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化學(xué)工程發(fā)展史history of chemical engineering

時間：2020-03-01 來源：網(wǎng)絡(luò) 瀏覽：
過濾、蒸發(fā)、蒸餾、結(jié)晶、干燥等單元操作在生產(chǎn)中的應(yīng)用，已有幾千年的歷史，據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，至少在10000年以前中國人已掌握了用窯穴燒制陶器的技藝，5000年以前已通過利用日光蒸發(fā)海水、結(jié)晶制鹽;埃及人在5000年以前的第三王朝時期開始釀造葡萄酒，并在生產(chǎn)過程中用布袋對葡萄汁進行過濾。但在相當(dāng)長的時期里，這些操作都是規(guī)模很小的手工作業(yè)。作為現(xiàn)代工程學(xué)科之一的化學(xué)工程，則是在19世紀下半葉隨著大規(guī)模制造化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程的發(fā)展而出現(xiàn)的，經(jīng)過100多年的發(fā)展，化學(xué)工程已經(jīng)成為一門有獨特研究對象和完整體系的工程學(xué)科。
　　化學(xué)工程的萌芽 　法國革命時期出現(xiàn)的呂布蘭法制堿，標(biāo)志著化學(xué)工業(yè)的誕生。到19世紀70年代，制堿、硫酸、化肥、煤化工等都已有了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，化學(xué)工業(yè)在19世紀出現(xiàn)了許多杰出的成就。例如：索爾維法制堿中所用的純堿碳化塔，高達20余米，在其中同時進行化學(xué)吸收、結(jié)晶、沉降等過程，即使今天看來，也是一項了不起的成就。但當(dāng)時取得這些成就的人卻認為他們自己是化學(xué)家，而沒有意識到他們已經(jīng)在履行化學(xué)工程師的職責(zé)。
　　化學(xué)工程概念的提出 　英國曼徹斯特地區(qū)的制堿業(yè)污染檢查員G.E.戴維斯指出：化學(xué)工業(yè)發(fā)展中所面臨的許多問題往往是工程問題。各種化工生產(chǎn)工藝，都是由為數(shù)不多的基本操作如蒸餾、蒸發(fā)、干燥、過濾、吸收和萃取組成的，可以對它們進行綜合的研究和分析，化學(xué)工程將成為繼土木工程、機械工程、電氣工程之后的第四門工程學(xué)科。但戴維斯的觀點當(dāng)時在英國沒有被普遍接受。1880年他發(fā)起成立英國化學(xué)工程師協(xié)會，未獲成功。盡管如此，戴維斯仍繼續(xù)根據(jù)自己的觀點搜集資料，進行整理分析。1887～1888年，他在曼徹斯特工學(xué)院作了12次演講，系統(tǒng)闡述了化學(xué)工程的任務(wù)、作用和研究對象。這些演講的內(nèi)容后來陸續(xù)發(fā)表在曼徹斯特出版的《化工貿(mào)易雜志》上，并在此基礎(chǔ)上寫成了《化學(xué)工程手冊》，于1901年出版。這是世界上第一本闡述各種化工生產(chǎn)過程共性規(guī)律的著作，出版后很受歡迎。1904年在他的助手N.斯溫丁的協(xié)助下，又出版該書的第二版。
　　化學(xué)工程專業(yè)的建立 　與英國的情況相反，戴維斯的這些活動在美國卻引起了普遍的注意，化學(xué)工程這一名詞在美國很快獲得了廣泛應(yīng)用。1888年，根據(jù)L.M.諾頓教授的提議，麻省理工學(xué)院開設(shè)了世界上第一個定名為化學(xué)工程的四年制學(xué)士學(xué)位課程，即著名的第十號課程。隨后，賓夕法尼亞大學(xué)(1892)，戴倫大學(xué)(1894)、密歇根大學(xué)(1898)也相繼開設(shè)了類似的課程。這些課程的開設(shè)標(biāo)志著培養(yǎng)化學(xué)工程師的最初嘗試。但這些課程的主要內(nèi)容是由機械工程和化學(xué)構(gòu)成的，還未具有今天化學(xué)工程專業(yè)的特點。這樣培養(yǎng)出來的化學(xué)工程師雖然具有制造各種化工產(chǎn)品的工藝知識，但仍不懂得化工生產(chǎn)的內(nèi)在規(guī)律，因此還不能滿足化學(xué)工業(yè)發(fā)展的需要。
