本文關(guān)鍵詞：化學(xué)工程科學(xué)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(biāo) 題: [綜述] 化學(xué)工程科學(xué)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(jìn)展 Chemical Industry Engineering Process 2002年第21卷第2期 專題報(bào)道化學(xué)工程科學(xué)發(fā)展的回顧與思考劉　錚　金　涌　魏　飛　李有潤(rùn)　駱廣生　袁乃駒(清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京，100084)摘　要　　　簡(jiǎn)述了化學(xué)工程科學(xué)發(fā)展的主要成果，重點(diǎn)介紹了近期發(fā)展的"產(chǎn)品工程"、化學(xué)工程中的尺度問題及化工過程"場(chǎng)"和"流"分析等方面的進(jìn)展及其對(duì)化學(xué)工程科學(xué)內(nèi)容的貢獻(xiàn)；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(lái)描述現(xiàn)代化學(xué)工程學(xué)科體系。本文還對(duì)我國(guó)化工科學(xué)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞　化學(xué)工程科學(xué)，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(jì)是化學(xué)工程學(xué)科誕生與迅速發(fā)展并對(duì)人類文明進(jìn)程產(chǎn)生重大影響的一百年：40年代流態(tài)化技術(shù)應(yīng)用于石油催化裂化過程使石油化學(xué)工業(yè)產(chǎn)生了劃時(shí)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(chǔ)；深層培養(yǎng)法用于大規(guī)模生產(chǎn)青霉素標(biāo)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)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(chǔ)；80年代人工臟器與大規(guī)模動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)及高精密度分離技術(shù)的發(fā)展使生物技術(shù)的基礎(chǔ)研究成果造福于人類的健康；90年代先進(jìn)材料制備工藝與設(shè)備的開發(fā)則直接推動(dòng)著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。化學(xué)工程為現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了最基本的生產(chǎn)手段與技術(shù)[1]�！　“殡S著人類社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì)，知識(shí)經(jīng)濟(jì)及全球化改變了全球經(jīng)濟(jì)的格局及工業(yè)運(yùn)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(lǐng)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(lái)降低運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)成本。如何通過科技及產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新來(lái)重塑化學(xué)工業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)成為化學(xué)工程研究者和工程師在進(jìn)入21世紀(jì)所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這也成為化學(xué)工程學(xué)科建設(shè)的中心任務(wù)。而回答這些問題則需要從新的視角出發(fā)，重新審視被認(rèn)為已經(jīng)是成熟學(xué)科的化學(xué)工程的學(xué)科內(nèi)涵與體系，通過吸收和總結(jié)相關(guān)科學(xué)、技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新成果來(lái)豐富和更新化工學(xué)科體系和內(nèi)容，為化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供科技動(dòng)力和人才支持�！　�(duì)于中國(guó)的化學(xué)工程師和科研工作者，在思考上述問題的同時(shí)，還應(yīng)特別關(guān)注化學(xué)工業(yè)在13億人口的中

國(guó)發(fā)展中的重要地位�？傮w而言，我國(guó)社會(huì)和工業(yè)發(fā)展水平與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有相當(dāng)?shù)木嚯x，對(duì)于基本和特殊化學(xué)品均存在巨大的需求，這為化學(xué)工業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的空間，化學(xué)工業(yè)仍將是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要支柱產(chǎn)業(yè)。但目前國(guó)內(nèi)不同化工部門及企業(yè)之間的技術(shù)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(yán)重。以2000年為例，　　我國(guó)工業(yè)廢棄物達(dá)十億噸級(jí)，危險(xiǎn)廢棄物達(dá)千萬(wàn)噸級(jí)、其中80%屬于化學(xué)品污染。煤炭是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主要組成部分，燃煤產(chǎn)生的SO2、NOx和CO2的污染十分嚴(yán)重，每年排放量分別超過2000萬(wàn)t、1000萬(wàn)t和20億t，這些問題成為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的巨大障礙。