基本信息

内容简介

图书目录

基本信息

书名:化学产品设计

出版社:清华大学出版社

定价:25

条形码:9787302065388

ISBN:ISBN 7-302-06538-1

作者:E.L.Cussler G.D.Moggridge

印刷日期:2003-6-1

出版日期:2003-6-1

精装平装_开本_页数:平装16开,245页

中图法:TQ

中图法一级分类:化学工业

中图法二级分类:化学工业

书号:B10036530

内容简介

长期以来，大宗化学品如苯、化肥、聚酯等的生产在化学工业中占有举足轻重的地位。而在过去的十余年间，化学工业发生了重大的变革。目前大多数化学品公司将资源投入到特殊化学品与高附加值化学品，如药物、化妆品及电子工业用的涂料等的设计和生产中。化学工程师的工作岗位也发生了改变，以适应公司业务的变化。然而，化学工程师的教育却照旧，仍以教授传统大宗化学的生产为主。这本具有重大突破的教材首先重新审视了大宗化学品与高附加值化学品之间的关系，它拓宽了化学工程设计的领域，使之包括过程设计和产品设计两个方面。作者提出了一个由4步构成的产品设计过程--需求、方案、选择和生产，并结合许多工业案例来对产品设计过程进行分析讨论。本书的最后部分扼要介绍了产品设计过程所涉及的经济学知识。

化工专业的学生和化学工程师们将会发现本书是一部非常生动的化学产品设计导论。

本书作者E.L.Cussler是明尼苏达大学杰出的学院教授，执教于该校化学工程与材料科学系，他曾担任美国化学工程师学会主席，并是剑桥大学出版社的《扩散》（Diffsion）一书的作者。

另一个作者G.D.Moggridge是剑桥大学化学工程系的讲师，其科学研究从新型吸附剂到斑马贝的生长控制，涉及领域宽广。

前 言

自19世纪初现代化学工业的雏形形成伊始，化学工业就以大宗化学品的生产作为其主要任务。大宗化学品的生产规模很大（至少年产1 000t），产品销往国际市场。不同厂商所提供的同种产品的质量和组成是一致的，其差异只是体现在产品价格上。苯、氢气、聚酯以及二氧化钛就是大宗化学品的例子。化学工业曾具有极高的生产能力并获巨大成功，是为化学家、化学工程师及其他专业人才提供就业岗位的主要工业部门。

如第1章中所述，我们认为现代化学工业的黄金时代是在第二次世界大战之后的数十年间，其成长速度与现代软件业相当。从20世纪70年代开始，市场的增长放缓，企业开始将精力集中于公司合并与规模经济。在过去十余年中，化学工业发生了重大转变 -- 大多数的新资源投入到设计和生产化学产品中，而不是投向传统上占有统治地位的大宗化学品的生产上。这种变化也反映到我们所在大学新毕业生的就业岗位上。30年以前，绝大多数毕业生进入到与大宗化学品生产相关的企业中，而今天，大多数毕业生则以化学产品作为其职业生涯的开始。

20世纪90年代后期，英国ICI公司业务方向的变化，就是一个从大宗化学品转移到化学产品的典型例证。从19世纪20年代开始，ICI即成为英国大宗化学品骨干企业，而现在ICI不再生产聚酯、化肥或乙烯，取而代之的是香水、香料及电子工业用的涂料。

当然，大宗化学品的生产将会延续，因为世界对甲苯、氨及甲醇等的需求一如既往。但大宗化学品的生产是由少数具有极高效率的公司完成的。这些公司聘用很少的人力并保持很好的利润，除了补充必需的人员以完成劳动力新老交替之外，不再需要聘用大量的化学家及化学工程师。这些公司通常都是私营的，这样就更容易驾驭大宗化学品业务。

据此我们提出：化学工业的重心在过去的十几年中发生了快速的转移，即从大宗化学品转向化学产品，这两者的区别是什么？我们从生产规模、产值及在市场优势这3个方面来比较化学产品和大宗化学品的差异。化学产品生产规模小，通常低于每年1 000t；药物活性组分就是化学产品的一个典型代表，有些药物活性组分每年仅需生产几千克就可满足几百万美元的市场需求。化学产品具有高附加值及高利润空间，而大宗化学品典型的销售价格在每吨数百美元，利润仅有几个百分点。这种附加值的差异也反映在二者的第三个差别上：化学产品在市场中的优势地位主要取决于产品性能和质量而不是价格，并通过专利保护或商业秘密及技术领先而保持其优势地位。这种特性使得化学产品的上述市场优势很脆弱，如专利会过期，竞争对手的技术会完善。因此，可以预期，化学产品的产品寿命都很短，通常是10年或更短。

