化学工业

来自中文百科专业版
跳转至: 导航搜索

  化学工业汉语拼音:Huaxue Gongye;英语:Chemical Industry),广义地说,泛指生产过程中化学方法占主要地位的制造工业;狭义的定义,则通常把金属、建筑材料、纸张、皮革、食糖和食用化学品等的生产均列为独立的工业部门,或者划归其他工业部门。又称化学加工工业。自20世纪50年代以来,世界化学工业有了较大的发展,许多国家化学工业的增长速度都超过了整个工业的增长速度。到20世纪末,全世界化学工业的产品产量已达到1985年的2倍左右。21世纪初,由于世界各国经济发展不平衡以及资本输出的影响,美、英、日和其他欧洲发达国家的化学工业增长较慢,年增率约2%~3%;而中国和其他国家的化工总产值仍将有较大增长。

历史发展

  自有史以来,化学工业一直是同发展生产力、保障人类社会生活必需品和应付战争等过程密不可分的。为了满足这些方面的需要,它最初是对天然物质进行简单加工以生产化学品,后来是进行深度加工和仿制,创造出自然界根本没有的产品。它对于历史上的产业革命和当代新技术革命起着重要作用。

  古代的化学加工 化学加工在形成工业之前的历史,可以从18世纪中叶追溯到远古时期,主要制作一些生活必需品,如制陶、酿造、染色、冶炼、制漆、造纸以及制造医药、火药和肥皂。在中国新石器时代的洞穴就有了残陶片。公元前60世纪左右仰韶文化时,已有红陶灰陶黑陶彩陶等。在中国浙江河姆渡出土文物中,有同一时期的木胎碗,外涂朱红色生漆。商代(前17~前11世纪)遗址中有漆器破片和原始瓷器。战国时代(前475~前221)漆器工艺已十分精美。

  公元前20世纪,夏禹以酒为饮料并用于祭祀。在前21世纪,中国已进入青铜时代,前5世纪,进入铁器时代,用冶炼之铜、铁制作武器、耕具、炊具、餐具、乐器、货币等。盐早已供食用,前11世纪,周朝已设有掌盐政之官。前7~前6世纪,腓尼基人用山羊脂和草木灰制成肥皂。1世纪中国东汉时,造纸工艺已相当完善。

  公元前后,中国和欧洲进入炼丹术炼金术时期。中国由于炼制长生不老药,而对医药进行研究。于秦汉时期完成的最早药物专著《神农本草经》,载录了动、植、矿物药品365种。16世纪,李时珍的《本草纲目》总结了以前药物之大成,具有很高的学术水平。此外,7~9世纪已有关于黑火药三种成分混炼法的记载,并且在宋初时火药已作为军用。欧洲的15~17世纪称为制药时期,为了配制药物,在实验室中制得了一些化学品如硫酸、硝酸、盐酸和有机酸,导致化学品制备方法的发展,为18世纪中叶化学工业的建立,准备了条件。

  早期的化学工业 从18世纪中叶至20世纪初是化学工业的初级阶段。在这一阶段无机化工已初具规模,有机化工正在形成,高分子化工处于萌芽时期。第一个典型的无机化工厂是在18世纪40年代于英国建立的铅室法硫酸厂,产品主要用以制硝酸、盐酸及药物。在产业革命时期,纺织工业迅速发展,它和玻璃、肥皂等工业都大量用碱,而植物碱和天然碱供不应求。1791年N.吕布兰在法国科学院悬赏之下,获取专利,以食盐为原料建厂,制得纯碱,并且带动硫酸(原料之一)工业的发展;生产中产生的氯化氢用以制盐酸、氯气、漂白粉等产业界所急需的物质。纯碱又可制成烧碱,把原料和副产品都充分利用起来,这也是当时化工企业的创举。用于吸收氯化氢的填充装置、煅烧原料和半成品的旋转炉,以及浓缩、结晶、过滤等用的设备,逐渐运用于其他化工企业,为化工单元操作打下了基础。19世纪末叶出现电解食盐的氯碱工业。这样,整个化学工业的基础——酸、碱的生产已初具规模。