因此，實(shí)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(jì)中國(guó)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的方向。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)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(shí)踐和工業(yè)園區(qū)規(guī)劃。這些理論與實(shí)踐探索促進(jìn)了化學(xué)工程與其他學(xué)科的交叉，豐富了人們對(duì)于化學(xué)工程學(xué)科內(nèi)容與體系的認(rèn)識(shí)。1　20世紀(jì)化學(xué)工程科學(xué)體系的演進(jìn)　　1888年美國(guó)MIT首先推出了化學(xué)工程課程體系并于1920年建立了化學(xué)工程系。1915年Little提出單元操作的概念，將復(fù)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(xué)工程的科學(xué)基礎(chǔ)，"單元操作"被公認(rèn)為化學(xué)工程學(xué)科體系第一個(gè)階段的標(biāo)志(first paradigm)[5]�！　�1957年反應(yīng)工程形成獨(dú)立學(xué)科及1960年Bird等編著的《傳遞現(xiàn)象》將化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展引向第二個(gè)階段，即從分子水平來(lái)研究單元操作，由此形成了由多組分熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、傳遞現(xiàn)象、單元操作、反應(yīng)工程、設(shè)備設(shè)計(jì)與控制、工廠設(shè)計(jì)與系統(tǒng)工程組成的化學(xué)工程學(xué)科基本體系，其特征被歸納為"三傳一反"，即傳質(zhì)、傳熱、動(dòng)量傳遞及反應(yīng)工程。這個(gè)階段也是20世紀(jì)化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程學(xué)科相互促進(jìn)并迅速發(fā)展的黃金時(shí)代，化學(xué)工業(yè)逐漸成為世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)等最重要的國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。在我國(guó)，以石化工業(yè)為代表的化學(xué)工業(yè)也成為對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)最大的行業(yè)。圖1是對(duì)化學(xué)工程學(xué)科內(nèi)容及各國(guó)化學(xué)工程學(xué)科優(yōu)勢(shì)的示意圖[6]。"三傳一反"成為化學(xué)工程學(xué)科建設(shè)第二階段的標(biāo)志(second paradigm)。圖1　化學(xué)工程學(xué)科框架與內(nèi)容示意圖2　化學(xué)工程科學(xué)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)　　進(jìn)入21世紀(jì)，生命科學(xué)、信息技術(shù)、材料科學(xué)及環(huán)境科學(xué)迅速發(fā)展并由此產(chǎn)生以微軟為代表的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，化學(xué)工程為這些學(xué)科科技

成果產(chǎn)業(yè)化提供了基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為化學(xué)工程科學(xué)工作者將高新技術(shù)引入化學(xué)工業(yè)提供了機(jī)遇，同時(shí)促使他們重新認(rèn)識(shí)已經(jīng)被認(rèn)為是成熟學(xué)科的化學(xué)工程學(xué)科體系與內(nèi)容：化學(xué)工程學(xué)科建設(shè)是否已經(jīng)進(jìn)入了第三階段?如果是，那么第三階段的內(nèi)涵、標(biāo)志或里程碑是什么?這些已成為近年來(lái)各國(guó)學(xué)者研究討論的一個(gè)熱點(diǎn)話題。對(duì)這些問題的討論對(duì)于新世紀(jì)化學(xué)工程的學(xué)科建設(shè)及化學(xué)工業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義。因此，國(guó)際國(guó)內(nèi)許多學(xué)者都從不同的角度嘗試對(duì)上述問題進(jìn)行回答。2.1產(chǎn)品工程　　產(chǎn)品是描述化學(xué)工業(yè)和化工過程的一個(gè)重要特征，產(chǎn)品的豐富不僅意味著化學(xué)工業(yè)核心業(yè)務(wù)的拓寬，過程的多樣化，同時(shí)預(yù)示著化學(xué)工程科研及教學(xué)內(nèi)容所應(yīng)進(jìn)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(xué)工程領(lǐng)域的拓展與豐圖2　化學(xué)產(chǎn)品分類示意圖富[7]。從圖2中可看出，今天化學(xué)工程所提供的產(chǎn)品種類已從傳統(tǒng)的大宗化學(xué)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(xué)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(xué)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(gòu)而不是其分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)品，典型的如高分子合金；第三類是指那些能產(chǎn)生化學(xué)變化的裝置，例如在外科開胸手術(shù)中所用的血液氧生成裝置、人工腎等。