1、发信人: Hardson (先天下之忧而忧), 信区: ChemicalEng标 题: 综述 化学工程科学发展的回顾与思考发信站: BBS 水木清华站 (Tue Oct 5 16:45:55 2004), 站内化工进展 Chemical Industry Engineering Process 2002年第21卷第2期 专题报道化学工程科学发展的回顾与思考刘 铮 金 涌 魏 飞 李有润 骆广生 袁乃驹(清华大学化学工程系，北京，100084)摘 要 简述了化学工程科学发展的主要成果，重点介绍了近期发展的“产品工程“、化学工程中的尺度问题及化工过程“场“和“流“分析等方面的进展及其对化学工程科学
2、内容的贡献；提出以“质量传递与转化“，“能量传递与转化“及“信息传递与转化“来描述现代化学工程学科体系。本文还对我国化工科学及产业发展进行了展望。关键词 化学工程科学，质量传递与转化，能量传递与转化，信息传递与转化过去的20世纪 化学工程学科 生与 发展 对人 文 进程产生重大 的年 40年代流 化 化 化过程 化学工业产生了 代的化； 中分及currency1 重水的提 “ 工业的发展了fi；fl 大生产 标现代”工业的产生；60年代化工系 化的出现 与 ” “大现代化工业的发展了fi；80年代人工 与大 及currency1度分 的发展 生 的fi 成果 人 的 ；90年代先进 ” 工 与
3、 的 发信息产业的发展。化学工程“现代 产业的发展提了 本的生产 与 1。人 进21世纪， 及 化 了 的 及工业 行和 方。信息、 ( )、能 和产业 ， 的业的产值和市值 攀升，传化工产业 主要通过业 重组来降低 营和生产成本。如何通过科 及产业创 来重塑化学工业的 心竞争 势成“化学工程 者和工程师在进21世纪所面临的严峻挑战。 也成“化学工程学科建 的中心任务。而回答问题 需要从 的视角出发，重 审视被认“已 成熟学科的化学工程的学科内涵与体系，通过吸收和总关科学、 与产业发展的 成果来丰富和更 化工学科体系和内容，“化工产业的发展提科 力和人才支持。对 中国的化学工程师和科 工作者，
4、在思考上述问题的同 ，还 特别关注化学工业在13亿人口的中国发展中的重要地位。总体而言，我国 和工业发展水平与欧美发达国家比还有当的距，对 本和特殊化学品均存在巨大的需求， “化学工业的发展提了广阔的空间，化学工业仍将 我国国民 发展的主要支柱产业。但目前国内不同化工部门及业之间的 及 水平存在很大的差异，生产的耗和能耗、境污染严重。以2000年“例， 我国工业废弃达十亿吨级，危险废弃达千万吨级、其中80%属 化学品污染。煤炭 我国能 构的主要组成部分， 煤产生的SO2、NOx和CO2的污染十分严重，每年排放量分别过2000万t、1000万t和20亿t， 问题成“ 可持续发展的巨大障碍。因此，
5、实现资 的循利 、能 的 利 、污染的 头治成“ 世纪中国化学工业发展的方向。近年来，国内许多学者 展了大量的 工作如 过程工程2、生 工业 区3及生 过程工业4等 工业实 和工业 区 。 与实 进了化学工程与其 学科的 ，丰富了人 对 化学工程学科内容与体系的认。1 20世纪化学工程科学体系的 进1888年美国MIT 先 出了化学工程 程体系 1920年建 了化学工程系。1915年Little提出 作的 ，将 的化工生产过程 “有 的 作，如 、过 、 、等等， 了化学工程的科学fi，“ 作“被认“化学工程学科体系第 的标(first paradigm)5。1957年 工程成 学科及1960
6、年Bird等currency1的传递现“将化学工程学科发展向第 ，fi从分fl水平来 作， 此成了 多组分力学与力学、传递现“、 作、 工程、 与”、工 与系工程组成的化学工程学科本体系，其特被 “传 “，fi传质、传、量传递及 工程。 也 20世纪化学工业与化学工程学科 进 发展的金 代，化学工业成“世主要发达国家如美国、”国等 重要的国民 支柱产业。在我国，以 化工业“代的化学工业也成“对国民 贡献 大的行业。1 对化学工程学科内容及国化学工程学科 势的 6。“传 “成“化学工程学科建 第 的标(second paradigm)。1 化学工程学科 与内容 2 化学工程科学发展的 进21世纪
7、，生科学、信息 、 科学及境科学 发展 此产生以“代的 产业，化学工程“ 学科科 成果产业化提了fi 平， 产业的发展“化学工程科学工作者将 化学工业提了，同 重 认已 被认“ 成熟学科的化学工程学科体系与内容 化学工程学科建 已 进了第 ?如果 ， 第 的内涵、标程 ? 已成“近年来国学者 的 点题。对 问题的 对世纪化学工程的学科建 及化学工业的持续发展有重要的 和实 。因此，国 国内许多学者 从不同的角度 对上述问题进行回答。2.1产品工程产品 描述化学工业和化工过程的 重要特，产品的丰富不 化学工业 心业务的 ，过程的多 化，同 化学工程科 及 学内容所 进行的与 。Westerber
