化學(xué)工程的發(fā)展與展望

化學(xué)工程的發(fā)展與展望化學(xué)工程的發(fā)展與展望

化學(xué)工程是將化學(xué)過(guò)程和物理過(guò)程的基礎(chǔ)理論研究與工業(yè)化學(xué)相結(jié)合的學(xué)科，不僅是一門具有百年歷史的成熟基礎(chǔ)學(xué)科，也是充滿朝氣、與時(shí)俱進(jìn)的學(xué)科。

1化學(xué)工程的興起

幾千年來(lái)過(guò)濾、蒸發(fā)、結(jié)晶等操作在生產(chǎn)中被廣泛的應(yīng)用，但在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期里，這些操作都是規(guī)模很小的手工作業(yè)?；瘜W(xué)工程這一學(xué)科，是在19世紀(jì)后期隨著大規(guī)模制造化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程的發(fā)展而誕生的。

19世紀(jì)70年代，各種基礎(chǔ)化學(xué)品的生產(chǎn)等都有了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，化學(xué)工業(yè)有了許多杰出的成就。如索爾維法制堿中所用的純堿碳化塔，高20余米，在其中同時(shí)進(jìn)行化學(xué)吸收、結(jié)晶、沉降等過(guò)程，但是人們還沒(méi)有從其中找出共有的規(guī)律。1880年，“化學(xué)工程”第一次被英國(guó)學(xué)者GeorgeE.Davis正式提出，1888年，美國(guó)麻省理工學(xué)院開設(shè)了第一個(gè)以“化學(xué)工程”命名的課程，標(biāo)志著化學(xué)工程學(xué)科的誕生。1915年，本文由收集整理美國(guó)學(xué)者ArthurD.Little提出了“單元操作”，將各種化學(xué)品的工業(yè)生產(chǎn)工藝分解為若干獨(dú)立的物理操作單元，并闡明了即使是不同的工藝，只要是相同操作單元就遵循的相同原理。

1920年，在美國(guó)麻省理工學(xué)院，化學(xué)工程從化學(xué)系分離出來(lái)，成為一個(gè)獨(dú)立的系。1923年華克爾、劉易斯和W.H.麥克亞共同寫的《化工原理》一書出版，奠定了化學(xué)工程作為一門獨(dú)立的工程學(xué)科的基礎(chǔ)。

2化學(xué)工程的發(fā)展

2.120世紀(jì)前葉，化學(xué)工程二級(jí)學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生

在20世紀(jì)前葉，化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)了許多化學(xué)工藝的問(wèn)世，如美國(guó)用丙烯合成出異丙醇，被譽(yù)為是石油化工的開端。這些化學(xué)工藝的出現(xiàn)，許多化學(xué)工程二級(jí)學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。

化學(xué)熱力學(xué)，化學(xué)反應(yīng)工程，傳遞過(guò)程，化工系統(tǒng)工程，化工控制工程等多個(gè)二級(jí)學(xué)科相繼誕生。

2.220世紀(jì)50～60年代，化學(xué)工程完成了從單元操作到

三傳一反

傳遞過(guò)程中動(dòng)量傳遞的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)，熱量傳遞的理論基礎(chǔ)是傳熱學(xué)，質(zhì)量傳遞的理論基礎(chǔ)是傳質(zhì)學(xué)，20世紀(jì)50～60年代，科學(xué)家將數(shù)學(xué)和物理的方法引入傳遞過(guò)程的研究，使傳遞過(guò)程學(xué)科有了較大的發(fā)展。1957年在第一屆化學(xué)反應(yīng)工程會(huì)議上確定了化學(xué)反應(yīng)學(xué)科的研究?jī)?nèi)容和范圍，從而確定化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的概念?；瘜W(xué)工程完成了從單元操作到三傳一反的過(guò)渡。

20世紀(jì)60年代以后，化學(xué)工程的各個(gè)主要部分，石油化工，煤化工，有機(jī)合成，工業(yè)催化等蓬勃發(fā)展，化學(xué)工程作為化學(xué)工藝和化學(xué)工業(yè)的理論指導(dǎo)，化學(xué)工藝對(duì)化學(xué)工程的過(guò)程體現(xiàn)，化學(xué)工業(yè)對(duì)化學(xué)工程的廣泛應(yīng)用，三者相互促進(jìn)，化學(xué)工程達(dá)到一個(gè)新的高度。

2.320世紀(jì)末至今，化學(xué)工程與新技術(shù)學(xué)科和計(jì)算相結(jié)合

20世紀(jì)末至今，化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)一是化學(xué)工程與新技術(shù)學(xué)科交叉滲透，形成一些新的邊緣學(xué)科，二是與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，促進(jìn)化學(xué)工程在各領(lǐng)域的發(fā)展。

