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化學(xué)工程的起源

法國(guó)大革命期間，魯本斯制堿法的出現(xiàn)標(biāo)志著化學(xué)工業(yè)的誕生。

到19世紀(jì)70年代，堿、硫酸、肥料、煤化工等生產(chǎn)已達(dá)到相當(dāng)規(guī)模，化學(xué)工業(yè)在19世紀(jì)取得了許多卓越的成就。

例如索爾維法制堿所用的純堿碳化塔高達(dá)20多米，其中同時(shí)進(jìn)行化學(xué)吸收、結(jié)晶、沉降等過程，即使放到今天來看，也是一項(xiàng)令人驚嘆的成就。

但當(dāng)時(shí)做出這些成就的人都認(rèn)為自己是化學(xué)家，并沒有意識(shí)到自己已經(jīng)履行了化學(xué)工程師的職責(zé)。

化學(xué)工程的概念

英國(guó)曼徹斯特堿工業(yè)污染監(jiān)察員GE Davis指出，化學(xué)工業(yè)發(fā)展面臨的很多問題往往是工程問題。各種化工生產(chǎn)過程都是由蒸餾、蒸發(fā)、干燥、過濾、吸收、萃取等幾個(gè)基本操作組成，可以對(duì)它們進(jìn)行綜合研究和分析。化學(xué)工程將成為繼土木工程、機(jī)械工程、電氣工程之后的第四大工程學(xué)科。

但戴維斯的觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)的英國(guó)并未被廣泛接受。

1880年，他發(fā)起成立英國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)，但未能成功，盡管如此，戴維斯依然堅(jiān)持收集資料，并根據(jù)自己的觀點(diǎn)進(jìn)行整理分析。

1887年至1888年，他在曼徹斯特理工學(xué)院作了12次演講，系統(tǒng)地闡述了化學(xué)工程的任務(wù)、作用和研究對(duì)象。這些演講的內(nèi)容后來發(fā)表在曼徹斯特出版的《化學(xué)貿(mào)易雜志》上，并在此基礎(chǔ)上撰寫了《化學(xué)工程手冊(cè)》，并于1901年出版。這是世界上第一本闡述各種化工生產(chǎn)過程共同規(guī)律的書籍，出版后十分暢銷。

1904年，在他的助手N. Swindling的協(xié)助下，該書的第二版出版。

化學(xué)工程系成立

與英國(guó)的情況相反，戴維斯的活動(dòng)在美國(guó)引起了廣泛關(guān)注，“化學(xué)工程”一詞很快在美國(guó)開始廣泛使用。

1888年，麻省理工學(xué)院根據(jù)LM諾頓教授的提議，開設(shè)了世界上第一個(gè)四年制學(xué)士學(xué)位課程——化學(xué)工程，即著名的第十號(hào)課程。隨后，賓夕法尼亞大學(xué)（1892年）、達(dá)特茅斯大學(xué)（1894年）、密歇根大學(xué)（1898年）也開設(shè)了類似課程。

這些課程的開設(shè)，標(biāo)志著我國(guó)化學(xué)工程師培養(yǎng)的首次嘗試，但當(dāng)時(shí)的課程主要內(nèi)容是機(jī)械工程和化學(xué)，尚不具備當(dāng)今化學(xué)工程專業(yè)的特色，培養(yǎng)出來的化學(xué)工程師雖然掌握了制造各種化工產(chǎn)品的工藝知識(shí)，但還不了解化工生產(chǎn)的內(nèi)部規(guī)律，不能適應(yīng)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的需要。

戴維斯實(shí)際上提出了一種培養(yǎng)化學(xué)工程師的新方法，但他的工作側(cè)重于總結(jié)過去的經(jīng)驗(yàn)并定性地描述各種基本的化學(xué)操作，缺乏建立獨(dú)立學(xué)科所需的理論深度。

1902年，WH沃克受命徹底改造麻省理工學(xué)院化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教育，并開始了一系列化學(xué)工程教育改革，將化學(xué)工程的發(fā)展帶入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。

奠定學(xué)科基礎(chǔ)