8、g 从产品的角度 了 天化学工程 的 展与丰2 化学产品分 富7。从2中可出， 天化学工程所提的产品 已从传的大 化学品如化、 、 等 展更多 的 产品， 产品从内在组成 在 及 过程 有别 传 上的“化学品“。Cussler和Moggridge将其分“ 第 有特殊 能和 的化学品， 的如 产品；第 产品 能主要 其空间构而不 其分fl构的化学品， 的如分fl金；第 能产生化学 化的 ，例如在 科 中所 的 生成 、人工等。 将产品 过程分“ 先 需求的 认 将 的需求量化“产品 能；其 根据产品构和 能的关系来 满足特需求的不同产品方案；然 据力学力学对 不同产品过程的方案进行评价； 产品的
9、生产和” 6。韦潜光 (James Wei)对 产品工程给出了如下 产品工程 人 所需要的有 产品的过程。其主要 包括位产品的 能、 认产品 能与其化学组成空间构成的内在关系、 进产品。 认“，化学工程师 当尽快从“过程工程师“转 “产品工程师“，主 地从产品创 始， 以往只 跟 化学家生学家对 化学品的发现而主要进行 和过程 、放大的工作思路。 地，现代化工 育 当“化学工程师成“产品工程师提“工箱“，加生、化学、数学等 内容。 认“产品工程 化学工程学科发展第 的程 8。“产品工程“与“过程工程“ 联系的，“产品“决“过程“的组成；而“过程“决“产品“的品质。“产品工程“与“过程工程“又有
10、侧重，产品工程 者对 分fl构和 能内在关系的认， 中更多地综 化学、颗粒学、流 学等来进行分fl ；而“过程工程“ 注重在实施过程的空间和 间中分fl转化特 的准 描述，从而证目的产品的产率纯度。因此， 流体力学、面现“、传递、过程拟与”等构成过程 与 化的fi。“产品工程“与“过程工程“ 进的，产品工程“ 过程的产生提了需求和力。2.2 空尺度现代化工 重要的特之 空尺度的 扩展，从原fl尺度下的原fl、分fl自组 过程，考虑 境 化的生 过程，其 空跨度达十余数量级。3描述目前化学工程 中所涉及的体学科内容及其所对“的 空属 的 ，它从另 角度 了 天化学工程科学 与工业实 的丰富 。3
11、 化工 过程的 空尺度 科学 实 对化工过程更、更fl 的要求不断缩小 空间尺度，从 的宏观尺度多流 滴、气泡、颗粒(团簇)的介观尺度、再fl胶束、 米 团、面的亚观尺度和分fl组 、分fl化学成的分fl尺度。在 间特 上，除了 参数的 均值的分布律，还要 其在 内的混沌行“。此 ，“ 不同的化工过程实现集成和 化， 需不断扩大 的 空尺度。对 不同 空尺度的化工过程内在联系的认， 化学工程师将产品 与过程、 效率地来的 重要fi。对不同尺度下过程的的建 、数学的抽提及在此fi上的 、过程”和 化，要求化学工程师有更雄厚的学fi和力学，掌握现代数学工，如 流体力学等。李静海院士和郭慕孙院士近年
12、来致力 将多尺度方 内两流分析，进而 导的 和 作 化9，10。美国Los Alamos国家实验室的科学家将 系多尺度分析作“科学方 中 本的方 。因此，也有学者建议将化学工程进多尺度称“化学工程学科发展的第 。如果我 把温度作“ 尺度，与 间和空间尺度，所产生的 体尺度空间将可能更好地描述现有的化工过程， “过程创 灵感的产生提更广阔的空间。2.3化工过程的广 描述方 -“场“和“流“的 科学 和工业实 建 检验体系的fi，而科学 的抽提 发展体系的本 。Giddings 曾 从“场“和“流“的观点出发来建 的分科学，在 的丰富 背去寻找科学的系同 与完美 11。袁乃驹 等展了“场“和“流“
13、的 ，将“场“ “能够产生空间化学势差异的 力，如温度场、重力场、电场、磁场和声场等；而“流“ 在“场“作 下产生的穿过空间 面的流和能量流， 将其 描述和分析化工 与分过程12。其 果 ，现有的化工 和分过程均可以 若干 “场“和“流“的组，可以 似的数学方程来描述，其过程能连续、分与 过程的fl度 “场“流“方和“场“的对强度所决，多“场“过程 提化工 转化率专 分 过程度的重要方。事实上，“过程耦“及“ 场强化“ 化工 分 过程和 中 “活跃的内容之 。3 化学工程科学体系的再认“映 天的化学工程所服务的产品对“及化工过程的丰富 和 ，有必要重 审视化学工程学科的内涵和化工科 工作者和工
