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化学工程 |
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| 化学工程 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 20:43:43  |
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研究化学工业和其他过程工业 (process industry) 生产中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。这些工业包括石油炼制工业、冶金工业、建筑材料工业、食品工业、造纸工业等。它们从石油、煤、天然气、盐、石灰石、其他矿石和粮食、木材、水、空气等基本的原料出发，借助化学过程或物理过程，改变物质的组成、性质和状态，使之成为多种价值较高的产品，如化肥、汽油、润滑油、合成纤维、合成橡胶、塑料、烧碱、纯碱、水泥、玻璃、钢、铁、铝、纸浆等等。化学过程是指物质发生化学变化的反应过程，如柴油的催化裂化制备高辛烷值汽油是一个化学反应过程。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，如原油经过蒸馏的分离而得到汽油、柴油、煤油等产品。至于其他一些领域 , 诸如矿石冶炼 , 燃料燃烧，生物发酵，皮革制造，海水淡化等等，虽然过程的表现形式多种多样，但均可以分解为上述化学过程和物理过程。实际上，化学过程往往和物理过程同时发生。例如催化裂化是一个典型的化学过程，但辅有加热、冷却和分离，并且在反应进行过程中，也必伴随有流动、传热和传质。所有这些过程，都可通过化学工程的研究，认识和阐释其规律性，并使之应用于生产过程和装置的开发、设计、操作，以达到优化和提高效率的目的。
上述工业生产的共同特点是，从实验室到工业生产特别是大规模的生产，都要解决一个装置的放大问题。生产规模扩大和经济效益提高的重要途径是装置的放大，以节省投资，降低消耗，减少占地 , 节约人力。但是 , 在大装置上所能达到的某些指标，通常低于小型试验结果，原因是随着装置的放大，物料的流动、传热、传质等物理过程的因素和条件发生了变化。这种起源于放大过程的效应，长期以来被笼统地称作“放大效应”，它包含了很多已查明或未查明的物理因素（或称工程因素）的影响。化学工程的一个重要任务就是研究有关工程因素对过程和装置的效应，特别是在放大中的效应，以解决关于过程开发、装置设计和操作的理论和方法等问题。它以物理学、化学和数学的原理为基础，广泛应用各种实验手段，与化学工艺相配合，去解决工业生产问题。
化学工程包括单元操作、化学反应工程、传递过程、化工热力学、化工系统工程、过程动态学及控制等方面。
单元操作 构成多种化工产品生产的物理过程都可归纳为有限的几种基本过程，如流体输送、换热（加热和冷却）、蒸馏、吸收、蒸发、萃取、结晶、干燥等。这些基本过程称为单元操作。对单元操作的研究，得到具有共性的结果，可以用来指导各类产品的生产和化工设备的设计。在 20 世纪初，对化学工程的认识虽只限于单元操作，但却开拓了一个崭新的领域和出现了一些从事崭新职业的化学工程师。这些化学工程师不同于以往的化工生产工作者，他们经历过化学工程这一专门学科的训练，故有能力使化工生产过程和设备设计、制造和操作控制更为合理。直到今天，各个单元操作的研究还是有着极为重要的理论意义和应用价值，而且是为了适应新的技术要求，一些新的单元操作不断出现并逐步充实进来。
化学反应工程 化学反应是化工生产的核心部分，它决定着产品的收率，对生产成本有着重要影响。尽管如此，在早期因其复杂性而阻碍了对它的系统研究。直到 20 世纪中叶，在单元操作和传递过程研究成果的基础上，在各种反应过程中，如氧化、还原、硝化、磺化等发现了若干具有共性的问题，如反应器内的返混、反应相内传质和传热、反应相外传质和传热、反应器的稳定性等。对于这些问题的研究，以及它们对反应动力学的各种效应的研究，构成了一个新的学科分支即化学反应工程，从而使化学工程的内容和方法得到了充实和发展。
