本文關鍵詞：化學工程科學發(fā)展的回顧與思考，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

化工進展；2002年第21卷第2期CHEMICALINDU；專題報道；化學工程科學發(fā)展的回顧與思考；劉錚金涌魏飛李有潤駱廣生袁乃駒；(清華大學化學工程系,北京,100084)；摘要簡述了化學工程科學發(fā)展的主要成果,重點介紹了；關鍵詞化學工程科學,質量傳遞與轉化,能量傳遞與轉；過去的20:40;溶劑萃取法用于核燃工業(yè)的發(fā)展奠；伴隨著人類社會進入21世紀,知識經

化　　　工　　　進　　　展

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專題報道

化學工程科學發(fā)展的回顧與思考

劉　錚　金　涌　魏　飛　李有潤　駱廣生　袁乃駒

(清華大學化學工程系,北京,100084)

摘　要　簡述了化學工程科學發(fā)展的主要成果,重點介紹了近期發(fā)展的“產品工程”、化學工程中的尺度問題及化工過程“場”和“流”分析等方面的進展及其對化學工程科學內容的貢獻;提出以,“能量傳遞與轉化”及“信息傳遞與轉化”來描述現代化學工程學科體系了展望。

關鍵詞　化學工程科學,質量傳遞與轉化,能量傳遞與轉化,中圖分類號　TQ02　　　文獻標識碼　A　　　文章編號-()02-05

　　過去的20:40;溶劑萃取法用于核燃工業(yè)的發(fā)展奠定了基礎;深層培養(yǎng)法用于大規(guī)模生產青霉素標志著現代制藥工業(yè)的產生;60年代末化工系統(tǒng)優(yōu)化的出現并與計算機控制技術相結合為超大型現代化工企業(yè)的發(fā)展奠定了基礎;80年代人工臟器與大規(guī)模動植物細胞培養(yǎng)及高精密度分離技術的發(fā)展使生物技術的基礎研究成果造福于人類的健康;90年代先進材料制備工藝與設備的開發(fā)則直接推動著信息產業(yè)的發(fā)展�；瘜W工程為現代高新技術產業(yè)的發(fā)展提供了最基本的生產手段與技術[1]。

伴隨著人類社會進入21世紀,知識經濟及全球化改變了全球經濟的格局及工業(yè)運行和管理方式。信息、健康(醫(yī)藥)、能源和環(huán)保產業(yè)迅速崛起,這些領域的企業(yè)的產值和市值迅速攀升,傳統(tǒng)化工產業(yè)則主要通過企業(yè)合并重組來降低運營和生產成本。如何通過科技及產業(yè)創(chuàng)新來重塑化學工業(yè)的核心競爭優(yōu)勢成為化學工程研究者和工程師在進入21世紀所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。這也成為化學工程學科建設的中心任務。而回答這些問題則需要從新的視角出發(fā),重新審視被認為已經是成熟學科的化學工程的學科內涵與體系,通過吸收和總結相關科學、技術與產業(yè)發(fā)展的最新成果來豐富和更新化工學科體系和內容,為化工產業(yè)的發(fā)展提供科技動力和人才支持。

對于中國的化學工程師和科研工作者,在思考

,還應特別關注化學工業(yè)在13億人口的中國發(fā)展中的重要地位�？傮w而言,我國社會和工業(yè)發(fā)展水平與歐美發(fā)達國家相比還有相當的距離,對于基本和特殊化學品均存在巨大的需求,這為化學工業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的空間,化學工業(yè)仍將是我國國民經濟發(fā)展的主要支柱產業(yè)。但目前國內不同化工部門及企業(yè)之間的技術及管理水平存在很大的差異,生產的物耗和能耗高、環(huán)境污染嚴重。以2000年為例,我國工業(yè)廢棄物達十億噸級,危險廢棄物達千萬噸級、其中80%屬于化學品污染。煤炭是我國能源結構的主要組成部分,燃煤產生的SO2、NOx和CO2的污染十分嚴重,每年排放量分別超過2000萬t、1000萬t和20億t,這些問題成為社會可持續(xù)發(fā)展的巨大障礙。因此,實現資源的循環(huán)利用、能源的最優(yōu)利用、污染的源頭治理成為新世紀中國化學工業(yè)發(fā)展的方向。近年來,國內許多學者開展了大量的研究工作如綠色過程工程[2]、生態(tài)工業(yè)園區(qū)[3]及生態(tài)過程工業(yè)[4]等并付諸于工業(yè)實踐和工業(yè)園區(qū)規(guī)劃。這些理論與實踐探索促進了化學工程與其他學科的交叉,豐富了人們對于化學工程學科內容與體系的認識。