　　戴維斯實際上已提出了培養(yǎng)化學(xué)工程師的一種新的途徑。但他的工作偏重于對以往經(jīng)驗的總結(jié)和對各種化工基本操作的定性敘述，而缺乏創(chuàng)立一門獨立學(xué)科所需要的理論深度。1902年W.H.華克爾受命徹底改造麻省理工學(xué)院化學(xué)工程的實驗教育，開始了對化學(xué)工程教育的一系列改革，使化學(xué)工程的發(fā)展進入了一個新時期。
　　學(xué)科基礎(chǔ)的奠定 　華克爾當(dāng)時是著名物理化學(xué)家A.諾伊斯的助手，在此之前他曾和A.D.利特爾一起從事化學(xué)工業(yè)方面的咨詢工作，這種經(jīng)歷使他有條件致力于探索如何把物理化學(xué)和工業(yè)化學(xué)知識結(jié)合起來，去解決化學(xué)工業(yè)發(fā)展中面臨的工程問題。在1905年受聘在哈佛大學(xué)講述的工業(yè)化學(xué)課程中，他已系統(tǒng)發(fā)揮了化工原理的基本思想。1907年華克爾全面修訂了化學(xué)工程課程計劃，更加強調(diào)學(xué)生的化學(xué)訓(xùn)練和工程原理的實際應(yīng)用。
　　單元操作概念的提出 　利特爾對化學(xué)工程早期發(fā)展也作出了重要貢獻。他曾長期從事化學(xué)工業(yè)方面的咨詢工作，1908年參予發(fā)起成立美國化學(xué)工程師協(xié)會，并擔(dān)任過該會的主席。對化學(xué)工程的興趣，以及同華克爾的友誼，使他一直關(guān)心著麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程教育。1908年，根據(jù)他的建議，麻省理工學(xué)院建立了應(yīng)用化學(xué)實驗室和化學(xué)工程實用學(xué)校，讓學(xué)生接受各種化工基本操作的實際訓(xùn)練。1915年，他在給麻省理工學(xué)院的一份報告中，提出了單元操作的概念，他指出：任何化工生產(chǎn)過程，無論其規(guī)模大小都可以用一系列稱為單元操作的技術(shù)來解決。只有將紛雜眾多的化工生產(chǎn)過程分解為構(gòu)成它們的單元操作來進行研究，才能使化學(xué)工程專業(yè)具有廣泛的適應(yīng)能力。這些意見對化學(xué)工程產(chǎn)生了深遠的影響。
　　化學(xué)工程師的培養(yǎng) 　1920年，在麻省理工學(xué)院，化學(xué)工程脫離化學(xué)系而成為一個獨立的系，由W.K.劉易斯任系主任。這年夏天，在華克爾的緬因州夏季別墅里，華克爾、劉易斯和W.H.麥克亞當(dāng)斯完成了《化工原理》一書的初稿，此書油印后立即用于化工系的教育，后于1923年正式出版?！痘?/font>原理》闡述了各種單元操作的物理化學(xué)原理，提出了它們的定量計算方法，并從物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科中吸取了對化學(xué)工程有用的研究成果（如雷諾關(guān)于湍流、層流的研究）和研究方法（如因次分析和相似論，奠定了化學(xué)工程作為一門獨立工程學(xué)科的基礎(chǔ)，影響了此后化學(xué)工程師的培養(yǎng)和化學(xué)工程的發(fā)展。
　　20世紀20年代，在汽車工業(yè)的推動下，石油煉制工業(yè)獲得了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了第一個化學(xué)加工過程──熱裂化，在化工生產(chǎn)中，連續(xù)操作日益普遍。這些過程的操作和放大，都需要加深理解流體流動、熱量的傳遞和利用以及相際傳質(zhì)的規(guī)律。麻省理工學(xué)院培養(yǎng)的第一批具有單元操作知識的化學(xué)工程師，在熱裂化過程的開發(fā)中發(fā)揮了很好的作用。這些進一步推動了單元操作的研究，并取得了豐碩的成果。繼《化工原理》后，一批論述各種單元操作的著作，如C.S.魯賓遜的《精餾原理》（1922）和《蒸發(fā)》（1926）、劉易斯的《化工計算》(1926)、麥克亞當(dāng)斯的《熱量傳遞》(1933)、T.K.舍伍德的《吸收和萃取》(1937)相繼問世。