2.3.1化學(xué)工程與新技術(shù)學(xué)科交叉滲透

化學(xué)工程與生物化學(xué)、微生物學(xué)的結(jié)合形成生物工程科學(xué)，其中，發(fā)展迅速的是發(fā)酵工程、基因工程及細(xì)胞工程。如果說(shuō)抗生素的誕生是生物學(xué)的發(fā)展，那么抗生素的大量生生產(chǎn)則是化學(xué)工程的功勞，化學(xué)工程解決了生物學(xué)過(guò)去用常規(guī)方法不能生產(chǎn)或者生產(chǎn)成本特別昂貴的藥品的生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題，使胰島素、干擾素等工業(yè)化生產(chǎn)。

化學(xué)工程與電子學(xué)的結(jié)合，形成微電子化學(xué)工程，如被譽(yù)為第四代照明光源的，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的LED燈，白光LED的實(shí)現(xiàn)是用光敷轉(zhuǎn)化法，LED芯片發(fā)光激發(fā)熒光粉，芯片與熒光粉發(fā)出的光混合形成白光，其中熒光粉的生產(chǎn)是重點(diǎn)。現(xiàn)有的熒光粉都是通過(guò)化學(xué)方法制備的，有磷酸鹽、硅酸鹽體系熒光粉。現(xiàn)在充足的LED燈市場(chǎng)是化學(xué)工業(yè)制備熒光粉方法的不斷增加的結(jié)果，所以說(shuō)微電子工業(yè)的發(fā)展離不開化學(xué)工程的進(jìn)步。

2.3.2化學(xué)工程與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，化學(xué)工程的研究中又增加了計(jì)算機(jī)模擬的方法，它已經(jīng)逐漸成為化學(xué)工程中最富有生命力的研究方法。出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)化工模擬，其中最重要的模擬是流程模擬。流程模擬就是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的模擬，由于這一過(guò)程并不涉及到實(shí)際裝置的任何管線和設(shè)備的布置，物料衡算，能量衡算等這一切由程序完成。流程模擬還可以由計(jì)算機(jī)完成經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，環(huán)境評(píng)估和方案優(yōu)化對(duì)比，現(xiàn)在較成熟的流程模擬軟件有AspenPlus系統(tǒng)和PROII系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)還在單元模擬，分子模擬，化工圖樣設(shè)計(jì)，化工計(jì)算等方面有重要的應(yīng)用。分子模擬深入到操作內(nèi)部的傳質(zhì)過(guò)程和反應(yīng)過(guò)程，可以到納米級(jí)模擬。計(jì)算機(jī)在化工計(jì)算中的應(yīng)用，提高了工業(yè)的效率，最大的轉(zhuǎn)變是化學(xué)技術(shù)以從前的先實(shí)驗(yàn)再計(jì)算，發(fā)展到如今的先計(jì)算模擬再實(shí)驗(yàn)。這些計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用大大促進(jìn)了化學(xué)工程學(xué)科的進(jìn)步。

3化學(xué)工程的未來(lái)展望

在未來(lái)，化學(xué)工程學(xué)科將保持它不斷發(fā)展的腳步，煥發(fā)新的活力，一方面將推進(jìn)化學(xué)工業(yè)的技術(shù)改革，另一方面將繼續(xù)與新技術(shù)學(xué)科的前沿結(jié)合，以推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步和環(huán)境的改善。

化學(xué)工業(yè)中新方法新技術(shù)的開發(fā)和改革都離不開化學(xué)工程的理論指導(dǎo)，如許多復(fù)雜工藝耗時(shí)長(zhǎng)，能耗大，不經(jīng)濟(jì)，未來(lái)將許多工藝逐步向串聯(lián)一步反應(yīng)改進(jìn)，變成簡(jiǎn)單工藝方便實(shí)現(xiàn)，這些自然離不開單元操作，三傳一反，過(guò)程控制等化學(xué)工程的理論。

正如100年前從化學(xué)中分裂出了化學(xué)工程一樣，今天在化學(xué)工程中又將分化出新的學(xué)科?；瘜W(xué)工程為生命科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，在未來(lái)將出現(xiàn)生命化學(xué)工程等學(xué)科?；瘜W(xué)工業(yè)的研究對(duì)象從無(wú)生命到有生物活力。如人的身體實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一座構(gòu)造復(fù)雜的小型化工廠，許多生理過(guò)程可以通過(guò)化學(xué)工程的原理進(jìn)行解釋，腸胃消化吸收可用傳質(zhì)原理解釋，近來(lái)轟動(dòng)國(guó)際科學(xué)界的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物及細(xì)胞工程的一些問(wèn)題中有待化學(xué)工程學(xué)科提供理論指導(dǎo)，如外源基因?qū)松w內(nèi)的原理與技術(shù)，哺乳動(dòng)物作為生物反應(yīng)器的新技術(shù)等。

化學(xué)工業(yè)在促進(jìn)人類文明進(jìn)步的同時(shí)，也產(chǎn)生了工業(yè)污染和排放，消耗了大量能源與資源。正因?yàn)槿绱耍瘜W(xué)工程學(xué)科還將在未來(lái)環(huán)境保護(hù)和改善中發(fā)揮了不可替代的作用。用清潔能源代替現(xiàn)在的不可再生能源，開發(fā)新能源，用化學(xué)法處理工業(yè)廢氣，用無(wú)毒溶劑代替現(xiàn)在使用的有毒