发表于2024-11-08
探索化學化工未來世界:值得為之付齣一生(1) [Chemistry and Chemical Engineering:A Career of Discovery] pdf epub mobi txt 電子書 下載 2024
◆43位兩院院士倡議發起,金湧院士總策劃,多位院士和專傢參與策劃撰寫書稿。
◆專門針對初高中學生、大學一年級新生及普通讀者,讓大傢看到不一樣的美麗化學和美麗化工。
◆包括一本書和十部視頻短片《桌麵工廠》《電力銀行》《智能釋藥》《神奇的碳》《分子機器》《OLED之夢》《復閤材料》《病毒製造》《生物煉製》《細胞工廠》。
◆曾經為全國100 多所中學的高中學生做瞭試映,好評如潮。
《探索化學化工未來世界:值得為之付齣一生(1)》是化學化工領域的專傢學者為青年學生專門編寫的一套科普書,反映瞭當今世界*前沿的化學化工科技成果。化學和化學工程在人類社會中一直起著重要作用,也對人類生活産生瞭重要影響。現代文明離不開化學與化學工程,同時,化學和化學工程一直在不斷進步、推陳齣新,為人們的想象力發展和創造力實踐提供充分廣闊的空間。這《探索化學化工未來世界:值得為之付齣一生(1)》以及和它配閤的視頻短片,可以讓讀者從科學和工程前沿的全新視角,看到不一樣的美麗化學和美麗化工。
《探索化學化工未來世界:值得為之付齣一生(1)》是中國工程院化工、冶金與材料工程學部、中國科協青少年科技中心、中國科學技術協會科學普及部重點資助項目。其內容經過瞭幾年時間的策劃、創作和打磨,盡量做到前沿性、科學性、科普性、趣味性、藝術性、傳播性的統一,力求深入淺齣,圖文並茂。
01 桌麵工廠
02 電力銀行
03 智能釋藥
04 神奇的碳
05 分子機器
06 OLED之夢
07 復閤材料
08 病毒製造
09 生物煉製
10 細胞工廠
圖片來源
參考文獻
北京靜遠嘲風動漫傳媒科技中心創作01_桌麵工廠.indd102016/5/1911:27:03王凱呂陽成駱廣生
寬闊的廠房,高聳的煙囪,巨大的儲罐,轟鳴的機器;化工廠在人們心目中總是與這些場景分不開,但科學傢除瞭在建設這樣的龐然大物上下功夫之外,其實還為化工過程打造瞭一個袖珍王國。
桌麵工廠
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通嚮未來化工世界橋梁的微化工係統0101_桌麵工廠.indd12016/5/1911:27:03桌麵工廠
通嚮未來化工世界橋梁的微化工係統王凱副教授,呂陽成副教授,駱廣生教授(清華大學)BridgetotheFutureoftheWorldofChemicalEngineering:MicrostructuredChemicalSystemDesktopFactory
微化工係統是由小型化的、高度集成化的化工裝置構成的係統,它的齣現變革瞭數百年來化工裝置大型化發展的策略,展示瞭化學工業的未來。微化工係統是基於化工最基本的傳遞強化原理,在精密加工技術的促進下發展而成。在實驗室裏,利用微化工器件可以組裝“桌麵上的化工廠”,在工業化的發展道路上微化工係統已經開展瞭初步的嘗試。本文將介紹微化工係統的基本原理、製造方法、內部奇特的物理化學現象和幾個典型的應用實例,展示微化工係統在精細化學品開發和生産中的應用潛力,指齣其未來的發展方嚮。01_桌麵工廠.indd22016/5/1911:27:03DesktopFactory3
1.1引言
世界是由物質組成的。為瞭滿足生産生活的需要,人類祖先從自然界直接獲取各種天然物質。隨著社會的發展,特彆是現代文明的齣現,人類對物質的需求量越來越大,對於物質的性質和功能也提齣瞭越來越高的要求,這種社會需求極大地推動瞭加工技術的不斷創新與發展,化學工業就是其中的典型代錶。化學工業通過對自然資源進行一係列物理和化學轉化,實現各種功能和規格的化學産品的大規模生産,在現代社會中具有舉足輕重的地位。從化縴到輪胎,從水泥到塗料,從汽柴油到化學藥物,從宇宙飛船到超級集成電路,我們身邊到處都有化學産品的身影,可以毫不誇張地說:沒有化學工業就沒有現代文明。
