化学工程科学发展的回顾与思考

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

中图分类号　T Q 02 文献标识码　A 文章编号　1000-6613(2002)02-0087-05

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S O 2、NO x 和C O 2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

收稿日期:2001-12-19。

第一作者简介　刘铮(1964—

),男,教授,博士生导师。主要从事化学工程与生物化工技术研究。电话010-********。

78?　2002年第21卷第2期化工进展

CHE MIC A L I NDUSTRY AND E NGI NEERI NG PROG RESS

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M oggridge 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

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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 Alam os 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段。G iddings 教授曾试图从“场”和“流”的观点出发来建立统一的分离科学,在技术的丰富性背后去寻找科学的系统同一性与完美性[11]。袁乃驹教授等拓展了“场”和“流”的概念,将“场”定义为能够产生空间化学势差异的推动力,如温度场、重力场、电场、磁场和超声场等;而“流”是在“场”作用下产生的穿过空间指定界面的物流和能量流,并将其应用于描述和分析化工反应与分离过程[12]。其研究结果表明,现有的化工反应和分离过程均可以表示若干类“场”和“流”的组合,可以用形式类似的数学方程来描述,其过程能否连续、分离与反应过程的深度是由“场”“流”结合方式和“场”的相对强度所决定,多“场”过程是提高化工反应转化率或专一性或分类过程精度的重要方式。事实上,“过程耦合”及“外场强化”是化工反应或分离新过程和新技术研究中最为活跃的内容之一。

3　化学工程科学体系的再认识

为反映今天的化学工程所服务的产品对象及化工过程的丰富性和复杂性,有必要重新审视化学工程学科的内涵和化工科研工作者和工程师的工作内容和方式。美国化学工程师学会在其《化学工程前

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沿》一书中对化学工程的定义如下:化学工程是深深地植根于原子、分子和分子转化的工程学科(Chemical engineering is an engineering discipline with deep roots in the w orld of atoms ,m olecules and m olecular trans formations )[1]。这个定义更强调了基础学科如物理、化学、生物化学等在化学工程研究中的作用,淡化了具体的行业界限。然而,这个定义对于化学工程的过程特性反映得不够充分。郭慕孙教授和陈家镛教授详细阐明了化学工程的“过程工程”属性,并提出了该学科体系范畴中的新学科特征与前沿[13,14]。英国Bath 大学的H owell 教授是这样来描述化学工程师工作及其应发挥的作用的:“科学研究中我们要应用一种反向设计概念———从分析客户需要开始,然后是产品设计,进而过程设计,最后回答需要开展什么样的研究。化学工程师将和科学家们共同完成上述过程,而我们化学工程师的角色就是以一种量化的方式将多学科综合起来,并化

繁为简地将它们应用于科研工作”[15]

。他全面地描述了当今化学工程师的工作内容和方法,即将“过程工程”与“产品工程”相结合。

工程科学的发展要求我们对于化学工程的“过程工程科学”本质进行更进一步的阐述,并且能够具有更广泛的基础性和包容性。以生物化工为例,现代生物技术的发展已经展现出细胞或者微生物作为现代“化工厂”生产医药及特殊化学品的光明前景。与常规化学反应不同,以分子识别为基础的信息传递在生物化工中具有重要的作用。诺贝尔奖获得者Jean 2Marie Lehn 将生物学“分子识别”的概念进一步发展,提出“分子识别”所需要的“化学信息”都储存在相互作用的分子构造之中。在化学反应中,分子将根据自身和对方提供的化学信息寻求最佳的耦合状态,由此决定了反应的机理和产物的组成。按照这一思想,Lehn 成功地合成了大量超分子化合物及具有特定空间结构的化合物[16]。信息化学的出现和建立表明信息传递和转化在化学工程中的重要作用。