传递过程 是单元操作和反应工程的共同基础。在各种单元操作设备和反应装置中进行的物理过程不外乎三种传递：动量传递、热量传递和质量传递。例如，以动量传递为基础的流体输送、反应器中的气流分布；以热量传递为基础的换热操作 , 聚合釜中聚合热的移出 ; 以质量传递为基础的吸收操作，反应物和产物在催化剂内部的扩散等。有些过程有两种或两种以上的传递现象同时存在 , 如气体增减湿等。作为化学工程的学科分支 , 传递过程着重研究上述三种传递的速率及相互关系，连贯起一些本质类同但表现形式各异的现象。
化工热力学 是单元操作和反应工程的理论基础，研究传递过程的方向和极限，提供过程分析和设计所需的有关基础数据。因此，化学工程的学科分支也可以分两个层次：单元操作和反应工程较多地直接面向工业实际，传递过程和化工热力学较多地从基础研究角度，支持前两个分支。通过这两个层次使理论和实际得以密切结合。
随着生产规模的扩大和资源、能源的大量耗用，使得早先并不显得很重要的问题逐渐突出起来。例如能量利用问题，设计和操作优化问题，在大型生产中都十分重要。由于化工过程中，各个过程单元相互影响，相互制约，因此很有必要将化工过程看作一个综合系统，并建立起整体优化的概念。于是系统工程这一学科在化学工程中得到了迅速的发展，也取得了明显的效果，形成了化工系统工程。它是系统工程方法与单元操作和化学反应工程这两个学科分支相结合的产物。为了保持操作的合理和优化，过程动态特性和控制方法也是化学工程的重要内容。
化学工程的研究对象 通常是非常复杂的，主要表现在：①过程本身的复杂性：既有化学的，又有物理的，并且两者时常同时发生 , 相互影响。②物系的复杂性 : 既有流体（气体和液体），又有固体，时常多相共存。流体性质可有大幅度变化，如低粘度和高粘度、牛顿型和非牛顿型等。有时，在过程进行中有物性显著改变，如聚合过程中反应物系从低粘度向高粘度的转变。③物系流动时边界的复杂性：由于设备（如塔板、搅拌桨、档板等）的几何形状是多变的，填充物（如催化剂、填料等）的外形也是多变的，使流动边界复杂且难以确定和描述。
化学工程的研究方法 由于化学工程对象的这些特点，使得解析方法在化学工程研究中往往失效。也从而形成了自己的研究方法（化学工程研究方法），其中有些方法并非首创，而由别的领域移植而来。
早期的研究方法 化学工程初期的主要方法是经验放大，通过多层次的、逐级扩大的试验，探索放大的规律。这种经验方法耗资大、费时长、效果差，人们一直努力试图摆脱这种处境。但是时至今日，对于一些特别复杂，人们迄今尚知之甚少的过程，还不得不求助于或部分求助于此法。
20 世纪初的研究方法 相当盛行的是相似论和因次分析，其特点是将影响过程的众多变量通过相似变换或因次分析归纳成为数较少的无因次数（无量纲）群形式，然后设计模型试验，求得这些数群的关系。用这两种方法归纳实验结果，甚为有效。
对于反应过程，逐级的经验方法沿用了很长时间。由于不可能在满足几何相似和物理量相似的同时满足化学相似条件，用无因次数群关联实验结果以获得反应过程规律的思路归于无效。
50 年代以后的研究方法 直至 50 年代，才在化学反应工程领域中广泛应用数学模型方法。这一方法的影响波及到化学工程的其他分支，使研究方法出现了一个革新。但即使采用了这个方法 , 实验工作仍占重要地位 , 基础数据要依靠实验测定，模型要通过实验得到鉴别，模型参数要由实验求取，模型可靠性要由实验验证。
各种化学工程研究方法的基础是实验工作，不论采用哪一种研究方法，都应力求使实验工作有效、可靠和简易可行。各种理论、各种方法以及计算机的应用，目的都是为使实验工作更能揭示事物的规律，更为节省时间、人力和费用。在上述方法的应用中，多方面体现了过程分解（将一个复杂过程分解为两个或几个较简单过程），过程简化（较复杂过程忽略次要因素而以较简单过程简化处理）和过程综合（在分别处理分解了的过程后，再将这些过程综合为一）的思想。
重要作用
现代工业生产的规模常要求一套装置的年产量达数十万吨或更高。这些装置必然面临大量的工程问题，而且指标稍有下降，就会带来很大的经济损失。
科学技术的进步，时时刻刻在创造新的产品和新的工艺。但这些新的产品必须借助工程的手段才能实现工业生产，新的工艺要有经济和技术的合理性才能取代原有工艺。
上述装置大型化和新产品、新工艺工业化的问题都属于化学工程的研究范围。化学工程在国民经济中的重要作用是十分明显的。