  有机化工是随纺织工业发展对染料的需要和随着钢铁工业、炼焦工业的发展,副产品煤焦油的利用而发展起来的。化学家们把煤焦油分离为苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽、菲等芳烃。1856年,英国W.H.珀金由苯胺合成苯胺紫染料,并确定天然茜素的结构为二羟基蒽醌,便以蒽为原料,仿制了与天然茜素完全相同的产物。同样,制药工业、香料工业也相继合成与天然产物相同的化学品,品种日益增多。1867年,瑞典A.B.诺贝尔发明达纳炸药,大量用于采掘和军工。当时有机化学品生产还另有一支柱,即乙炔化工。1895年建立以煤和石灰石为原料,用电热法生产电石(即碳化钙)的第一个工厂,电石经水解产生乙炔,以此为起点生产乙醛、乙酸等一系列基本有机原料。20世纪中叶石油化工发展后,大部分原由乙炔生产的产品,改由乙烯为原料生产。高分子材料是另一方面的重大发展。1839年美国C.固特异用硫磺及橡胶助剂硫化天然橡胶,使其交联成弹性体,应用于轮胎及其他橡胶制品,用途甚广,这是高分子化工的萌芽时期。1869年,美国J.W.海厄特用樟脑增塑硝酸纤维素制成赛璐珞塑料,很有使用价值。1891年H.B.夏尔多内在法国贝桑松建成第一个硝酸纤维素人造丝厂。1909年,美国L.H.贝克兰制成酚醛树脂,俗称电木粉,为第一个热固性塑料,广泛用于电器绝缘材料。上述基础有机化学品生产和高分子材料生产,在建立起石油化工以后,都获得很大发展。

  化学工业的大发展时期 从20世纪初至第二次世界大战后的60~70年代,是化学工业真正成为大规模生产的主要阶段,一些主要领域都是在这一时期形成的。合成氨和石油化工得到了发展,高分子化工进行了开发,精细化工逐渐兴起。这个时期之初,美国A.D.利特尔等人提出单元操作的概念,奠定了化学工程的基础。它推动了生产技术的发展,无论是装置规模,还是产品质量都增长很快。

  合成氨工业在20世纪初期异军突起,F.哈伯用物理化学的反应平衡理论,提出氮气和氢气直接合成氨的催化方法,以及原料气与产品分离后,经补充再循环的设想,C.博施进一步解决了设备问题。因而使德国能在第一次世界大战时建立第一个由氨生产硝酸的工厂,以应战争之需。

  1920年美国用丙烯生产异丙醇,这是大规模发展石油化工的开端。1939年美国标准油公司开发了氢气加压催化重整过程,这成为芳烃的重要来源。1941年美国建成第一套以炼厂气为原料用管式炉裂解制乙烯的装置。在第二次世界大战以后,由于石油可提供大量廉价有机化工原料,逐步形成石油化工。由于基本有机原料及许多高分子材料单体都以石油化工的产品为原料,所以人们常以乙烯的产量作为衡量有机化工规模的标志。1951年以天然气为原料用蒸汽转化法得到一氧化碳及氢(通称合成气),由此可生产氨、甲醇、合成汽油等,形成了“碳一化工”,也属于石油化工的范畴(由煤制合成气则属于煤化工)。

  高分子材料在战时用于军事,第二次世界大战后转为民用,获得极大的发展,形成了高分子化工。1937年德国法本公司合成丁苯橡胶获得成功。以后各国又陆续开发了顺丁、丁基、氯丁、丁腈、异戊、乙丙等多种合成橡胶,各有不同性能和用途。合成纤维方面,1937年美国W.H.卡罗瑟斯成功地合成尼龙66,用熔融法纺丝,因其有较好的强度,用作降落伞及轮胎用帘子线。以后涤纶、维尼纶、腈纶等陆续投产,也因为有石油化工为其原料保证,逐渐占有天然纤维和人造纤维的大部分市场。塑料方面,继酚醛树脂后,又生产了脲醛树脂、醇酸树脂等热固性树脂。20世纪30年代后,热塑性树脂品种不断出现,如聚氯乙烯、聚苯乙烯、高压聚乙烯、低压聚乙烯、等规聚丙烯等开发成功,为民用塑料开辟广泛的用途。这一时期还出现耐高温、抗腐蚀的材料,如有机硅树脂、氟树脂等。

