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Unit 10 What Is Chemical Engineering?什么是化學(xué)工程學(xué)廣義上講，工程學(xué)可以定義為對某一特殊工業(yè)所用技術(shù)和設(shè)備的科學(xué)表達。例如，機械工程學(xué)涉及的是制造機器的工業(yè)所用技術(shù)和設(shè)備。機械工程主要是以機械力為基礎(chǔ)，這種作用力可以改變所加工對象的外表或物理性質(zhì)而不改變其化學(xué)性質(zhì)?；瘜W(xué)工程學(xué)包括原材料的化學(xué)過程，以更為復(fù)雜的化學(xué)和物理化學(xué)現(xiàn)象為基礎(chǔ)。因此，化學(xué)工程是工程的一個分支，它涉及工業(yè)化化學(xué)過程中工廠和機器的設(shè)計、制造、和操作的研究。上述的化學(xué)工程是以化學(xué)科學(xué)為基礎(chǔ)的，如物理化學(xué)，化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)。然而這樣做的時候，它并不是僅僅簡單地照搬結(jié)論，而是要把這些知識運用于大批量生產(chǎn)的化學(xué)加工過程。把化學(xué)工程學(xué)與純化學(xué)區(qū)分開來的首要目的是“找到最經(jīng)濟的生產(chǎn)路線并設(shè)計商業(yè)化的設(shè)備和輔助設(shè)備盡可能地適應(yīng)它?！币虼巳绻麤]有與經(jīng)濟學(xué)，物理學(xué)，數(shù)學(xué)，控制論，應(yīng)用機械以及其它技術(shù)的聯(lián)系就不能想象化學(xué)工程會是什么樣的。早期的化學(xué)工程主要是一門描述性的學(xué)科。許多早期的有關(guān)化學(xué)工程的教科書和手冊都是那個時候已知的商品生產(chǎn)過程的百科全書?？茖W(xué)和工業(yè)的發(fā)展使化學(xué)品的制造數(shù)量迅速增加。例如，如今石油已經(jīng)成為八萬多種化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)的原材料。一方面是化學(xué)加工工業(yè)擴張的要求，另一方面是化學(xué)和技術(shù)水平的發(fā)展為化學(xué)工藝建立理論基礎(chǔ)提供了可能。隨著化學(xué)過程工業(yè)的發(fā)展，新的數(shù)據(jù)，新的關(guān)系和新的綜論不斷添加到化學(xué)工程學(xué)的目錄中。許多分支學(xué)科有它們自己的理由從化學(xué)工程學(xué)科的主流中分離出來，如工藝和工廠設(shè)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(xué)工程與化學(xué)過程工業(yè)密不可分。在早期，化學(xué)工程隨著早期化學(xué)產(chǎn)品交易的發(fā)展而出現(xiàn)，是應(yīng)用化學(xué)的純描述性的分支。在歐洲，基礎(chǔ)化學(xué)產(chǎn)品的制造似乎出現(xiàn)在15世紀。一些小的、專門生產(chǎn)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(xué)院化學(xué)家強調(diào)純化學(xué)的研究而不是應(yīng)用化學(xué)，他們的已成為工業(yè)化學(xué)家的學(xué)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(xué)公司也是這樣。他們愿意聘請那些在大學(xué)里進行研究的人作顧問，這些人偶爾為生產(chǎn)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(xué)方程可能是因為 那些在日益復(fù)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(xué)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(jīng)準備把新的化學(xué)工業(yè)協(xié)會命名為“化學(xué)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(jié)果是，技術(shù)研究機構(gòu)（technical institution）的(curricula)課程開始反映了對化學(xué)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(jīng)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(xué)前景及關(guān)于動力學(xué)、溶液和相的新物理化學(xué)提供了空間。在這個轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換過程中的一位關(guān)鍵的人物是化學(xué)顧問George Davis，化學(xué)工業(yè)協(xié)會的首任秘書。1887年Davis那時是Manchester技術(shù)學(xué)校的一名講師，做了一系列有關(guān)化學(xué)工程學(xué)的講座。他把化學(xué)工程學(xué)定義為對“機械和工廠應(yīng)用于大規(guī)?；瘜W(xué)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(jié)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(xué)工程學(xué)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(xué)工程學(xué)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(shù)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(xué)院研究機構(gòu)訓(xùn)練計劃的支持。