[综述] 化学工程科学发展的回顾与思考

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发信人: Hardson (先天下之忧而忧), 信区: ChemicalEng标 题: [综述] 化学工程科学发展的回顾与思考发信站: BBS 水木清华站 (Tue Oct 5 16:45:55 2004), 站内化工进展 Chemical Industry Engineering Process 2002年第21卷第2期 专题报道化学工程科学发展的回顾与思考刘　铮　金　涌　魏　飞　李有润　骆广生　袁乃驹(清华大学化学工程系，北京，100084)摘　要　　　简述了化学工程科学发展的主要成果，重点介绍了近期发展的"产品工程"、化学工程中的尺度问题及化工过程"场"和"流"分析等方面的进展及其对化学工程科学内容的贡献；提出以"质量传递与转化"，"能量传递与转化"及"信息传递与转化"来描述现代化学工程学科体系。本文还对我国化工科学及产业发展进行了展望。关键词　化学工程科学，质量传递与转化，能量传递与转化，信息传递与转化　　过去的20世纪是化学工程学科诞生与迅速发展并对人类文明进程产生重大影响的一百年：40年代流态化技术应用于石油催化裂化过程使石油化学工业产生了划时代的变化；溶剂萃取法用于核燃料后处理中分离钚及精密精馏用于重水的提取为核工业的发展奠定了基础；深层培养法用于大规模生产青霉素标志着现代制药工业的产生；60年代末化工系统优化的出现并与计算机控制技术相结合为超大型现代化工企业的发展奠定了基础；80年代人工脏器与大规模动植物细胞培养及高精密度分离技术的发展使生物技术的基础研究成果造福于人类的健康；90年代先进材料制备工艺与设备的开发则直接推动着信息产业的发展。化学工程为现代高新技术产业的发展提供了最基本的生产手段与技术[1]。　　伴随着人类社会进入21世纪，知识经济及全球化改变了全球经济的格局及工业运行和管理方式。信息、健康(医药)、能源和环保产业迅速崛起，这些领域的企业的产值和市值迅速攀升，传统化工产业则主要通过企业合并重组来降低运营和生产成本。如何通过科技及产业创新来重塑化学工业的核心竞争优势成为化学工程研究者和工程师在进入21世纪所面临的严峻挑战。这也成为化学工程学科建设的中心任务。而回答这些问题则需要从新的视角出发，重新审视被认为已经是成熟学科的化学工程的学科内涵与体系，通过吸收和总结相关科学、技术与产业发展的最新成果来丰富和更新化工学科体系和内容，为化工产业的发展提供科技动力和人才支持。　　对于中国的化学工程师和科研工作者，在思考上述问题的同时，还应特别关注化学工业在13亿人口的中

国发展中的重要地位。总体而言，我国社会和工业发展水平与欧美发达国家相比还有相当的距离，对于基本和特殊化学品均存在巨大的需求，这为化学工业的发展提供了广阔的空间，化学工业仍将是我国国民经济发展的主要支柱产业。但目前国内不同化工部门及企业之间的技术及管理水平存在很大的差异，生产的物耗和能耗高、环境污染严重。以2000年为例，　　我国工业废弃物达十亿吨级，危险废弃物达千万吨级、其中80%属于化学品污染。煤炭是我国能源结构的主要组成部分，燃煤产生的SO2、NOx和CO2的污染十分严重，每年排放量分别超过2000万t、1000万t和20亿t，这些问题成为社会可持续发展的巨大障碍。因此，实现资源的循环利用、能源的最优利用、污染的源头治理成为新世纪中国化学工业发展的方向。近年来，国内许多学者开展了大量的研究工作如绿色过程工程[2]、生态工业园区[3]及生态过程工业[4]等并付诸于工业实践和工业园区规划。这些理论与实践探索促进了化学工程与其他学科的交叉，丰富了人们对于化学工程学科内容与体系的认识。1　20世纪化学工程科学体系的演进　　1888年美国MIT首先推出了化学工程课程体系并于1920年建立了化学工程系。1915年Little提出单元操作的概念，将复杂的化工生产过程归纳为有限的单元操作，如粉碎、过滤、萃取、精馏等等，初步奠定了化学工程的科学基础，"单元操作"被公认为化学工程学科体系第一个阶段的标志(first paradigm)[5]。　　1957年反应工程形成独立学科及1960年Bird等编著的《传递现象》将化学工程学科发展引向第二个阶段，即从分子水平来研究单元操作，由此形成了由多组分热力学与动力学、传递现象、单元操作、反应工程、设备设计与控制、工厂设计与系统工程组成的化学工程学科基本体系，其特征被归纳为"三传一反"，即传质、传热、动量传递及反应工程。这个阶段也是20世纪化学工业与化学工程学科相互促进并迅速发展的黄金时代，化学工业逐渐成为世界主要发达国家如美国、德国等最重要的国民经济支柱产业。在我国，以石化工业为代表的化学工业也成为对国民经济贡献最大的行业。图1是对化学工程学科内容及各国化学工程学科优势的示意图[6]。"三传一反"成为化学工程学科建设第二阶段的标志(second paradigm)。图1　化学工程学科框架与内容示意图2　化学工程科学发展的最新动态　　进入21世纪，生命科学、信息技术、材料科学及环境科学迅速发展并由此产生以微软为代表的高新技术产业，化学工程为这些学科科技