14、程师的工作内容和方。美国化学工程师学在其化学工程前沿 书中对化学工程的 如下 化学工程 flfl地 根 原fl、分fl和分fl转化的工程学科(Chemical engineering is an engineeringdiscipline with deep roots in the world of atoms, molecules and moleculartransformations)1。 更强 了fi学科如、化学、生化学等在化学工程 中的作 ，淡化了体的行业 。然而， 对 化学工程的过程特 映得不够充分。郭慕孙 和陈家镛 详阐 了化学工程的“过程工程“属， 提出了该学科体系范 中的
15、学科特与前沿13，14。 国Bath大学的Howell来描述化学工程师工作及其 发 的作 的 “科学 中我 要 向 -从分析 需要 始，然 产品 ，进而过程 ， 回答需要 展 的 。化学工程师将和科学家 同完成上述过程，而我 化学工程师的角 以 量化的方将多学科综来， 化 “简地将它 科工作“15。 面地描述了当 化学工程师的工作内容和方 ，fi将“过程工程“与“产品工程“。工程科学的发展要求我 对 化学工程的“过程工程科学“本质进行更进 的阐述， 能够有更广 的fi 和包容 。以生化工“例，现代生 的发展已 展现出者生作“现代“化工“生产 及特殊化学品的光 前 。与化学 不同，以分fl别“f
16、i的信息传递在生化工中有重要的作 。 得者Jean2MarieLehn将生学“分fl别“的 进 发展，提出“分fl别“所需要的“化学信息“ 存在 作 的分fl构 之中。在化学 中，分fl将根据自 和对方提的化学信息寻求 的耦 ， 此决了 的和产的组成。 思 ，Lehn成 地成了大量分fl化及有特空间构的化16。信息化学的出现和建 信息传递和转化在化学工程中的重要作 。在宏观尺度上，现代化工业已 实现在 间和工之间的信息传递，以此“fi实现产业信息化。在 来生 工业 区的 和实施过程中，需要 工业 区内业的上 不同组成和品质的流和能流有组，实现 的能量和质利 。可，信息的传递和转化更成“ 本问题
17、。上述事实出发，作“与“ 作“和“传 “有 续 的发展，金涌院士提出以“质的传递与转化“、“能量的传递与转化“及“信息的传递和转化“，fi“传转“来描4 化工学科组成及其服务 述 天的化学工程学科体系构，因“能量传递与量传递本质上 致的，而信息传递 循不同的 。4中展现的 我 对 现代化学工程与其 学科 作 与 进作 的认。21世纪化学工程学科的发展需要不断吸收生、化学、等主要fi学科的 成果及信息、 和境等学科所提的 工， 学科发展的科学 力。与此同 ，化学工程学科的发展 当面向资 、能 、境和 ( ) 的广阔需求， 学科的市场 力。化学工程学者将 来 多地加多学科 的 ，参与产品 ，工 发
18、和过程 化， 完成产业化。 映出 代工业发展的本特点-以 产品 产业，化学工程学科作“质生产本工的作 更加出和重要。4 作“ 门工程学科，化学工程学科的发展 与工业和 发展currency1关的。如5所 ， 发展的需求 学科发展的currency1 头，而fi科学 化学工程fi 和工业进 的 ，化学工程作“质和能 生产的fi工程 的属 决了它在 来 中不可“的fi产业重要地位。然而，化学工程师的成 与 决 对 需求的感度，对 代 化背 下的 -产业- - 的内在联系的认及其创 能力，而创 能力 建 在其自然科学 fi和对现代 的把握之上的。我国化学工程学科的建 出“生 化学工5 化工学科及其发
19、展” 业“的发展方向，以资 -能 -境综 发“目标，将“产品工程“和“过程工程“，将生 和信息 与化学工程和工 有，成以工业生 化“ 心的“生化学工程“、以“过程和系拟 化“fi的“数fl化化学工程“及以“ 米加工 及 “fi的“ 米化学工程“， currency1我国国民 发展的需要，主 学科服务的行业 ，在 化竞争的背 下，建 中国强有力的化学工程创 及产业发展能力。20世纪的化学工程学科的发展过程 ，不断根据科学和工业的发展进 完和更 学科体系 和内容 学科持续发展的证和生力所在。在 发展的21世纪，我 更 注重学科 体系的更 和完， ， 被 代所弃。本文也 同 的出发点，对国内 有关化
20、学工程学科发展方面的主要 观点进行综述提出 观点， 流和 。参考文献1 National Research Council. Frontiers in chemical engineering: research needs and opportunities M. Washington DC: National Academy Press, 19882 . J. 过程工程学报, 2001, 1 (1): 10153 金涌, 刘铮, 李有润. J. 过程工程学报, 2001, 1 (3): 2252294 李有润, 静, ”. J. 化工学报, 2001, 52 (3): 1891925 Ra
