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Unit 10 What Is Chemical Engineering?什么是化學工程學廣義上講，工程學可以定義為對某一特殊工業(yè)所用技術和設備的科學表達。例如，機械工程學涉及的是制造機器的工業(yè)所用技術和設備。機械工程主要是以機械力為基礎，這種作用力可以改變所加工對象的外表或物理性質而不改變其化學性質。化學工程學包括原材料的化學過程，以更為復雜的化學和物理化學現(xiàn)象為基礎。因此，化學工程是工程的一個分支，它涉及工業(yè)化化學過程中工廠和機器的設計、制造、和操作的研究。上述的化學工程是以化學科學為基礎的，如物理化學，化學熱力學和化學動力學。然而這樣做的時候，它并不是僅僅簡單地照搬結論，而是要把這些知識運用于大批量生產的化學加工過程。把化學工程學與純化學區(qū)分開來的首要目的是“找到最經濟的生產路線并設計商業(yè)化的設備和輔助設備盡可能地適應它。”因此如果沒有與經濟學，物理學，數(shù)學，控制論，應用機械以及其它技術的聯(lián)系就不能想象化學工程會是什么樣的。早期的化學工程主要是一門描述性的學科。許多早期的有關化學工程的教科書和手冊都是那個時候已知的商品生產過程的百科全書。科學和工業(yè)的發(fā)展使化學品的制造數(shù)量迅速增加。例如，如今石油已經成為八萬多種化學產品生產的原材料。一方面是化學加工工業(yè)擴張的要求，另一方面是化學和技術水平的發(fā)展為化學工藝建立理論基礎提供了可能。隨著化學過程工業(yè)的發(fā)展，新的數(shù)據(jù)，新的關系和新的綜論不斷添加到化學工程學的目錄中。許多分支學科有它們自己的理由從化學工程學科的主流中分離出來，如工藝和工廠設計，自動化，化工工藝模擬和模型，等等。簡要的歷史輪廓綜觀歷史，化學工程與化學過程工業(yè)密不可分。在早期，化學工程隨著早期化學產品交易的發(fā)展而出現(xiàn)，是應用化學的純描述性的分支。在歐洲，基礎化學產品的制造似乎出現(xiàn)在15世紀。一些小的、專門生產酸、堿、鹽、藥物中間體和一些有機化合物的企業(yè)開始創(chuàng)立。由于十九世紀英國的學院化學家強調純化學的研究而不是應用化學，他們的已成為工業(yè)化學家的學生也只是定性和定量分析者。在19世紀80年代以前，德國的化學公司也是這樣。他們愿意聘請那些在大學里進行研究的人作顧問，這些人偶爾為生產制造的革新提供一些意見。然而到了19世紀80年代，工業(yè)家們開始認識到要把顧問們在實驗室的準備和合成工作進行放大是一個與實驗室研究截然不同的活動。因此他們開始將放大的問題及其解決方法視為化學方程可能是因為 那些在日益復雜的工業(yè)中從事于蒸汽機和泵維修工作、似乎最能理解所涉及過程的機械工程師，是最合適的人選。學院研究中頭和手兩分的現(xiàn)象逐漸消亡。單元操作。1881年英國曾經準備把新的化學工業(yè)協(xié)會命名為“化學工程師協(xié)會”，這個建議遭到了拒絕。另另一方面，來自工業(yè)部門的不斷增長的壓力所引起的結果是，技術研究機構（technical institution）的(curricula)課程開始反映了對化學工程師的需要而不是對有能力的 （analysts）分析人員的需要?，F(xiàn)在僅僅對現(xiàn)有工業(yè)過程進行描述已經不夠了，相反，希望各種具體的工業(yè)過程能得到分析。這就為引入熱力學前景及關于動力學、溶液和相的新物理化學提供了空間。在這個轉轉換過程中的一位關鍵的人物是化學顧問George Davis，化學工業(yè)協(xié)會的首任秘書。1887年Davis那時是Manchester技術學校的一名講師，做了一系列有關化學工程學的講座。他把化學工程學定義為對“機械和工廠應用于大規(guī)?；瘜W活動”的研究。這們以大規(guī)模工業(yè)化操作的的各種類型，如干燥、破碎、蒸餾、發(fā)酵、蒸發(fā)和結晶為中心的課程，不僅在英國，而且還有國外，逐漸被認為是許多課程的模式。英國直到1909年化學工程學才成為一門較為完善的課程，而在美國，MIT的Lewis Norton早在1888年就已率先開出了Davis型課程。1915年，Arthur D. little 在一份MIT的計劃書中，提出了“單元操作”這個概念，這種觀點幾乎囊括了20 世紀化學工程學科的顯著特征。Davis這一倡議的成功原因是很明顯的：該說法避免了揭露由專利或技術所有者的沉默（reticence）所保護的具體化工過程的機密，在過去這些因素嚴重地阻止了制造商去學院研究機構訓練計劃的支持。Davis 利用 將化學工業(yè)轉變?yōu)榭梢元毩⒀芯康模╯eparate）單個工序而克服了這一困難，同時他也在大學的中試工廠或技術大學車間的進行研究工作。 實際上Davis 運用了工業(yè)顧問的職業(yè)道德/規(guī)矩，借以把實踐經驗傳播于各車間和各個過程間，這種方式不會泄密那些對一指定工廠的利潤作出貢獻的秘密或具體知識。