1　20世紀化學工程科學體系的演進

1888年美國MIT首先推出了化學工程課程體

系并于1920年建立了化學工程系。1915年Little提

收稿日期:2001-12-19。

),男,教授,博士生導師。主要從事第一作者簡介　劉錚(1964—

化學工程與生物化工技術研究。電話010-62779876。

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出單元操作的概念,將復雜的化工生產過程歸納為有限的單元操作,如粉碎、過濾、萃取、精餾等等,初步奠定了化學工程的科學基礎,“單元操作”被公認為化學工程學科體系第一個階段的標志(firstparadigm)[5]。

1957年反應工程形成獨立學科及1960年Bird

討論對于新世紀化學工程的學科建設及化學工業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實踐意義。因此,國際國內許多學者都從不同的角度嘗試對上述問題進行回答。2.1　產品工程

等編著的《傳遞現象》將化學工程學科發(fā)展引向第

二個階段,即從分子水平來研究單元操作,由此形成了由多組分熱力學與動力學、傳遞現象、單元操作、反應工程、設備設計與控制、工廠設計與系統(tǒng)工程組成的化學工程學科基本體系,其特征被歸納為“三傳一反”,即傳質、傳熱、動量傳遞及反應工程。這個階段也是20世紀化學工業(yè)與化學工程學科相互促進并迅速發(fā)展的黃金時代,化學工業(yè)逐漸成為世界主要發(fā)達國家如美國、國民經濟支柱產業(yè)。在我國,示意圖[6]。二階段的標志()

。

產品是描述化學工業(yè)和化工過程的一個重要特征,產品的豐富不僅意味著化學工業(yè)核心業(yè)務的拓寬,過程的多樣化,同時預示著化學工程科研及教學內容所應進行的調整與改革。Westerberg教授

圖2　化學產品分類示意圖

富[7]。從圖2中可看出,今天化學工程所提供的產品種類已從傳統(tǒng)的大宗化學品如化肥、聚乙烯、聚

丙烯等拓展到更多種類的新產品,新產品從內在組成到外在形態(tài)及使用過程都有別于傳統(tǒng)意義上的“化學品”。Cussler和Moggridge將其分為三類:第一類是具有特殊功能和用途的化學品,典型的如醫(yī)藥產品;第二類是指產品功能主要依賴于其空間結構而不是其分子結構的化學品,典型的如高分子合金;第三類是指那些能產生化學變化的裝置,例如在外科開胸手術中所用的血液氧生成裝置、人工腎等。他們將產品設計過程分解為四個步驟:首先是需求的確認并將定性的需求量化為產品性能規(guī)格;其次是根據產品結構和性能的關系來設計滿足特定需求的不同產品方案;然后是依據熱力學或動力學對于不同產品或過程的方案進行評價;最后是產品的生產和制造[6]。

韋潛光教授(JamesWei)對于產品工程給出了如下定義:產品工程是設計或革新人們所需要的有用產品的過程。其主要步驟包括定位產品的功能、確認產品功能與其化學組成或空間構成的內在關系、設計或改進產品。他認為,化學工程師應當盡快從“過程工程師”轉變?yōu)椤爱a品工程師”,主動獨立地從產品創(chuàng)意開始,改變以往只是跟隨著化學家或生物學家對新化學品的發(fā)現而主要進行設備和過程設

圖1　化學工程學科框架與內容示意圖

2　化學工程科學發(fā)展的最新動態(tài)

