理过程很大程度上并不是为了解决这个问题，而是简单地把废物从一个地方挪到另外一个地方，因此，这些依赖的废物处理方法通常并不适当。可持续工业生产还意味着能源消耗也必须达到实际和经济上的最小化。并且不论是对操作人还是社会来说，化工都不能表现出明显的短期或者长期危险。
当进行一个化学过程设计时，对一个化工过程来说，有一个独特的结构层次是很有作用的。首先进行反应器的设计。反应器的设计支配着分离和循环过程。反应器设计和分离过程共同支配着热交换网络的加热和冷却职责。它们并不能通过热回收满足，表明需要其他一些外部的设备。该体系的洋葱状层结构示意图如图4.3所示。
根据这个体系，在设计的最后阶段，经常要考虑的是安全、健康和环境。对于纯粹由设计过程原因引起的早期决定经常导致安全、健康和环境问题，并且还需要复杂的解决办法，因此这个方法留下了很多需要解决的问题。随着设计进行，这个也最好考虑一下。
需要使用有毒材料，或者用量较少，或者在惰性材料中稀释时，这样的设计过程必须安全，并且不需要复杂的安全系统。废弃物较少的系统将不需要复杂的处理系统。随着设计进行和每一层设计过程增加，这些都必须考虑到。1.体系
（1）反应器的选择。通常设计过程最首要的就是要确定反应器类型和操作条件。在选择反应器时，最重要的是原材料的效率（考虑材料结构、安全等）。整个过程中，原材料费用也是最重要的。任何原材料的无效使用都可能造成废物蒸汽，从而变成环境问题。
反应器的设计和流程图的剩余部分密切相关。因此，随着设计过程进行，必须回到反应器对照一下。（2）分离器的选择。对于非均相混合物来说，需要通过分离过程才能达到相分离的目的。在任何均相分离进行之前，这样的分离过程必须进行。相分离一般比较简单，需要在首先进行。
蒸馏是目前分离均相液体混合物最常用的方法。在设计早期阶段，为了优化压力、回流比、或者蒸馏时的进料条件，不需要很多尝试。一旦随后考虑整个过程的热量时，最优值将会发生变化。
分离低分子量物质时，另一个常用来代替蒸馏的方法是吸收。液体流速、温度和压力是需要设置的重要变量，在这个阶段也没有必要尝试去计算出最优值。
（3）反应-分离系统的合成。很多化工过程中，物质的循环是一个重要特征。在反应器设计中，过量反应物、稀释剂或加热载体的使用对流程图中的循环结构具有很重要的影响。有时不需要的副产品进行循环可以在源头阻止其形成。
（4）蒸馏排序。除非有限制条件能够严格阻止热量聚集，简单蒸馏塔的排序能按照如下两步进行：（i）最好是确定少的非集成顺序；（ii）研究热量集成。在许多情况下，没有必要同时解决这些问题。与简单的塔器排序相比，复杂的塔器安排可以提供很大的节约能量的潜力。
（5）热交换网络和使用目标。已经建立洋葱模型的两个内部层次（反应-分离和循环）之后，物质和能量平衡就知道了。这就需要根据热回收问题对冷热蒸汽进行定义了。
能量目标可以直接通过物质和能量守恒进行计算。为了获得能量费用，没有必要设计一个热交换网络。另一个情况可以通过把热和能量方程联立，通过重要的复杂的曲线可以方便快速获得。
总的热交换面积、操作单元数量、管板热交换器的板数也必须进行设定。考虑混合材料的构造，压力等级和设备类型，这样可以确立总的资本费用。进而在设计做出之前，可以对能量和资本消耗进行最优化设计。
一旦这个设计确定好了前两个层面之后（即反应器和分离器），那么该设计总的费用（反应器、分离器、热交换器和设备）就是总的反应器和分离器的总费用（精确估计）加上热交换网络和设备的总费用。
（6）经济权衡。反应器和其他部分的相关性非常重要。反应器的转化率是很重要的一个优化变量，因为它很容易通过整个过程来影响大多数操作。并且，当循环过程中存在惰性物质时，惰性物质的浓度则是另一个重要的优化变量，同样也对整个操作过程造成影响。
进行优化时，必须考虑热交换网络的能量和资本费用目标。由于反应器转化率和循环惰性物质浓度的变化改变了过程的物质和能量平衡，并改变了热回收问题，因此，这是进行这些优化过程的唯一的实际方法。实际上，物质和能量守恒中的每一个变化，需要一个不同的热交换网络设计。为每一套反应器转化率和循环惰性物质浓度的变化提供一个新的热交换网络是不现实的。另一方面，相比之下热交换网络的能量和资本费用目标更容易产生。
（7）废水处理 在考虑安全和健康的同时，整个设计过程中的废弃物最少化也是应该考虑和强调的。但是，不可避免地，也会有一些废弃物。在设计完成前，废弃物的处理（处置）也必须考虑。如果废弃物的处理特别有问题的话，这就可能需要一些基本设计变化去减少或改变废弃物的本质。
（8）为改善热整合而改变工艺。过程废弃物最少化后，通过直接改变设计过程，在能量目标允许减少的条件下，能量费用和效用浪费必须进一步减少。
在这个阶段，蒸馏塔的顺序也必须重新改动，并考虑引入复杂结构的可能性。初步分馏塔（有无热电偶）也可以用来替代直接或间接蒸馏塔。作为选择，直接蒸馏塔也可以被侧线精馏塔替代，而间接蒸馏塔被侧线汽提塔替代。
（9）热交换网络设计 已经开发了上述相关内容之后，物质和能量平衡已经固定。对热交换网络有贡献的冷热蒸汽就需要进行定义了。剩下的工作就是设计热交换网络。
夹点设计方法是一个逐步方法，随着设计进行，设计师可以进行操作。对于很多复杂的设计来说，尤其是那些有很多限制条件的，譬如混合设备等，则应该使用基于可缩小最优化结构的设计方法。2.最终设计和计划文件（项目文档）
尽管设计顺序遵循图1所示的洋葱模式，但是设计很少仅通过单一途径获得成功的结果。经常在两个方向反复进行。
内部层面获得的决定是在不完整信息的基础上获得的。当更多图片出现时，在外部层面上将会对设计增加更多细节。然后需要重新决定，即回到内部层面等。
当流程图严格定义时，详细过程（管道和仪表图）和设备的机械设计才能进行。之后增加控制系统，并进行危险程度和可操作性研究。
化学工程的设计和工程学需要许多专家的共同合作。有效的合作取决于有效的沟通。并且所有的设计单位都要有正式的处理项目信息和文件的相关程序。项目文档包括：（1）设计小组和政府部门、设备供应商、现场人员、客户保持联系。（2）计算单：设计计算、成本计算和计算机打印输出。（3）绘图：流程图、管道和仪表图、布局图、总设计图、设备细节、管道图、建筑图和设计图。（4）特殊设备图：比如热交换器和泵。（5）购买顺序：报价和发货。
为了交叉引用、文件归档和数据检索，所有的文件必须分配一个代码。3.过程手册
过程设计组经常需要准备过程手册用于描述过程和设计基础。结合流程图，他们为过程提供了一个完整的技术描述。
操作手册对过程和设备的操作提供了详细的指导说明。这些一般都是操作公司个人制作的。但是也可能作为合同包的一部分为经验较少的客户提供。操作手册也能为操作者提供指导并进行培训，并用于制作正式工厂的操作指导。
第二十单元 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。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。
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
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．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。5.Environmentally Friendly Products 2． 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.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。
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