17  化學工程與工業

化學、應用化學與化學工藝

前面討論了不少的問題,但還沒有介紹一下自己的行業。我是成功大學化學工程學系的教授,許多人把化學工程簡稱為化工。化工這個名詞似乎不像機械、電機、土木那麼明確。一般人對於機械工程師、電機工程師和土木工程師的職責的瞭解都相當正確,但對化學工程師做的是什麼卻常有些誤解,這可能是因為化學工程,還是一個比較新的領域的關係,也可能是因為這個名稱本來就取得不夠恰當、不夠傳神。

人類學會了一些化學的原理和方法是科技上的一大突破。韋氏字典對化學這個名詞的銓釋是:化學是探討物質的組成和性質,並且藉由反應將物質轉變為不同物質的科學。有了化學,人們才大致上瞭解了各種不同的物質基本上是什麼,也發現了許多有用的新物質新材料的製造方法。化學本是一門探討大自然的規律的基礎性的科學,而在研究的過程中又能產生許多有實用價值的成果,這較為實用的部分,就稱之為應用化學。在基礎化學與應用化學之間很難劃上一條明確的界線,因為在探討基礎性的學理時往往會產生有實用價值的新發現;在處理實用的問題時也需要對基礎性的學理有相當深入的認識。

在早期學應用化學的人,發明了許多用簡單的化學方法製成的有用的產品。例如:用油脂和製成肥皂和面霜;用礦物油製成“生髮油”;用豆餅不經發酵製成“科學醬油”和“味ソ素”;…等等。這些產品的生產就是所謂的化學工藝。做應用化學實驗的人用燒瓶做成功了某一項有用的產品,從事化學工藝的就可以依樣畫葫蘆,用一個大鍋子進行同樣的反應得到較大量的同樣的產品去銷售。

記得四十多年前,我剛從大學畢業,有一位同事是印尼來的僑生,他父親想在僑居地做蒼蠅紙出售。他就到圖書館去查了一下做法,是把生橡膠放到蓖麻油裡去熬,熬成糊狀再塗到紙上就可以了。於是他父親和弟弟每天晚上自己熬膠,配方保密,白天顧工人塗到紙上。聽說也賺了一些錢。那個時期,印尼似乎還是處於化學工藝的時代,而台灣的化學工業已經發展得相當不錯了。

化學工業,化學工程與工程師

當化學工藝進步到工業化的階段,也和土木、機械、電機一樣,要由化學工程師來設計操作。我用一個最簡單的例子來說明化學工程師所設計的生產程序和化學工藝時代有什麼不同:

17-1顯示一個把兩種原料混合加熱,反應而生成一種產品的程序。先用量筒把兩種原料都量取一定的量,把它們都倒在一個大燒柸中,再一面攪拌一面加熱,在燒柸中生成所要的產品。圖17-2顯示經過化學工程師設計後的同一個生產程序。兩種原料都放在儲槽中,分別用幫浦()打到反應槽中去。用閥來控制並且用流量計指示兩種原料的流量。在反應槽中用一個電動的攪拌

器攪拌,用蒸氣在加熱套中加熱以維持反應的溫度。在這個經過化學工程師設計過的生產程序中,除了產量增大了很多以外,因為溫度、流量、和反應時間都可以控制得很準確,所以產品的品質一定也會比較好。

在化學工業的製造程序中,往往會涉及到化學反應,但也有許多化學工業中並沒有涉及到化學反應。例如以蒸餾或逆滲透的方法用海水來製造淡水;用溶解再結晶的方法精製食鹽;用蒸餾的方法從原油中取得汽油、柴油、煤油等的產品,都不涉及化學反應但也都屬於化學工業的範圍。

如何為“工程師”下個定義呢?有人說,工程師就是能夠以最經濟的方式完成任務的人。而所謂最經濟就是用最少的原料、材料、設備、能源、時間、空間、人工、…。這些都是可以換算成錢的成本。而社會成本是很難換算成錢的。因此,一位好的工程師一定要經常考慮到在他完成任務的過程中消耗了多少社會成本。不論那一類的工程師都是一樣,化學工程師當然也不例外。

化學工業的重要性

到現在,我好像還沒有把化學工業是什麼講明白。化學工業是一種基礎性的工業,因為它除了是所謂化學工業產品的製造者之外,也是其他各種工業的原料和材料的供應者。任何一種工業都必須要用到原料或材料,而幾乎所有的原料和材料都是化學工業的產品。傳統的化工產業有:

化學品製造業      食品與飲料工業    塑膠工業

肥皂工業        水泥與石灰工業    人造皮工業

清潔劑工業       玻璃,陶瓷工業    醫藥工業

油脂與油料工業     造紙,紙漿工業    橡膠工業

肥料工業        油漆,塗料,染料工業 石化工業

農藥與農業化學品工業  煉油工業(抱括潤滑油,柏油)

都是與民生密切相關的基礎性的產業。近年來一些新興的產業和高科技產業也都與化工密切相關,包括:

污染防治工業     生醫材料工業

能源工業       生物科技

精密陶瓷工業     電子工業

特用化學品工業    電腦工業

精密化學品工業    太空科學用品

因此,化學工業永遠需要扮演兩種角色,其一是許多民生必需品的生產者,其二是許多其他工業的上游的原料和材料的供應者。隨著人民生活素質不斷地提昇以及各種新興產業快速發展,化學工業永遠是一個舉足輕重的基礎性工業。