進入21世紀,生命科學、信息技術、材料科學及環(huán)境科學迅速發(fā)展并由此產生以微軟為代表的高新技術產業(yè),化學工程為這些學科科技成果產業(yè)化提供了基礎技術平臺,高新技術產業(yè)的發(fā)展為化學工程科學工作者將高新技術引入化學工業(yè)提供了機遇,同時促使他們重新認識已經被認為是成熟學科的化學工程學科體系與內容:化學工程學科建設是否已經進入了第三階段?如果是,那么第三階段的內涵、標志或里程碑是什么?這些已成為近年來各國學者研究討論的一個熱點話題。對這些問題的

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計、放大的工作思路。相應地,現代化工教育應當為化學工程師成為產品工程師提供“知識工具箱”,加入生物、化學、數學等最新知識內容。他認為產品工程是化學工程學科發(fā)展第三階段的里程碑[8]。

“產品工程”與“過程工程”是相互聯(lián)系的,“產品”決定“過程”的組成;而“過程”決定“產品”的品質。“產品工程”與“過程工程”又各有側重,產品工程依賴于研究者對于分子結構和功能內在關系的認識,研究中更多地綜合應用計算化學、顆粒學、流變學等來進行分子設計;而“過程工程”則注重在實施過程的空間和時間中分子轉化特性的準確描述,從而保證目的產品的產率或純度。因此,計算流體力學、界面現象、傳遞、過程模擬與控制等構成過程設計與優(yōu)化的基礎�！爱a品工程”與“過程工程”是相互促進的,新過程的產生提供了需求和動力。2.2　時空尺度

擴展,分子自組裝過程,到,其時空跨度達十余個數量級。圖3是描述目前化學工程研究中所涉及的具體學科內容及其所處理對象的時空屬性的示意圖,它從另一個角度揭示了今天化學工程科學研究與工業(yè)實踐的豐富性

。

對于不同時空尺度的化工過程內在聯(lián)系的認識,是化學工程師將產品設計與過程、設備設計高效率地結合起來的一個重要基礎。對不同尺度下過程的物理模型的建立、數學模型的抽提及在此基礎上的設備設計、過程控制和優(yōu)化,要求化學工程師具有更雄厚的物理學基礎和力學知識,掌握現代數學工具,如計算流體力學等。李靜海院士和郭慕孫院士近年來致力于將多尺度方法應用到反應器內兩相流分析,進而指導反應器的設計和操作優(yōu)化[9,10]。美國LosAlamos國家實驗室的科學家將復。因此,。

,與時間和空間,并為過程創(chuàng)新靈感的產生提供更廣闊的空間。2.3　化工過程的廣義描述方法———“場”和“流”的概念

科學研究和工業(yè)實踐是建立并檢驗知識體系的基礎,而科學概念的抽提則是發(fā)展知識體系的基本手段。Giddings教授曾試圖從“場”和“流”的觀點出發(fā)來建立統(tǒng)一的分離科學,在技術的豐富性背后去尋找科學的系統(tǒng)同一性與完美性[11]。袁乃駒教授等拓展了“場”和“流”的概念,將“場”定義為能夠產生空間化學勢差異的推動力,如溫度場、重力場、電場、磁場和超聲場等;而“流”是在“場”作用下產生的穿過空間指定界面的物流和能量流,并將其應用于描述和分析化工反應與分離過程[12]。其研究結果表明,現有的化工反應和分離過程均可以表示若干類“場”和“流”的組合,可以用形式類似的數學方程來描述,其過程能否連續(xù)、分離與反應過程的深度是由“場”“流”結合方式和“場”的相對強度所決定,多“場”過程是提高化工反應轉化率或專一性或分類過程精度的重要方式。事實上,“過程耦合”及“外場強化”是化工反應或分離新過程和新技術研究中最為活躍的內容之一。

圖3　化工研究過程的時空尺度示意圖

科學研究實踐表明對化工過程更機理、更深層

次的理解要求不斷縮小研究空間尺度,從設備的宏觀尺度到多相流液滴、氣泡、顆粒(團簇)的介觀尺度、再深入到膠束、納米聚團、相界面的亞微觀尺度和分子組裝、超分子化學合成的分子尺度。在時間特性上,除了研究各類參數的時均值的分布規(guī)律,還要研究其在時域內的混沌行為。此外,為使不同的化工過程實現集成和優(yōu)化,則需不斷擴大研究的時空尺度。

