化学工程

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  化学工程汉语拼音:Huaxue Gongcheng;英语:Chemical Engineering),简称化工,研究化学工业和其他过程工程中所进行的化学过程和物理过程共同规律的工程学科。它主要研究大规模改变物料中的化学组成及其机械和物理性质。化学工程的本质,是以数学及少量的物理观念为基础应用于化学工业上,来替生产各式化学品或是物料的工厂提供一个最节省成本的反应流程设计方式。实验研究、理论分析和科学计算已经成为当代化工研究中不可或缺的三种主要手段。

  化学过程是指物质发生化学变化的反应过程。物理过程系指物质不经化学反应而发生的组成、性质、状态、能量变化过程,包括分离、混合、传热、相态转变等。其他一些工业,诸如矿石冶炼、燃料燃烧、生物发酵及产品分离、制革、海水淡化、光电元件原料的高度纯化、纳米材料的制备、污水处理和废气净化等,虽然过程的表现形式多种多样,但均可以分解为上述的化学和物理过程,而且往往二者是同时发生的。故化学工程不但用于化学工业,几乎可用于所有工业行业及其技术研究领域,广义地称为过程工程

  通过对化学工程的研究,认识和阐释这些过程的规律性及它们间的相互关系,并使之应用于生产过程和装置的开发、设计操作和优化控制,可以使各部门提高生产、研究效率,降低能耗和物耗,并减少环境污染

概述

  过滤蒸发蒸馏结晶干燥单元操作在生产中的应用,已有几千年的历史。据考古发现,可能在10,000年以前中国人已掌握了用窑穴烧制陶器的技艺,5,000年前已知道利用日光蒸发海水、结晶制盐;埃及人在5,000年前便会酿造葡萄酒,并用布袋过滤葡萄汁。但在相当长的时期里,这些都是规模很小的凭经验的手工操作。作为现代工程学科之一的化学工程,则是在19世纪下半叶随着大规模制造化学产品的生产过程的发展而出现的。经过100多年的发展,已经成为一个完整体系的工程学科。

化学工程概念的提出

  19世纪末英国曼彻斯特地区的制碱业污染检查员G.E.戴维斯指出:化学工业发展中所面临的许多问题往往是工程问题。各种化工生产工艺,都是由为数不多的基本操作如蒸馏、蒸发、干燥、吸收萃取等组成的,可以对它们进行综合的研究和分析。他曾系统地阐述了化学工程的任务、作用和研究对象,把讲授内容陆续发表在曼彻斯特出版的《化工贸易杂志》上,并在此基础上写成了《化学工程手册》,于1901年出版。这是世界上第一本阐述各种化工生产过程共性规律的著作。

化学工程专业的建立

  戴维斯的工作在美国引起了普遍的注意,化学工程这一名词在美国很快获得广泛的应用。1888年,根据L.M.诺顿教授的建议,麻省理工学院开设了世界上第一个定名为化学工程的四年制学士学位课程。随后,宾夕法尼亚大学(1892)、戴伦大学(1894)、密歇根大学(1898)也相继开设了类似的课程,作为培养化学工程师的最初尝试。但这些课程的主要内容是由机械工程和化学构成的,还未具有今天化学工程专业的特点,并不能满足化学工业发展的需要。

  1902年W.H.华克尔受命彻底改革麻省理工学院化学工程的教育,他与A.D.利特尔一起致力于探索如何把物理化学和工业化学的知识结合起来,去解决化学工业发展中面临的工程问题。1905年华克尔受聘于哈佛大学讲授工业化学课程中,已系统发挥了化工原理的基本思想。1907年他全面修订了化学工程课程计划。1915年利特尔在麻省理工学院首先提出了单元操作的概念并指出:任何化工生产过程,无论其规模大小都可以用一系列称为单元操作的技术来解决。

