发表于2024-12-24
◆43位两院院士倡议发起,金涌院士总策划,多位院士和专家参与策划撰写书稿。
◆专门针对初高中学生、大学一年级新生及普通读者,让大家看到不一样的美丽化学和美丽化工。
◆包括一本书和十部视频短片《桌面工厂》《电力银行》《智能释药》《神奇的碳》《分子机器》《OLED之梦》《复合材料》《病毒制造》《生物炼制》《细胞工厂》。
◆曾经为全国100 多所中学的高中学生做了试映,好评如潮。
《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》是化学化工领域的专家学者为青年学生专门编写的一套科普书,反映了当今世界*前沿的化学化工科技成果。化学和化学工程在人类社会中一直起着重要作用,也对人类生活产生了重要影响。现代文明离不开化学与化学工程,同时,化学和化学工程一直在不断进步、推陈出新,为人们的想象力发展和创造力实践提供充分广阔的空间。这《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》以及和它配合的视频短片,可以让读者从科学和工程前沿的全新视角,看到不一样的美丽化学和美丽化工。
《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》是中国工程院化工、冶金与材料工程学部、中国科协青少年科技中心、中国科学技术协会科学普及部重点资助项目。其内容经过了几年时间的策划、创作和打磨,尽量做到前沿性、科学性、科普性、趣味性、艺术性、传播性的统一,力求深入浅出,图文并茂。
01 桌面工厂
02 电力银行
03 智能释药
04 神奇的碳
05 分子机器
06 OLED之梦
07 复合材料
08 病毒制造
09 生物炼制
10 细胞工厂
图片来源
参考文献
北京静远嘲风动漫传媒科技中心创作01_桌面工厂.indd102016/5/1911:27:03王凯吕阳成骆广生
宽阔的厂房,高耸的烟囱,巨大的储罐,轰鸣的机器;化工厂在人们心目中总是与这些场景分不开,但科学家除了在建设这样的庞然大物上下功夫之外,其实还为化工过程打造了一个袖珍王国。
桌面工厂
DesktopFactory
通向未来化工世界桥梁的微化工系统0101_桌面工厂.indd12016/5/1911:27:03桌面工厂
通向未来化工世界桥梁的微化工系统王凯副教授,吕阳成副教授,骆广生教授(清华大学)BridgetotheFutureoftheWorldofChemicalEngineering:MicrostructuredChemicalSystemDesktopFactory
微化工系统是由小型化的、高度集成化的化工装置构成的系统,它的出现变革了数百年来化工装置大型化发展的策略,展示了化学工业的未来。微化工系统是基于化工最基本的传递强化原理,在精密加工技术的促进下发展而成。在实验室里,利用微化工器件可以组装“桌面上的化工厂”,在工业化的发展道路上微化工系统已经开展了初步的尝试。本文将介绍微化工系统的基本原理、制造方法、内部奇特的物理化学现象和几个典型的应用实例,展示微化工系统在精细化学品开发和生产中的应用潜力,指出其未来的发展方向。01_桌面工厂.indd22016/5/1911:27:03DesktopFactory3
1.1引言
世界是由物质组成的。为了满足生产生活的需要,人类祖先从自然界直接获取各种天然物质。随着社会的发展,特别是现代文明的出现,人类对物质的需求量越来越大,对于物质的性质和功能也提出了越来越高的要求,这种社会需求极大地推动了加工技术的不断创新与发展,化学工业就是其中的典型代表。化学工业通过对自然资源进行一系列物理和化学转化,实现各种功能和规格的化学产品的大规模生产,在现代社会中具有举足轻重的地位。从化纤到轮胎,从水泥到涂料,从汽柴油到化学药物,从宇宙飞船到超级集成电路,我们身边到处都有化学产品的身影,可以毫不夸张地说:没有化学工业就没有现代文明。
