化學(xué)工程chemical engineering
學(xué)科內(nèi)容
單元操作
化學(xué)反應(yīng)工程
傳遞過程
研究的對象和方法
化學(xué)工程的研究對象
化學(xué)工程的研究方法
早期的研究方法
20世紀(jì)初的研究方法
50年代以后的研究方法
重要作用
發(fā)展方向
學(xué)科的縱深方向
向新領(lǐng)域的滲透
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研究化學(xué)工業(yè)和其他過程工業(yè)(process industry)生產(chǎn)中所進行的化學(xué)過程和物理過程共同規(guī)律的一門工程學(xué)科。這些工業(yè)包括石油煉制工業(yè)、冶金工業(yè)、建筑材料工業(yè)、食品工業(yè)、造紙工業(yè)等。它們從石油、煤、天然氣、鹽、石灰石、其他礦石和糧食、木材、水、空氣等基本的原料出發(fā)，借助化學(xué)過程或物理過程，改變物質(zhì)的組成、性質(zhì)和狀態(tài)，使之成為多種價值較高的產(chǎn)品，如化肥、汽油、潤滑油、合成纖維、合成橡膠、塑料、燒堿、純堿、水泥、玻璃、鋼、鐵、鋁、紙漿等等?；瘜W(xué)過程是指物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的反應(yīng)過程，如柴油的催化裂化制備高辛烷值汽油是一個化學(xué)反應(yīng)過程。物理過程系指物質(zhì)不經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生的組成、性質(zhì)、狀態(tài)、能量變化過程，如原油經(jīng)過蒸餾的分離而得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品。至于其他一些領(lǐng)域，諸如礦石冶煉，燃料燃燒，生物發(fā)酵，皮革制造，海水淡化等等，雖然過程的表現(xiàn)形式多種多樣，但均可以分解為上述化學(xué)過程和物理過程。實際上，化學(xué)過程往往和物理過程同時發(fā)生。例如催化裂化是一個典型的化學(xué)過程，但輔有加熱、冷卻和分離，并且在反應(yīng)進行過程中，也必伴隨有流動、傳熱和傳質(zhì)。所有這些過程，都可通過化學(xué)工程的研究，認(rèn)識和闡釋其規(guī)律性，并使之應(yīng)用于生產(chǎn)過程和裝置的開發(fā)、設(shè)計、操作，以達到優(yōu)化和提高效率的目的。
上述工業(yè)生產(chǎn)的共同特點是，從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)特別是大規(guī)模的生產(chǎn)，都要解決一個裝置的放大問題。生產(chǎn)規(guī)模擴大和經(jīng)濟效益提高的重要途徑是裝置的放大，以節(jié)省投資，降低消耗，減少占地，節(jié)約人力。但是，在大裝置上所能達到的某些指標(biāo)，通常低于小型試驗結(jié)果，原因是隨著裝置的放大，物料的流動、傳熱、傳質(zhì)等物理過程的因素和條件發(fā)生了變化。這種起源于放大過程的效應(yīng)，長期以來被籠統(tǒng)地稱作“放大效應(yīng)”，它包含了很多已查明或未查明的物理因素（或稱工程因素）的影響?；瘜W(xué)工程的一個重要任務(wù)就是研究有關(guān)工程因素對過程和裝置的效應(yīng)，特別是在放大中的效應(yīng)，以解決關(guān)于過程開發(fā)、裝置設(shè)計和操作的理論和方法等問題。它以物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)的原理為基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用各種實驗手段，與化學(xué)工藝相配合，去解決工業(yè)生產(chǎn)問題。
學(xué) 科 內(nèi) 容
化學(xué)工程包括單元操作、化學(xué)反應(yīng)工程、傳遞過程、化工熱力學(xué)、化工系統(tǒng)工程、過程動態(tài)學(xué)及控制等方面。