  1920年,在麻省理工学院,化学工程脱离化学系而成为一独立的系。华克尔等编写的《化工原理》一书于1923年正式出版,奠定了化学工程作为一门独立工程学科的基础。继《化工原理》后,一批论述各种单元操作的著作,如C.S.鲁滨逊的《精馏原理》(1922)和《蒸发》(1926)、W.K.刘易斯的《化工计算》(1926)、W.H.麦克亚当斯的《热量传递》(1933)、T.K.舍伍德的《吸收和萃取》(1937)相继问世。但在许多化工过程中遇到的高温、高压下气体混合物的压力–体积–温度(p–V–T)关系的计算,经典热力学都不能提供解决的方法。

  20世纪30年代初,H.C.韦伯等提出一种利用气体临界性质的计算方法,并在1939年写出第一本化工热力学教科书《化学工程师用热力学》。1944年耶鲁大学B.F.道奇的《化工热力学》出版,由此化学工程的一个新的分支学科——化工热力学诞生。

  第二次世界大战后,化学工程又经历了其发展过程中的第二个历程,就是提出了“三传一反”(动量传递热量传递质量传递反应工程)的概念。从化学工业的许多过程研究中,使化学工程师开始认识到“三传”对反应结果有很大的影响。30年代后期,德国的G.达姆科勒和美国的E.W.蒂利分别对反应相外的传质和传热以及反应相内的传质和传热作了系统的分析,为化学反应工程奠定了基础。

  50年代初,随着石油化工的兴起,对连续反应过程提出了一系列重要的概念,如返混、停留时间分布、宏观混合、微观混合、反应器参数敏感性、反应器的稳定性等。在这些研究工作的基础上,1957年于阿姆斯特丹举行的第一届欧洲化学反应工程讨论会上,正式宣布化学反应工程这一化学工程分支学科的诞生。并同时认识到从本质上,所有单元操作都可以分解成动量传递、热量传递、质量传递这三种化工传递过程或它们的结合,反应过程也离不开“三传”的影响。威斯康星大学R.B.博德等编写的《传递现象》于1960年正式出版,对化学工程的发展起了重要的影响。50年代后期,电子计算机开始进入化工领域。化工过程的数学模拟迅速发展,并从对一个过程或一台设备的模拟,很快发展到对整个工艺流程甚至联合企业的模拟,使得研究化工系统的整体优化成为可能,又形成了化学工程一个新的分支——化工系统工程。至此,化学工程形成了比较完整的学科体系。

新兴领域

  60年代以后,化学工程的各个分支学科继续生气勃勃地向前发展,出现了许多新的进展,如膜分离、参数泵分离、普适性和精确度更高的相平衡关联式等。另外,各个行业对化学工程技术的需求,也在不同的应用领域中形成新的行业。在单元操作领域里,固体物料的加工和处理受到普遍的注意,形成了粉体工程高分子化工的发展推动了非牛顿流体的流动和传递过程特征的研究,并涉及复杂的反应体系的集总动力学以及特殊的反应器结构和特性,形成了聚合反应工程电化学在工业上的广泛应用,又促使形成电化学反应工程等新的分支。另外,各个单元过程以及反应过程间的耦合化工技术,特别是分离与反应过程的耦合,产生了许多可以强化分离以及反应的新过程,如电场强化分离电化学强化分离等。

  第二次世界大战后,化学工业的规模不断扩大,在传统的生产无机物产品为主的无机化工、以生产有机物为主的有机化工中,又进一步发展了生产有机高分子聚合物的高分子化工、以石油为原料生产基本合成有机原料的石油化工,并逐步代替以煤为原料制备合成有机原料的煤化工,成为化学工业最重要的支柱产业。30年代发展起来的青霉素生产,开创了化学工程与生物化学结合的新时代。战后各种抗生素氨基酸激素的通过生物发酵生产与分离、微生物的生长用作饲料蛋白、利用微生物作污水处理等,逐渐形成生物化工这一新领域。70年代,分子生物学取得了重组DNA技术等重大成果,动植物细胞的培养以及通过基因重组技术生产生物化学品和医学药品等促使生物化工的技术日趋成熟,已成为21世纪技术和生产的发展前沿。在21世纪中面临着环境污染和能源紧缺的挑战,能源化工环境化工亦成为化学工程技术大有作为的行业。化学工程与固体物理、结晶化学材料科学的组合,对制备光电元件、集成电子元件、超导材料纳米材料和其他新型材料等都起着重要的作用。在化学工程中又在孕育着新的分支学科。