當(dāng)時(shí)沃克是著名物理化學(xué)家A.諾伊斯的助手，而在此之前，他曾與AD利特爾一起從事化學(xué)工業(yè)的咨詢工作，這段經(jīng)歷使他致力于探索如何將物理化學(xué)和工業(yè)化學(xué)知識(shí)結(jié)合起來解決化學(xué)工業(yè)發(fā)展中面臨的工程問題。

1905年，他應(yīng)聘到哈佛大學(xué)講授工業(yè)化學(xué)課程時(shí)，系統(tǒng)地闡述了化學(xué)工程原理的基本思想。

1907年，沃克全面修改了化學(xué)工程課程，更加重視學(xué)生的化學(xué)訓(xùn)練和工程原理的實(shí)際應(yīng)用。

提出單元操作的概念

利特爾還對(duì)化學(xué)工程的早期發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，他長(zhǎng)期從事化學(xué)工業(yè)的咨詢工作。

1908年，他參與創(chuàng)立了美國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)并擔(dān)任主席，對(duì)化學(xué)工程的興趣以及與沃克的友誼使他始終關(guān)注著麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程教育。

1908年，麻省理工學(xué)院根據(jù)他的建議，建立了應(yīng)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)用化學(xué)工程學(xué)院，為學(xué)生提供各種基本化學(xué)操作的實(shí)踐訓(xùn)練。

1915年，他在給麻省理工學(xué)院的一份報(bào)告中提出了單元操作的概念。他指出，任何化工生產(chǎn)過程，不論其規(guī)模大小，都可以用一系列稱為單元操作的技術(shù)來解決。只有把紛繁多樣的化工生產(chǎn)過程分解成其組成單元操作進(jìn)行研究，化學(xué)工程專業(yè)才能具有廣泛的適應(yīng)性。這些觀點(diǎn)對(duì)化學(xué)工程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

化學(xué)工程師培訓(xùn)

1920年，化學(xué)工程從麻省理工學(xué)院化學(xué)系分離出來，成為一個(gè)獨(dú)立的系，WK·劉易斯擔(dān)任系主任。那年夏天，在沃克位于緬因州的避暑別墅里，沃克、劉易斯和WH·麥克亞當(dāng)斯完成了《化學(xué)工程原理》一書的初稿。該書油印后，立即用于化學(xué)工程系的教學(xué)，并于1923年正式出版。

《化工原理》闡述了各類單元操作的物理化學(xué)原理，提出了它們的定量計(jì)算方法，并借鑒了物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科對(duì)化學(xué)工程有用的研究成果（如雷諾對(duì)湍流和層流的研究）和研究方法（如量綱分析和相似理論），為化學(xué)工程作為一門獨(dú)立的工程學(xué)科奠定了基礎(chǔ)，并影響了后來化學(xué)工程師的培養(yǎng)和化學(xué)工程的發(fā)展。

20世紀(jì)20年代，在汽車工業(yè)的帶動(dòng)下，石油煉制工業(yè)取得了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了第一個(gè)化工過程——熱裂解。在化工生產(chǎn)中電滲析工程學(xué)，連續(xù)操作越來越普遍。這些過程的操作和放大，需要對(duì)流體流動(dòng)、熱量的傳遞與利用、相間傳質(zhì)等規(guī)律有更深入的認(rèn)識(shí)。

MIT培養(yǎng)的第一批具備單元操作知識(shí)的化學(xué)工程師在熱裂解工藝開發(fā)中發(fā)揮了良好的作用，進(jìn)一步推動(dòng)了單元操作的研究并取得了豐碩的成果。

繼《化學(xué)工程原理》之后，又陸續(xù)出版了一批討論各種單元操作的著作，如C.S.羅賓遜的《蒸餾原理》（1922年）和《蒸發(fā)》（1926年），劉易斯的《化學(xué)計(jì)算》（1926年），麥克亞當(dāng)斯的《傳熱》（1933年），T.K.舍伍德的《吸收和萃取》（1937年）。

化學(xué)熱力學(xué)的誕生

沃克等人在解釋單元操作原理時(shí)，運(yùn)用的是熱力學(xué)的結(jié)果，但化工工程面臨的很多問題，如很多化工過程中遇到的高溫高壓下氣體混合物的pVT關(guān)系的計(jì)算，在經(jīng)典熱力學(xué)中還沒有現(xiàn)成的方法。

