化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)（化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)）

基本信息

書(shū)名：化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

出版社：清華大學(xué)出版社

定價(jià):25

條形碼: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

精裝平裝_開(kāi)本_頁(yè)數(shù)：平裝16開(kāi),245頁(yè)

中圖法:TQ

中圖法一級(jí)分類(lèi)：化學(xué)工業(yè)

中圖法二級(jí)分類(lèi)：化學(xué)工業(yè)

書(shū)號(hào):B10036530

內(nèi)容簡(jiǎn)介

長(zhǎng)期以來(lái)，大宗化學(xué)品如苯、化肥、聚酯等的生產(chǎn)在化學(xué)工業(yè)中占有舉足輕重的地位。而在過(guò)去的十余年間，化學(xué)工業(yè)發(fā)生了重大的變革。目前大多數(shù)化學(xué)品公司將資源投入到特殊化學(xué)品與高附加值化學(xué)品，如藥物、化妝品及電子工業(yè)用的涂料等的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中?；瘜W(xué)工程師的工作崗位也發(fā)生了改變，以適應(yīng)公司業(yè)務(wù)的變化。然而，化學(xué)工程師的教育卻照舊，仍以教授傳統(tǒng)大宗化學(xué)的生產(chǎn)為主。這本具有重大突破的教材首先重新審視了大宗化學(xué)品與高附加值化學(xué)品之間的關(guān)系，它拓寬了化學(xué)工程設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，使之包括過(guò)程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。作者提出了一個(gè)由4步構(gòu)成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程--需求、方案、選擇和生產(chǎn)，并結(jié)合許多工業(yè)案例來(lái)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析討論。本書(shū)的最后部分扼要介紹了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程所涉及的經(jīng)濟(jì)學(xué)知識(shí)。

化工專(zhuān)業(yè)的學(xué)生和化學(xué)工程師們將會(huì)發(fā)現(xiàn)本書(shū)是一部非常生動(dòng)的化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)導(dǎo)論。

本書(shū)作者E.L.Cussler是明尼蘇達(dá)大學(xué)杰出的學(xué)院教授，執(zhí)教于該校化學(xué)工程與材料科學(xué)系，他曾擔(dān)任美國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)主席，并是劍橋大學(xué)出版社的《擴(kuò)散》（Diffsion）一書(shū)的作者。

另一個(gè)作者G.D.Moggridge是劍橋大學(xué)化學(xué)工程系的講師，其科學(xué)研究從新型吸附劑到斑馬貝的生長(zhǎng)控制，涉及領(lǐng)域?qū)拸V。

前 言

自19世紀(jì)初現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的雛形形成伊始，化學(xué)工業(yè)就以大宗化學(xué)品的生產(chǎn)作為其主要任務(wù)。大宗化學(xué)品的生產(chǎn)規(guī)模很大（至少年產(chǎn)1 000t），產(chǎn)品銷(xiāo)往國(guó)際市場(chǎng)。不同廠商所提供的同種產(chǎn)品的質(zhì)量和組成是一致的，其差異只是體現(xiàn)在產(chǎn)品價(jià)格上。苯、氫氣、聚酯以及二氧化鈦就是大宗化學(xué)品的例子?；瘜W(xué)工業(yè)曾具有極高的生產(chǎn)能力并獲巨大成功，是為化學(xué)家、化學(xué)工程師及其他專(zhuān)業(yè)人才提供就業(yè)崗位的主要工業(yè)部門(mén)。

如第1章中所述，我們認(rèn)為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的黃金時(shí)代是在第二次世界大戰(zhàn)之后的數(shù)十年間，其成長(zhǎng)速度與現(xiàn)代軟件業(yè)相當(dāng)。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，市場(chǎng)的增長(zhǎng)放緩，企業(yè)開(kāi)始將精力集中于公司合并與規(guī)模經(jīng)濟(jì)。在過(guò)去十余年中，化學(xué)工業(yè)發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變 -- 大多數(shù)的新資源投入到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品中，而不是投向傳統(tǒng)上占有統(tǒng)治地位的大宗化學(xué)品的生產(chǎn)上。這種變化也反映到我們所在大學(xué)新畢業(yè)生的就業(yè)崗位上。30年以前，絕大多數(shù)畢業(yè)生進(jìn)入到與大宗化學(xué)品生產(chǎn)相關(guān)的企業(yè)中，而今天，大多數(shù)畢業(yè)生則以化學(xué)產(chǎn)品作為其職業(yè)生涯的開(kāi)始。