單元操作 構(gòu)成多種化工產(chǎn)品生產(chǎn)的物理過程都可歸納為有限的幾種基本過程，如流體輸送、換熱（加熱和冷卻）、蒸餾、吸收、蒸發(fā)、萃取、結(jié)晶、干燥等。這些基本過程稱為單元操作。對單元操作的研究，得到具有共性的結(jié)果，可以用來指導(dǎo)各類產(chǎn)品的生產(chǎn)和化工設(shè)備的設(shè)計。在20世紀(jì)初，對化學(xué)工程的認(rèn)識雖只限于單元操作，但卻開拓了一個嶄新的領(lǐng)域和出現(xiàn)了一些從事嶄新職業(yè)的化學(xué)工程師。這些化學(xué)工程師不同于以往的化工生產(chǎn)工作者，他們經(jīng)歷過化學(xué)工程這一專門學(xué)科的訓(xùn)練，故有能力使化工生產(chǎn)過程和設(shè)備設(shè)計、制造和操作控制更為合理。直到今天，各個單元操作的研究還是有著極為重要的理論意義和應(yīng)用價值，而且是為了適應(yīng)新的技術(shù)要求，一些新的單元操作不斷出現(xiàn)并逐步充實進來。
化學(xué)反應(yīng)工程 化學(xué)反應(yīng)是化工生產(chǎn)的核心部分，它決定著產(chǎn)品的收率，對生產(chǎn)成本有著重要影響。盡管如此，在早期因其復(fù)雜性而阻礙了對它的系統(tǒng)研究。直到20世紀(jì)中葉，在單元操作和傳遞過程研究成果的基礎(chǔ)上，在各種反應(yīng)過程中，如氧化、還原、硝化、磺化等發(fā)現(xiàn)了若干具有共性的問題，如反應(yīng)器內(nèi)的返混、反應(yīng)相內(nèi)傳質(zhì)和傳熱、反應(yīng)相外傳質(zhì)和傳熱、反應(yīng)器的穩(wěn)定性等。對于這些問題的研究，以及它們對反應(yīng)動力學(xué)的各種效應(yīng)的研究，構(gòu)成了一個新的學(xué)科分支即化學(xué)反應(yīng)工程，從而使化學(xué)工程的內(nèi)容和方法得到了充實和發(fā)展。
傳遞過程 是單元操作和反應(yīng)工程的共同基礎(chǔ)。在各種單元操作設(shè)備和反應(yīng)裝置中進行的物理過程不外乎三種傳遞：動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。例如，以動量傳遞為基礎(chǔ)的流體輸送、反應(yīng)器中的氣流分布；以熱量傳遞為基礎(chǔ)的換熱操作，聚合釜中聚合熱的移出;以質(zhì)量傳遞為基礎(chǔ)的吸收操作，反應(yīng)物和產(chǎn)物在催化劑內(nèi)部的擴散等。有些過程有兩種或兩種以上的傳遞現(xiàn)象同時存在，如氣體增減濕等。作為化學(xué)工程的學(xué)科分支，傳遞過程著重研究上述三種傳遞的速率及相互關(guān)系，連貫起一些本質(zhì)類同但表現(xiàn)形式各異的現(xiàn)象。
化工熱力學(xué)也是單元操作和反應(yīng)工程的理論基礎(chǔ)，研究傳遞過程的方向和極限，提供過程分析和設(shè)計所需的有關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，化學(xué)工程的學(xué)科分支也可以分兩個層次：單元操作和反應(yīng)工程較多地直接面向工業(yè)實際，傳遞過程和化工熱力學(xué)較多地從基礎(chǔ)研究角度，支持前兩個分支。通過這兩個層次使理論和實際得以密切結(jié)合。
隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和資源、能源的大量耗用，使得早先并不顯得很重要的問題逐漸突出起來。例如能量利用問題，設(shè)計和操作優(yōu)化問題，在大型生產(chǎn)中都十分重要。由于化工過程中，各個過程單元相互影響，相互制約，因此很有必要將化工過程看作一個綜合系統(tǒng)，并建立起整體優(yōu)化的概念。于是系統(tǒng)工程這一學(xué)科在化學(xué)工程中得到了迅速的發(fā)展，也取得了明顯的效果，形成了化工系統(tǒng)工程。它是系統(tǒng)工程方法與單元操作和化學(xué)反應(yīng)工程這兩個學(xué)科分支相結(jié)合的產(chǎn)物。為了保持操作的合理和優(yōu)化，過程動態(tài)特性和控制方法也是化學(xué)工程的重要內(nèi)容。
研究的對象和方法
化學(xué)工程的研究對象 通常是非常復(fù)雜的，主要表現(xiàn)在：①過程本身的復(fù)雜性：既有化學(xué)的，又有物理的，并且兩者時常同時發(fā)生，相互影響。②物系的復(fù)雜性:既有流體（氣體和液體），又有固體，時常多相共存。流體性質(zhì)可有大幅度變化，如低粘度和高粘度、牛頓型和非牛頓型等。有時，在過程進行中有物性顯著改變，如聚合過程中反應(yīng)物系從低粘度向高粘度的轉(zhuǎn)變。③物系流動時邊界的復(fù)雜性：由于設(shè)備（如塔板、攪拌槳、檔板等）的幾何形狀是多變的，填充物（如催化劑、填料等）的外形也是多變的，使流動邊界復(fù)雜且難以確定和描述。
