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Unit 10 What Is Chemical Engineering?什么是化学工程学广义上讲，工程学可以定义为对某一特殊工业所用技术和设备的科学表达。例如，机械工程学涉及的是制造机器的工业所用技术和设备。机械工程主要是以机械力为基础，这种作用力可以改变所加工对象的外表或物理性质而不改变其化学性质。化学工程学包括原材料的化学过程，以更为复杂的化学和物理化学现象为基础。因此，化学工程是工程的一个分支，它涉及工业化化学过程中工厂和机器的设计、制造、和操作的研究。上述的化学工程是以化学科学为基础的，如物理化学，化学热力学和化学动力学。然而这样做的时候，它并不是仅仅简单地照搬结论，而是要把这些知识运用于大批量生产的化学加工过程。把化学工程学与纯化学区分开来的首要目的是“找到最经济的生产路线并设计商业化的设备和辅助设备尽可能地适应它。”因此如果没有与经济学，物理学，数学，控制论，应用机械以及其它技术的联系就不能想象化学工程会是什么样的。早期的化学工程主要是一门描述性的学科。许多早期的有关化学工程的教科书和手册都是那个时候已知的商品生产过程的百科全书。科学和工业的发展使化学品的制造数量迅速增加。例如，如今石油已经成为八万多种化学产品生产的原材料。一方面是化学加工工业扩张的要求，另一方面是化学和技术水平的发展为化学工艺建立理论基础提供了可能。随着化学过程工业的发展，新的数据，新的关系和新的综论不断添加到化学工程学的目录中。许多分支学科有它们自己的理由从化学工程学科的主流中分离出来，如工艺和工厂设计，自动化，化工工艺模拟和模型，等等。简要的历史轮廓综观历史，化学工程与化学过程工业密不可分。在早期，化学工程随着早期化学产品交易的发展而出现，是应用化学的纯描述性的分支。在欧洲，基础化学产品的制造似乎出现在15世纪。一些小的、专门生产酸、碱、盐、药物中间体和一些有机化合物的企业开始创立。由于十九世纪英国的学院化学家强调纯化学的研究而不是应用化学，他们的已成为工业化学家的学生也只是定性和定量分析者。在19世纪80年代以前，德国的化学公司也是这样。他们愿意聘请那些在大学里进行研究的人作顾问，这些人偶尔为生产制造的革新提供一些意见。然而到了19世纪80年代，工业家们开始认识到要把顾问们在实验室的准备和合成工作进行放大是一个与实验室研究截然不同的活动。因此他们开始将放大的问题及其解决方法视为化学方程可能是因为 那些在日益复杂的工业中从事于蒸汽机和泵维修工作、似乎最能理解所涉及过程的机械工程师，是最合适的人选。学院研究中头和手两分的现象逐渐消亡。单元操作。1881年英国曾经准备把新的化学工业协会命名为“化学工程师协会”，这个建议遭到了拒绝。另另一方面，来自工业部门的不断增长的压力所引起的结果是，技术研究机构（technical institution）的(curricula)课程开始反映了对化学工程师的需要而不是对有能力的 （analysts）分析人员的需要。现在仅仅对现有工业过程进行描述已经不够了，相反，希望各种具体的工业过程能得到分析。这就为引入热力学前景及关于动力学、溶液和相的新物理化学提供了空间。在这个转转换过程中的一位关键的人物是化学顾问George Davis，化学工业协会的首任秘书。1887年Davis那时是Manchester技术学校的一名讲师，做了一系列有关化学工程学的讲座。他把化学工程学定义为对“机械和工厂应用于大规模化学活动”的研究。这们以大规模工业化操作的的各种类型，如干燥、破碎、蒸馏、发酵、蒸发和结晶为中心的课程，不仅在英国，而且还有国外，逐渐被认为是许多课程的模式。英国直到1909年化学工程学才成为一门较为完善的课程，而在美国，MIT的Lewis Norton早在1888年就已率先开出了Davis型课程。1915年，Arthur D. little 在一份MIT的计划书中，提出了“单元操作”这个概念，这种观点几乎囊括了20 世纪化学工程学科的显著特征。Davis这一倡议的成功原因是很明显的：该说法避免了揭露由专利或技术所有者的沉默（reticence）所保护的具体化工过程的机密，在过去这些因素严重地阻止了制造商去学院研究机构训练计划的支持。Davis 利用 将化学工业转变为可以独立研究的（separate）单个工序而克服了这一困难，同时他也在大学的中试工厂或技术大学车间的进行研究工作。 实际上Davis 运用了工业顾问的职业道德/规矩，借以把实践经验传播于各车间和各个过程间，这种方式不会泄密那些对一指定工厂的利润作出贡献的秘密或具体知识。