　　化工熱力學(xué)的誕生 　在闡述單元操作的原理時，華克爾等曾利用了熱力學(xué)的成果。但是化學(xué)工程面臨的許多問題，例如許多化工過程中都會遇到的高溫、高壓下氣體混合物的p－V－T關(guān)系的計算，經(jīng)典熱力學(xué)并沒有提供現(xiàn)成的方法。30年代初，麻省理工學(xué)院的H.C.韋伯教授等人提出了一種利用氣體臨界性質(zhì)的計算方法。雖然從物理化學(xué)的觀點來看，這種方法十分粗糙，但對工程應(yīng)用，卻已夠準(zhǔn)確。這是化工熱力學(xué)最早的研究成果。1939年韋伯寫出了第一本化工熱力學(xué)教科書《化學(xué)工程師用熱力學(xué)》。1944年耶魯大學(xué)的B.F.道奇教授寫的第一本取名為《化工熱力學(xué)》的著作出版了，于是化學(xué)工程的一個新的分支學(xué)科──化工熱力學(xué)誕生了。
　　化學(xué)工程的研究 　第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)以后，化學(xué)工程的研究也轉(zhuǎn)入了滿足戰(zhàn)爭需要的軌道。40年代前期，在重大化工過程的開發(fā)中，即碳四餾分的分離和丁苯橡膠的乳液聚合、粗柴油的流態(tài)化催化裂化以及曼哈頓原子彈工程計劃等，化學(xué)工程都發(fā)揮了重要作用。例如:流態(tài)化催化裂化的設(shè)想就是由麻省理工學(xué)院的劉易斯教授和E.R.吉利蘭教授提出的。在他們的指導(dǎo)下，幾所大學(xué)同時進行了流化床性能的研究，確定了顆粒尺寸、密度和使顆粒床層膨脹，以造成氣固間良好接觸和顆粒運動所需的氣速間的關(guān)系，證實了在催化裂化反應(yīng)器和再生器之間連續(xù)輸送大量固體催化劑的可能性。這三項開發(fā)的成功，使人們認識到要順利實現(xiàn)過程放大，特別是高倍數(shù)的放大（在曼哈頓工程中放大倍數(shù)高達1000），必須對過程的內(nèi)在規(guī)律有深刻的了解，沒有堅實的基礎(chǔ)研究工作，是很難做到這一點的。同時，在單元操作經(jīng)過二、三十年的研究已有了一定的基礎(chǔ)后，反應(yīng)器的工程放大對化工過程開發(fā)的重要性顯得更為突出。這些都為戰(zhàn)后化學(xué)工程的進一步發(fā)展指明了方向。
　　學(xué)科體系的形成 　如果說單元操作概念的提出是化學(xué)工程發(fā)展過程中經(jīng)歷的第一個歷程的話，那么在第二次世界大戰(zhàn)后，化學(xué)工程又經(jīng)歷了其發(fā)展過程中的第二個歷程，這就是“三傳一反”（動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和反應(yīng)工程）概念的提出。
　　三傳一反概念的形成  化學(xué)工程誕生之初，對工業(yè)反應(yīng)過程的研究吸引著化學(xué)工程師的注意。戴維斯在《化學(xué)工程手冊》中曾對化學(xué)工業(yè)中的反應(yīng)作過分類。單元操作的概念，在處理只包含物理變化的化工操作時獲得了巨大的成功。有人將反應(yīng)過程按化學(xué)特征分為硝化、磺化、加氫、脫氫等單元過程，試圖解決工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)問題。但實踐證明單元過程的概念沒有抓住反應(yīng)過程開發(fā)中所需解決的工程問題的本質(zhì)。
　　1913年哈伯- 博施法（見合成氨工業(yè)發(fā)展史）投入生產(chǎn)，這一成功極大地促進了催化劑和催化反應(yīng)的研究。1928年釩催化劑被成功用于二氧化硫的催化氧化。1936年發(fā)明了用硅鋁催化劑進行的粗柴油催化裂化工藝。對這些氣固相催化反應(yīng)過程和燃燒過程的研究，使化學(xué)工程師開始認識到，在工業(yè)反應(yīng)過程中質(zhì)量傳遞和熱量傳遞對反應(yīng)結(jié)果的影響。30年代后期，德國的G.達姆科勒和美國的E.W.蒂利分別對反應(yīng)相外傳質(zhì)和傳熱以及反應(yīng)相內(nèi)傳質(zhì)和傳熱作了系統(tǒng)的分析。這些成果至今仍是化學(xué)反應(yīng)工程的重要組成部分。50年代初，隨著石油化工的興起，在對連續(xù)反應(yīng)過程的研究中，提出了一系列重要的概念。如返混、停留時間分布、宏觀混合、微觀混合、反應(yīng)器參數(shù)敏感性、反應(yīng)器的穩(wěn)定性等。在1957年于阿姆斯特丹舉行的第一屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程討論會上，水到渠成地宣布了化學(xué)反應(yīng)工程這一學(xué)科的誕生。