成果产业化提供了基础技术平台，高新技术产业的发展为化学工程科学工作者将高新技术引入化学工业提供了机遇，同时促使他们重新认识已经被认为是成熟学科的化学工程学科体系与内容：化学工程学科建设是否已经进入了第三阶段?如果是，那么第三阶段的内涵、标志或里程碑是什么?这些已成为近年来各国学者研究讨论的一个热点话题。对这些问题的讨论对于新世纪化学工程的学科建设及化学工业的持续发展具有重要的理论和实践意义。因此，国际国内许多学者都从不同的角度尝试对上述问题进行回答。2.1产品工程　　产品是描述化学工业和化工过程的一个重要特征，产品的丰富不仅意味着化学工业核心业务的拓宽，过程的多样化，同时预示着化学工程科研及教学内容所应进行的调整与改革。Westerberg教授从产品的角度揭示了今天化学工程领域的拓展与丰图2　化学产品分类示意图富[7]。从图2中可看出，今天化学工程所提供的产品种类已从传统的大宗化学品如化肥、聚乙烯、聚丙烯等拓展到更多种类的新产品，新产品从内在组成到外在形态及使用过程都有别于传统意义上的"化学品"。Cussler和Moggridge将其分为三类：第一类是具有特殊功能和用途的化学品，典型的如医药产品；第二类是指产品功能主要依赖于其空间结构而不是其分子结构的化学品，典型的如高分子合金；第三类是指那些能产生化学变化的装置，例如在外科开胸手术中所用的血液氧生成装置、人工肾等。他们将产品设计过程分解为四个步骤：首先是需求的确认并将定性的需求量化为产品性能规格；其次是根据产品结构和性能的关系来设计满足特定需求的不同产品方案；然后是依据热力学或动力学对于不同产品或过程的方案进行评价；最后是产品的生产和制造[6]。　　韦潜光教授(James Wei)对于产品工程给出了如下定义：产品工程是设计或革新人们所需要的有用产品的过程。其主要步骤包括定位产品的功能、确认产品功能与其化学组成或空间构成的内在关系、设计或改进产品。他认为，，化学工程师应当尽快从"过程工程师"转变为"产品工程师"，主动独立地从产品创意开始，改变以往只是跟随着化学家或生物学家对新化学品的发现而主要进行设备和过程设计、放大的工作思路。相应地，现代化工教育应当为化学工程师成为产品工程师提供"知识工具箱"，加入生物、化学、数学等最新知识内容。他认为产品工程是化学工程学科发展第三阶段的里程碑[8]。　　"产品工程"与"过程工程"是相互联系的，"产品"决定"过程"的组

成；而"过程"决定"产品"的品质。"产品工程"与"过程工程"又各有侧重，产品工程依赖于研究者对于分子结构和功能内在关系的认识，研究中更多地综合应用计算化学、颗粒学、流变学等来进行分子设计；而"过程工程"则注重在实施过程的空间和时间中分子转化特性的准确描述，从而保证目的产品的产率或纯度。因此，计算流体力学、界面现象、传递、过程模拟与控制等构成过程设计与优化的基础。"产品工程"与"过程工程"是相互促进的，产品工程为新过程的产生提供了需求和动力。2.2时空尺度　　现代化工最重要的特征之一是时空尺度的迅速扩展，从原子尺度下的原子、分子自组装过程，到考虑到全球环境变化的生态过程，其时空跨度达十余个数量级。图3是描述目前化学工程研究中所涉及的具体学科内容及其所处理对象的时空属性的示意图，它从另一个角度揭示了今天化学工程科学研究与工业实践的丰富性。图3　化工研究过程的时空尺度示意图　　科学研究实践表明对化工过程更机理、更深层次的理解要求不断缩小研究空间尺度，从设备的宏观尺度到多相流液滴、气泡、颗粒(团簇)的介观尺度、再深入到胶束、纳米聚团、相界面的亚微观尺度和分子组装、超分子化学合成的分子尺度。在时间特性上，除了研究各类参数的时均值的分布规律，还要研究其在时域内的混沌行为。此外，为使不同的化工过程实现集成和优化，则需不断扩大研究的时空尺度。　　对于不同时空尺度的化工过程内在联系的认识，是化学工程师将产品设计与过程、设备设计高效率地结合起来的一个重要基础。对不同尺度下过程的物理模型的建立、数学模型的抽提及在此基础上的设备设计、过程控制和优化，要求化学工程师具有更雄厚的物理学基础和力学知识，掌握现代数学工具，如计算流体力学等。李静海院士和郭慕孙院士近年来致力于将多尺度方法应用到反应器内两相流分析，进而指导反应器的设计和操作优化[9，10]。美国Los Alamos国家实验室的科学家将复杂系统多尺度分析作为科学方法中最基本的方法。因此，也有学者建议将化学工程进入多尺度研究领域称为化学工程学科发展的第三阶段。如果我们把温度作为一个尺度，与时间和空间尺度相结合，所产生的立体尺度空间将可能更好地描述现有的化工过程，并为过程创新灵感的产生提供更广阔的空间。2.3化工过程的广义描述方法--"场"和"流"的概念　　科学研究和工业实践是建立并检验知识体系的基础，而科学概念的抽提则是发展知识体系的基本手

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