基本信息
書名:化學產品設計
出版社:清華大學出版社
定價: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_開本_頁數:平裝16開,245頁
中圖法:TQ
中圖法一級分類:化學工業
中圖法二級分類:化學工業
書號:B10036530
內容簡介
長期以來，大宗化學品如苯、化肥、聚酯等的生產在化學工業中占有舉足輕重的地位。而在過去的十餘年間，化學工業發生了重大的變革。目前大多數化學品公司將資源投入到特殊化學品與高附加值化學品，如藥物、化妝品及電子工業用的塗料等的設計和生產中。化學工程師的工作崗位也發生了改變，以適應公司業務的變化。然而，化學工程師的教育卻照舊，仍以教授傳統大宗化學的生產為主。這本具有重大突破的教材首先重新審視了大宗化學品與高附加值化學品之間的關係，它拓寬了化學工程設計的領域，使之包括過程設計和產品設計兩個方面。作者提出了一個由4步構成的產品設計過程--需求、方案、選擇和生產，並結合許多工業案例來對產品設計過程進行分析討論。本書的最後部分扼要介紹了產品設計過程所涉及的經濟學知識。
化工專業的學生和化學工程師們將會發現本書是一部非常生動的化學產品設計導論。
本書作者E.L.Cussler是明尼蘇達大學傑出的學院教授，執教於該校化學工程與材料科學系，他曾擔任美國化學工程師學會主席，並是劍橋大學出版社的《擴散》（Diffsion）一書的作者。
另一個作者G.D.Moggridge是劍橋大學化學工程系的講師，其科學研究從新型吸附劑到斑馬貝的生長控制，涉及領域寬廣。
前 言
自19世紀初現代化學工業的雛形形成伊始，化學工業就以大宗化學品的生產作為其主要任務。大宗化學品的生產規模很大（至少年產1 000t），產品銷往國際市場。不同廠商所提供的同種產品的質量和組成是一致的，其差異只是體現在產品價格上。苯、氫氣、聚酯以及二氧化鈦就是大宗化學品的例子。化學工業曾具有極高的生產能力並獲巨大成功，是為化學家、化學工程師及其他專業人才提供就業崗位的主要工業部門。
如第1章中所述，我們認為現代化學工業的黃金時代是在第二次世界大戰之後的數十年間，其成長速度與現代軟體業相當。從20世紀70年代開始，市場的增長放緩，企業開始將精力集中於公司合併與規模經濟。在過去十餘年中，化學工業發生了重大轉變 -- 大多數的新資源投入到設計和生產化學產品中，而不是投向傳統上占有統治地位的大宗化學品的生產上。這種變化也反映到我們所在大學新畢業生的就業崗位上。30年以前，絕大多數畢業生進入到與大宗化學品生產相關的企業中，而今天，大多數畢業生則以化學產品作為其職業生涯的開始。
20世紀90年代後期，英國ICI公司業務方向的變化，就是一個從大宗化學品轉移到化學產品的典型例證。從19世紀20年代開始，ICI即成為英國大宗化學品骨幹企業，而現在ICI不再生產聚酯、化肥或乙烯，取而代之的是香水、香料及電子工業用的塗料。
當然，大宗化學品的生產將會延續，因為世界對甲苯、氨及甲醇等的需求一如既往。但大宗化學品的生產是由少數具有極高效率的公司完成的。這些公司聘用很少的人力並保持很好的利潤，除了補充必需的人員以完成勞動力新老交替之外，不再需要聘用大量的化學家及化學工程師。這些公司通常都是私營的，這樣就更容易駕馭大宗化學品業務。
據此我們提出：化學工業的重心在過去的十幾年中發生了快速的轉移，即從大宗化學品轉向化學產品，這兩者的區別是什麼？我們從生產規模、產值及在市場優勢這3個方面來比較化學產品和大宗化學品的差異。化學產品生產規模小，通常低於每年1 000t；藥物活性組分就是化學產品的一個典型代表，有些藥物活性組分每年僅需生產幾千克就可滿足幾百萬美元的市場需求。化學產品具有高附加值及高利潤空間，而大宗化學品典型的銷售價格在每噸數百美元，利潤僅有幾個百分點。這種附加值的差異也反映在二者的第三個差別上：化學產品在市場中的優勢地位主要取決於產品性能和質量而不是價格，並通過專利保護或商業秘密及技術領先而保持其優勢地位。這種特性使得化學產品的上述市場優勢很脆弱，如專利會過期，競爭對手的技術會完善。因此，可以預期，化學產品的產品壽命都很短，通常是10年或更短。
