本文關鍵詞：化學工程科學發展的回顧與思考，由筆耕文化傳播整理發布。

發信人: Hardson (先天下之憂而憂), 信區: ChemicalEng標 題: [綜述] 化學工程科學發展的回顧與思考發信站: BBS 水木清華站 (Tue Oct 5 16:45:55 2004), 站內化工進展 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展的主要成果，重點介紹了近期發展的"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"質量傳遞與轉化"，"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。本文還對我國化工科學及產業發展進行了展望。關鍵詞　化學工程科學，質量傳遞與轉化，能量傳遞與轉化，信息傳遞與轉化　　過去的20世紀是化學工程學科誕生與迅速發展并對人類文明進程產生重大影響的一百年：40年代流態化技術應用于石油催化裂化過程使石油化學工業產生了劃時代的變化；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的發展奠定了基礎；深層培養法用于大規模生產青霉素標志著現代制藥工業的產生；60年代末化工系統優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的發展奠定了基礎；80年代人工臟器與大規模動植物細胞培養及高精密度分離技術的發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則直接推動著信息產業的發展。化學工程為現代高新技術產業的發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運行和管理方式。信息、健康(醫藥)、能源和環保產業迅速崛起，這些領域的企業的產值和市值迅速攀升，傳統化工產業則主要通過企業合并重組來降低運營和生產成本。如何通過科技及產業創新來重塑化學工業的核心競爭優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。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，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、技術與產業發展的最新成果來豐富和更新化工學科體系和內容，為化工產業的發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在13億人口的中

國發展中的重要地位。總體而言，我國社會和工業發展水平與歐美發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，這為化學工業的發展提供了廣闊的空間，化學工業仍將是我國國民經濟發展的主要支柱產業。但目前國內不同化工部門及企業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、環境污染嚴重。以2000年為例，　　我國工業廢棄物達十億噸級，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發展的巨大障礙。因此，實現資源的循環利用、能源的最優利用、污染的源頭治理成為新世紀中國化學工業發展的方向。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]、生態工業園區[3]及生態過程工業[4]等并付諸于工業實踐和工業園區規劃。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(first paradigm)[5]。　　1957年反應工程形成獨立學科及1960年Bird等編著的《傳遞現象》將化學工程學科發展引向第二個階段，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世紀化學工業與化學工程學科相互促進并迅速發展的黃金時代，化學工業逐漸成為世界主要發達國家如美國、德國等最重要的國民經濟支柱產業。在我國，以石化工業為代表的化學工業也成為對國民經濟貢獻最大的行業。圖1是對化學工程學科內容及各國化學工程學科優勢的示意圖[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容示意圖2　化學工程科學發展的最新動態　　進入21世紀，生命科學、信息技術、材料科學及環境科學迅速發展并由此產生以微軟為代表的高新技術產業，化學工程為這些學科科技

成果產業化提供了基礎技術平臺，高新技術產業的發展為化學工程科學工作者將高新技術引入化學工業提供了機遇，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。對這些問題的討論對于新世紀化學工程的學科建設及化學工業的持續發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　　產品是描述化學工業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核心業務的拓寬，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教授從產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及使用過程都有別于傳統意義上的"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(James Wei)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"轉變為"產品工程師"，主動獨立地從產品創意開始，改變以往只是跟隨著化學家或生物學家對新化學品的發現而主要進行設備和過程設計、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展第三階段的里程碑[8]。　　"產品工程"與"過程工程"是相互聯系的，"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化的基礎。"產品工程"與"過程工程"是相互促進的，產品工程為新過程的產生提供了需求和動力。2.2時空尺度　　現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，到考慮到全球環境變化的生態過程，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，除了研究各類參數的時均值的分布規律，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在聯系的認識，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化[9，10]。美國Los Alamos國家實驗室的科學家將復雜系統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合，所產生的立體尺度空間將可能更好地描述現有的化工過程，并為過程創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展知識體系的基本手

五星文庫wxphp.com包含總結匯報、人文社科、IT計算機、經管營銷、資格考試、專業文獻、辦公文檔、教程攻略、應用文書、考試資料、計劃方案以及[綜述] 化學工程科學發展的回顧與思考等內容。

本文共2頁12

  本文關鍵詞：化學工程科學發展的回顧與思考，由筆耕文化傳播整理發布。