化學(xué)工程的研究方法 由于化學(xué)工程對象的這些特點，使得解析方法在化學(xué)工程研究中往往失效。也從而形成了自己的研究方法（化學(xué)工程研究方法），其中有些方法并非首創(chuàng)，而由別的領(lǐng)域移植而來。
早期的研究方法 化學(xué)工程初期的主要方法是經(jīng)驗放大，通過多層次的、逐級擴大的試驗，探索放大的規(guī)律。這種經(jīng)驗方法耗資大、費時長、效果差，人們一直努力試圖擺脫這種處境。但是時至今日，對于一些特別復(fù)雜，人們迄今尚知之甚少的過程，還不得不求助于或部分求助于此法。
20世紀(jì)初的研究方法 相當(dāng)盛行的是相似論和因次分析，其特點是將影響過程的眾多變量通過相似變換或因次分析歸納成為數(shù)較少的無因次數(shù)（無量綱）群形式，然后設(shè)計模型試驗，求得這些數(shù)群的關(guān)系。用這兩種方法歸納實驗結(jié)果，甚為有效。
對于反應(yīng)過程，逐級的經(jīng)驗方法沿用了很長時間。由于不可能在滿足幾何相似和物理量相似的同時滿足化學(xué)相似條件，用無因次數(shù)群關(guān)聯(lián)實驗結(jié)果以獲得反應(yīng)過程規(guī)律的思路歸于無效。
50年代以后的研究方法 直至50年代，才在化學(xué)反應(yīng)工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用數(shù)學(xué)模型方法。這一方法的影響波及到化學(xué)工程的其他分支，使研究方法出現(xiàn)了一個革新。但即使采用了這個方法，實驗工作仍占重要地位，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要依靠實驗測定，模型要通過實驗得到鑒別，模型參數(shù)要由實驗求取，模型可靠性要由實驗驗證。
各種化學(xué)工程研究方法的基礎(chǔ)是實驗工作，不論采用哪一種研究方法，都應(yīng)力求使實驗工作有效、可靠和簡易可行。各種理論、各種方法以及計算機的應(yīng)用，目的都是為使實驗工作更能揭示事物的規(guī)律，更為節(jié)省時間、人力和費用。在上述方法的應(yīng)用中，多方面體現(xiàn)了過程分解（將一個復(fù)雜過程分解為兩個或幾個較簡單過程），過程簡化（較復(fù)雜過程忽略次要因素而以較簡單過程簡化處理）和過程綜合（在分別處理分解了的過程后，再將這些過程綜合為一）的思想。
重 要 作 用
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模常要求一套裝置的年產(chǎn)量達數(shù)十萬噸或更高。這些裝置必然面臨大量的工程問題，而且指標(biāo)稍有下降，就會帶來很大的經(jīng)濟損失。
科學(xué)技術(shù)的進步，時時刻刻在創(chuàng)造新的產(chǎn)品和新的工藝。但這些新的產(chǎn)品必須借助工程的手段才能實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，新的工藝要有經(jīng)濟和技術(shù)的合理性才能取代原有工藝。
上述裝置大型化和新產(chǎn)品、新工藝工業(yè)化的問題都屬于化學(xué)工程的研究范圍?；瘜W(xué)工程在國民經(jīng)濟中的重要作用是十分明顯的。
例如將大量煙氣中硫、氮氧化物等有害組分脫除后再排放，在實驗室達到要求后，進而要在工業(yè)規(guī)模中實現(xiàn)大量煙氣的凈化，就必須考慮大規(guī)模凈化的經(jīng)濟性和可行性，著眼點與實驗室研究很不相同。
又如化工生產(chǎn)中，要求十分純凈的產(chǎn)品作為原料，如高分子化工中常要求聚合前單體的雜質(zhì)含量是在百萬分之幾(ppm)數(shù)量級。對于實驗室工作來說，這一點并不一定困難，而且小實驗也不要求提純的經(jīng)濟指標(biāo)。但是要求大型生產(chǎn)裝置在低消耗和設(shè)備簡易可行的條件下做到這一點，卻是一個完全不同的課題。這種課題的解決，有賴于單元操作的研究。假使在實驗反應(yīng)器中確定了優(yōu)選的溫度、濃度和反應(yīng)時間，獲得了滿意的效果。而在放大過程中，由于流動的不均勻性，物料在反應(yīng)器中的停留時間（反應(yīng)時間）出現(xiàn)不均勻，偏離了優(yōu)選的反應(yīng)時間。由于反應(yīng)熱效應(yīng)，大裝置中因傳熱的限制而出現(xiàn)的溫度不均勻，使反應(yīng)溫度偏離了優(yōu)選溫度。溫度的不均勻必然導(dǎo)致濃度的不均勻。這些效應(yīng)引起大裝置中效率下降，產(chǎn)品成本提高，甚至可能因此失去工業(yè)價值而不宜用于生產(chǎn)。這個例子說明化學(xué)反應(yīng)工程研究的作用和意義。