20世紀(jì)90年代后期，英國(guó)ICI公司業(yè)務(wù)方向的變化，就是一個(gè)從大宗化學(xué)品轉(zhuǎn)移到化學(xué)產(chǎn)品的典型例證。從19世紀(jì)20年代開(kāi)始，ICI即成為英國(guó)大宗化學(xué)品骨干企業(yè)，而現(xiàn)在ICI不再生產(chǎn)聚酯、化肥或乙烯，取而代之的是香水、香料及電子工業(yè)用的涂料。

當(dāng)然，大宗化學(xué)品的生產(chǎn)將會(huì)延續(xù)，因?yàn)槭澜鐚?duì)甲苯、氨及甲醇等的需求一如既往。但大宗化學(xué)品的生產(chǎn)是由少數(shù)具有極高效率的公司完成的。這些公司聘用很少的人力并保持很好的利潤(rùn)，除了補(bǔ)充必需的人員以完成勞動(dòng)力新老交替之外，不再需要聘用大量的化學(xué)家及化學(xué)工程師。這些公司通常都是私營(yíng)的，這樣就更容易駕馭大宗化學(xué)品業(yè)務(wù)。

據(jù)此我們提出：化學(xué)工業(yè)的重心在過(guò)去的十幾年中發(fā)生了快速的轉(zhuǎn)移，即從大宗化學(xué)品轉(zhuǎn)向化學(xué)產(chǎn)品，這兩者的區(qū)別是什么？我們從生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)值及在市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)這3個(gè)方面來(lái)比較化學(xué)產(chǎn)品和大宗化學(xué)品的差異。化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模小，通常低于每年1 000t；藥物活性組分就是化學(xué)產(chǎn)品的一個(gè)典型代表，有些藥物活性組分每年僅需生產(chǎn)幾千克就可滿足幾百萬(wàn)美元的市場(chǎng)需求?；瘜W(xué)產(chǎn)品具有高附加值及高利潤(rùn)空間，而大宗化學(xué)品典型的銷(xiāo)售價(jià)格在每噸數(shù)百美元，利潤(rùn)僅有幾個(gè)百分點(diǎn)。這種附加值的差異也反映在二者的第三個(gè)差別上：化學(xué)產(chǎn)品在市場(chǎng)中的優(yōu)勢(shì)地位主要取決于產(chǎn)品性能和質(zhì)量而不是價(jià)格，并通過(guò)專(zhuān)利保護(hù)或商業(yè)秘密及技術(shù)領(lǐng)先而保持其優(yōu)勢(shì)地位。這種特性使得化學(xué)產(chǎn)品的上述市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)很脆弱，如專(zhuān)利會(huì)過(guò)期，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的技術(shù)會(huì)完善。因此，可以預(yù)期，化學(xué)產(chǎn)品的產(chǎn)品壽命都很短，通常是10年或更短。

顯然，化學(xué)工業(yè)從大宗化學(xué)品向化學(xué)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變是令人感興趣的，但它會(huì)影響到化學(xué)家和化學(xué)工程師嗎？答案是肯定的。因?yàn)榛瘜W(xué)產(chǎn)品與大宗化學(xué)品的不同屬性使得其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)途徑與后者迥然不同：化學(xué)產(chǎn)品常采用分批生產(chǎn)的方式，所用的設(shè)備具有通用性--即可用于生產(chǎn)多種產(chǎn)品。化學(xué)工程師所受教育的主要部分是圍繞著指定產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化，而不涉及生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品通常采用的過(guò)程類(lèi)型問(wèn)題。進(jìn)一步分析，由于化學(xué)產(chǎn)品的壽命周期短及巨大的市場(chǎng)首入效益，化學(xué)產(chǎn)品企業(yè)需要迅捷的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。我們認(rèn)為這也導(dǎo)致了企業(yè)運(yùn)作方式的轉(zhuǎn)變，即從專(zhuān)業(yè)化轉(zhuǎn)向集成化設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。傳統(tǒng)化學(xué)工程師的工作局限于已經(jīng)立項(xiàng)的工廠的設(shè)計(jì)、試車(chē)和優(yōu)化。現(xiàn)代化學(xué)工程師則可能從一開(kāi)始就加入到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)中，參與從產(chǎn)品構(gòu)思到市場(chǎng)銷(xiāo)售的全過(guò)程。而目前為化工專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的過(guò)程設(shè)計(jì)課對(duì)此部分內(nèi)容講授卻很有限。

