(History and Development of Chemical Engineering)

1. 第二章 化工的歷史與發展 (History and Development of Chemical Engineering)

2. 第二章 化工的歷史與發展 • 2.1 化 工 的 起 源 • 2.2 化 工 的 發 展 歷 程 • 2.3 化 工 傳 統 產 業 • 2.4 化 工 的 未 來 的 趨 勢 • 2.5結 語

3. 化工的起源 • 化工或化學的始祖:亞里斯多德 (Aristotle, 西元前384-322年)or老子? 中國古代煉丹術 • 追求慾望的本能，帶領人類邁向更進步的時代。 • 世界最早的化學工程師 猴子(利用發酵儲存水果) • 歷史的演進: ------16世紀 煉金術工業化學醫藥化學 ------工業革命 1800(瓦特發明蒸汽機提高工業生產力)

4. 第一個化工工業產品--硫酸(sulfuric acid)奠定化工概念 • 化學工業 的起始---以德國和英國為代表 • “化學工程技師社會”(society of chemical engineers)的概念1880英國學者Davis提出, 1887在Manchester Technical School開設化工程序操作, 即今謂單元操作

5. (1880)英學者戴維斯提出,1887開設化工程序操作(即今日單元操作) , • (1888)MIT諾頓整理流體輸送,吸收,萃取,蒸餾,乾燥等, 提出單元操作觀念 • (1892)賓大設立四年制化工系 • 寶鹼（Procter & Gamble） (1837) 超大型日用品廠商 生產銷售SKII化妝品, OLAY保養品,幫寶適紙尿褲,飛柔洗髮精, 好自在衛生棉.市值1392億美元 • 嬌生(1886)是美國一家護理、個人衛生產品、醫療器材的製造商，成立於1885年，在超過90個國家設有分公司，其產品銷售遍及170多個國家。 • 奇異(1892) • 1908美國化學工程學會

6. 寶鹼(P&G) • 寶鹼係於1837年由蠟燭製造者William Procter與肥皂製造者James Gamble創辦，而成為今日的家用品巨擘 • 寶鹼原有16個市值達10億美元以上的品牌，併購吉列後將新增5個。其中，寶鹼素來在女性個人用品類稱冠，擁有如歐蕾、蜜斯佛陀、Always、Cover Girl等品牌 • 1879年，「寶鹼」推出最成功的產品「象牙肥皂」（化妝用的肥皂）。 • 寶鹼收購「潘婷」（Pantene）洗髮乳品牌之後，「潘婷」成了美國市場上最暢銷的洗髮乳 • 1998年，寶鹼占有30.6%的洗髮乳市場，品牌包括「飛柔」（Pert Plus） • 旗下品牌還包括幫寶適尿片

7. 最早的單元操作(unit operation)概念 • 1915年美國學者利特爾(A.D.Little)，明確指出 : “任何化工生產過程不論規模如何,皆可分解成幾個單元操作的過程,例如粉碎、蒸餾、萃取、蒸發、吸收、冷凝、沉降、結晶和過濾等。

8. 化學工業產品的工業化 • 造就了「化學工程就是單元操作」的刻板印象 • 單元程序:歸納氧化,氫化,鹼化,氯化,聚合等 • 可行性的化工熱力學, 探討反應速率的反應工程 • 「化學工程科學」的萌芽 • 「自動化」的觀念和設備:應用數學及儀器控制

9. 化工的發展歷程 • 化工的基礎理論 --Bird輸送現象(transport phenomenon)P.20 • 『高分子材料』納入化學工程領域 • 石化業對環境的污染 • 化學工程走入了黑暗期(1980石油危機解除)

10. 1995年前後化學工程的新解釋--「分子產品工程」(molecular product engineering)概念 P.21 • 將化工理論應用到所有發展性科學 • 化學工程師在製程的重要性轉入以產品做為導向全方位工程師 • 從强調如何將實驗結果放大(scale up)到工廠的理論，轉到如何運到過去化工理論進行縮小(scale down)理論

11. 名稱 起迄年份(民國) 特色 草創期 2~32 僅肥料及鹼氯工業較具規模 進口替代期 33~42 第一期經建計劃開始，設廠增產以取代進口 發展期 43~56 僑外投資興起，紙業、味精、染整、製藥等業蓬勃發展 出口擴張期 57~64 一、二輕完成，上、中、下游成一完整體系，帶動紡織品出口旺盛 成熟期 65~74 三、四輕完成，石化規模達空前高峰 轉型期 75~85 下游產業外移產品結構改變，面臨「量」與「質」的危機 蛻變期 85~迄今 傳統石化業外移，轉型至高科技產業 化工傳統產業 • 表2.1化學工業之發展與特色： 資料來源：公元2000年我國化學工業之展望，台經院，78年5月