另一個例子是工業(yè)生產(chǎn)中為適應(yīng)各過程的需要，時而需要加熱，時而需要冷卻。在實驗室中能耗指標(biāo)并不重要，但大生產(chǎn)就必須考慮熱量的合理利用，應(yīng)盡可能使加熱和冷卻相匹配，盡可能利用低位熱能。如何合理利用熱量，如何合理安排眾多的設(shè)備，這一課題，是無法用實驗方法解決的，而是通過化工系統(tǒng)工程的研究解決的。
上述數(shù)例說明生產(chǎn)大型化后人們對化學(xué)工程知識的緊迫需要?；瘜W(xué)工程的成就已能在相當(dāng)程度上解決這些問題。
發(fā) 展 方 向
化學(xué)工程面臨著新的挑戰(zhàn)和新的課題，解決這些新課題的過程，必然使化學(xué)工程學(xué)科得到發(fā)展。它的研究范圍和應(yīng)用前景已遠遠越過了它原有的含義。
化學(xué)工程正向兩個方向發(fā)展：一方面隨著學(xué)科的成熟，不斷向?qū)W科的深度發(fā)展；另一方面是不斷向新的領(lǐng)域滲透，研究和解決新領(lǐng)域中的新問題。
學(xué)科的縱深方向 為了深入掌握過程的規(guī)律，對化學(xué)工程中經(jīng)常遇到的多相物系、高粘度流體和非牛頓型流體的傳遞規(guī)律進行深入系統(tǒng)研究。這些研究不但有利于解決傳統(tǒng)研究領(lǐng)域的問題，也有助于了解諸如人體內(nèi)血液流動等新興課題。對反應(yīng)過程中多重定常穩(wěn)定態(tài)問題的研究，既是反應(yīng)器設(shè)計和操作的需要，也是從另一側(cè)面對非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性問題研究所作的貢獻。為了使大型裝置的設(shè)計更為迅速可靠，研究了各種物系物性參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)與熱化學(xué)參數(shù)以及相平衡與化學(xué)平衡數(shù)據(jù)，推動了化工熱力學(xué)研究進一步與實際的結(jié)合。
在研究方法方面，數(shù)學(xué)模型方法不斷完善，與之相配合的是，以統(tǒng)計理論和信息論為基礎(chǔ)的實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、模型的篩選和鑒別以及模型參數(shù)估計等方法。為了進行過程的模擬及多方案計算，發(fā)展了多種計算機模擬系統(tǒng)，建立了模型庫和數(shù)據(jù)庫，并從定態(tài)模擬發(fā)展到為過程控制所需要的動態(tài)模擬。
向新領(lǐng)域的滲透 這是客觀需要，也是學(xué)科發(fā)展的動力。在歷史上，化學(xué)工程就在各種新過程的開發(fā)和優(yōu)化，在無機化工和石油化工等裝置大型化的推動下得到發(fā)展，如大型徑向固定床反應(yīng)器和催化裂化用流化床反應(yīng)器的開發(fā)技術(shù)。在解決石油加工中多組分反應(yīng)物系處理方法時，發(fā)展了集總動力學(xué)處理方法，這一方法反過來又可用于處理生物反應(yīng)過程。在向材料工業(yè)滲透過程中，出現(xiàn)了將化學(xué)反應(yīng)工程原理用于聚合過程的聚合反應(yīng)工程，對于高粘物系傳遞特性的研究則有了實際應(yīng)用的課題。隨著生物技術(shù)的進展，出現(xiàn)了生物化學(xué)工程，以解決生物反應(yīng)器和生物制劑分離等問題，如超過濾技術(shù)等。能源短缺的情況，使人們重視低溫?zé)嵩吹睦?，出現(xiàn)了新型換熱器。為了保護環(huán)境，也為了開發(fā)海洋資源，要求研究低濃度混合物的分離技術(shù)，于是出現(xiàn)了新的分離技術(shù)，如膜分離、泡沫分離等。用化學(xué)工程的觀點和方法，研究人體內(nèi)的生理過程，如藥物在人體中的擴散，以及研究人工臟器等，形成了生物醫(yī)學(xué)工程這一新的研究領(lǐng)域。為了探索在離心力場、電場、磁場等作用下的過程規(guī)律，出現(xiàn)了場致化學(xué)工程?；瘜W(xué)工程的原理甚至被應(yīng)用于研究高純電子器件的制備，噴氣技術(shù)等等方面。也就是說，在化工生產(chǎn)領(lǐng)域之外，凡是存在反應(yīng)過程或傳遞過程并值得重視的場合，幾乎都可以找到化學(xué)工程的用武之地。這一認(rèn)識反映了當(dāng)今化學(xué)工程的概貌。
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