這種方傳播式 的秘密或具體的知識單元操作二概念認為，任何化工制造過程都能分解為相同的操作，如粉碎、 干燥、煅燒和電解，等等。這樣，例如松節(jié)油制造的某個具體方面的學術上理論研究，可以用 蒸餾的普通研究可以來替代，蒸餾是許多其它工業(yè)中常見的一種過程。單元操作概念的定量形 式大概于出現(xiàn)于1920 年，那時正值該國（指美國）第一次汽油危機?；瘜W工程師定性表征單 元操作（如蒸餾）的能力考慮到了第一個現(xiàn)代石油精煉廠的理性設計。在石油工業(yè)中化學工程 師這一職業(yè)第一次興旺開始了。（或者開始第一次成為緊俏的職業(yè)。） 在單元操作（intensive 密集）快速發(fā)展的這一個時期中，化學工程分析的其他傳統(tǒng)工具開 始被采用或得到了廣泛的開發(fā)，這些工具包括過程的物料和能量平衡的研究以及多組分體糸基 3 礎熱力學的研究。 化學工程師在幫助美國及其盟軍贏得二戰(zhàn)發(fā)揮了關鍵作用。他們開發(fā)了天然橡膠資源的人 造橡膠的合成路線，天然橡膠資源在戰(zhàn)爭早期已經落于日本的手中。他們提供了建立原子彈所 必要的“U-235”，通過一步法將u-235 生產過程從實驗室生產放大到曾經所建立的最大的工業(yè) 化工廠。他們對優(yōu)化青霉素的生產方面的幫助很大，青霉素生產挽救了成千上萬的受傷士兵的 生命。 工程學科的運動（movement） 化學工程師不滿足于過程設備名性能的經驗描述，他們 開始從更加基礎的觀點重新研究單元操作。發(fā)生于單元操作中的現(xiàn)象可以由分子運動來解釋。 這些運動的定量機械模型得到了開發(fā)，并用于分析現(xiàn)有的設備。過程和反應器的數(shù)學模型得到 了開發(fā)并應用于資本密集型的美國工業(yè)，例如商品石油化學品。 在工程科學運動發(fā)展的同時，伴隨著以目前形式存在的核心化學工程課程的進化。核心課 程的發(fā)展快于其它的工程學科發(fā)展，化學工程師在解決復雜問題時有信心將其它學科知識結合 起來，核心課程正是造成他們有信心的原因。 核心課程在一些基礎科學包括數(shù)學、物理和化學中提供知識背景。在從事以化學工程為中 心課題的嚴格研究時，這些背景知識是有必要的，這些背景包括： 多組分體系熱力學和動力學 傳遞現(xiàn)象 單元操作 反應工程 過程設計和控制以及 工廠設計和系統(tǒng)工程 這方面知識的鍛煉使化學工程在許多交叉學科的領域里成為主要的貢獻者（作出了主要的 貢獻），這些交叉學科包括：催化膠體科學和技術、燃燒、電化學工程以及聚合物科學和技術。 2化學工程的基本趨勢 要將來的幾年內，智力的進步，技術（technologic）的挑戰(zhàn)以及經濟的驅動力這三方面的 交匯（共同作用），將會形成化學工程學科是什么以及化學工程從事什么方面的工作的一種新 的模式。 化學工程所關注的（焦點），一直是改變物料的物理狀態(tài)和化學組成的工業(yè)過程。 化學工 程師從事（engage in）過程的合成、設計、放大測試、操作、控制及其優(yōu)化。他們所研究的問 題的規(guī)模和復雜程度的傳統(tǒng)水平用專用名詞“中等尺度”來表示，中等規(guī)模的實例包括單個過程 （單元操作）的反應器和設備以及生產工廠中各單元操作的組合。未來的中等尺度研究，由微 觀尺度和極端復雜體系的宏觀尺度將不斷得到補充。4 末來的化學工程師，與其他任何的工程分支學科相比，將綜合更廣泛的研究規(guī)模。例如， 一些工程師在從事工作時，要將環(huán)境的宏觀尺度與燃燒體系的中等尺度、分子反應和傳遞的微 觀尺度聯(lián)系起來。其它的工程師工作要將合成的（composite）飛機的宏觀性能與形成機翼的 化學反應器的中等尺度聯(lián)系起來，該反應器的設計可能受復雜（complex）液體的微觀動力學 研究的影響。 因此，未來的化學工程師將能設計并嚴格地解決小到微觀尺度大到宏觀尺度范圍問題。他 們將從其它學科（分子生物學、化學、固態(tài)物理學、材料學和電氣（electrical）工程中為研究 和實踐帶來的新的研究工具和洞察力（insight）。同時，在解決問題時，在產品和過程設計以 及生產過程中，他們越來越多地使用計算機、人工智能和專家系統(tǒng)。 化學工程學科的藍圖包括兩個重要的發(fā)展（development）。 化學工程師將越來越更加積極參與作為過程設計補充的產品設計。隨著產品的性能特 征與其生產方式聯(lián)系日益緊密，產品和過程設計的傳統(tǒng)區(qū)別將變得模糊不清。在那些生產專有 的（proprietary）、特異（differentiated）產品（專門用于嚴格的性能規(guī)格（specification）的 已建好和即將興起（emerging）的工業(yè)中，將存在著一種特殊的設計挑戰(zhàn)。因為 這些產品在市 場上很快被較新的產品所代替，所以它們具有快速革新的特點。 化學工程師將會經常參加多學科（multidispl