他們將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程分解為四個(gè)步驟：首先是需求的確認(rèn)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(gòu)和性能的關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì)滿足特定需求的不同產(chǎn)品方案；然后是依據(jù)熱力學(xué)或動(dòng)力學(xué)對(duì)于不同產(chǎn)品或過程的方案進(jìn)行評(píng)價(jià)；最后是產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造[6]�！　№f潛光教授(James Wei)對(duì)于產(chǎn)品工程給出了如下定義：產(chǎn)品工程是設(shè)計(jì)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(rèn)產(chǎn)品功能與其化學(xué)組成或空間構(gòu)成的內(nèi)在關(guān)系、設(shè)計(jì)或改進(jìn)產(chǎn)品。他認(rèn)為，，化學(xué)工程師應(yīng)當(dāng)盡快從"過程工程師"轉(zhuǎn)變?yōu)?quot;產(chǎn)品工程師"，主動(dòng)獨(dú)立地從產(chǎn)品創(chuàng)意開始，改變以往只是跟隨著化學(xué)家或生物學(xué)家對(duì)新化學(xué)品的發(fā)現(xiàn)而主要進(jìn)行設(shè)備和過程設(shè)計(jì)、放大的工作思路。相應(yīng)地，現(xiàn)代化工教育應(yīng)當(dāng)為化學(xué)工程師成為產(chǎn)品工程師提供"知識(shí)工具箱"，加入生物、化學(xué)、數(shù)學(xué)等最新知識(shí)內(nèi)容。他認(rèn)為產(chǎn)品工程是化學(xué)工程學(xué)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(duì)于分子結(jié)構(gòu)和功能內(nèi)在關(guān)系的認(rèn)識(shí)，研究中更多地綜合應(yīng)用計(jì)算化學(xué)、顆粒學(xué)、流變學(xué)等來(lái)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)；而"過程工程"則注重在實(shí)施過程的空間和時(shí)間中分子轉(zhuǎn)化特性的準(zhǔn)確描述，從而保證目的產(chǎn)品的產(chǎn)率或純度。因此，計(jì)算流體力學(xué)、界面現(xiàn)象、傳遞、過程模擬與控制等構(gòu)成過程設(shè)計(jì)與優(yōu)化的基礎(chǔ)。"產(chǎn)品工程"與"過程工程"是相互促進(jìn)的，產(chǎn)品工程為新過程的產(chǎn)生提供了需求和動(dòng)力。2.2時(shí)空尺度　　現(xiàn)代化工最重要的特征之一是時(shí)空尺度的迅速擴(kuò)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(shí)空跨度達(dá)十余個(gè)數(shù)量級(jí)。圖3是描述目前化學(xué)工程研究中所涉及的具體學(xué)科內(nèi)容及其所處理對(duì)象的時(shí)空屬性的示意圖，它從另一個(gè)角度揭示了今天化學(xué)工程科學(xué)研究與工業(yè)實(shí)踐的豐富性。圖3　化工研究過程的時(shí)空尺度示意圖　　科學(xué)研究實(shí)踐表明對(duì)化工過程更機(jī)理、更深層次的理解要求不斷縮小研究空間尺度，從設(shè)備的宏觀尺度到多相流液滴、氣泡、顆粒(團(tuán)簇)的介觀尺度、再深入到膠束、納米聚團(tuán)、相界面的亞微觀尺度和分子組裝、超分子化學(xué)合成的分子尺度。在時(shí)間特性上，除了研究各類參數(shù)的時(shí)均值的分布規(guī)律，還要研究其在時(shí)域內(nèi)的混沌行為。此外，為使不同的化工過程實(shí)現(xiàn)集成和優(yōu)化，則需不斷擴(kuò)大研究的時(shí)空尺度�！　�(duì)于不同時(shí)空尺度的化工過程內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，是化學(xué)工程師將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與過程、設(shè)備設(shè)計(jì)高效率地結(jié)合起來(lái)的一個(gè)重要基礎(chǔ)。對(duì)不同尺度下過程的物理模型的建立、數(shù)學(xué)模型的抽提及在此基礎(chǔ)上的設(shè)備設(shè)計(jì)、過程控制和優(yōu)化，要求化學(xué)工程師具有更雄厚的物理學(xué)基礎(chǔ)和力學(xué)知識(shí)，掌握現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具，如計(jì)算流體力學(xué)等。李靜海院士和郭慕孫院士近年來(lái)致力于將多尺度方法應(yīng)用到反應(yīng)器內(nèi)兩相流分析，進(jìn)而指導(dǎo)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作優(yōu)化[9，10]。美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家將復(fù)雜系統(tǒng)多尺度分析作為科學(xué)方法中最基本的方法。因此，也有學(xué)者建議將化學(xué)工程進(jìn)入多尺度研究領(lǐng)域稱為化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的第三階段。如果我們把溫度作為一個(gè)尺度，與時(shí)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(chǎng)"和"流"的概念　　科學(xué)研究和工業(yè)實(shí)踐是建立并檢驗(yàn)知識(shí)體系的基礎(chǔ)，而科學(xué)概念的抽提則是發(fā)展知識(shí)體系的基本手

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