当我们在日常生活中享受化工产品给我们的生活带来便利的时候,也不禁要问这些产品是如何生产出来的?我们都知道,若仅需要少量的化学品,化学家们在实验室就可以完成,他们使用试管、烧杯、量筒、水浴等仪器,经过一系列反应和纯化操作,就可以合成出所需要的化学品。但若产品的需求量巨大,如几万吨甚至上百万吨的产品,就需要建设专门的化工厂。这些化工厂与实验室的显著差异在于生产工具发生了巨大的变化,在实验室用于化学反应的试管、烧瓶变成了以立方米来计量的搅拌釜,提纯用的分液漏斗、蒸馏烧瓶变成了数十立方米的塔设备,储存化学品的试剂瓶变成了数百至数千立方米的储槽,用于计量的量筒、天平变成了数字化的仪表,用于加热的水浴变成了兆瓦级换热器,步骤繁琐的人工操作被自动化的连续生产线所代替。可以说,化学工业是将化学带出实验室,将分子转化为“钱”,不断创新经济和社会效益的产业。
古代的酿造业可以说是化学工业的雏形,酿酒用的发酵釜和酒精的蒸馏过程就是原始的化工反应和分离过程。现代化学工业起源于工业革命时期,随着机械加工、自动控制以及信息化技术的发展,上百年来无数的化工科学家将化学家在实验室的成果通过工程科学的运用实现了产业化。时至今日,化学工业的发展已经相当迅速,现代化工装备已经实现高度的精细化和自动化,很多技
401桌面工厂
图1.1大型化工生产企业
术工艺也逐渐趋于成熟,可是数百年来化工装备大型化的发展理念却几乎一成不变。为了不断扩大产量,化工装备逐渐向着大型化发展,化工设备的体积越来越大,化工厂的规模、占地面积也越来越大,高耸林立的塔设备、密密麻麻的物料管线、如繁星般灯火密布的生产车间……在我们为这些伟大的生产建设而感到兴奋的时候,也会发现化工似乎又常与污染、危险等关键词联系在一起。因此,人们不禁要问:化学工业能否找到收获福音的可持续发展模式呢?
现代文明不可能离开化学工业,而且随着人口的增加,资源、能源以及环境压力的增大,社会的发展对于化学产品的依赖也在不断增加,图1.1就是现代大型化工企业的一个场景。早在上个世纪,科学家们就已经意识到单一大型化的发展模式已严重制约了化工技术的创新,化学品产量和品质的提高应该源于生产效率和产品收率的提高。为了达到这一目标,化工专家们指出,新的发展模式和不断深入的化工基本规律认识,是化工设备和工艺创新发展的重要基础。微结构化工系统就是这种模式的代表之一。
01_桌面工厂.indd42016/5/1911:27:04DesktopFactory5传递一词源于对英文单词transport的翻译,主要指物质和能量在空间和时间上的迁移,故名传递,有关传递科学的经典著作是R.ByronBird,WarrenE.Stewart,EdwinN.Lightfoot编写的TransportPhenomena,JohnWiley&Sons;出版。梯度是一个矢量,它的方向指物理量增长最快的方向,大小是其单位距离上的最大变化量。物理量梯度是引发物理量传递的“推动力”。无处不在的传递
1.2现象“天之道,损有余而补不足”这句话出自老子的《道德经》,意思是大自然的规律,遵循的是减少多余的,补给不足的。事实上,我们的先贤早在2500年前就道出了自然界一个普遍真理,也就是传递现象遵循的基本原则。
简单来讲,传递现象是指某物理量从高强度区域自动地向低强度区域转移的过程,这是自然界和工业生产过程中普遍存在的物理现象。例如,气球中的高压气体向周边低压环境的释放;烧开水时高温的火焰会向低温的水提供热量;水中的糖分会从较甜的高浓度区域扩散到较淡的低浓度区域,等等。发生这些传递现象的根本原因是物理量的空间位置存在差异,造成了物质或者能量沿着一定的方向发生迁移,即传递过程。物质或能量的传递速率主要取决于相应物理量(比如温度、浓度)差异的大小以及这种差异存在的空间距离(比如高浓度或高温区域与低浓度或低温区域之间的距离)。
试想,烧开水时火焰温度越高,加热的速率就越快,水开得也越快;火焰离水的距离越远,加热的速率就越慢,水开得也越慢。物理量的差异与空间距离的比值,即所谓的“梯度”,它会直接决定传递速率的大小。01_桌面工厂.indd52016/5/1911:27:04
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