3　化學工程科學體系的再認識

為反映今天的化學工程所服務的產品對象及化工過程的豐富性和復雜性,有必要重新審視化學工程學科的內涵和化工科研工作者和工程師的工作內容和方式。美國化學工程師學會在其《化學工程前

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沿》一書中對化學工程的定義如下:化學工程是深深地植根于原子、分子和分子轉化的工程學科(Chemicalengineeringisanengineeringdisciplinewithdeeprootsintheworldofatoms,moleculesandmoleculartransformations)[1]。這個定義更強調了基礎學科如物理、化學、生物化學等在化學工程研究中的作用,淡化了具體的行業(yè)界限。然而,這個定義對于化學工程的過程特性反映得不夠充分。郭慕孫教授和陳家鏞教授詳細闡明了化學工程的“過程工程”屬性,并提出了該學科體系范疇中的新學科特征與前沿[13,14]。英國Bath大學的Howell教授是這樣來描述化學工程師工作及其應發(fā)揮的作用的:“科學研究中我們要應用一種反向設計概念———從分析客戶需要開始,然后是產品設計,進而過程設計,最后回答需要開展什么樣的研究。學家們共同完成上述過程,,,即將“過程工程”與“。

工程科學的發(fā)展要求我們對于化學工程的“過程工程科學”本質進行更進一步的闡述,并且能夠具有更廣泛的基礎性和包容性。以生物化工為例,現代生物技術的發(fā)展已經展現出細胞或者微生物作為現代“化工廠”生產醫(yī)藥及特殊化學品的光明前景。與常規(guī)化學反應不同,以分子識別為基礎的信息傳遞在生物化工中具有重要的作用。諾貝爾獎獲得者Jean2MarieLehn將生物學“分子識別”的概念進一步發(fā)展,提出“分子識別”所需要的“化學信息”都儲存在相互作用的分子構造之中。在化學反應中,分子將根據自身和對方提供的化學信息尋求最佳的耦合狀態(tài),由此決定了反應的機理和產物的組成。按照這一思想,Lehn成功地合成了大量超分子化合物及具有特定空間結構的化合物[16]。信息化學的出現和建立表明信息傳遞和轉化在化學工程中的重要作用。

在宏觀尺度上,現代化工企業(yè)已經實現在車間和工廠之間的信息傳遞,以此為基礎實現產業(yè)信息化。在未來生態(tài)工業(yè)園區(qū)的設計和實施過程中,需要使工業(yè)園區(qū)內企業(yè)的上百種不同組成和品質的物流和能流有機組合,實現最佳的能量和物質利用。可見,信息的傳遞和轉化更成為一個基本問題。

由上述事實出發(fā),作為與“單元操作”和“三傳一反”具有延續(xù)性的發(fā)展,金涌院士提出以“

物

圖　信息,“三傳三轉”來描述今天的化

,因為能量傳遞與動量傳遞本質上是一致的,而信息傳遞則遵循不同的法則。圖4中展現的是我們對于現代化學工程與其他學科相互作用與相互推進作用的認識。21世紀化學工程學科的發(fā)展需要不斷吸收生物、化學、物理等主要基礎學科的最新研究成果及信息、材料和環(huán)境等學科所提供的新工具,這是學科發(fā)展的科學推動力。與此同時,化學工程學科的發(fā)展應當面向資源、能源、環(huán)境和健康(醫(yī)藥)領域的廣闊需求,這是學科的市場拉動力。化學工程學者將越來越多地加入多學科交叉的研究隊伍,參與產品設計,負責工藝開發(fā)和過程優(yōu)化,最終完成產業(yè)化。這反映出知識經濟時代工業(yè)發(fā)展的基本特點———以新產品帶動新產業(yè),化學工程學科作為物質生產基本工具的作用更加突出和重要。

4　結　語

作為一門工程學科,化學工程學科的發(fā)展是與工業(yè)和社會經濟發(fā)展密切相關的。如圖5所示,經濟發(fā)展的需求是學科發(fā)展的火車頭,而基礎科學則是化學工程基礎研究和工業(yè)進步的知識源泉,化學工程作為物質和能源生產的基礎工程技術的屬性決定了它在未來社會中不可動搖的基礎產業(yè)重要地位。然而,化學工程師的成功與否則取決于他對社會需求的敏感度,對網絡時代經濟全球化背景下的經濟—產業(yè)—技術—社會的內在聯(lián)系的認識及其創(chuàng)新能力,而創(chuàng)新能力是建立在其自然科學功底和對現代高新技術的把握之上的。

我國化學工程學科的建設應突出“生態(tài)化學工

　第2期　　　　　　　　　　　　　　　劉錚等:化學工程科學發(fā)展的回顧與思考　　　　　　　　　　　　　?　　　　91?