12. 石油化學工業 (petroleum industry) • 民生工業之母p.24 • 開始於1920年 • 成形於20世紀初期 • 最早的石油化學工業僅為一種石油工業副產品的利用工業，即利用煉油廢氣中的乙烯、丙烯以生產環氧乙烷、乙二醇、異丙醇、氯乙烯及丙酮等石油化學品而開始的

13. 塑膠工業 (plastic industry) • 二十世紀石化工業最大的成就 • 塑膠特性 重量輕、著色性佳、成型容易、電絕緣性好、耐化學藥品

14. 塑膠工業 (plastic industry) • 塑膠依其物理與化學性質可分 • 熱塑性樹脂或塑膠((thermoplastic resin and plastics) 物質被加熱至玻璃轉移點溫度(glass transition temperature)以上，樹脂即軟化，呈可塑性(plasticity)，冷卻後失去可塑性而再變為固態 • 熱固性樹脂或塑膠 (thermosetting resin and plastics) 在塑製前為簡單之低分子量化合物，但加熱後即起化學變化，在某階段呈熱塑性狀態，最後失去其塑性成為不溶不熔融的剛體。其分子互相連結成網狀結構(network structure)

15. 矽酸鹽工業 • 水泥:卜特蘭水泥 • 陶瓷製品:陶瓷器、磁磚、耐火磚、琺瑯器等 • 玻璃及玻璃製品

16. 卜特蘭水泥的由來 • 1824年，一個英國石匠Joseph Aspdin，因他在廚房發明的水泥，獲得了專利權。他把石灰石和廚房火爐裡的灰土混合後加熱並磨成粉，就創造出加水就會變硬的水泥。Aspdin把水泥命名為卜特蘭(portland)，是因為它長得像英國海岸外的卜特蘭島上所採來的一塊石頭。由於這個發明，Aspdin建立起今天卜特蘭水泥工業的基礎。

17. 卜特蘭水泥的主要成分是氧化鈣和氧化矽，也就是矽酸鈣，是一種矽酸鹽。用它製成的混凝土，硬化以後，硬度、外觀和顏色，都跟當時英國波特蘭島上所產的波特蘭石材很相近，所以取名為「波特蘭水泥」（Portland cement）。Aspdin曾用這種水泥建造了英國倫敦泰晤士河的河底隧道。

18. 現代化玻璃科技 • 染料敏化太陽能電池裝置,是以塗布石墨之導電玻璃為正極 • ITO導電玻璃是液晶顯示器的上游原料之一 ，ITO是Indium Tin Oxide的縮寫,中文是氧化銦錫。係在原本無法導電的母玻璃(mother glass)基板上,鍍上一層可以導電的氧化銦錫(indium tin oxide,ITO),從而可以扮演電極。 • Glass fiber-reinforced plastics

19. 紡織工業 • 世界紡織工業可分為四大地區： 歐洲為第一，佔全球紡織工業百分之三十三，其中以德國、英國、義大利和法國為主，次為美國佔百分之三十，俄羅斯第三佔百分之十四，遠東第四也佔百分之十四，以印度和日本為主。

20. 紡織工業 • 天然纖維：取自於植物或動物 • 人造纖維：又稱化學纖維，係經化學製 造程序人工造成的纖維。 • 可分成四大類：再生纖維、半合成纖維、合成纖維、及無機質纖維等。 • 真正的人造纖維是在1938年美國DuPont公司發明的尼龍66開始。

21. 科學家們開始試著利用高分子、纖維等材料，模仿人類的中樞神經或是電腦的自控系統，試圖藉著智慧材料來讓紡織品與通訊、資訊處理、醫療、偵測等功能做結合。科學家們開始試著利用高分子、纖維等材料，模仿人類的中樞神經或是電腦的自控系統，試圖藉著智慧材料來讓紡織品與通訊、資訊處理、醫療、偵測等功能做結合。 • 具有壓電效應之新型智慧型材料

22. 智慧型紡織品機能類型

23. 製藥工業 • Ehrlich(1845-1915)發現了第一種抗病毒的合成藥劑後，化學治療便成為現代醫療的主角。 • 未來製藥工業將與生技(生物晶片)結合成為一股中興工業，而中藥與西藥也將互相結合各取所長一同發展 。

