化工技术原理的构思方法.pdf

年科学、技术与辩证法第期·科学方法论·化工技术原理的构思方法边克忠化工技术原理构思是化工技术开发中具有创造性的一个环节从化工技术史的案例分析,可以概括出下面几种构思化工技术原理 的方法一、从化学实践提升技术原理化学实践包括化学实验、试验和化工生产所谓从化学实践提升技术原理,是指把观察实验或试验以及化工生产中发现所隐含的某种具有普遍意义的规律提炼 出来,形成化工技术原理 的构思方法例如,用食盐制纯碱苏打原理的形成,是通过许多人实验,从 中提炼出来的年杜哈模尔通过实验证明食盐和苏打中都含有相同的金属,但他不 知道怎样用食盐制得苏打年舍勒用实验说明,用氧化铅处理食盐溶 液后,再通入碳酸气即可生成碳酸钠了年基瑞尔·拉克司曼提出用木炭还原硫酸钠制苏打的方法,等等在这些实验的基础上,法国化学家路布兰又进一步实验,于年把从食盐制纯碱的内部规律提炼 出来,形成两步法制碱原理首先将食盐和硫酸一起加热,得到氯化氢和硫酸钠再将硫酸钠和煤末、石灰共热,则制得碳酸钠和硫酸钙他经过四年努力,得到一套完整流程,开发了以氯化钠为原料的制碱方法在许多情况 下,化学实验或试验发现 中所 隐含的技术原理是以经验形态存在的,因此还需相应 的化学理论指导,才能从经验形态 中提升出来。

如,年威尔希兰德在接近沸点的温度下用硝酸和硫酸混合酸硝化甲苯的实验,首先制得炸药后来人们以有机结构理论和苯的环状结构学说为指导,在理论上认识了的分子结构与爆炸性 质之 间的关系,赫普才从制取的经验 中提炼出硝酸和浓硫酸混合酸处理甲苯经三步反应合成的技术原理,并合成了它因此,这种借助理论指导,从经验形态提升化工技术原理,还要继续从实验上和理论上进行探索,才能完成这种提升从化工生产实践经验提升技术原理也是一个科学抽象过程这种科学抽象不仅对从经验事实上升到一般技术原理,而且对于从范围较窄的一般技术原理上升到范围较宽的高一层次的一般技术原理,也具有一定的作用如,单元操作原理和传递过程原理就是从经验事实抽象出来,进而提升为一般技术原理的人们通过化工生产实践发现,种类繁多的化学工艺过程中有共同的规律,其中一些纯粹的物理 操作都依据 同样的 物理原理于是从各种物理操作中提升 出若干基本单元操作技术原理,例如粉碎、混合、加热、嫂烧、吸收、冷凝、浸取、沉降、结晶、过滤、溶解、电解等随着实践经验的积累和认识的深入,人们对各种单元操作进行了分析和综合,发现所有的单元操作都有共同的基本规律,它们都离不开动量传递、热量传递和质量传递过程。

如,过滤只不过是流体流动的一个特例,蒸发不过是 传热的一种形式,萃取和吸收都包含着质量的传递,干燥和蒸馏包含着热量和质量 的传递,等等总之,单兀操作实质上只不过 是传热、传质 和动量传递的特殊情况或特定结合这样,就从单元操作中抽象出动 量传递、热量传递和质量传递的概念,提升出 传 递原理所以,就把化学工程的根本问题归结为传递过程 或传递现象,再加上化学反应 过程,就简称为“三传一反”二、由异常现象机遇启示构思技术原理人们在化学实验或试验过程 中,由于偶然的机会,意外地发现了异常现象,以这种偶然和意外发现的启示为前导,构思技术原理的方法这种构思技术原理 的方法有两种情况一是 由完全意外的机遇构思创新的技术原理这是以实验或试验中发现的与预定计划 和 目的完全不同的新现象的启示为前导,进行联想,构思 成完全创新的技术原 理年英国化学家帕金在实验中用 重铬酸钾处理苯胺的硫酸盐,原想制得治疗疟疾的持效药奎宁,但却完全意外地制得了第一个人工合成染料苯胺紫他以这一发现为基础和前导,进一步构思 了完全创新的人工合成该染料的原理年代初,在开发新型硅酸胶体式粘合剂的试验过程中,日本人野口雪雄发现硅胶液从合成树脂的表面滚下来,灰尘粘附不上去的偶然现象,从而构思了制造静电防止剂技术原理。