研究方法

  化工过程的研究通常是从实验室开始的,根据对实验成果的技术经济评价,得出有利的结论后,便进入以建立生产装置为目的的化学工程研究阶段,其目的在于获得生产装置中化工过程的结果和工艺参数、设备参数和物性参数间的定量关系,以指导设计和操作。一般来说,这一阶段需要经过小型试验和中间(工厂)试验等若干步骤。长期以来,化学工程主要靠经验放大,即通过实验研究以及规模由小到大的多层次逐级工程放大,往往是一项耗资巨大、旷日持久的工作。减少中间试验的层次,缩小中间试验的规模,一直是化学工程师的一项重要任务。为了达到这个目标,在40年代以前,主要采用实验研究与因次分析和相似论结合的方法。其特点是把影响过程的主要参数通过相似变换或因次分析归纳为少数无因次数群的形式来表达实验的结果,求得这些数群间的关系,进行放大,如此可使实验工作大为简化。此法用于传递过程和单元操作,效果较好,至今仍常在采用。但对于反应过程,和一些因素复杂的过程(如流态化等),由于不可能同时满足几何相似、物理相似、化学相似等,这种研究方法一般不能成功。

  50年代以后,在化学反应工程领域开始广泛应用数学模型的方法,并推广到传递过程和单元操作。这种方法是根据对过程机理的了解,利用普遍适用的物理和化学原理,对过程进行数学描述,然后结合具体条件求解方程,以预测过程的结果。对于化学反应和传递过程同时存在的反应过程,和一些因素复杂的化工过程,可首先对实际过程作出合理的简化,然后进行数学描述,再通过实验求取模型参数,并对模型的适用性进行验证。这种研究方法称为数学模型方法。数学模型方法用于过程的开发和放大时,其步骤常为:

  1. 将过程分解为若干子过程,如将反应过程分解为化学反应和各种传递过程。
  2. 分别研究各子过程的规律并建立数学模型,如反应动力学模型、流动模型、传热模型、传质模型等。
  3. 计算机综合,或称为模拟,即通过数值计算联立求解各子过程的数学模拟方程,以预测不同条件下大型装置的性能,目的是优化设计和操作。

  对过程分解的优点是:

  1. 减少各子过程数学模型所包含的待定模型参数,以减少确定这些参数所需的实验工作量并提高求得的参数的可靠性。
  2. 不同的子过程可以分别在不同类型的装置中进行研究。如化学反应的规律不因设备尺寸而异,可以在小型装置中试验,或称小“热模”研究(热模实验);而物料流动、热量传递、质量传递的规律一般随设备尺寸而异,因此有必要在由小而大的多个设备中进行试验,但无须涉及化学反应,一般可以在常温下进行,亦称为冷模试验,采用小热模与大冷模试验相结合以研究化工设备放大的规律,是化学工程普遍采用的有效研究方法。进行数学模拟放大时,通常也需要进行中间试验,以综合检验模型的可靠性。

  在上述方法的应用中,体现了过程分解(将一个复杂过程分解为几个较简单的过程)、过程简化(在复杂过程中忽略次要因素而用主要因素将过程简化处理)和过程综合(分别处理分解了的过程后,再将其综合为一)相结合的思想。

发展方向

  化学工程正向两个方向发展:一方面随着学科的成熟,不断向学科的深度发展;另一方面是不断地向新的领域渗透,研究和解决新领域中的新问题。这些发展往往是跨学科、跨专业的,或称为多学科多行业交叉的,形成新的生长点。如应用化学工程的原理和方法,研究解决有生物活性物质或生物体(游离或固定化酶,或活细胞)参与的生产过程中的基础理论和工程技术问题,形成了生物化工;又如为了探索在离心力场、电场、磁场等作用下的过程规律,出现了场致化学工程;这类例子尚在不断出现。正如同100多年前从化学中发展出了化学工程学科,今天在化学工程中又在孕育着新的学科。