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。

發(fā)信人: Hardson (先天下之憂而憂), 信區(qū): ChemicalEng標 題: [綜述] 化學工程科學發(fā)展的回顧與思考發(fā)信站: BBS 水木清華站 (Tue Oct 5 16:45:55 2004), 站內(nèi)化工進展 Chemical Industry Engineering Process 2002年第21卷第2期 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(chǎn)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(nèi)容的貢獻；提出以"質(zhì)量傳遞與轉(zhuǎn)化"，"能量傳遞與轉(zhuǎn)化"及"信息傳遞與轉(zhuǎn)化"來描述現(xiàn)代化學工程學科體系。本文還對我國化工科學及產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行了展望。關鍵詞　化學工程科學，質(zhì)量傳遞與轉(zhuǎn)化，能量傳遞與轉(zhuǎn)化，信息傳遞與轉(zhuǎn)化　　過去的20世紀是化學工程學科誕生與迅速發(fā)展并對人類文明進程產(chǎn)生重大影響的一百年：40年代流態(tài)化技術應用于石油催化裂化過程使石油化學工業(yè)產(chǎn)生了劃時代的變化；溶劑萃取法用于核燃料后處理中分離钚及精密精餾用于重水的提取為核工業(yè)的發(fā)展奠定了基礎；深層培養(yǎng)法用于大規(guī)模生產(chǎn)青霉素標志著現(xiàn)代制藥工業(yè)的產(chǎn)生；60年代末化工系統(tǒng)優(yōu)化的出現(xiàn)并與計算機控制技術相結(jié)合為超大型現(xiàn)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展�；瘜W工程為現(xiàn)代高新技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了最基本的生產(chǎn)手段與技術[1]。　　伴隨著人類社會進入21世紀，知識經(jīng)濟及全球化改變了全球經(jīng)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(chǎn)業(yè)迅速崛起，這些領域的企業(yè)的產(chǎn)值和市值迅速攀升，傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)則主要通過企業(yè)合并重組來降低運營和生產(chǎn)成本。如何通過科技及產(chǎn)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(jīng)是成熟學科的化學工程的學科內(nèi)涵與體系，通過吸收和總結(jié)相關科學、技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新成果來豐富和更新化工學科體系和內(nèi)容，為化工產(chǎn)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，在思考上述問題的同時，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?shù)木嚯x，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(jīng)濟發(fā)展的主要支柱產(chǎn)業(yè)。但目前國內(nèi)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(chǎn)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(jié)構的主要組成部分，燃煤產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)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提出單元操作的概念，將復雜的化工生產(chǎn)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(first paradigm)[5]�！　�1957年反應工程形成獨立學科及1960年Bird等編著的《傳遞現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)、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、德國等最重要的國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。在我國，以石化工業(yè)為代表的化學工業(yè)也成為對國民經(jīng)濟貢獻最大的行業(yè)。圖1是對化學工程學科內(nèi)容及各國化學工程學科優(yōu)勢的示意圖[6]。"三傳一反"成為化學工程學科建設第二階段的標志(second paradigm)。圖1　化學工程學科框架與內(nèi)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(chǎn)生以微軟為代表的高新技術產(chǎn)業(yè)，化學工程為這些學科科技

成果產(chǎn)業(yè)化提供了基礎技術平臺，高新技術產(chǎn)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(jīng)被認為是成熟學科的化學工程學科體系與內(nèi)容：化學工程學科建設是否已經(jīng)進入了第三階段?如果是，那么第三階段的內(nèi)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(nèi)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(chǎn)品工程　　產(chǎn)品是描述化學工業(yè)和化工過程的一個重要特征，產(chǎn)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(nèi)容所應進行的調(diào)整與改革。Westerberg教授從產(chǎn)品的角度揭示了今天化學工程領域的拓展與豐圖2　化學產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品，新產(chǎn)品從內(nèi)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(chǎn)品；第二類是指產(chǎn)品功能主要依賴于其空間結(jié)構而不是其分子結(jié)構的化學品，典型的如高分子合金；第三類是指那些能產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品性能規(guī)格；其次是根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構和性能的關系來設計滿足特定需求的不同產(chǎn)品方案；然后是依據(jù)熱力學或動力學對于不同產(chǎn)品或過程的方案進行評價；最后是產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造[6]�！　№f潛光教授(James Wei)對于產(chǎn)品工程給出了如下定義：產(chǎn)品工程是設計或革新人們所需要的有用產(chǎn)品的過程。其主要步驟包括定位產(chǎn)品的功能、確認產(chǎn)品功能與其化學組成或空間構成的內(nèi)在關系、設計或改進產(chǎn)品。他認為，，化學工程師應當盡快從"過程工程師"轉(zhuǎn)變?yōu)?quot;產(chǎn)品工程師"，主動獨立地從產(chǎn)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(xiàn)而主要進行設備和過程設計、放大的工作思路。相應地，現(xiàn)代化工教育應當為化學工程師成為產(chǎn)品工程師提供"知識工具箱"，加入生物、化學、數(shù)學等最新知識內(nèi)容。他認為產(chǎn)品工程是化學工程學科發(fā)展第三階段的里程碑[8]�！　�"產(chǎn)品工程"與"過程工程"是相互聯(lián)系的，"產(chǎn)品"決定"過程"的組

成；而"過程"決定"產(chǎn)品"的品質(zhì)。"產(chǎn)品工程"與"過程工程"又各有側(cè)重，產(chǎn)品工程依賴于研究者對于分子結(jié)構和功能內(nèi)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(zhuǎn)化特性的準確描述，從而保證目的產(chǎn)品的產(chǎn)率或純度。因此，計算流體力學、界面現(xiàn)象、傳遞、過程模擬與控制等構成過程設計與優(yōu)化的基礎。"產(chǎn)品工程"與"過程工程"是相互促進的，產(chǎn)品工程為新過程的產(chǎn)生提供了需求和動力。2.2時空尺度　　現(xiàn)代化工最重要的特征之一是時空尺度的迅速擴展，從原子尺度下的原子、分子自組裝過程，到考慮到全球環(huán)境變化的生態(tài)過程，其時空跨度達十余個數(shù)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(nèi)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。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(shù)的時均值的分布規(guī)律，還要研究其在時域內(nèi)的混沌行為。此外，為使不同的化工過程實現(xiàn)集成和優(yōu)化，則需不斷擴大研究的時空尺度�！　�對于不同時空尺度的化工過程內(nèi)在聯(lián)系的認識，是化學工程師將產(chǎn)品設計與過程、設備設計高效率地結(jié)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(shù)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(xiàn)代數(shù)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(nèi)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Los Alamos國家實驗室的科學家將復雜系統(tǒng)多尺度分析作為科學方法中最基本的方法。因此，也有學者建議將化學工程進入多尺度研究領域稱為化學工程學科發(fā)展的第三階段。如果我們把溫度作為一個尺度，與時間和空間尺度相結(jié)合，所產(chǎn)生的立體尺度空間將可能更好地描述現(xiàn)有的化工過程，并為過程創(chuàng)新靈感的產(chǎn)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

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