Davis 利用 將化學(xué)工業(yè)轉(zhuǎn)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(xué)的中試工廠或技術(shù)大學(xué)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(jīng)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(xué)術(shù)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(xué)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(shè)計。在石油工業(yè)中化學(xué)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(xué)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(chǔ)熱力學(xué)的研究。 化學(xué)工程師在幫助美國及其盟軍贏得二戰(zhàn)發(fā)揮了關(guān)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(jīng)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(chǎn)過程從實驗室生產(chǎn)放大到曾經(jīng)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(chǎn)方面的幫助很大，青霉素生產(chǎn)挽救了成千上萬的受傷士兵的 生命。 工程學(xué)科的運動（movement） 化學(xué)工程師不滿足于過程設(shè)備名性能的經(jīng)驗描述，他們 開始從更加基礎(chǔ)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(shè)備。過程和反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型得到 了開發(fā)并應(yīng)用于資本密集型的美國工業(yè)，例如商品石油化學(xué)品。 在工程科學(xué)運動發(fā)展的同時，伴隨著以目前形式存在的核心化學(xué)工程課程的進化。核心課 程的發(fā)展快于其它的工程學(xué)科發(fā)展，化學(xué)工程師在解決復(fù)雜問題時有信心將其它學(xué)科知識結(jié)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(chǔ)科學(xué)包括數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)中提供知識背景。在從事以化學(xué)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(xué)和動力學(xué) 傳遞現(xiàn)象 單元操作 反應(yīng)工程 過程設(shè)計和控制以及 工廠設(shè)計和系統(tǒng)工程 這方面知識的鍛煉使化學(xué)工程在許多交叉學(xué)科的領(lǐng)域里成為主要的貢獻者（作出了主要的 貢獻），這些交叉學(xué)科包括：催化膠體科學(xué)和技術(shù)、燃燒、電化學(xué)工程以及聚合物科學(xué)和技術(shù)。 2化學(xué)工程的基本趨勢 要將來的幾年內(nèi)，智力的進步，技術(shù)（technologic）的挑戰(zhàn)以及經(jīng)濟的驅(qū)動力這三方面的 交匯（共同作用），將會形成化學(xué)工程學(xué)科是什么以及化學(xué)工程從事什么方面的工作的一種新 的模式。 化學(xué)工程所關(guān)注的（焦點），一直是改變物料的物理狀態(tài)和化學(xué)組成的工業(yè)過程。 化學(xué)工 程師從事（engage in）過程的合成、設(shè)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(fù)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(yīng)器和設(shè)備以及生產(chǎn)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(fù)雜體系的宏觀尺度將不斷得到補充。4 末來的化學(xué)工程師，與其他任何的工程分支學(xué)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(yīng)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(xué)反應(yīng)器的中等尺度聯(lián)系起來，該反應(yīng)器的設(shè)計可能受復(fù)雜（complex）液體的微觀動力學(xué) 研究的影響。 因此，未來的化學(xué)工程師將能設(shè)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(xué)科（分子生物學(xué)、化學(xué)、固態(tài)物理學(xué)、材料學(xué)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(chǎn)品和過程設(shè)計以 及生產(chǎn)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(xué)工程學(xué)科的藍圖包括兩個重要的發(fā)展（development）。 化學(xué)工程師將越來越更加積極參與作為過程設(shè)計補充的產(chǎn)品設(shè)計。隨著產(chǎn)品的性能特 征與其生產(chǎn)方式聯(lián)系日益緊密，產(chǎn)品和過程設(shè)計的傳統(tǒng)區(qū)別將變得模糊不清。在那些生產(chǎn)專有 的（proprietary）、特異（differentiated）產(chǎn)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(shè)計挑戰(zhàn)。因為 這些產(chǎn)品在市 場上很快被較新的產(chǎn)品所代替，所以它們具有快速革新的特點。 化學(xué)工程師將會經(jīng)常參加多學(xué)科（multidispl