　　在《化工原理》中，華克爾等已經(jīng)吸取了流體力學(xué)、傳熱學(xué)和關(guān)于質(zhì)量傳遞的研究成果。到50年代，化學(xué)工程師更清楚地認識到從本質(zhì)上看，所有單元操作都可以分解成動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞這三種傳遞過程或它們的結(jié)合。在工業(yè)反應(yīng)器中傳遞過程對化學(xué)反應(yīng)的影響，在化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科形成過程中，也被清楚地認識到了。對單元操作和反應(yīng)過程的深入研究，都離不開對傳遞過程規(guī)律的探索?；瘜W(xué)工業(yè)在發(fā)展過程中也提出了許多新課題，例如在聚合物加工中，化學(xué)工程師必須處理高粘度物料，在噴霧干燥設(shè)備的設(shè)計中，必須對流動模型和傳熱、傳質(zhì)速率作詳細分析。50年代初，許多大學(xué)都開始給化工系的學(xué)生講授流體力學(xué)，擴散原理等課程，并出現(xiàn)了把三種傳遞過程加以綜合的趨向。1957年在普渡大學(xué)召開的美國工程學(xué)科的系主任會議上，傳遞過程和力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等一起被列為基礎(chǔ)工程學(xué)科，并制訂了這一課程的詳細計劃。在這種背景下，威斯康星大學(xué)教授R.B.博德、W.E.斯圖爾德和E.N.萊特富特著手編寫《傳遞現(xiàn)象》，先在威斯康星大學(xué)試用，經(jīng)修訂后于1960年正式出版。這部著作的出版幾乎和當(dāng)年的《化工原理》一樣產(chǎn)生了巨大的影響，到1978年就印刷了19次，成為化學(xué)工程發(fā)展進入“三傳一反”的新時期的標(biāo)志。
　　分支學(xué)科的綜合和深化 　50年代中期，電子計算機開始進入化工領(lǐng)域，對化學(xué)工程的發(fā)展起了巨大的推動作用，化工過程數(shù)學(xué)模擬迅速發(fā)展。由對一個過程或一臺設(shè)備的模擬，很快發(fā)展到對整個工藝流程甚至聯(lián)合企業(yè)的模擬，在50年代后期出現(xiàn)了第一代的化工模擬系統(tǒng)。在計算機上進行模擬試驗，既省時又省錢，使得研究化工系統(tǒng)的整體優(yōu)化成為可能，形成了化學(xué)工程研究的一個新領(lǐng)域──化工系統(tǒng)工程。這是化學(xué)工程在綜合方面上的深化。至此，化學(xué)工程形成了比較完整的學(xué)科體系。
　　在化學(xué)反應(yīng)工程、傳遞工程、化工系統(tǒng)工程取得突破性進展的同時，單元操作和化工熱力學(xué)并沒有停滯不前。傳遞過程研究和電子計算機的應(yīng)用給單元操作帶來了新的活力。50年代初，美國化學(xué)工程師協(xié)會組織了蒸餾塔板效率的研究工作，對影響塔板效率的主要因素及應(yīng)如何改進塔板結(jié)構(gòu)有了感性認識。浮閥塔板、舌形塔板、斜孔塔板等新形塔板相繼問世，通過設(shè)計方法的改進，篩板塔重新獲得廣泛應(yīng)用。反滲透、電滲析、超過濾等膜分離操作和區(qū)域熔煉等提純技術(shù)投入了工業(yè)應(yīng)用。液膜分離、參數(shù)泵分離等新的分離技術(shù)開始進行實驗室研究。
　　高壓過程的普遍采用和傳質(zhì)分離過程設(shè)計計算方法的改進，推動了化工熱力學(xué)關(guān)于狀態(tài)方程和多元汽液平衡、液液平衡及相平衡關(guān)聯(lián)方法的研究，提出了一批至今仍獲得廣泛應(yīng)用的狀態(tài)方程(如RK方程，馬丁-侯方程)和活度系數(shù)方程（如馬格勒斯方程、威爾遜方程、NRTL方程）。