綜上所述，化學(xué)工業(yè)所發(fā)生的變化，對(duì)于工程師或化學(xué)家所期望從事的工作的類(lèi)型已產(chǎn)生了重大影響。我們前面剛剛提到：化學(xué)工程教育的核心內(nèi)容的多數(shù)部分與新產(chǎn)品工業(yè)聯(lián)系很少。對(duì)此我們不禁要問(wèn)：是現(xiàn)有課程體系與不斷變化的工業(yè)需求無(wú)關(guān)？或它已經(jīng)做了必要的改進(jìn)以應(yīng)對(duì)這種變化？我們對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的答案都是否定的。我們認(rèn)為化學(xué)工程課程體系在過(guò)去的50年中僅發(fā)生了很小的變化，而忽視了工業(yè)上已發(fā)生的較大變化。事實(shí)上，這是我們寫(xiě)作本書(shū)的初衷。當(dāng)然，我們也認(rèn)為化學(xué)和化學(xué)工程的核心知識(shí)和技能是能非常好地應(yīng)用于化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的。

曾任英國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)主席的P.V. Danckwerts在其1966年的主席報(bào)告中講道："如果認(rèn)為化學(xué)工程科學(xué)內(nèi)容是一成不變的話，將是一個(gè)重大的錯(cuò)誤。在滿足工業(yè)界不斷變化的需求的過(guò)程中，在將科學(xué)新發(fā)現(xiàn)及新思想付諸實(shí)踐的過(guò)程中，化學(xué)工程科學(xué)內(nèi)容將會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生很大的變化"。我們認(rèn)為化學(xué)工程學(xué)術(shù)研究在響應(yīng)科學(xué)新發(fā)現(xiàn)方面做得很好，例如，計(jì)算機(jī)優(yōu)化目前就是設(shè)計(jì)課程的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部分，現(xiàn)代狀態(tài)方程是化工熱力學(xué)的正規(guī)教學(xué)內(nèi)容。然而，就應(yīng)對(duì)不斷變化的工業(yè)需求而言，化學(xué)工程教育幾乎沒(méi)有做任何事情。簡(jiǎn)單看一眼舊課程體系或教科書(shū)，或咨詢(xún)已退休的專(zhuān)業(yè)人士，就可以發(fā)現(xiàn)化學(xué)工程課程體系框架在過(guò)去的30年中基本沒(méi)有變化，許多內(nèi)容與20世紀(jì)50年代的課程體系中的內(nèi)容完全相仿，那些最基本的章節(jié)甚至可以追溯到20世紀(jì)20年代的第一套化工教材中。

這個(gè)問(wèn)題重要嗎？誠(chéng)然。在過(guò)去的幾千年中，基本幾何的教學(xué)內(nèi)容并沒(méi)有變化多少，但它的價(jià)值不變。我們?cè)敢鈴?qiáng)調(diào)指出：支撐化學(xué)工程學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)體系在很大程度上也沒(méi)有發(fā)生變化，在過(guò)程設(shè)計(jì)中非常適用的原理，在應(yīng)對(duì)化學(xué)產(chǎn)品的新挑戰(zhàn)時(shí)也是適用的。我們希望這一點(diǎn)可以由本書(shū)中的許多范例來(lái)證實(shí)。的確，我們相信化學(xué)工程師在開(kāi)發(fā)化學(xué)產(chǎn)品中擔(dān)當(dāng)著無(wú)可替代的重任；化學(xué)工程學(xué)科是將其他領(lǐng)域的技術(shù)整合到由熱力學(xué)、熱量與質(zhì)量傳遞及單元操作構(gòu)成的，具有統(tǒng)一性的工程學(xué)科整體中。這一工程學(xué)科為與化學(xué)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)相關(guān)的各項(xiàng)研究提供了最理想的知識(shí)背景?；瘜W(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)通過(guò)將化學(xué)工程學(xué)科的已有的完備知識(shí)應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)的新挑戰(zhàn)中，為化學(xué)工程教育提供了一個(gè)與工業(yè)共享進(jìn)步的機(jī)會(huì)。