在宏观尺度上,现代化工企业已经实现在车间和工厂之间的信息传递,以此为基础实现产业信息化。在未来生态工业园区的设计和实施过程中,需要使工业园区内企业的上百种不同组成和品质的物流和能流有机组合,实现最佳的能量和物质利用。可见,信息的传递和转化更成为一个基本问题。

由上述事实出发,作为与“单元操作”和“三传一反”具有延续性的发展,金涌院士提出以“

物

图4　化工学科组成及其服务领域示意图

质的传递与转化”、“能量的传递与转化”及“信息的传递和转化”,即“三传三转”来描述今天的化

学工程学科体系结构,因为能量传递与动量传递本质上是一致的,而信息传递则遵循不同的法则。图4中展现的是我们对于现代化学工程与其他学科相互作用与相互推进作用的认识。21世纪化学工程学科的发展需要不断吸收生物、化学、物理等主要基础学科的最新研究成果及信息、材料和环境等学科所提供的新工具,这是学科发展的科学推动力。与此同时,化学工程学科的发展应当面向资源、能源、环境和健康(医药)领域的广阔需求,这是学科的市场拉动力。化学工程学者将越来越多地加入多学科交叉的研究队伍,参与产品设计,负责工艺开发和过程优化,最终完成产业化。这反映出知识经济时代工业发展的基本特点———以新产品带动新产业,化学工程学科作为物质生产基本工具的作用更加突出和重要。

4　结　语

作为一门工程学科,化学工程学科的发展是与工业和社会经济发展密切相关的。如图5所示,经济发展的需求是学科发展的火车头,而基础科学则是化学工程基础研究和工业进步的知识源泉,化学工程作为物质和能源生产的基础工程技术的属性决定了它在未来社会中不可动摇的基础产业重要地位。然而,化学工程师的成功与否则取决于他对社会需求的敏感度,对网络时代经济全球化背景下的经济—产业—技术—社会的内在联系的认识及其创新能力,而创新能力是建立在其自然科学功底和对现代高新技术的把握之上的。

我国化学工程学科的建设应突出“生态化学工

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图5　化工学科及其发展机制示意图

业”的发展方向,以资源—能源—环境综合开发为目标,将“产品工程”和“过程工程”相结合,将生物技术和信息技术与化学工程和工艺有机结合,形成以工业生物催化为核心的“生物化学工程”、以“过程和系统模拟优化”为基础的“数字化化学工程”及以“纳米加工技术及应用”为基础的“纳米化学工程”,紧密结合我国国民经济发展的需要,主动拓宽学科服务的行业领域,在全球化竞争的背景下,建立中国强有力的化学工程知识创新及产业发展能力。

20世纪的化学工程学科的发展过程表明,不

断根据科学和工业的发展进步完善和更新学科体系

框架和内容是学科持续发展的保证和生命力所在。在迅速发展的21世纪,我们更应积极注重学科框架体系的更新和完善,否则,就会被时代所遗弃。本文也是基于同样的出发点,对国内外有关化学工程学科发展方面的主要研究观点进行综述并提出一些初步观点,仅供交流和讨论。

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R ecent Development of Chemical E ngineering Science

Liu Zheng ,Jin Yong ,Wei Fei ,Li Yourun ,Luo Guangsheng ,Yuan Naiju

(Department of chemical engineering ,Tsinghua University ,Beijing ,100084)

Abstract A brief overview of the development of chemical engineering science is presented with em phasis on the recent advancement and contribution in the fields of product engineering ,time and spatial scale analysis of chemical engineering processing,and the process characterization and analysis with “field ”and “flow ”.T o reflect the com plexity and prosperity of current chemical engineering practice ,it is recommended to apply mass transport and conversion ,energy transport and conversion ,and information transport and conversion ,to describe and analysis chemical engineering processes.A prospect for the chemical industry and chemical engineering science in China is presented at the end of this review.

K eyw ords chemical engineering science ,mass transport and conversion ,energy transport and conversion ,information transport and conversion

(编辑　张永圻)

19?　第2期刘铮等:化学工程科学发展的回顾与思考