  精细化工也有很大发展。在染料方面,发明了反应性染料,使染料与纤维以化学键相结合。合成纤维及其混纺织物需要新型染料,如用于涤纶的分散染料,用于腈纶的阳离子染料,用于涤棉混纺的活性分散染料。此外,还有用于激光、液晶、显微技术等的特殊染料。在农药方面,40年代瑞士P.H.米勒发明第一个有机氯农药滴滴涕之后,又开发一系列有机氯、有机磷杀虫剂,后者具有胃杀、触杀、内吸等特殊作用。嗣后则要求高效低毒或无残毒的农药,如仿生合成的拟除虫菊酯类。60年代后,杀菌剂、除草剂发展极快,出现了一些性能很好的品种,如吡啶类除草剂、苯并咪唑杀菌剂等。此外,还有抗生素农药,如中国1976年研制成的井冈霉素用于抗水稻纹枯病。医药方面,在1910年法国P.埃尔利希制成606砷制剂(砷凡纳明,根治梅毒的特效药)后,又在结构上改进制成914制剂,30年代的磺胺类化合物、甾族化合物等都是从结构上改进,发挥出特效作用。1928年英国A.弗莱明发现青霉素,开辟了抗生素药物的新领域。以后研究成功治疗生理上疾病的药物,如治心血管病、精神病等的药物以及避孕药等。此外,还有一些专用诊断药物问世。涂料工业摆脱天然油漆的传统,改用合成树脂,如醇酸树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂等,以适应汽车工业等高级涂料的需要。第二次世界大战后,丁苯胶乳制成水性涂料,成为建筑涂料的大品种。采用高压无空气喷涂、静电喷涂、电泳喷涂、光固化等新技术,可节省劳力和材料,并从而发展了相应的涂料品种。

  20世纪60~70年代以来,由于新技术革命的兴起,对化学工业提出了新的要求,推动了化学工业技术的进步。在21世纪,新发展的生物化工、环境化工、生产超纯物质和新型结构材料及功能材料的材料化工,对推动技术进步、社会的绿色生态和持续发展将起重要的作用。

组成和分类

  按中国工业统计的方法,化学工业分为合成氨及肥料工业、硫酸工业、制碱工业、无机物工业(包括无机盐及单质)、基本有机原料工业、染料及中间体工业、产业用炸药工业、化学农药工业、医药药品工业、合成树脂及塑料工业、合成纤维工业、合成橡胶工业、橡胶制品工业、涂料及颜料工业、信息记录材料工业(包括感光材料、磁记录材料)、化学试剂工业、军用化学品工业以及化学矿开采业和化工机械制造业等。

  从产品的市场特点来看,化工产品可分为大宗产品、大宗专用产品、精细化工产品和特殊化学品。例如,硫酸、苯、氧气等属大宗产品,它们的生产量大,规格统一,且是通用的产品。大宗专用产品,如炭黑、聚乙烯等也是大量生产的,但它们是专用产品,可以根据要求改变产品的技术性能,因此其市场价格,按质论价。精细化工产品,如医药、化学试剂、助剂、感光材料等,一般产量较小,多采用间歇方法生产,并且一种产品可以使用不同的原料和生产流程,甚至同一设备适当改变条件即可生产另一种产品。特殊化学品也属于精细化工产品范围,它们仅用于某种特殊用途,如水处理剂、饲料添加剂、金属表面处理剂、造纸用化学品、皮革用化学品等。

特点

  ①原料、生产方法和产品的多样性与复杂性。化学工业可以从不同原料出发制造同一产品,也可用同一原料制造许多不同产品。同一产品还可采用许多不同的生产路线,有不同的用途,而不同产品有时亦可有同一用途。故化学工业是一个具有多功能和灵活性很强的工业。各化工生产厂都力求其产品的产率高,副产品得到充分的利用。   ②化学工业是一个耗能多的工业,也是节能潜力很大的工业,现代化学工业十分重视能量的充分利用和回收,并降低成本。   ③由于化学工业的复杂性,往往需要多学科的合作,使现代化学工业成为一种知识密集型的生产部门。化工情报与化工研究和开发、化工基本建设、化工设计结合成整体,促进了化工科学技术的发展。化工机械和设备的结构日益复杂,对材料的要求也愈益提高。化工生产装置的自动控制和计算机联用已深入到系统工程领域。   ④具有综合利用原料的特点。化工厂在大量生产一种产品的同时,往往会生产出许多联产品和副产品,而这些联产品和副产品大部分又是化学工业的重要原料,可以再加工和深加工。因此,化学工业是最能开辟原料来源、综合利用物质资源的工业。绿色化工更要求无(或极少)废物排出。   ⑤知识的密集性还导致资金密集。化学工业的技术装备程度高,所需投资多,并且化工产品的更新极为迅速。   ⑥化工环境保护是化学工业发展中产生的重要问题之一。环境污染影响了人类健康,危害了生态平衡。各国为了防止污染,相继制定了环境保护法,对化学工厂的原料储运,生产过程中产生的废气、废液、废渣,以及对“跑、冒、滴、漏”现象的处理,产品的包装和储运,都相继严格地规定了技术规程和标准。化学工业又是一个易于发生火灾和爆炸的部门,因此化工安全技术是化工生产管理的重要内容。