24. 製革工業 • 以前製革家都憑著古人累積的經驗，藝術的成分大於科學，自從有了溫度計、比重計，製革業便逐漸科學化。 • 由於工業儀器的進步，更能有效的控制人造製革的化學反應，加上工業裝置的進步，製革業已成為化工產業的一部門。

25. 人造皮革 (artificial leather) 又稱「合成皮」或「合成皮革」係指外觀﹑手感似皮皮革並可代替其使用的塑料製品。通常以織物為底基﹐塗覆由合成樹脂添加各種塑膠添加劑製成的配混料製成。 • 20 世紀初期﹐用硝酸纖維素溶膠塗覆織物所製成的硝酸纖維素漆布是人造皮革的先驅。30 年代﹐聚氯乙烯工業化生產為人造皮革開闢了新的原料資源﹐促進人造皮革生產的發展。 • 塗覆層原料除聚氯乙烯外﹐還採用聚醯胺﹑聚氨酯﹑聚烯烴等。

26. 製紙工業 • 蔡倫是第一個紙的發明者 ，也是第一個說服漢和帝接受紙類的人 。 • 紙的一般定義是：任何一種纖維的物質，利用機器或天然的方法打散其纖維，浸入水中，再用可排水的模子將纖維濾集起來,即成為一張紙。

27. 製紙工業 • 造紙生產企業分為四種基本類型： 一、生產紙漿、紙的製漿造紙綜合廠 二、主要生產商品紙漿的紙漿廠 三、主要以購入紙漿或廢紙生產紙的造紙廠 四、主要購入紙或紙板生產加工紙的加工紙廠

28. 電子紙 • 所謂的電子紙，與我們常見一般纖維紙不同，是一種包含許多”微小球體”（膠囊）的”導電””高分子”材料，其外表與特徵與一般的紙一樣，具有柔軟度又可重複顯示資料。 • 在電子紙技術之中，微小球體的大小代表顯示器像素（Pixel）大小，其中微小球體的特色是會受到外在電壓的驅動而改變其狀態。 • 電子紙導電的特色為可受到外界驅動電壓的改變，因此材料需要是電的導體，最後電子紙使用高分子材料是強調其可饒性（flexible）的特色，因此可以像一般紙一樣的撓曲。

29. 食品工業 • 為利用物理、化學或生物學等的工業技術方法，對農產、畜產、水產等原料進行加工以製取食品的工業。 • 在整個工業中，食品工業的產值僅次於機械工業、紡織工業，而居第三位。

30. 化工的未來的趨勢 • 近年來化工領域的發展走向多元化，舉凡新的化工程序工業的反應途徑，新的分子結構，如何藉由反應的過程達到能源的節省以及環境的保護，不論是何種領域的發展，無疑的都需要深厚的化學基礎才能夠克服種種的難題。

31. 化工的未來的趨勢 • 精密石油化學工業 • 提升能量使效率，降低二氧化碳排放量，減輕溫室效應。 • 提供更乾淨的油品，降低油品中硫含量，以抑制酸雨形成，降低苯含量，以減少空氣污染物。 • 使用特殊的生物技術以改善油品。

32. 化工的未來的趨勢 • 綠色化學 (green chemistry) 是一種對於環境友好的化學製程，希望在提高生產效率或優化產品效果的同時，能夠提高資源和能源的利用率，減少有毒物質的使用與廢棄，注重可回收與重覆使用的設計，減輕對於環境的污染負荷以及對於環境的衝擊。

33. 化工的未來的趨勢 • 綠色化學的基本原則 • 提倡在污染源頭防止污染產生。 • 化學反應的設計應儘可能將所有反應物都轉化成產物。 • 反應之原料可能改用無毒性或者低毒性物質。 • 產物應該是無毒、低毒、對環境親和的化學品。 • 製程能源利用率應達到最高，且製程設計應以常溫常壓、高安全性為優先考量。

34. 化工的未來的趨勢 • 環璄永續發展 隨著人類生活水準的提升、大量消耗物資，產生了不少廢棄物及影響環境的問題，善於解決問題的化學工程師就從廢棄物的減量、再生、及淨化等工作發揮了他的專長，使一度曾因污染而瀕臨死亡的河流及城市天空恢復生氣。如此化學工程師不僅在研究領域裡找尋控制全球性環境惡化問題的對策，並關心改善工廠四週的鄰居、社區、自然環境，對全球生態之淨化做了貢獻。

35. 化工的未來的趨勢 • 能源技術 主要潔淨能源研究內容如下： • 太陽能與光電發電技術 • 生物能發電技術 • 再生能源發電技術 • 燃料電池發電技術 • 氫能發電技術