21、lph Landau, Education. J. Chem. Eng. Prog., 1997, 93(1): 52656 Cussler E L, Moggridge G D. Chemical product design M . Cambridge: CambridgeUniversity Press, 20017 Westerberg A W, Subrahmanian E. J. Comp. Chem. Eng., 2000, 24 (27):9599668 James Wei. Product engineering: The third paradigm of chemical
22、 engineering, Amundson lecture, Princeton, 2001. http: / / www.princeton.edu/ seasweb/ amundson.ppt9 Li J H, Kwauk M. Particle-fluid two phase flow, the energy minimizationmulti-scale method M. Beijing: Metallurgical Industry Press, 198710 Li J H, Cheng C L, Zhang Z D, et al. J. Chem. Eng. Sci., 199
23、9, 54: 5409542511 Giddings J C. Unified separation science M. New York: John Wiley &Sons, Inc., 199112 袁乃驹, 富 . 分和 工程的“场“流“分析M. 北京: 中国 化出 ,199613 郭慕孙. J. 过程工程学报, 2001, 1 (1): 2614 陈家镛. J. 过程工程学报, 2001, 1 (1): 7915 加 , , 刘铮. J. 化工进展, 2000, 19 (5): 475016 Krische M J , Lehn J M, Kyritsakas N , et al.
24、J. Helv. Chim. Acta., 1998, 81 (11): 19091920 Recent Development of Chemical Engineering ScienceLiu Zheng, Jin Yong, Wei Fei, Li Yourun, Luo Guangsheng, Yuan Naiju(Department of chemical engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084)Abstract A brief overview of the development of chemical engine
25、ering scienceis presented with emphasis on the recent advancement and contribution inthe fields of product engineering, time and spatial scale analysis of chemicalengineering processing, and the process characterization and analysis with“field“ and“flow“. To reflect the complexity and prosperity of
26、current chemicalengineering practice, it is recommended to apply mass transport and conversion, energy transport and conversion, and information transport and conversion, to describe and analysis chemical engineering processes. A prospect forthe chemical industry and chemical engineering science in China is presentedat the end of this review.Keywords chemical engineering science, mass transport and conversion, energytransport and conversion, information transport and conversion- :Hardson Oct 5 16:57:16 本文FROM: 166.111.35.*来 :BBS 水木清华站 smth.orgFROM: 166.111.35.*
