从化工之歌谈谈反应与分离

                                                                                                                          杭州安研流体设备  阿牛

“反应釜中知冷知热，分离塔里经风历雨”化工的两大基石是：反应与分离，而反应与分离各有三个基本问题：多远？多快？怎么搞？

在反应领域，首要问题是：反应有没有可能？能走多远？也就是，原料转化成产物能有多彻底？这方面的知识是从一门叫热力学的课程里学到的，热力学是门非常有趣的课，许多哲学思想，比如热力学第一定律，能量可以从一种形式转变到另一种形式，但数量不变，一度电和一度热的能量相等。又比如热力学第二定律，虽然数量一样， 质量可不一样，一度电比一度热金贵，因为一度电很容易变成一度热，而一度热变回一度电就麻烦了。再比如，最低温度是多少？绝对零度，0开氏度（K），即零下273.15摄氏度，一切都静止了。热力学还有个特点，就是不关心时间，热力学里没有时间概念，不在乎快慢 。 化学反应有多快？这个问题需要动力学来解答，动力学就是关于速率的一门课，单位时间单位体积里能出多少产品？请记住，不是越快越好，太快了也会造成麻烦，比如爆炸，关键是可控，要多快就多快，要多慢就多慢，安全生产才是硬道理。 催化是有关动力学的一门课，催化就是加快或减慢化学反应，催化改变不了热力学，但能改变动力学，可别小看催化，许多革命性的变化就是催化带来的，比如，用乙烯做聚乙烯，上世纪三十年代就做出来了，可是需要高温高压苛刻条件，很不容易，直到五十年代，齐格勒和纳塔发现了四氯化钛和三乙基铝能在常温常压下催化乙烯聚合，还能制备聚丙烯，由此带来了高分子材料工业革命。 解决了“多远”和“多快”，就剩“怎么搞”了。也就是反应器工程，反应器的类型很多，坛坛罐罐，管管道道，立式、卧式，间隙、连续、半连续，模样琳琅满目，但几个基本东西还是一样都要考虑的，停留时间分布，搅拌，加热冷却，结垢等等。还有令人头疼的放大问题，别以为实验室烧瓶里做出来的东西都能大规模工业生产，都能营救全人类，放大是一门很有讲究的科学，因为太复杂，有时理论不太顶用，得靠经验一步一步地放大，这过程耗钱耗力又耗时，希望近些年如火如荼的人工智能理论对化工放大有所帮助，机器学习，工艺学习，结合工业大数据，艺高人胆大，绕过一些中试。 反应与分离是化工的两大基石，和反应一样，分离也是这三个基本问题：多远？多快？怎么搞？反应产物是个混合物，里面有产品、副产品、和没有转化掉的原料，要分离，要提纯，混合物中的各组分容不容易分离也是热力学决定的，有些组分不喜欢混在一起，很容易分离，如油和水，也有些组分特别喜欢混在一起，如酒精和水，热力学决定了组分能分得多开。至于分得多快，就是传递过程了，传质、传热、流体力学，也就是令化工人十二分自豪的“三传”。传质的快慢跟浓度梯度成正比，叫菲克定律。传热的快慢跟温度梯度成正比，叫傅立叶定律。描述流体力学行为的是纳维尔-斯托克斯方程，一个非常牛的方程，飞机在天空中飞行、轮船在大海里航行，都得靠它 。 分离的最后一个问题也是“怎么搞”，需要单元操作，化工人的拿手好戏，最著名的单元操作要数蒸馏，利用各组分的挥发度不同，把轻组分汽化、分开、再冷凝，原油就是靠一次次蒸馏制成各种油类的，多次蒸馏也叫精馏，烧酒也靠蒸馏提高酒精度。除了蒸馏外，还有萃取、吸附、吸收、结晶、过滤、沉淀、膜分离等等单元操作 。需要提一句的是，分离和混合基本原理是相同的，理论是共享的，只是方向相反而已。

附一张简单粗暴的化工一页纸：