二是 由部分意外的机遇构思新技术原理这是实验或试验的预定计划和 目的只有大体方向,结果也大体在意料之中,但发现这一现象的方式、场合和条件等却是意料之外的,以这种部分意外机遇为前导,进行联想,构思新的技术原理如人们将高压反应技术应用 于有机合成的目的年月英国 卜内门公司做乙烯和苯甲醛的高压反应试验,试图合成新的聚合物,但能得到什么物质事先并不清楚他们使用耐大气压的高压釜,在及大气压 下做了这个试验试验中发现器壁有白色蜡状 固体聚合物,在重复试验时曾造成严重 的爆炸事故年月,该公司重做这个试验,使用了一个立方厘米的高压容器,温度为,由于容器密封不好,压力逐渐下降,结果 意外地得到了克白色固体物质,即乙烯聚合物粉末这次试验因反应器密封不好,泄露一部分原料乙烯,然而却由此提供了氧催化剂由这种部分机遇为先导,构思 了高温、高压、氧 或过氧化物等自由基型催化剂存在下的乙烯聚合成高压聚乙烯的技 术原理三、由化学理论转化 为技术 原理由化学理论转化为技术原理,是通过理论推演的途径实现的由化学研究提出的基本理论出发,通过实验研究和思维加工,得出比较具体的概念或原理,再通过实验研究和恩夕住加工,刁‘能形成技术原理,合成氨技术原理的形成说明了这个问题。

世纪,许多人以种种方法试图从氮和氢直接合成氨,但都没有成功这说明仅仅依靠经验 的方法·是不行的,合成氨的突破需要理论的指导世纪下半叶,在质量作用定律、化学热力学、化学平衡原理和化学动力学等理论指导下,经过一系列实验研究和理论思维,形成了氦合成技术原理哈伯以这一原理为理论依据,终于使合成氨获得成功化学理论转化为技术原理,技术原理也可以向化学理论转化新的化学理论又可以转化为新的技术原理如,齐格勒运用高分子理论,对金属有机化 合物与烯烃、二烯烃之 间的反应进行了多年的实验研究和基咄理论研究,于年采用三乙基铝和四氯化钦催化剂,使乙烯在常温常压下聚合制得低压聚乙烯他之所以能够突破高压聚乙烯的技术原理,而发 明低压 聚乙烯技术 原理,完全是在高分子理论及金属有机化合物理论指导下取 得的这一成果导致聚合反应进入了络合负离子聚合反应新阶段一年那塔将齐格勒催化剂进一步改进,把低压聚乙烯的技术原理应用于丙烯的聚合,制得丙烯睛,使一烯烃的加成聚合发展到定向聚合的新阶段把定向聚合理论用于丁二烯的聚合,导致聚丁二烯橡胶顺一橡胶技术原理的出现把齐格勒一纳塔新催化理论用于异戊 二稀的聚合,导致了聚异戊二烯橡胶天然合成橡胶技术原理的出现。

这两种橡胶很快投 入工业生产四、由原有技术原理改进为新技术原理在已有技术原理的基础上,通过模拟、改进或变换来构思、形 成新 的技术原 理如,最早 的人造纤 维是用硝酸和硫酸的混酸处理纯净的纤维素制造的以后人们在这一原理基础上进行模拟和改进,形成了一些新的人造纤 维技术原理,并制造成功了多种人造纤维将铜氨溶液代替硝酸和硫酸的混合液,溶解纤维素,形成纤维素铜氨络合物,利用这一 原理制成铜氨纤维用碱代替硝酸和硫酸的混合液或铜氨液,来处理纤维素,得到碱纤 维素,再经过 一系列处理制得粘胶纤维,如果采用虎木棉原料或采用高聚合度浆粕,高粘度、高醋 化度的粘胶,又可制成高性能粘胶纤维又如,合成氨技术的开发成功,为 开辟新化学工艺 原理提供了范例甲醇的合成技术原理儿乎完全是模拟合成氨技术原理的基础上产生的模孤已有我术原理,其卑一今重要贡瓦是从过去饱甚至聂右人 叼渝发男、卑,直钱吸取设计思想或技术原理,经过 一系列改进、提高,构思并形成新的技术原理我们研究化工技术史的一个需要目的,就是要从过 去的化工技术发 明中吸取技术原理和思想在新技术革命中,生物反应技术是在以往发酵技术原理 的基础上,经过了一系列的改进、提高,形成了以酶和微生物作催化剂进行物质分解、合成及化学转换的新技术原理。