这种方传播式 的秘密或具体的知识单元操作二概念认为，任何化工制造过程都能分解为相同的操作，如粉碎、 干燥、煅烧和电解，等等。这样，例如松节油制造的某个具体方面的学术上理论研究，可以用 蒸馏的普通研究可以来替代，蒸馏是许多其它工业中常见的一种过程。单元操作概念的定量形 式大概于出现于1920 年，那时正值该国（指美国）第一次汽油危机。化学工程师定性表征单 元操作（如蒸馏）的能力考虑到了第一个现代石油精炼厂的理性设计。在石油工业中化学工程 师这一职业第一次兴旺开始了。（或者开始第一次成为紧俏的职业。） 在单元操作（intensive 密集）快速发展的这一个时期中，化学工程分析的其他传统工具开 始被采用或得到了广泛的开发，这些工具包括过程的物料和能量平衡的研究以及多组分体糸基 3 础热力学的研究。 化学工程师在帮助美国及其盟军赢得二战发挥了关键作用。他们开发了天然橡胶资源的人 造橡胶的合成路线，天然橡胶资源在战争早期已经落于日本的手中。他们提供了建立原子弹所 必要的“U-235”，通过一步法将u-235 生产过程从实验室生产放大到曾经所建立的最大的工业 化工厂。他们对优化青霉素的生产方面的帮助很大，青霉素生产挽救了成千上万的受伤士兵的 生命。 工程学科的运动（movement） 化学工程师不满足于过程设备名性能的经验描述，他们 开始从更加基础的观点重新研究单元操作。发生于单元操作中的现象可以由分子运动来解释。 这些运动的定量机械模型得到了开发，并用于分析现有的设备。过程和反应器的数学模型得到 了开发并应用于资本密集型的美国工业，例如商品石油化学品。 在工程科学运动发展的同时，伴随着以目前形式存在的核心化学工程课程的进化。核心课 程的发展快于其它的工程学科发展，化学工程师在解决复杂问题时有信心将其它学科知识结合 起来，核心课程正是造成他们有信心的原因。 核心课程在一些基础科学包括数学、物理和化学中提供知识背景。在从事以化学工程为中 心课题的严格研究时，这些背景知识是有必要的，这些背景包括： 多组分体系热力学和动力学 传递现象 单元操作 反应工程 过程设计和控制以及 工厂设计和系统工程 这方面知识的锻炼使化学工程在许多交叉学科的领域里成为主要的贡献者（作出了主要的 贡献），这些交叉学科包括：催化胶体科学和技术、燃烧、电化学工程以及聚合物科学和技术。 2化学工程的基本趋势 要将来的几年内，智力的进步，技术（technologic）的挑战以及经济的驱动力这三方面的 交汇（共同作用），将会形成化学工程学科是什么以及化学工程从事什么方面的工作的一种新 的模式。 化学工程所关注的（焦点），一直是改变物料的物理状态和化学组成的工业过程。 化学工 程师从事（engage in）过程的合成、设计、放大测试、操作、控制及其优化。他们所研究的问 题的规模和复杂程度的传统水平用专用名词“中等尺度”来表示，中等规模的实例包括单个过程 （单元操作）的反应器和设备以及生产工厂中各单元操作的组合。未来的中等尺度研究，由微 观尺度和极端复杂体系的宏观尺度将不断得到补充。4 末来的化学工程师，与其他任何的工程分支学科相比，将综合更广泛的研究规模。例如， 一些工程师在从事工作时，要将环境的宏观尺度与燃烧体系的中等尺度、分子反应和传递的微 观尺度联系起来。其它的工程师工作要将合成的（composite）飞机的宏观性能与形成机翼的 化学反应器的中等尺度联系起来，该反应器的设计可能受复杂（complex）液体的微观动力学 研究的影响。 因此，未来的化学工程师将能设计并严格地解决小到微观尺度大到宏观尺度范围问题。他 们将从其它学科（分子生物学、化学、固态物理学、材料学和电气（electrical）工程中为研究 和实践带来的新的研究工具和洞察力（insight）。同时，在解决问题时，在产品和过程设计以 及生产过程中，他们越来越多地使用计算机、人工智能和专家系统。 化学工程学科的蓝图包括两个重要的发展（development）。 化学工程师将越来越更加积极参与作为过程设计补充的产品设计。随着产品的性能特 征与其生产方式联系日益紧密，产品和过程设计的传统区别将变得模糊不清。在那些生产专有 的（proprietary）、特异（differentiated）产品（专门用于严格的性能规格（specification）的 已建好和即将兴起（emerging）的工业中，将存在着一种特殊的设计挑战。因为 这些产品在市 场上很快被较新的产品所代替，所以它们具有快速革新的特点。 化学工程师将会经常参加多学科（multidispl