　　新興領(lǐng)域的出現(xiàn) 　進入70年代后，化學(xué)工業(yè)的規(guī)模不斷擴大，并且面臨著環(huán)境污染和能源緊缺的挑戰(zhàn)，化學(xué)工程的各分支學(xué)科繼續(xù)生氣勃勃地向前發(fā)展。在單元操作領(lǐng)域里，固體物料的加工和處理開始得到普遍的注意，正在形成粉體工程的新分支。在化工熱力學(xué)研究中，狀態(tài)方程和相平衡關(guān)聯(lián)依然是活躍的課題，提出了PR方程(1976)、SRK方程 (1972)等形式簡單又有足夠精確度的新狀態(tài)方程和基于基團貢獻原則的UNIFAC方程(1977)等活度系數(shù)方程。降低能耗的迫切要求，使過程熱力學(xué)分析獲得了很大的發(fā)展。高分子化工和生物化工的發(fā)展推動了非牛頓型流體傳遞過程特征的研究，激光測量、流場顯示等新技術(shù)開始應(yīng)用于傳遞過程的研究。化學(xué)反應(yīng)工程不斷向復(fù)雜領(lǐng)域擴展，70年代初出現(xiàn)了處理有大量連續(xù)組分參與反應(yīng)的復(fù)雜反應(yīng)體系的集總動力學(xué)方法和聚合反應(yīng)工程、電化學(xué)反應(yīng)工程等新分支?；?/font>系統(tǒng)工作開始對系統(tǒng)綜合進行探索，在換熱器網(wǎng)絡(luò)和分離流程的合成方面已取得有實用價值的成果，80年代初開發(fā)了以ASPEN為代表的第三代化工模擬系統(tǒng)。
　　但是，由化工熱力學(xué)、傳遞過程、單元操作、化學(xué)反應(yīng)工程和化工系統(tǒng)工程構(gòu)成的學(xué)科體系，無論在深度和廣度上都已覆蓋了傳統(tǒng)化學(xué)工程的各個領(lǐng)域，所以在傳統(tǒng)化學(xué)工程的范圍內(nèi)難以期望再會出現(xiàn)過去那種令人激動的突破。近十幾年來，化學(xué)工程更引人注目的發(fā)展是在與鄰近學(xué)科的交叉滲透中已經(jīng)或正在形成的一些充滿希望的新領(lǐng)域。
　　第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的青霉素生產(chǎn)，開創(chuàng)了化學(xué)工程與生物化學(xué)結(jié)合的新時代。戰(zhàn)后各種抗生素和激素的生產(chǎn)迅速增長，微生物技術(shù)被用于石油蛋白生產(chǎn)和進行污水凈化。70年代，分子生物學(xué)取得了重組DNA技術(shù)等重大成果，開拓了制備生物化學(xué)品和醫(yī)藥品的新領(lǐng)域，已可預(yù)見將對人類社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響。生物化學(xué)工程無論在生化反應(yīng)還是分離技術(shù)方面都在不斷取得進展。
　　化學(xué)工程師已經(jīng)以自己的專長為醫(yī)學(xué)的發(fā)展作出了貢獻，生物醫(yī)學(xué)工程這一新學(xué)科正在形成。人的身體實質(zhì)上相當(dāng)于一座構(gòu)造復(fù)雜的小型化工廠，許多生理過程可借助化學(xué)工程原理進行分析。傳質(zhì)原理已被用于潛水病的研究，傳熱原理已被用于體內(nèi)熱調(diào)節(jié)的研究，停留時間分布的概念可用來分析藥物的療效，在人工心肺機、人工腎的研制中應(yīng)用了非牛頓流體流動和滲析的原理。
　　化學(xué)工程與固體物理、結(jié)晶化學(xué)、材料科學(xué)相結(jié)合，在化學(xué)氣相淀積過程的研究中發(fā)揮著自己的作用?；瘜W(xué)氣相淀積是近二十年來獲得迅速發(fā)展的一種制備無機材料的新技術(shù)，在微電子、光纖通訊、超導(dǎo)等新技術(shù)領(lǐng)域中，廣泛用于各種功能器件的制造。
　　正如一百年前從化學(xué)中分裂出了化學(xué)工程一樣，今天在化學(xué)工程中又在孕育著新的學(xué)科。  
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