顯然，化學工業從大宗化學品向化學產品的轉變是令人感興趣的，但它會影響到化學家和化學工程師嗎？答案是肯定的。因為化學產品與大宗化學品的不同屬性使得其設計和生產途徑與後者迥然不同：化學產品常採用分批生產的方式，所用的設備具有通用性--即可用於生產多種產品。化學工程師所受教育的主要部分是圍繞著指定產品的大規模生產過程的最佳化，而不涉及生產化學產品通常採用的過程類型問題。進一步分析，由於化學產品的壽命周期短及巨大的市場首入效益，化學產品企業需要迅捷的新產品設計。我們認為這也導致了企業運作方式的轉變，即從專業化轉向集成化設計團隊。傳統化學工程師的工作局限於已經立項的工廠的設計、試車和最佳化。現代化學工程師則可能從一開始就加入到產品開發團隊中，參與從產品構思到市場銷售的全過程。而目前為化工專業學生開設的過程設計課對此部分內容講授卻很有限。
綜上所述，化學工業所發生的變化，對於工程師或化學家所期望從事的工作的類型已產生了重大影響。我們前面剛剛提到：化學工程教育的核心內容的多數部分與新產品工業聯繫很少。對此我們不禁要問：是現有課程體系與不斷變化的工業需求無關？或它已經做了必要的改進以應對這種變化？我們對這兩個問題的答案都是否定的。我們認為化學工程課程體系在過去的50年中僅發生了很小的變化，而忽視了工業上已發生的較大變化。事實上，這是我們寫作本書的初衷。當然，我們也認為化學和化學工程的核心知識和技能是能非常好地套用於化學產品設計的。
曾任英國化學工程師學會主席的P.V. Danckwerts在其1966年的主席報告中講道："如果認為化學工程科學內容是一成不變的話，將是一個重大的錯誤。在滿足工業界不斷變化的需求的過程中，在將科學新發現及新思想付諸實踐的過程中，化學工程科學內容將會隨著時間的推移發生很大的變化"。我們認為化學工程學術研究在回響科學新發現方面做得很好，例如，計算機最佳化目前就是設計課程的一個標準部分，現代狀態方程是化工熱力學的正規教學內容。然而，就應對不斷變化的工業需求而言，化學工程教育幾乎沒有做任何事情。簡單看一眼舊課程體系或教科書，或諮詢已退休的專業人士，就可以發現化學工程課程體系框架在過去的30年中基本沒有變化，許多內容與20世紀50年代的課程體系中的內容完全相仿，那些最基本的章節甚至可以追溯到20世紀20年代的第一套化工教材中。
這個問題重要嗎？誠然。在過去的幾千年中，基本幾何的教學內容並沒有變化多少，但它的價值不變。我們願意強調指出：支撐化學工程學科的基礎科學體系在很大程度上也沒有發生變化，在過程設計中非常適用的原理，在應對化學產品的新挑戰時也是適用的。我們希望這一點可以由本書中的許多範例來證實。的確，我們相信化學工程師在開發化學產品中擔當著無可替代的重任；化學工程學科是將其他領域的技術整合到由熱力學、熱量與質量傳遞及單元操作構成的，具有統一性的工程學科整體中。這一工程學科為與化學產品開發相關的各項研究提供了最理想的知識背景。化學產品設計通過將化學工程學科的已有的完備知識套用於化學工業的新挑戰中，為化學工程教育提供了一個與工業共享進步的機會。
我們不希望對化學工程課程體系做全盤變化，儘管其中一些變化將毫無疑問地是必然的和適宜的。我們特彆強調的是講授設計課的方式需要進化，以使得我們對學生的培養符合其未來職業的要求。大規模、連續化工廠設計不再是多數工程師所必須做的。豐富的產品設計經歷將有助於培養學生適應更複雜和多變的任務，而這正是工業界對他們的需求。
為了達到這個目的，我們提出由下述4步組成的產品設計過程：需求、方案、選擇和生產。這4個部分也就構成了本書的主要內容。類似的產品設計過程在機械工程和商業研究中早已存在，我們將它們移植到化工領域來滿足化學產品設計之需。我們希望在這樣做的過程中能夠反映出與化學工業相關的獨特技術。我們堅信化學工業中的產品設計必須是由化工科技所主導。
本書所述的4步設計程式不過是一個模板，一個化學產品設計過程的起點。它提供一個組織設計過程的有益結構：它是一個啟發式的教學的起點而不是完美無瑕的策略的表述。在每一個案例中都必須對這個程式的內容進行調整，因為每個產品都是獨一無二的。它自然地適合於強調不同產品的不同階段。所謂產品設計的4步程式構成顯然是一個過於簡化的說法。經常的情形是，不同階段的各個單元會平行展開。更經常的是，在我們已看到終點的曙光時又返回起點。化學工程師了解閉合環路對於強化效率的作用；這一原理適用於反應器設計，也同樣適用於設計過程。儘管本書所述的產品設計是非常簡單的，但我們堅信為產品設計提供一個知識框架，無論是對教學，還是對於實踐都是非常有價值的。
圖書目錄
譯者序7
前言9
符號表13
1化學產品設計導論1