台灣在過去高經濟成長率的時期,有百分之三十以上的生產毛額是化工產業的貢獻。目前由於新興產業如電腦,電子工業的

崛起,使化工產業的生產毛額不再居於龍頭的地位,但仍舊佔全國生產毛額的四分之一以上(27%199943日自由時報)。現在,台灣的化學工業仍然排名全球第十一。事實上,許多經濟強國的化學工業也都很強,例如美國、日本、德國、英國、義大利、法國、比利時、荷蘭的化學工業的水準都是很高的,因為他們都不願意在工業原料、材料和許多民生必需品上過份地依賴國外的供應。

化學工程師的角色

常有人認為化學工程師是一個學化學的人,做的都是化學方面的工作。事實上並非如此,化學工程師要學不少化學是不錯的,但也要學不少的數學和物理,以後生物方面的知識對化學工程師也會變得越來越重要。在有些化學工程師的工作中數學和物理的知識比化學的知識用到得更多。除了這些基本科學方面的課程以外,化學工程師還要學一些其他工程領域,如機械、電機方面的知識,也要學一些管理方面的知識。因此,化學工程師在學識上學得比較博,除了可以服務於化學工業中以外,許多其他的工業,包括各種新興的高科技產業,也需要化學工程師。最近這幾年,因為在電子,半導體材料工業中的待遇比較高,錄用了許多年輕的化學工程師,使一些化學工業產生了找不到足夠的新進的化學工程師來應徵的現象。

化學工程師因為懂數學、物理也懂化學,具有機械、電機等其他工程的常識,有管理的能力也有經濟的觀念,所以在年資較久以後成為經理級的高階人員的機率也比較大些。

石油化工與輕油裂解

由前面所談的我們知道,在日常生活,衣、食、住、行、育、

樂、醫療各方面的必需品幾乎都是化學工業的產品,這主要是因為化學工業是各種製造業的上游,是原料和材料的供應者。下一個大家可能會問的問題是,誰是化學工業的上游,是化學工業基本原料的供應者呢?答案可以是石油,也可以是煤。煤的優點是地下的儲藏量很大,但固體的煤在輸送和處理上總是比較麻煩,因此目前世界各國的化學工業多是以石油為起點。

台灣每天要進口數十萬桶的原油。煉油廠從原油中提煉出汽油、煤油、柴油、潤滑油、瀝青等等。除了這些經常需要大量耗用的油品以外,煉油廠從原油中還得到輕油和芳香烴。輕油和芳香烴就是石油化學工業的起點。把輕油裂解後可以得到乙烯、丙烯和丁二烯,都是最重要的上游原料。下面的四個表顯示從原油開始可以得到那些產品,以及目前生產這些產品的公司的名稱。

由這四個表,雖然專長不是理工的同學也可以看得出來,把輕油裂解生產乙烯、丙烯和丁二烯的工廠在石油化學工業中佔有舉足輕重的地位。台灣在發展石油化學工業的初期,中國石油公司陸續建造了第一、第二、第三輕油裂解工廠,在十大建設時代又建了第四輕油裂解工廠(四輕),雖然產量一個比一個大,但很


 


快地就不夠用了。以後又建了五輕,目前台塑的六輕已經加入生產。我們在媒體上又看到了建七輕、八輕的呼聲。

台灣的石油化學工業,是逆向地發展起來的。例如,有的企業在初期只是進口一些塑膠粒,壓成臉盆之類的日用品出售或是壓成塑膠花出口,後來再發展成自己生產塑膠粒,最後再發展成自己生產上游的原料。有的企業是以賣布起家,漸漸逆向成長為染布、織布、紡紗、…最後也發展成為上游原料的生產者。到了目前,台灣的許多石化產品已經很有國際上的競爭力,例如台南的奇美公司的ABS的產量就居於世界的第一名。

未來的發展

在探討未來發展的大方向時,首先得檢討自己本身的一些條件。台灣最大的弱點是本身沒有資源也沒有能源,絕大部份必須仰賴進口,內部的市場小,許多工業的產品要有出口到國際市場上的競爭力才能生存;而優點是人力的素質比較高。在這種情況下產量小、技術層次高、附加價值也高的特用和精密化學品的工業自然而然地被列為發展的重點。以生物技術為基礎的化學工業也是一項公認的必然走向。由於許多高科技產業,例如資訊、電子、半導體、生醫工程等的快速發展,化學工業也會自然而然地自我調節,扮演這些新興產業的原料和材料的供應者的角色。

從另外的角度來看,前面幾個表中所列的那些較為傳統性的,生產量相當大的化學工業也永遠有生存的空間,因為它們的產品都是民生的必需品,只要生產的效率高,產品的品質好,在國際上就有競爭力。在研究發展方面投資比較高的企業當然會是長程發展上的勝利者。

社會上對化學工業的錯覺

可能是由於媒體的渲染,近年來社會上對化學工業常有不安全、污染的夕陽工業的錯覺。化學工業不可能成為夕陽工業,就像只要人還要穿衣服,紡織工業就有存在的價值;只要還需要繼續造房子,水泥工業也就不會消失一樣。而化學工程師應該是最懂得處理污染問題的人而不是污染的製造者。上次德國的拜爾公司不得不放棄了在台灣投資的計畫,內行的人都覺得是一件非常可惜的事。對於社會大眾不信任專業人員的意見,也感到非常無奈。

 

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