36. 生質柴油 • 廢食用油的問題到底該如何解決？工研院提出了一套辦法，平均每10公噸廢食用油可以淬煉出1公噸生質柴油，甚至大幅減少二氧化碳排放量，不僅杜絕黑心油的問題，且更加環保 • 10噸的廢食用油，可以化製成1噸的生質柴油，你相信嗎？根據統計，台灣每年消耗廢食用油約77萬噸，這些廢油，不論是被私賣去再炸東西，或做成生質柴油，都有相當大的利潤，但是要進入生質柴油化製業，門檻也不低，需要高額且先進的設備。

37. 化工的未來的趨勢 • 燃料電池是利用化學能轉化為電能。這和一般火力發電和核能發電等是所不同的是，它具有乾淨，低污染，無廢料，小型，安全。因此更為適用在替代能源方案的使用。

38. 化工的未來的趨勢 燃料製程機示意圖

39. 日產首先公開混合動力車、新型純電動車的原型車及新燃料電池盒 • 日前在東京所舉辦的先進技術會議中，日產汽車正式公開混成動力及純電動的原型車，驅動此車的鋰電池是由日產與 NEC 共同合資的新公司 AESC(Automotive Energy Supply Corporation) 所提供，日產預計此次公開的車型將於 2010 年正式上市。

40. 化工的未來的趨勢 • 生物技術(Bio-technology) • 生物技術(biotechnology)是利用細菌、酵母菌等微生物以及動植物的細胞培養，然後將其代謝機能用以製取特定物質。 • 也就是說，生物技術是一項綜合生物化學、微生物學、遺傳學、化學工程學等技術的學問，而能夠由微生物與細胞培養的過程中得到有用物質。 • 生物技術應用於工業上即是生物工業(bioindustry)，或叫生物技術產業。

41. 化工的未來的趨勢 • 材料科技 • 材料在現今的產業中對新技術的研發佔有極重要的地位，它是工業之母，是文明先鋒，不論是能源、電子、通訊、航太、國防、造船、機械、化工等工業或製造業，如果沒有材料研究出來的成果，是無法有所進步的。 • 材料研究的方向，大致可以分為七類：

42. 化工的未來的趨勢 • 奈米技術(nano-technology) • 奈米是英文nanometer的音譯，nanometer是長度的單位，數學符號為nm。 • 奈米科技是運用奈米尺寸特有的現象，同時聚焦於材料和系統，它的結構和組成展現全新而顯著的物理、化學及生物特性之現象。 • 奈米科技不僅改變我們製作事物的方法，同時也改變我們所能製作事物的本質，目前被用來製造更多更好的塑料、電子產品、化妝品、塗料、電池、感測器、燃料電池等。

43. 化工的未來的趨勢 • 電子產業技術 • 點石成「晶」 • 積體電路（IC）的製造 • 印刷電路板 • 液晶顯示器的製作 • 光儲存材料之製作 • 發光元件的製作

44. 化工的未來的趨勢 • 工業安全與管理 近年來全世界的化學工廠及化學工程師開始警覺到我們對於維護工廠安全操作的重要責任。因而也就展開許多安全管理與研究發展的工作，以預防化學災害的發生，達到安全生產操作的境界。

45. 結語 • 隨著加入WTO後，我國的產業受到了嚴重的衝擊，因此目前發展應以高附加價值及低污染的科技導向，將傳統產業科技化，且與電子、光電、通訊結合，並投入大量人力及創意於新產品與技術的開發，減少國外資源的依賴，創造出屬於自我的品牌。 • 展望二十一世紀，一方面地球上的能源與資源面臨不足的危機，另一方面，由於生物科技的進步，基因的解碼與基因工程隨之興起，將開創無限的技術奇蹟。然而無論是資源或能源的開發與利用，生物技術產品的製造，化學工程仍將是根本且不可或缺的一環。

46. 問答題 • 請找三個（以上）化工（應用）產業發展的消息，並加上個人評論；評論內容可自由發揮。原始資料限於近兩年發表之消息 4. 化工產品用途多，就食衣住行育樂國防，各舉五樣化工產品？ 5. 列舉出那些產品是利用奈米技術製造而成，其有那些優點？

47. 問答題 6. 現今燃料電池在國際研究潮流新起，那究竟化學工程在燃料電池製造中扮演什麼角色？它的發展對未來究竟有何影響？ 11.請問何謂綠色科技，.綠色科技包含那些技術?在列舉的項目中其內容為何?