20世紀(jì)30年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院的H.C.韋伯教授等人提出了利用氣體臨界性質(zhì)的計(jì)算方法，雖然從物理化學(xué)角度看這種方法很粗糙，但對(duì)于工程應(yīng)用來說已經(jīng)足夠精確，這是化工熱力學(xué)最早的研究成果。

1939年，韋伯撰寫了第一本化學(xué)工程熱力學(xué)教科書《化學(xué)工程師熱力學(xué)》。

1944年，耶魯大學(xué)BF Dodge教授出版了他的第一本著作《化工熱力學(xué)》，從此，化工學(xué)科一個(gè)新的分支學(xué)科——化工熱力學(xué)誕生。

化學(xué)工程研究

第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，化學(xué)工程的研究也轉(zhuǎn)向滿足戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。

20世紀(jì)40年代初，化學(xué)工程在C4餾分分離、丁苯橡膠乳液聚合、粗柴油流化催化裂化、曼哈頓原子彈計(jì)劃等重大化工過程的開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。

例如流化催化裂化設(shè)想是由麻省理工學(xué)院的Lewis教授和E.R.Gilliland教授提出的，在他們的指導(dǎo)下，幾所大學(xué)同時(shí)進(jìn)行了流化床性能研究，確定了顆粒尺寸、密度以及擴(kuò)大顆粒床層以產(chǎn)生良好的氣固接觸和顆粒運(yùn)動(dòng)所需的氣速之間的關(guān)系，并證實(shí)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。

這三次發(fā)展的成功使人們認(rèn)識(shí)到，要成功實(shí)現(xiàn)工藝放大，特別是高倍數(shù)放大（曼哈頓計(jì)劃中放大倍數(shù)高達(dá)1000倍），必須深刻認(rèn)識(shí)工藝的內(nèi)在規(guī)律，沒有扎實(shí)的基礎(chǔ)研究是難以實(shí)現(xiàn)的。

同時(shí)，經(jīng)過二三十年的單元操作研究，奠定了一定的基礎(chǔ)，反應(yīng)器工程放大對(duì)化工過程開發(fā)的重要性也更加凸顯。

這些都為戰(zhàn)后化學(xué)工程的進(jìn)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引入是化學(xué)工程發(fā)展的第一次過程的話，那么，第二次世界大戰(zhàn)以后，化學(xué)工程發(fā)展則經(jīng)歷了第二次過程，即“三轉(zhuǎn)移一反應(yīng)”(動(dòng)量傳遞、傳熱、傳質(zhì)和反應(yīng)工程)概念的引入。

“三傳一反攻”理念的形成

在化學(xué)工程發(fā)展的初期，工業(yè)反應(yīng)過程的研究引起了化學(xué)工程師們的重視，戴維斯在《化學(xué)工程手冊(cè)》中對(duì)化學(xué)工業(yè)中的反應(yīng)進(jìn)行了分類。

單元操作概念在處理僅涉及物理變化的化學(xué)操作方面取得了巨大成功。有人將反應(yīng)過程按化學(xué)特性劃分為硝化、磺化、加氫、脫氫等單元過程，試圖解決工業(yè)反應(yīng)過程開發(fā)問題。但實(shí)踐證明，單元過程概念并沒有抓住反應(yīng)過程開發(fā)所需要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(jìn)了催化劑和催化反應(yīng)的研究。

1928年，釩催化劑成功用于二氧化硫的催化氧化。

采用硅鋁催化劑的原油催化裂解工藝于1936年發(fā)明，這些氣固催化反應(yīng)過程和燃燒過程的研究使化學(xué)工程師開始認(rèn)識(shí)到工業(yè)反應(yīng)中傳質(zhì)、傳熱對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響。

20世紀(jì)30年代末，德國(guó)的G.Damk?hler和美國(guó)的EW Tilly分別系統(tǒng)地分析了反應(yīng)相外的傳質(zhì)與傳熱以及反應(yīng)相內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱，這些成果至今仍是化學(xué)反應(yīng)工程的重要組成部分。

20世紀(jì)50年代初，隨著石油化工的興起，在連續(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(shí)間分布、宏觀混合、微觀混合、反應(yīng)器參數(shù)敏感性、反應(yīng)器穩(wěn)定性等。