1.1什麼是化學產品設計1
1.2化學產品設計的重要性3
化學工業的變遷3
就業的變遷6
1.3公司運作機制的變遷7
公司的組織結構7
公司策略8
1.4產品設計過程9
如何按照產品設計過程來組織本書的內容9
產品開發策略的局限性10
1.5結論12
2需求14
2.1用戶的需求14
用戶調查14
詮釋用戶需求16
例2.1?1更好的絕熱窗戶17
例2.1?2 飛機除冰劑替代品19
例2.1?3"智慧型"標籤22
2.2消費品25
用戶評估25
用戶評估與儀器測定的對照27
例2.2?1可口的朱古力28
例2.2?2消費品的"粘度"29
2.3將需求轉化為產品規格30
例2.3?1汽車消音器設計31
例2.3?2旅行者用的水淨化設備32
例2.3?3防止高性能電池爆炸34
2.4修訂產品規格36
例2.4?1冬季路面除冰38
例2.4?2天然氣除氮42
2.5結論與第一關45
3方案48
3.1從不同人群獲取方案49
方案的來源49
方案的收集50
解決問題的風格52
未加分類的原始方案的例子54
3.2從化學途徑獲取方案58
天然產品篩選58
隨機分子組裝60
組合化學62
例3.2?1燃料電池催化劑63
3.3方案的整理64
啟動65
"素材將告訴你如何做"65
例3.3?1可用於濕金屬的粘合劑67
例3.3?2可重複使用的洗滌劑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
改進方案篩選過程74
例3.4?1家用供氧設備77
例3.4?2高放射性廢物處理78
3.5結論和第二道關82
4選擇84
4.1使用熱力學知識進行選擇85
成分替代85
消費化學品中的成分替代86
成分改進89
例4.1?1更好的護膚霜90
例4.1?2防污染油墨90
例4.1?3抗生素純化91
4.2使用動力學知識進行選擇92
化學動力學92
傳熱與傳質係數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100
何時進行主觀判斷101
如何進行主觀判斷102
為什麼要使用選擇矩陣103
例4.3?1君主替換104
例4.3?2家用換氣機105
4.4產品選擇中的風險112
風險評價113
風險管理115
例4.4?1散語房屋的電力供應117
例4.4?2在農場就地將牛奶脫水120
4.5結論和第三道關124
5產品生產126
5.1智慧財產權127
專利和商業秘密128
什麼可以申請專利130
專利的必要條件131
例5.1?1衝浪板的發明133
5.2提供尚缺的信息133
反應路徑策略134
例5.2?1鎮靜劑--苯酚甘油酯的合成135
例5.2?2用於從氣體中脫除CO2的具有空間位阻的胺136
例5.2?3用於控制斑馬貝的銀彈137
5.3產品的最終規格139
產品結構140
產品的核心性能140
化學啟動器140
例5.3?1無氟利昂泡沫141
例 5.3?2更好的血液供氧器144
5.4微觀結構產品147
熱力學148
膠體的穩定性150
流變學與混合153
例5.4?1使乳膠漆塗料不穩定156
例5.4?2生產更多的冰淇淋156
5.5裝置的生產158
熱力學158
酶動力學160
例5.5?1測量十二烷基硫酸根離子用的電極161
例5.5?2設計一台滲透泵162
5.6結論163
6特種化學品生產165
6.1走向生產的第一步166
實驗室結果的延伸167
反應的工程化169
例6.1?1青黴素的改性170
例6.1?2蝕刻光刻膠171
6.2分離172
分離過程的經驗法則172
最常用的分離過程175
萃取177
吸附179
結晶182
例6.2?1青黴素的純化185
6.3特種化學品生產的放大186
反應器放大187
分離過程放大190
例6.3?1懸浮類固醇的反應194
例6.3?2林肯黴素吸附柱的放大194
6.4結論195
7產品設計過程中的經濟學問題197
7.1產品設計與過程設計198
大宗化學品198
特種化學產品199
7.2過程經濟學201
過程設計的層次201
經濟前景分析203
資本需求205
7.3產品的經濟學208
不考慮資金時間價值的現金流量209
考慮資金時間價值的現金流量211
市場首入的時間212
例7.3?1蘇格蘭貝類養殖的經濟學214
7.4結論及第四道關216
習題219
索引237
產品索引243
