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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(dá)。例如，機(jī)械工程學(xué)涉及的是制造機(jī)器的工業(yè)所用技術(shù)和設(shè)備。機(jī)械工程主要是以機(jī)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(gè)分支，它涉及工業(yè)化化學(xué)過程中工廠和機(jī)器的設(shè)計(jì)、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(shí)候，它并不是僅僅簡單地照搬結(jié)論，而是要把這些知識運(yùn)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(jì)的生產(chǎn)路線并設(shè)計(jì)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(jì)學(xué)，物理學(xué)，數(shù)學(xué)，控制論，應(yīng)用機(jī)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(gè)時(shí)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(kuò)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(jì)，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(jì)。一些小的、專門生產(chǎn)酸、堿、鹽、藥物中間體和一些有機(jī)化合物的企業(yè)開始創(chuàng)立。由于十九世紀(jì)英國的學(xué)院化學(xué)家強(qiáng)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(jì)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(jìn)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(jì)80年代，工業(yè)家們開始認(rèn)識到要把顧問們在實(shí)驗(yàn)室的準(zhǔn)備和合成工作進(jìn)行放大是一個(gè)與實(shí)驗(yàn)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?yàn)?那些在日益復(fù)雜的工業(yè)中從事于蒸汽機(jī)和泵維修工作、似乎最能理解所涉及過程的機(jī)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(zhǔn)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(gè)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(jī)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(jìn)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(gè)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(shí)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(jī)械和工廠應(yīng)用于大規(guī)模化學(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(rèn)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(jì)劃書中，提出了“單元操作”這個(gè)概念，這種觀點(diǎn)幾乎囊括了20 世紀(jì)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(hù)的具體化工過程的機(jī)密，在過去這些因素嚴(yán)重地阻止了制造商去學(xué)院研究機(jī)構(gòu)訓(xùn)練計(jì)劃的支持。Davis 利用 將化學(xué)工業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢元?dú)立研究的（separate）單個(gè)工序而克服了這一困難，同時(shí)他也在大學(xué)的中試工廠或技術(shù)大學(xué)車間的進(jìn)行研究工作。 實(shí)際上Davis 運(yùn)用了工業(yè)顧問的職業(yè)道德/規(guī)矩，借以把實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)傳播于各車間和各個(gè)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(xiàn)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(rèn)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(gè)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(shí)正值該國（指美國）第一次汽油危機(jī)?；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(gè)現(xiàn)代石油精煉廠的理性設(shè)計(jì)。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(gè)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(yùn)動（movement） 化學(xué)工程師不滿足于過程設(shè)備名性能的經(jīng)驗(yàn)描述，他們 開始從更加基礎(chǔ)的觀點(diǎn)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(yùn)動來解釋。 這些運(yùn)動的定量機(jī)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(yùn)動發(fā)展的同時(shí)，伴隨著以目前形式存在的核心化學(xué)工程課程的進(jìn)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(shí)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(yán)格研究時(shí)，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(jì)和控制以及 工廠設(shè)計(jì)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(xiàn)者（作出了主要的 貢獻(xiàn)），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(jìn)步，技術(shù)（technologic）的挑戰(zhàn)以及經(jīng)濟(jì)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(diǎn)），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(jì)、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(shí)例包括單個(gè)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(bǔ)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(shí)，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(jī)的宏觀性能與形成機(jī)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(jì)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(jì)并嚴(yán)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(shí)踐帶來的新的研究工具和洞察力（insight）。同時(shí)，在解決問題時(shí)，在產(chǎn)品和過程設(shè)計(jì)以 及生產(chǎn)過程中，他們越來越多地使用計(jì)算機(jī)、人工智能和專家系統(tǒng)。 化學(xué)工程學(xué)科的藍(lán)圖包括兩個(gè)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(jì)補(bǔ)充的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。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(jì)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(yán)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(jì)挑戰(zhàn)。因?yàn)?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(diǎn)。 化學(xué)工程師將會經(jīng)常參加多學(xué)科（multidispl