1957年在阿姆斯特丹召開的首屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程研討會(huì)上，自然宣告了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的誕生。

在《化學(xué)工程原理》中沃克等人吸收了流體力學(xué)、傳熱和傳質(zhì)方面的研究成果。

到了20世紀(jì)50年代，化學(xué)工程師們有了更清晰的認(rèn)識(shí)，即從本質(zhì)上講，一切單元操作都可以分解為三種傳遞過程：動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，或者它們的組合。在化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的形成過程中，傳遞過程對(duì)工業(yè)反應(yīng)器中化學(xué)反應(yīng)的影響也被清晰地認(rèn)識(shí)到。對(duì)單元操作和反應(yīng)過程的深入研究，離不開對(duì)傳遞過程規(guī)律的探索。

化學(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材料；在噴霧干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)中，必須詳細(xì)分析流動(dòng)模型以及傳熱傳質(zhì)速率等。

20世紀(jì)50年代初，許多大學(xué)開始向化工系學(xué)生講授流體力學(xué)、擴(kuò)散原理等課程，出現(xiàn)了將三種傳遞過程融為一體的趨勢(shì)。

1957年，在普渡大學(xué)召開的美國(guó)工程系主任會(huì)議上，傳遞過程被與力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)并列為工程基礎(chǔ)學(xué)科，并制定了詳細(xì)的課程計(jì)劃。在此背景下，威斯康星大學(xué)的RB Bode、WE Steward、EN Lightfoot等教授著手編寫《傳遞現(xiàn)象》，該書首先在威斯康星大學(xué)試行，并于1960年經(jīng)修訂后正式出版。該書的出版，產(chǎn)生了幾乎與當(dāng)年《化學(xué)工程原理》同樣巨大的影響，到1978年，該書已印刷19次，標(biāo)志著化學(xué)工程發(fā)展進(jìn)入了“三個(gè)傳遞、一個(gè)反應(yīng)”的新時(shí)代。

學(xué)科交叉融合與深化

20世紀(jì)50年代中期，電子計(jì)算機(jī)開始進(jìn)入化工行業(yè)，極大地促進(jìn)了化工工程的發(fā)展。化工過程的數(shù)學(xué)模擬得到迅速發(fā)展，由最初對(duì)某一過程或某臺(tái)設(shè)備的模擬，很快發(fā)展到對(duì)整個(gè)工藝流程乃至某個(gè)聯(lián)合企業(yè)的模擬。20世紀(jì)50年代末，出現(xiàn)了第一代化工模擬系統(tǒng)。

在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)節(jié)省了時(shí)間和金錢，使得研究化工系統(tǒng)的整體優(yōu)化成為可能，形成了化工研究的一個(gè)新領(lǐng)域——化工系統(tǒng)工程。這是化工在綜合性方面的深化。到目前為止，化工已經(jīng)形成了比較完整的學(xué)科體系。

在化學(xué)反應(yīng)工程、轉(zhuǎn)移工程、化工系統(tǒng)工程取得突破性進(jìn)展的同時(shí)，單元操作和化工熱力學(xué)研究并未停滯，轉(zhuǎn)移過程研究和電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為單元操作帶來了新的活力。

20世紀(jì)50年代初，美國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)組織開展了精餾塔板效率的研究，對(duì)影響塔板效率的主要因素和如何改進(jìn)塔板結(jié)構(gòu)有了感性的認(rèn)識(shí)。閥塔板、舌形塔板、斜孔塔板等新型塔板相繼推出。通過設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，篩板塔板重新獲得廣泛應(yīng)用。反滲透、電滲析、超濾等膜分離操作和區(qū)熔等凈化技術(shù)相繼投入工業(yè)應(yīng)用。液膜分離、參數(shù)泵分離等新型分離技術(shù)開始在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。

高壓過程的廣泛采用和傳質(zhì)與分離過程設(shè)計(jì)計(jì)算方法的改進(jìn)，促進(jìn)了化工熱力學(xué)中狀態(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，提出了一批至今仍被廣泛應(yīng)用的狀態(tài)方程(如RK方程、馬丁-侯方程等)和活度系數(shù)方程(如Magrus方程、Wilson方程和NRTL方程等)。