例如将大量烟气中硫、氮氧化物等有害组分脱除后再排放，在实验室达到要求后，进而要在工业规模中实现大量烟气的净化，就必须考虑大规模净化的经济性和可行性，着眼点与实验室研究很不相同。
又如化工生产中 , 要求十分纯净的产品作为原料 , 如高分子化工中常要求聚合前单体的杂质含量是在百万分之几 (ppm) 数量级。对于实验室工作来说 , 这一点并不一定困难，而且小实验也不要求提纯的经济指标。但是要求大型生产装置在低消耗和设备简易可行的条件下做到这一点 , 却是一个完全不同的课题。这种课题的解决 , 有赖于单元操作的研究。假使在实验反应器中确定了优选的温度、浓度和反应时间，获得了满意的效果。而在放大过程中，由于流动的不均匀性，物料在反应器中的停留时间（反应时间）出现不均匀，偏离了优选的反应时间。由于反应热效应，大装置中因传热的限制而出现的温度不均匀，使反应温度偏离了优选温度。温度的不均匀必然导致浓度的不均匀。这些效应引起大装置中效率下降，产品成本提高，甚至可能因此失去工业价值而不宜用于生产。这个例子说明化学反应工程研究的作用和意义。
另一个例子是工业生产中为适应各过程的需要，时而需要加热，时而需要冷却。在实验室中能耗指标并不重要，但大生产就必须考虑热量的合理利用，应尽可能使加热和冷却相匹配，尽可能利用低位热能。如何合理利用热量，如何合理安排众多的设备，这一课题，是无法用实验方法解决的，而是通过化工系统工程的研究解决的。
上述数例说明生产大型化后人们对化学工程知识的紧迫需要。化学工程的成就已能在相当程度上解决这些问题。
发展方向
化学工程面临着新的挑战和新的课题，解决这些新课题的过程，必然使化学工程学科得到发展。它的研究范围和应用前景已远远越过了它原有的含义。
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；另一方面是不断向新的领域渗透，研究和解决新领域中的新问题。
学科的纵深方向 为了深入掌握过程的规律，对化学工程中经常遇到的多相物系、高粘度流体和非牛顿型流体的传递规律进行深入系统研究。这些研究不但有利于解决传统研究领域的问题，也有助于了解诸如人体内血液流动等新兴课题。对反应过程中多重定常稳定态问题的研究，既是反应器设计和操作的需要，也是从另一侧面对非线性系统稳定性问题研究所作的贡献。为了使大型装置的设计更为迅速可靠，研究了各种物系物性参数、热力学参数与热化学参数以及相平衡与化学平衡数据，推动了化工热力学研究进一步与实际的结合。
在研究方法方面，数学模型方法不断完善，与之相配合的是，以统计理论和信息论为基础的实验设计、数据处理、模型的筛选和鉴别以及模型参数估计等方法。为了进行过程的模拟及多方案计算，发展了多种计算机模拟系统，建立了模型库和数据库，并从定态模拟发展到为过程控制所需要的动态模拟。
向新领域的渗透 这是客观需要，也是学科发展的动力。在历史上，化学工程就在各种新过程的开发和优化，在无机化工和石油化工等装置大型化的推动下得到发展，如大型径向固定床反应器和催化裂化用流化床反应器的开发技术。在解决石油加工中多组分反应物系处理方法时，发展了集总动力学处理方法，这一方法反过来又可用于处理生物反应过程。在向材料工业渗透过程中，出现了将化学反应工程原理用于聚合过程的聚合反应工程，对于高粘物系传递特性的研究则有了实际应用的课题。随着生物技术的进展 , 出现了生物化学工程 , 以解决生物反应器和生物制剂分离等问题，如超过滤技术等。能源短缺的情况，使人们重视低温热源的利用，出现了新型换热器。为了保护环境，也为了开发海洋资源，要求研究低浓度混合物的分离技术，于是出现了新的分离技术，如膜分离、泡沫分离等。用化学工程的观点和方法，研究人体内的生理过程，如药物在人体中的扩散，以及研究人工脏器等，形成了生物医学工程这一新的研究领域。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。化学工程的原理甚至被应用于研究高纯电子器件的制备，喷气技术等等方面。也就是说，在化工生产领域之外，凡是存在反应过程或传递过程并值得重视的场合，几乎都可以找到化学工程的用武之地。这一认识反映了当今化学工程的概貌。
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