原料和资源

    主要有以下几类:

  矿物原料 有煤、石油、天然气以及多种无机化学矿(如硫铁矿、磷矿等)。20世纪中叶以来石油和天然气已成为世界化学工业的主要原料。

  生物原料 包括农业中粮食、农业品和农产废料及林业中木材加工副产品。虽在整个化工生产中所占比例较小,但随着“可持续发展”的要求和生物化工的发展,生物原料作为可再生资源,日益引起重视。

  水和空气 水作为最便宜和最丰富的溶剂,广泛用于化学工业,水也是工业制氢气的原料,同时大量用于洗涤,并用作冷却介质和锅炉给水。海水则因其中溶有大量无机盐类,是工业上提取镁、溴、碘和许多有用元素和金属的原料。至于空气,则是氮气、氧气及稀有气体的来源。

世界化学工业

  在经济发达的国家,化学工业产值在工业总产值中所占比例达7%~9%。在一些发展中国家和地区,特别是一些富有天然气和石油资源的国家,投资兴建石油化工十分踊跃,20世纪80~90年代中,世界合成氨和乙烯的新增生产能力主要是建在这些国家和地区。

  化学工业的建设投资、科研费用和劳动生产率都达到相当的水平。在20世纪90年代前期,发达国家的化工投资平均占化工总产值的6%~9%,科研费用占2.5%~5%。劳动生产率最高的日本和美国达到48万美元/(人·年)。中国的科研开发费用和投资尚有很大差距。

  为了满足人民生活的不断提高,适应国民经济各部门生产和科学技术进步的需要,化工产品产量增长很快。20世纪80年代以来,化肥平均每公顷(10,000米2)耕地消耗量约达80千克,相当于世界作物收获量的约15%是化学肥料的增产作用。农药的销售额达到100亿美元,据农业发达的国家统计,使用1美元的农药,可获得3~5美元的农业收益。合成材料渗入到国民经济和人民生活的各个领域。塑料在一定程度上取代了金属、木材、纸张、玻璃和皮革等传统材料。化学纤维的总消费量已占到全部纺织用纤维的1/2以上。合成橡胶在橡胶的消费量中占2/3以上。世界化学工业以美国、日本、德国和俄罗斯最发达,约占世界化学工业总产值的70%。

中国化学工业

  中国化学工业始于1876年天津机械局用铅室法生产硫酸,日产2吨。

  1949年前只有少数民族工业。建立了油漆厂、染料厂、药品加工厂、橡胶制品厂等,生产规模较小。稍具规模的民族工业生产纯碱、烧碱、合成氨、硫酸、硝酸、盐酸、漂白粉等化工原料,同时国营的兵工厂也生产硫酸、硝酸、火炸药以及一些有机化合物等,在玉门还建立了石油基地。抗日战争期间,在陕甘宁等根据地办了一些小型化工企业。日本在中国的东北、华北等地区也建立了化工厂和炼油厂。1949年全国化工总产值仅占全国工业总产值的1.6%。

  中华人民共和国建立后,在1949~1952年间迅速恢复了生产,使1952年的化工总产值比1949年增加了3倍多,纯碱、烧碱、硫酸、硝酸的产量均已超过历史最高水平。从第一个五年计划(1953~1957)开始,进行统筹布局,重点放在支农及基本原料的化工生产上。1953~1962年,化肥、农药年平均增长速度为40%,并形成了化工研究、设计、施工等基本力量和队伍。新建了一批大型化工企业,如吉林、兰州、太原三个化工区和保定电影胶片厂、石家庄华北制药厂,并扩建了大连、南京、天津等几个老化工企业。

  20世纪70年代,随着中国石油工业的发展,集中力量建设了十几个以油、气为原料的大型合成氨厂和一批大型石油化工企业(图1、图2),使现代化企业的比重有了较大的增加。80年代开始调整化学工业的投资方向和产品结构,重点发展复合肥料、基本化工原料、石油化工、精细化工,适当加快有机原料、橡胶制品、新型材料的发展,增加科研及教育比重,为进一步发展做好准备。

  虽然从1949年以来化学工业平均年增长大于10%,在21世纪初氮肥已居世界第一位,但由于中国地广人多,自产化肥仍不够用。一般的医疗药品的生产虽能基本上满足需要,其他化工产品仍很不足。特别是在2001年加入世界贸易组织后,面临国际市场的竞争,必须加快技术发展和体制的变革,以适应新的形势。