我們不希望對(duì)化學(xué)工程課程體系做全盤(pán)變化，盡管其中一些變化將毫無(wú)疑問(wèn)地是必然的和適宜的。我們特別強(qiáng)調(diào)的是講授設(shè)計(jì)課的方式需要進(jìn)化，以使得我們對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)符合其未來(lái)職業(yè)的要求。大規(guī)模、連續(xù)化工廠設(shè)計(jì)不再是多數(shù)工程師所必須做的。豐富的產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)歷將有助于培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)更復(fù)雜和多變的任務(wù)，而這正是工業(yè)界對(duì)他們的需求。

為了達(dá)到這個(gè)目的，我們提出由下述4步組成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程：需求、方案、選擇和生產(chǎn)。這4個(gè)部分也就構(gòu)成了本書(shū)的主要內(nèi)容。類(lèi)似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程在機(jī)械工程和商業(yè)研究中早已存在，我們將它們移植到化工領(lǐng)域來(lái)滿足化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)之需。我們希望在這樣做的過(guò)程中能夠反映出與化學(xué)工業(yè)相關(guān)的獨(dú)特技術(shù)。我們堅(jiān)信化學(xué)工業(yè)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須是由化工科技所主導(dǎo)。

本書(shū)所述的4步設(shè)計(jì)程序不過(guò)是一個(gè)模板，一個(gè)化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的起點(diǎn)。它提供一個(gè)組織設(shè)計(jì)過(guò)程的有益結(jié)構(gòu)：它是一個(gè)啟發(fā)式的教學(xué)的起點(diǎn)而不是完美無(wú)瑕的策略的表述。在每一個(gè)案例中都必須對(duì)這個(gè)程序的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)槊總€(gè)產(chǎn)品都是獨(dú)一無(wú)二的。它自然地適合于強(qiáng)調(diào)不同產(chǎn)品的不同階段。所謂產(chǎn)品設(shè)計(jì)的4步程序構(gòu)成顯然是一個(gè)過(guò)于簡(jiǎn)化的說(shuō)法。經(jīng)常的情形是，不同階段的各個(gè)單元會(huì)平行展開(kāi)。更經(jīng)常的是，在我們已看到終點(diǎn)的曙光時(shí)又返回起點(diǎn)?；瘜W(xué)工程師了解閉合環(huán)路對(duì)于強(qiáng)化效率的作用；這一原理適用于反應(yīng)器設(shè)計(jì)，也同樣適用于設(shè)計(jì)過(guò)程。盡管本書(shū)所述的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是非常簡(jiǎn)單的，但我們堅(jiān)信為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一個(gè)知識(shí)框架，無(wú)論是對(duì)教學(xué)，還是對(duì)于實(shí)踐都是非常有價(jià)值的。