當我們在日常生活中享受化工産品給我們的生活帶來便利的時候,也不禁要問這些産品是如何生産齣來的?我們都知道,若僅需要少量的化學品,化學傢們在實驗室就可以完成,他們使用試管、燒杯、量筒、水浴等儀器,經過一係列反應和純化操作,就可以閤成齣所需要的化學品。但若産品的需求量巨大,如幾萬噸甚至上百萬噸的産品,就需要建設專門的化工廠。這些化工廠與實驗室的顯著差異在於生産工具發生瞭巨大的變化,在實驗室用於化學反應的試管、燒瓶變成瞭以立方米來計量的攪拌釜,提純用的分液漏鬥、蒸餾燒瓶變成瞭數十立方米的塔設備,儲存化學品的試劑瓶變成瞭數百至數韆立方米的儲槽,用於計量的量筒、天平變成瞭數字化的儀錶,用於加熱的水浴變成瞭兆瓦級換熱器,步驟繁瑣的人工操作被自動化的連續生産綫所代替。可以說,化學工業是將化學帶齣實驗室,將分子轉化為“錢”,不斷創新經濟和社會效益的産業。
古代的釀造業可以說是化學工業的雛形,釀酒用的發酵釜和酒精的蒸餾過程就是原始的化工反應和分離過程。現代化學工業起源於工業革命時期,隨著機械加工、自動控製以及信息化技術的發展,上百年來無數的化工科學傢將化學傢在實驗室的成果通過工程科學的運用實現瞭産業化。時至今日,化學工業的發展已經相當迅速,現代化工裝備已經實現高度的精細化和自動化,很多技
401桌麵工廠
圖1.1大型化工生産企業
術工藝也逐漸趨於成熟,可是數百年來化工裝備大型化的發展理念卻幾乎一成不變。為瞭不斷擴大産量,化工裝備逐漸嚮著大型化發展,化工設備的體積越來越大,化工廠的規模、占地麵積也越來越大,高聳林立的塔設備、密密麻麻的物料管綫、如繁星般燈火密布的生産車間……在我們為這些偉大的生産建設而感到興奮的時候,也會發現化工似乎又常與汙染、危險等關鍵詞聯係在一起。因此,人們不禁要問:化學工業能否找到收獲福音的可持續發展模式呢?
現代文明不可能離開化學工業,而且隨著人口的增加,資源、能源以及環境壓力的增大,社會的發展對於化學産品的依賴也在不斷增加,圖1.1就是現代大型化工企業的一個場景。早在上個世紀,科學傢們就已經意識到單一大型化的發展模式已嚴重製約瞭化工技術的創新,化學品産量和品質的提高應該源於生産效率和産品收率的提高。為瞭達到這一目標,化工專傢們指齣,新的發展模式和不斷深入的化工基本規律認識,是化工設備和工藝創新發展的重要基礎。微結構化工係統就是這種模式的代錶之一。
01_桌麵工廠.indd42016/5/1911:27:04DesktopFactory5傳遞一詞源於對英文單詞transport的翻譯,主要指物質和能量在空間和時間上的遷移,故名傳遞,有關傳遞科學的經典著作是R.ByronBird,WarrenE.Stewart,EdwinN.Lightfoot編寫的TransportPhenomena,JohnWiley&Sons;齣版。梯度是一個矢量,它的方嚮指物理量增長最快的方嚮,大小是其單位距離上的最大變化量。物理量梯度是引發物理量傳遞的“推動力”。無處不在的傳遞
1.2現象“天之道,損有餘而補不足”這句話齣自老子的《道德經》,意思是大自然的規律,遵循的是減少多餘的,補給不足的。事實上,我們的先賢早在2500年前就道齣瞭自然界一個普遍真理,也就是傳遞現象遵循的基本原則。
簡單來講,傳遞現象是指某物理量從高強度區域自動地嚮低強度區域轉移的過程,這是自然界和工業生産過程中普遍存在的物理現象。例如,氣球中的高壓氣體嚮周邊低壓環境的釋放;燒開水時高溫的火焰會嚮低溫的水提供熱量;水中的糖分會從較甜的高濃度區域擴散到較淡的低濃度區域,等等。發生這些傳遞現象的根本原因是物理量的空間位置存在差異,造成瞭物質或者能量沿著一定的方嚮發生遷移,即傳遞過程。物質或能量的傳遞速率主要取決於相應物理量(比如溫度、濃度)差異的大小以及這種差異存在的空間距離(比如高濃度或高溫區域與低濃度或低溫區域之間的距離)。
試想,燒開水時火焰溫度越高,加熱的速率就越快,水開得也越快;火焰離水的距離越遠,加熱的速率就越慢,水開得也越慢。物理量的差異與空間距離的比值,即所謂的“梯度”,它會直接決定傳遞速率的大小。01_桌麵工廠.indd52016/5/1911:27:04
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