小编这么拼化学教育期刊

【微信征文】成本核算——一种学习化工生产的新思路

——以《纯碱工业》教学为例

徐凯里

（上海市复兴高级中学 上海 200434）

摘要

本文通过对氨碱法制纯碱化工生产原理与过程进行分析，提出一种以成本核算为思路的学习化工生产的方法，并以教学实践为例进行阐述。

关键词

成本核算；化工生产；氨碱法

化学工业对国计民生的发展起着不可替代的重要作用，是化学科学知识综合应用的具体实践。化工生产历来是高中化学学习的一个难点。一个重要的原因就是生产工艺的实现，涉及许多问题，如化学反应原理、原料选择、能源消耗、设备结构、工艺流程、环境保护以及综合经济效益等等，综合性大，能力要求高。传统的教材中，化工生产的学习多从化学反应原理入手，结合平衡速率理论，从“化（学）”到“工(艺)”再到“生产”逐步进行推演，重点落实在“化工”上。但是在日常教学中，我们发现，学生对有关化工生产的内容掌握程度较差，面对新情景新信息难以理解，更遑论解决实际问题了。究其原因，主要是化工与学生生活距离较远，并且从书本上的原理到实际的工业生产过程中，涉及的工艺较为复杂，多数超出高中所学范围，这就在理论与实践之间产生了一道难以跨越的鸿沟。能不能选一个简单明晰的角度来解读化工生产呢？

化工生产除了“化工”外，“生产”也是其重要的属性。降低成本、提高效益是所有工业生产都遵循的永恒主题。只有对生产成本进行严格的核算,才能控制成本,进而提高产品的市场竞争力和经济效益。工业生产中的成本包括原材料、设备、燃料及动力、人力成本等等，在市场经济条件下，企业必须以产品销售收入抵补产品生产过程中的各项支出，才能确定盈利。我们可以确立一个最简单的模型：原料的成本支出＜产品的销售收入，这是生产盈利的必要条件，当然考虑到其他支出的存在，还必须尽可能拉大原料的成本支出与产品销售收入之间的差距。这就为高中化学学习化工生产提供了一种新的角度。

下面笔者就以《人人来当工程师——纯碱工业》一课的教学为例，来解读一下从“成本核算”角度学习化工生产的新思路。

1

背景分析

纯碱工业是近代化工的开端，纯碱的制备方法的发展和演变过程、原理与生产方法的改变是人类知识进步和智慧的结晶。纯碱制法就是一个典型的复杂化工生产，涉及非金属元素化合物性质、离子反应、溶解平衡等基础知识，还涉及物质分离、物料守恒、成本控制等工艺设计需求。因此，这部分内容可以充分展示化工生产的方方面面。

所有的化工生产原则在本质上都是为了压缩成本，提高利润，无论是“两个充分”（充分利用原料、充分利用能量）原则还是“绿色化工”思想，其目的就是以最小的投入得到最大的产出。一旦外界条件变化导致利润减少时，化工工艺必定随之发生改变，以更好地适应环境，提高利润，这也是化工生产不断改进的动力之源。

2教学实录

2.1

依据成本选择原料

在课伊始，教师就给学生布置了一个任务——当一回纯碱厂的工程师，一起来设计一些通过简单的化学反应制造纯碱的方法。记住投资方的要求很简单：成本低、利润高。

同学们十分兴奋，一种种方案新鲜出炉：

2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O；

2NaHCO3→Na2CO3 + CO2↑+ H2O；

2NaOH + (NH4)2CO3 → Na2CO3 + 2NH3·H2O；

……

可是，当教师展示出各类化学品市场价，要求针对方案进行成本核算时，同学们才发现，这些方法都是亏本的！不能用来生产。

表1 一些化学品的市场价（来源：某化工产品采购网）

化学式	Na2CO3	NaOH	NaHCO3	CO2
市场价（元/kmol）	148.4	142	107.5	15.4
化学式	NaCl（海）	NaCl（井）	NH3	NH4Cl
市场价（元/kmol）	25	47	60	96.3
化学式	KOH	Ca(OH)2	CaCO3
市场价（元/kmol）	487.2	44	30

教师再次强调投资方的需求：原料成本必须压缩到最低限度。那么钠元素和碳元素应该来自于哪些原料呢？根据表中价格，同学们被迫选择了最便宜的NaCl和CO2。但问题是，向食盐水中通入CO2是得不到Na2CO3，还需要加入碱性物质。

通过讨论，同学们一致认为，NaOH、KOH成本过高，不适合；Ca(OH)2会形成CaCO3，得不到纯碱；所以最佳选择是氨气。将所选原料进行组合，就得到了一个初步的方案：

2NaCl + CO2 + 2NH3 + H2O → Na2CO3 + 2NH4Cl

2.2

依据成本优化流程么

看来小工程师们已经迅速找到了一种低成本生产纯碱的方法了。接下来的问题就是怎样把Na2CO3从溶液中提取出来。同学们一致认为对于可溶性盐的提取可以使用结晶法。

看上去很有道理！但总工程师建议先看看产物的溶解度情况再作决定吧。

表2 一些盐在30℃时的溶解度

化学式	Na2CO3	NH4Cl	NaCl	NaHCO3	NH4HCO3
溶解度（mol/100g水）	0.38	0.77	0.62	0.13	0.36

哎呀，不好！生成的Na2CO3与NH4Cl的物质的量之比为1:2，溶解度也很接近1:2，用结晶法提纯时，碳酸钠与氯化铵会一起析出，需要再次分离，增加了成本！

有没有更好的设计能使析出产物尽可能纯净呢？小工程师们一致认为，碳酸氢钠溶解度最小，最容易析出，应该先合成NaHCO3。

非常好的主意！总工程师也赞同他们的意见，不过方程式就要略作改动了，应该写成：NaCl + CO2 + NH3 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl

为了得到尽可能多的NaHCO3，应该使用饱和食盐水，通入过量CO2。小工程师们再一次投入计算：100g水中溶解NaCl 0.62mol，完全转化为NaHCO3也是0.62mol，远远大于最大溶解量0.13mol。大部分的NaHCO3会直接析出，只需要过滤就可以了，节省了母液浓缩等步骤。所以方程式再一次修正为：

NaCl(饱和)+ CO2 + NH3 + H2O → NaHCO3↓+ NH4Cl

然后只需将NaHCO3进行灼烧，就能得到纯碱。

恭喜工程师们，按照投资方的要求，找到了一种低成本、高利润的纯碱生产方法。不过投资方需要我们提供完整的工艺流程，便于建造厂房和购买设备时进行参考。

学生们结合生产原理，经过讨论，设计出了如下步骤：

2.3

依据成本循环物料

小工程师们完成了工艺流程设计，接下来投资方请来了会计师对成本和利润进行核算。按此流程生产1kmol纯碱，投入的原料为多少？利润如何？

学生按方程式计算，需要投入原料2kmol NaCl、2kmol CO2和2kmol NH3，共计成本200.8元；销售产品1kmol纯碱可得148.4元。结果是大大亏本！

这不符合生产要求啊！看来这个流程还要进一步压缩成本。同学们一起来找找有没有被浪费掉的物质，特别是那些成本较高的，看看能不能再利用。经过讨论，同学们发现母液中有大量的NH4Cl，可以转化为NH3再利用。

NH3是成本最高的原料，要是从母液中提取出NH3供吸氨使用，就能大大降低生产成本。使NH3从母液中析出可以加入哪些廉价的物质？

有人建议加Ca(OH)2，有人建议用价格更低的CaCO3，还能分解提供CO2供碳酸化使用，能进一步减少成本。这倒是一个一举两得的方法，还有人受到启发，提出煅烧碳酸氢钠时会生成CO2，可以循环利用。小工程师们纷纷设计，完善工艺流程：

再进行成本利润核算，生产1kmol纯碱需要2kmol NaCl、1kmol CaCO3，共计成本86元；销售产品1kmol纯碱可得148.4元。纯碱厂终于开始盈利了，投资方很满意。

这就是1861年比利时索尔维发明的“氨碱法”，又称“索氏制碱法”。中国第一家纯碱厂永利碱厂成立于1918年，实业家范旭东与化工博士侯德榜一起研究，自行摸索，终于冲破了外国公司的垄断与封锁，完整地再现了氨碱法流程，于1924年生产出第一批产品。1926年费城世博会上，永利公司的红三角牌纯碱荣获金质奖章。

2.4

依据成本改造工艺

抗战爆发后，永利碱厂被迫迁往四川，随之而来的是氯化钠价格的上涨。成本的上升给永利碱厂带来很大压力，为摆脱困境，侯德榜想要对索氏制碱法进行改进，增加收益。他把目光投向了析出碳酸氢钠后的母液，里面含有一种非常有用的化学品NH4Cl，要是能把它做成产品，能创造多少利润呢？

通过计算可知，生产1kmol Na2CO3，至少投入2kmol NaCl 、2kmol NH3、1kmolCO2，同时还生成2kmol NH4Cl，成本投入229.4元，收入341元，利润将大大增加。

所以侯德榜面临的当务之急就是要从母液中尽可能多地提取NH4Cl，这可不像提取NaHCO3那么容易了。教师为小工程师们布置了一个课后任务：结合所学过的溶解平衡与结晶法的相关知识，为侯德榜博士设计一种提取NH4Cl的方法，也为在困境中的中国民族工业出一份力。

3教学反思

整节课的设计围绕“成本”二字展开，从原料选择、步骤优化、物料循环层层递进。学生在学习纯碱制备流程的过程中，能够深入体会成本控制在工艺设计中的重要性，同时也体会到技术实践的复杂性和多元化标准，感悟前人探索的不易。本节课的另一个重要任务是学生能够体验前人的经验，在试误、失败、成功的交替过程中，对已有认知巩固并加以发展，提高分析、对比和思辨能力，在质疑、反思中，思维得到进一步发散，获得真正意义上的能力提高。

参考文献

[1] 中昊（大连）化工研究设计院有限公司 主编.纯碱工学[M].北京：化学工业出版社，2014

《化学教育》是教师专业发展的好参谋、好助手、好伙伴！

补订2017年《化学教育》办法

国家级全国中文核心期刊

栏目整合 印刷换新 品质提升

权威、客观、全面、实用

《化学教育》是中国科学技术协会主管，中国化学会、北京师范大学共同主办的国家级全国中文核心期刊，被北京大学《中文核心期刊要目总览》2008版、2011版和2014版连续收录，排同类期刊第1名；美国化学文摘（CA）收录源期刊。

《化学教育》为半月刊，全年共计24期，每期16元，全年共计384元。为了保证能及时收到期刊，由中国邮政承担订阅及投递服务。

订阅方式1：请到当地就近邮局的报刊订阅窗口办理，邮发代号为2-106。

订阅方式2：微信订阅，请扫描下方的二维码，进入订阅页面，按照步骤依次操作：选择投送地区—填写订阅份数—单击立即购买—提交订单—（如果首次操作，请按照提示添加详细可靠的收获地址）—确认订单—微信支付，即可完成订阅。请记住CNSI开头的订单号，以便查询，由“中国邮政”微信公众服务号提供查询和客户服务，全国统一客服电话：11185-9-2。

立即扫码订阅

有化学课程的地方，就应该有《化学教育》期刊！