參考文獻

1

NationalResearchCouncil.AcademyPress,1988234

Frontiersinchemicalengineering:

researchneedsandopportunities[M].WashingtonDC:National

張懿.[J].過程工程學報,2001,1(1):10～15

金涌,劉錚,李有潤.[J].過程工程學報,2001,1(3):

225～229

李有潤,沈靜珠,胡山鷹.[J].化工學報,2001,52(3):

189～192

RalphLandau,Education.[J].Chem.Eng.Prog.,1997,93(1):52～65

CusslerEL,MoggridgeGD.productdesign[M].Cambridge,,].Comp.(7)Chem.

Eng.,

圖5　化工學科及其發(fā)展機制示意圖

5678

業(yè)”的發(fā)展方向,以資源—能源—環(huán)境綜合開發(fā)為目標,將“產品工程”和“過程工程”相結合,將生物技術和信息技術與化學工程和工藝有機結合,形成以工業(yè)生物催化為核心的“生物化學工程”、以“過程和系統(tǒng)模擬優(yōu)化”為基礎的“工程”及以“米化學工程”,,景下,發(fā)展能力。

20世紀的化學工程學科的發(fā)展過程表明,不

engineering:Thethirdparadigmofchemical,Amundsonlecture,Princeton,2001.

9LiJH,KwaukM.Particle-fiuidtwophaseflow,theenergy-minimizationmulti-scalemethod[M].Beijing:MetallurgicalIndustryPress,1987

10111213141516

LiJH,ChengCL,ZhangZD,etal.[J].Chem.Eng.Sci.,1999,54:5409～5425

GiddingsJC.Unifiedseparationscience[M].NewYork:JohnWiley&Sons,Inc.,1991

斷根據科學和工業(yè)的發(fā)展進步完善和更新學科體系

框架和內容是學科持續(xù)發(fā)展的保證和生命力所在。在迅速發(fā)展的21世紀,我們更應積極注重學科框架體系的更新和完善,否則,就會被時代所遺棄。本文也是基于同樣的出發(fā)點,對國內外有關化學工程學科發(fā)展方面的主要研究觀點進行綜述并提出一些初步觀點,僅供交流和討論。

袁乃駒,丁富新.分離和反應工程的“場”“流”分析[M].北京:中國石化出版社,1996

郭慕孫.[J].過程工程學報,2001,1(1):2～6陳家鏞.[J].過程工程學報,2001,1(1):7～9

周加祥,王運東,劉錚.[J].化工進展,2000,19(5):47～50

KrischeMJ,LehnJM,KyritsakasN,etal.[J].Helv.Chim.

Acta.,1998,81(11):1909～1920

RecentDevelopmentofChemicalEngineeringScience

LiuZheng,JinYong,WeiFei,LiYourun,LuoGuangsheng,YuanNaiju

(Departmentofchemicalengineering,TsinghuaUniversity,Beijing,100084)

Abstract　Abriefoverviewofthedevelopmentofchemicalengineeringscienceispresentedwithemphasisontherecentadvancementandcontributioninthefieldsofproductengineering,timeandspatialscaleanalysisofchemicalengineeringprocessing,andtheprocesscharacterizationandanalysiswith“field”and“flow”.Toreflectthecomplexityandprosperityofcurrentchemicalengineeringpractice,itisrecommendedtoapplymasstransportandconversion,energytransportandconversion,andinformationtransportandconversion,todescribeandanalysischemicalengineeringprocesses.AprospectforthechemicalindustryandchemicalengineeringscienceinChinaispresentedattheendofthisreview.

Keywords　chemicalengineeringscience,masstransportandconversion,energytransportandconversion,informationtransportandconversion

(編輯　張永圻)

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