显然，化学工业从大宗化学品向化学产品的转变是令人感兴趣的，但它会影响到化学家和化学工程师吗？答案是肯定的。因为化学产品与大宗化学品的不同属性使得其设计和生产途径与后者迥然不同：化学产品常采用分批生产的方式，所用的设备具有通用性--即可用于生产多种产品。化学工程师所受教育的主要部分是围绕着指定产品的大规模生产过程的优化，而不涉及生产化学产品通常采用的过程类型问题。进一步分析，由于化学产品的寿命周期短及巨大的市场首入效益，化学产品企业需要迅捷的新产品设计。我们认为这也导致了企业运作方式的转变，即从专业化转向集成化设计团队。传统化学工程师的工作局限于已经立项的工厂的设计、试车和优化。现代化学工程师则可能从一开始就加入到产品开发团队中，参与从产品构思到市场销售的全过程。而目前为化工专业学生开设的过程设计课对此部分内容讲授却很有限。

综上所述，化学工业所发生的变化，对于工程师或化学家所期望从事的工作的类型已产生了重大影响。我们前面刚刚提到：化学工程教育的核心内容的多数部分与新产品工业联系很少。对此我们不禁要问：是现有课程体系与不断变化的工业需求无关？或它已经做了必要的改进以应对这种变化？我们对这两个问题的答案都是否定的。我们认为化学工程课程体系在过去的50年中仅发生了很小的变化，而忽视了工业上已发生的较大变化。事实上，这是我们写作本书的初衷。当然，我们也认为化学和化学工程的核心知识和技能是能非常好地应用于化学产品设计的。

曾任英国化学工程师学会主席的P.V. Danckwerts在其1966年的主席报告中讲道："如果认为化学工程科学内容是一成不变的话，将是一个重大的错误。在满足工业界不断变化的需求的过程中，在将科学新发现及新思想付诸实践的过程中，化学工程科学内容将会随着时间的推移发生很大的变化"。我们认为化学工程学术研究在响应科学新发现方面做得很好，例如，计算机优化目前就是设计课程的一个标准部分，现代状态方程是化工热力学的正规教学内容。然而，就应对不断变化的工业需求而言，化学工程教育几乎没有做任何事情。简单看一眼旧课程体系或教科书，或咨询已退休的专业人士，就可以发现化学工程课程体系框架在过去的30年中基本没有变化，许多内容与20世纪50年代的课程体系中的内容完全相仿，那些最基本的章节甚至可以追溯到20世纪20年代的第一套化工教材中。

这个问题重要吗？诚然。在过去的几千年中，基本几何的教学内容并没有变化多少，但它的价值不变。我们愿意强调指出：支撑化学工程学科的基础科学体系在很大程度上也没有发生变化，在过程设计中非常适用的原理，在应对化学产品的新挑战时也是适用的。我们希望这一点可以由本书中的许多范例来证实。的确，我们相信化学工程师在开发化学产品中担当着无可替代的重任；化学工程学科是将其他领域的技术整合到由热力学、热量与质量传递及单元操作构成的，具有统一性的工程学科整体中。这一工程学科为与化学产品开发相关的各项研究提供了最理想的知识背景。化学产品设计通过将化学工程学科的已有的完备知识应用于化学工业的新挑战中，为化学工程教育提供了一个与工业共享进步的机会。

我们不希望对化学工程课程体系做全盘变化，尽管其中一些变化将毫无疑问地是必然的和适宜的。我们特别强调的是讲授设计课的方式需要进化，以使得我们对学生的培养符合其未来职业的要求。大规模、连续化工厂设计不再是多数工程师所必须做的。丰富的产品设计经历将有助于培养学生适应更复杂和多变的任务，而这正是工业界对他们的需求。

为了达到这个目的，我们提出由下述4步组成的产品设计过程：需求、方案、选择和生产。这4个部分也就构成了本书的主要内容。类似的产品设计过程在机械工程和商业研究中早已存在，我们将它们移植到化工领域来满足化学产品设计之需。我们希望在这样做的过程中能够反映出与化学工业相关的独特技术。我们坚信化学工业中的产品设计必须是由化工科技所主导。

本书所述的4步设计程序不过是一个模板，一个化学产品设计过程的起点。它提供一个组织设计过程的有益结构：它是一个启发式的教学的起点而不是完美无瑕的策略的表述。在每一个案例中都必须对这个程序的内容进行调整，因为每个产品都是独一无二的。它自然地适合于强调不同产品的不同阶段。所谓产品设计的4步程序构成显然是一个过于简化的说法。经常的情形是，不同阶段的各个单元会平行展开。更经常的是，在我们已看到终点的曙光时又返回起点。化学工程师了解闭合环路对于强化效率的作用；这一原理适用于反应器设计，也同样适用于设计过程。尽管本书所述的产品设计是非常简单的，但我们坚信为产品设计提供一个知识框架，无论是对教学，还是对于实践都是非常有价值的。