圖書(shū)目錄

譯者序7

前言9

符號(hào)表13

1化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)導(dǎo)論1

1.1什么是化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)1

1.2化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要性3

化學(xué)工業(yè)的變遷3

就業(yè)的變遷6

1.3公司運(yùn)作機(jī)制的變遷7

公司的組織結(jié)構(gòu)7

公司策略8

1.4產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程9

如何按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)組織本書(shū)的內(nèi)容9

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)策略的局限性10

1.5結(jié)論12

2需求14

2.1用戶(hù)的需求14

用戶(hù)調(diào)查14

詮釋用戶(hù)需求16

例2.1?1更好的絕熱窗戶(hù)17

例2.1?2 飛機(jī)除冰劑替代品19

例2.1?3"智能"標(biāo)簽22

2.2消費(fèi)品25

用戶(hù)評(píng)估25

用戶(hù)評(píng)估與儀器測(cè)定的對(duì)照27

例2.2?1可口的巧克力28

例2.2?2消費(fèi)品的"粘度"29

2.3將需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品規(guī)格30

例2.3?1汽車(chē)消音器設(shè)計(jì)31

例2.3?2旅行者用的水凈化設(shè)備32

例2.3?3防止高性能電池爆炸34

2.4修訂產(chǎn)品規(guī)格36

例2.4?1冬季路面除冰38

例2.4?2天然氣除氮42

2.5結(jié)論與第一關(guān)45

3方案48

3.1從不同人群獲取方案49

方案的來(lái)源49

方案的收集50

解決問(wèn)題的風(fēng)格52

未加分類(lèi)的原始方案的例子54

3.2從化學(xué)途徑獲取方案58

天然產(chǎn)品篩選58

隨機(jī)分子組裝60

組合化學(xué)62

例3.2?1燃料電池催化劑63

3.3方案的整理64

啟動(dòng)65

"素材將告訴你如何做"65

例3.3?1可用于濕金屬的粘合劑67

例3.3?2可重復(fù)使用的洗滌劑67

例3.3?3防污染油墨71

3.4方案的篩選72

方案篩選策略73

改進(jìn)方案篩選過(guò)程74

例3.4?1家用供氧設(shè)備77

例3.4?2高放射性廢物處理78

3.5結(jié)論和第二道關(guān)82

4選擇84

4.1使用熱力學(xué)知識(shí)進(jìn)行選擇85

成分替代85

消費(fèi)化學(xué)品中的成分替代86

成分改進(jìn)89

例4.1?1更好的護(hù)膚霜90

例4.1?2防污染油墨90

例4.1?3抗生素純化91

4.2使用動(dòng)力學(xué)知識(shí)進(jìn)行選擇92

化學(xué)動(dòng)力學(xué)92

傳熱與傳質(zhì)系數(shù)94

例4.2?1讓葡萄酒呼吸的裝置95

例4.2?2完美的咖啡杯97

4.3客觀性較弱的判據(jù)100

何時(shí)進(jìn)行主觀判斷101

如何進(jìn)行主觀判斷102

為什么要使用選擇矩陣103

例4.3?1君主替換104

例4.3?2家用換氣機(jī)105

4.4產(chǎn)品選擇中的風(fēng)險(xiǎn)112

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)113

風(fēng)險(xiǎn)管理115

例4.4?1散語(yǔ)房屋的電力供應(yīng)117

例4.4?2在農(nóng)場(chǎng)就地將牛奶脫水120

4.5結(jié)論和第三道關(guān)124

5產(chǎn)品生產(chǎn)126

5.1知識(shí)產(chǎn)權(quán)127

專(zhuān)利和商業(yè)秘密128

什么可以申請(qǐng)專(zhuān)利130

專(zhuān)利的必要條件131

例5.1?1沖浪板的發(fā)明133

5.2提供尚缺的信息133

反應(yīng)路徑策略134

例5.2?1鎮(zhèn)靜劑--苯酚甘油酯的合成135

例5.2?2用于從氣體中脫除CO2的具有空間位阻的胺136

例5.2?3用于控制斑馬貝的銀彈137

5.3產(chǎn)品的最終規(guī)格139

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)140

產(chǎn)品的核心性能140

化學(xué)啟動(dòng)器140

例5.3?1無(wú)氟利昂泡沫141

例 5.3?2更好的血液供氧器144

5.4微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品147

熱力學(xué)148

膠體的穩(wěn)定性150

流變學(xué)與混合153

例5.4?1使乳膠漆涂料不穩(wěn)定156

例5.4?2生產(chǎn)更多的冰淇淋156

5.5裝置的生產(chǎn)158

熱力學(xué)158

酶動(dòng)力學(xué)160

例5.5?1測(cè)量十二烷基硫酸根離子用的電極161

例5.5?2設(shè)計(jì)一臺(tái)滲透泵162

5.6結(jié)論163

6特種化學(xué)品生產(chǎn)165

6.1走向生產(chǎn)的第一步166

實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的延伸167

反應(yīng)的工程化169

例6.1?1青霉素的改性170

例6.1?2蝕刻光刻膠171

6.2分離172

分離過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)法則172

最常用的分離過(guò)程175

萃取177

吸附179

結(jié)晶182

例6.2?1青霉素的純化185

6.3特種化學(xué)品生產(chǎn)的放大186

反應(yīng)器放大187

分離過(guò)程放大190

例6.3?1懸浮類(lèi)固醇的反應(yīng)194

例6.3?2林肯霉素吸附柱的放大194

6.4結(jié)論195

7產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)學(xué)問(wèn)題197

7.1產(chǎn)品設(shè)計(jì)與過(guò)程設(shè)計(jì)198

大宗化學(xué)品198

特種化學(xué)產(chǎn)品199

7.2過(guò)程經(jīng)濟(jì)學(xué)201

過(guò)程設(shè)計(jì)的層次201

經(jīng)濟(jì)前景分析203

資本需求205

7.3產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)學(xué)208

不考慮資金時(shí)間價(jià)值的現(xiàn)金流量209

考慮資金時(shí)間價(jià)值的現(xiàn)金流量211

市場(chǎng)首入的時(shí)間212

例7.3?1蘇格蘭貝類(lèi)養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)學(xué)214

7.4結(jié)論及第四道關(guān)216

習(xí)題219

索引237

產(chǎn)品索引243