新領(lǐng)域的出現(xiàn)

進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，化學(xué)工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，面對(duì)環(huán)境污染、能源短缺等挑戰(zhàn)，化學(xué)工程各分支學(xué)科繼續(xù)蓬勃發(fā)展，在單元操作領(lǐng)域，固體物料的加工處理開始受到廣泛關(guān)注，粉體工程這一新興分支學(xué)科正在形成。

在化工熱力學(xué)研究中，狀態(tài)方程與相平衡的關(guān)系仍是一個(gè)活躍的課題，形式簡(jiǎn)單、具有足夠精度的新狀態(tài)方程，如PR方程(1976)、SRK方程(1972)貝語網(wǎng)校，基于基團(tuán)貢獻(xiàn)原理的活度系數(shù)方程如UNIFAC方程(1977)等相繼提出。降低能耗的迫切需要使過程熱力學(xué)分析有了很大的發(fā)展。高分子化學(xué)和生物化工的發(fā)展促進(jìn)了非牛頓流體傳遞過程特性的研究，激光測(cè)量、流場(chǎng)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)域拓展，20世紀(jì)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)體系的集中動(dòng)力學(xué)方法、聚合反應(yīng)工程、電化學(xué)反應(yīng)工程等新的分支學(xué)科。

化工系統(tǒng)工作開始進(jìn)行系統(tǒng)集成的探索，在換熱網(wǎng)絡(luò)、分離過程的綜合等方面取得了實(shí)用成果，20世紀(jì)80年代初發(fā)展了以ASPEN為代表的第三代化工模擬系統(tǒng)。

然而電滲析工程學(xué)，化工熱力學(xué)、傳遞過程、單元操作、化學(xué)反應(yīng)工程和化學(xué)系統(tǒng)工程等學(xué)科體系在深度和廣度上已經(jīng)覆蓋了傳統(tǒng)化學(xué)工程的各個(gè)領(lǐng)域，很難再指望在傳統(tǒng)化學(xué)工程范圍內(nèi)出現(xiàn)過去那樣激動(dòng)人心的突破。近十幾年來，化學(xué)工程領(lǐng)域更引人矚目的發(fā)展，是在與相鄰學(xué)科的交叉滲透中已經(jīng)或正在形成的一些頗具前景的新領(lǐng)域。

第二次世界大戰(zhàn)期間青霉素生產(chǎn)的發(fā)展，開創(chuàng)了化學(xué)工程與生物化學(xué)融合的新紀(jì)元。戰(zhàn)后，各種抗生素和激素的生產(chǎn)迅速增加，微生物技術(shù)也應(yīng)用于石油蛋白生產(chǎn)、污水凈化等。

20世紀(jì)70年代，分子生物學(xué)取得了重組DNA技術(shù)等重大成果，為生物化學(xué)品和藥物制備開辟了新的領(lǐng)域，有望對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。生物化工無論在生化反應(yīng)還是分離技術(shù)方面都在不斷取得進(jìn)展。

化學(xué)工程師以其專業(yè)知識(shí)為醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，一門新的學(xué)科——生物醫(yī)學(xué)工程正在形成。人體本質(zhì)上是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小型化工廠，許多生理過程都可以借助化學(xué)工程原理進(jìn)行分析。

質(zhì)量傳遞原理已用于減壓病的研究，傳熱原理已用于體內(nèi)熱調(diào)節(jié)的研究，停留時(shí)間分布的概念可用來分析藥物的療效，非牛頓流體流動(dòng)和透析的原理已應(yīng)用于人工心肺機(jī)和人工腎的研制。

化學(xué)工程結(jié)合固體物理學(xué)、晶體化學(xué)和材料科學(xué)，在化學(xué)氣相沉積過程的研究中發(fā)揮著重要作用。化學(xué)氣相沉積是近二十年來迅速發(fā)展起來的制備無機(jī)材料的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于微電子、光纖通訊、超導(dǎo)等新技術(shù)領(lǐng)域中各種功能器件的制造。

正如一百年前化學(xué)工程從化學(xué)中分離出來一樣，如今化學(xué)工程領(lǐng)域中也不斷涌現(xiàn)出新的學(xué)科。