图书目录

译者序7

前言9

符号表13

1化学产品设计导论1

1.1什么是化学产品设计1

1.2化学产品设计的重要性3

化学工业的变迁3

就业的变迁6

1.3公司运作机制的变迁7

公司的组织结构7

公司策略8

1.4产品设计过程9

如何按照产品设计过程来组织本书的内容9

产品开发策略的局限性10

1.5结论12

2需求14

2.1用户的需求14

用户调查14

诠释用户需求16

例2.1?1更好的绝热窗户17

例2.1?2 飞机除冰剂替代品19

例2.1?3"智能"标签22

2.2消费品25

用户评估25

用户评估与仪器测定的对照27

例2.2?1可口的巧克力28

例2.2?2消费品的"粘度"29

2.3将需求转化为产品规格30

例2.3?1汽车消音器设计31

例2.3?2旅行者用的水净化设备32

例2.3?3防止高性能电池爆炸34

2.4修订产品规格36

例2.4?1冬季路面除冰38

例2.4?2天然气除氮42

2.5结论与第一关45

3方案48

3.1从不同人群获取方案49

方案的来源49

方案的收集50

解决问题的风格52

未加分类的原始方案的例子54

3.2从化学途径获取方案58

天然产品筛选58

随机分子组装60

组合化学62

例3.2?1燃料电池催化剂63

3.3方案的整理64

启动65

"素材将告诉你如何做"65

例3.3?1可用于湿金属的粘合剂67

例3.3?2可重复使用的洗涤剂67

例3.3?3防污染油墨71

3.4方案的筛选72

方案筛选策略73

改进方案筛选过程74

例3.4?1家用供氧设备77

例3.4?2高放射性废物处理78

3.5结论和第二道关82

4选择84

4.1使用热力学知识进行选择85

成分替代85

消费化学品中的成分替代86

成分改进89

例4.1?1更好的护肤霜90

例4.1?2防污染油墨90

例4.1?3抗生素纯化91

4.2使用动力学知识进行选择92

化学动力学92

传热与传质系数94

例4.2?1让葡萄酒呼吸的装置95

例4.2?2完美的咖啡杯97

4.3客观性较弱的判据100

何时进行主观判断101

如何进行主观判断102

为什么要使用选择矩阵103

例4.3?1君主替换104

例4.3?2家用换气机105

4.4产品选择中的风险112

风险评价113

风险管理115

例4.4?1散语房屋的电力供应117

例4.4?2在农场就地将牛奶脱水120

4.5结论和第三道关124

5产品生产126

5.1知识产权127

专利和商业秘密128

什么可以申请专利130

专利的必要条件131

例5.1?1冲浪板的发明133

5.2提供尚缺的信息133

反应路径策略134

例5.2?1镇静剂--苯酚甘油酯的合成135

例5.2?2用于从气体中脱除CO2的具有空间位阻的胺136

例5.2?3用于控制斑马贝的银弹137

5.3产品的最终规格139

产品结构140

产品的核心性能140

化学启动器140

例5.3?1无氟利昂泡沫141

例 5.3?2更好的血液供氧器144

5.4微观结构产品147

热力学148

胶体的稳定性150

流变学与混合153

例5.4?1使乳胶漆涂料不稳定156

例5.4?2生产更多的冰淇淋156

5.5装置的生产158

热力学158

酶动力学160

例5.5?1测量十二烷基硫酸根离子用的电极161

例5.5?2设计一台渗透泵162

5.6结论163

6特种化学品生产165

6.1走向生产的第一步166

实验室结果的延伸167

反应的工程化169

例6.1?1青霉素的改性170

例6.1?2蚀刻光刻胶171

6.2分离172

分离过程的经验法则172

最常用的分离过程175

萃取177

吸附179

结晶182

例6.2?1青霉素的纯化185

6.3特种化学品生产的放大186

反应器放大187

分离过程放大190

例6.3?1悬浮类固醇的反应194

例6.3?2林肯霉素吸附柱的放大194

6.4结论195

7产品设计过程中的经济学问题197

7.1产品设计与过程设计198

大宗化学品198

特种化学产品199

7.2过程经济学201

过程设计的层次201

经济前景分析203

资本需求205

7.3产品的经济学208

不考虑资金时间价值的现金流量209

考虑资金时间价值的现金流量211

市场首入的时间212

例7.3?1苏格兰贝类养殖的经济学214

7.4结论及第四道关216

习题219

索引237

产品索引243