模拟已有技术原理的另一个重要方面,是从已被否定过 的技术中吸收技术原理或设计思想,经过改进、提高,构思并形成新的技术原理如煤的液化技术原理在本世纪初就已提出,并用 它把固体煤转化为洁净的液体燃料由于石油工业的迅速发展,利用煤液化取得液体燃料在经济上不合算,一该技术儿乎被否定石油危机”以来,该技术经改进、提高,又形成了氢一煤法、供氢溶剂法和溶剂精制煤法等煤液化方法煤液化不仅作为燃料,而且作为化工 原料,生产化工产品模拟、改进原有技术原理,构思、形成新的技术原理,也是技术的再创造过程虽然煤的加氢液化技术原理,在相当大的程 度上是依据合成氨工 艺的某些原理确立的,但煤的加氢液化技术并没有局限于氨合成技术原理上,而是有了较大的发展煤液化技术原理比氮合成技术原理要复杂得多,因此从氨合成技术原理变换发展成煤液化技术原理是一个技术创造过程五、模拟生物的结构和功能原理作为新技术原理生物经过亿万年的进化,形成了一整套进行化学 反应、能冕转换、信息传递和物质输送等高效功能的原理模拟生物的结构和功能的原理是形成新的技术原理的源泉之模拟生物体的结构蜘蛛吐丝结网、蚕吐丝作茧给人以启示,使人们产生了人工制丝 的想法。

科学家详细地研究了吐丝的蝶蛾类昆虫的生理构造,发现它们体内有许多粘稠的液体,这些粘稠的液体通过它们的吐丝孔吐 出,遇到空气就凝固成丝于是科学家们就试图模拟蜘蛛和蚕 的结构和功能的原理,用人工方法仿制出类似的粘液,再通过一个小孔抽丝,这样就形成了最早 的人工制丝原理人造丝的喷丝头设计原理完全是模拟了蜘蛛的纺绩器蜘蛛腹部后端的纺绩器有个吐丝器,每个吐丝器上都有许多小孔,总共有一千多个,每个小孔分泌 出一滴细液粘,经过拉扯变细变长,在空气中凝成了丝现在生产短纤维采用的多孔喷丝板,孔数从最初 的儿十增至数千个,同蜘蛛的吐丝器惊人的相似,胶液通过它,用很快 的速度拉成细丝模拟生物体内的化学反应过程生物体内的化学反应都是在酶的催化下进行的酶的催化性能比任何其它催化剂都优异它催化效率高,选择性专一性很强,反应条件温和,副反应少,产 物 单纯等人们为了使酶催化技术能够得到大规模地应用,进行了大量的研究工作模拟生物体内的化学反应过程,就要对酶进行模拟,模拟酶分子的结构和功能原理,人工设计和合成酶型催化剂即所谓模拟酶应当说明,研制模拟酶,只是模拟生物酶结构和催化功能的原理,但不是模拟生物酶的一切方面因为天然酶的分子结构极其复杂,人们 目前对酶蛋白的结构和功能的认识还很不清楚,要模拟生物酶的一切方面是不现实的,同时也是不 必要的。

模拟酶的分子结构可能比天然酶简单得多,合成技术相对来说也比较容易掌握可见,模拟生物酶的结构和功能而形成新的化工技术原理,用士化字汉凡胜程,也足一科仪小阴划厄泊动模拟生物体 内的物质输送过程生物休内的物质输送、浓缩和分离的功能,特 别是生物膜的特 殊功能,给 人以启示,并模拟它的原理,形成新的技术原理研究表明,生物膜具有选择性的输送功能··这种功能主要是 由膜中“载体”蛋白的作用来实现的载体能“识别”离子或其它待输送的物质,当它们行进膜时,即为载体所浮获,形成络合物,然后络合物通过膜络合物到达膜的另一侧以后,离子从络合物中解络、释放,完成物质从膜的一侧向另一侧的输送人们模拟生物膜输送物质的功能,形成新的膜分离技术原理现已用合成方法制造了某些“膜”,对某些离子也具有选择性透过的功能,如离子交换膜或反渗透膜它们能有效地应用于海水淡化、废水处理、气体分离、溶液浓缩、海水提铀及医用透析等领域模拟生物体 内的能量转换过程生物体内广泛地进行着光能、电能、化学能、机械能的相互转换,这种能量转换是生命活动的必要条件,而且其效率非常高生物膜与生物体内的能量转换有密切关系植物细胞的叶绿体膜能将太阳能转换为化学能。

现在人们正在研究绿 色植物的光合作用机理,植物通过光合作用把光能转化为化学能,由二氧化碳和水合成了碳水传合物并放出氧气研究植物的光合作用,弄 清光能转挟为化学能的机理,其中一个目的是模拟它的原理,直接利用太阳能分解水,产生氧,还原二氧化碳制造有机物质人工模拟光合作用分解水制氢用作燃料,其原料水极为丰富分解水制氢,氢燃烧后又生成水,没有环境污染,这是一个。