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化工科学的发展与<传递>学科的成长

已有 4737 次阅读 2008-3-11 09:27 |个人分类:专业教学|系统分类:科研笔记

 由于火的使用,原始人在一百多万年前就制造了陶器,这是最早出现的硅酸盐化工工艺。在此后漫长的人类历史长河中,物质转化的工艺知识通常作为经验或技术诀窍藏匿在工匠或小作坊主的脑子里,没有成为系统的知识。在冶炼金属和制造玻璃方面,古埃及的技术文明已经发展到一个很高的水平,但直到18世纪末,玻璃杯的使用仍是财富的象征,一套铝制餐具则可以显示拿破仑的特权。 
 
化工科学的形成源于规模化的工业生产。19世纪末,逐步形成的各种化工产品的工艺学,正是当时以产品划分的化工生产的写实,这在后来集合为“工业化学”课程。一种化工产品的生产过程通常以化学反应为核心,而物理加工步骤只起到为化学反应准备必要的反应条件以及进一步将反应得到的粗产品提纯的作用。 
 
虽然有千千万万个不同的化工生产过程,但归纳起来,各种生产过程都是由化学反应和和若干个物理操作过程串联而成。所以不必将每一个化工产品生产过程都作为一种特殊的或独有的知识去研究,只研究组成生产过程的每一个单独操作即可。1915年,化学工程的先驱A D Little在向麻省理工学院提交的一份报告中写道:“……任何化学过程,不论是什么样的规律,总可以分解为一系列互相类同的被称作“单元操作 (Unit Operation)的组成部分,如破碎、混合、加热、吸收、沉淀、结晶、过滤等等。这些基本单元操作的数目并不多,对于一个特定的加工过程,可能只包括它们之中的某几个。要使化学工程师们能广博地适应职业的需要所应具备的能力,只能是对实际规模上所进行的过程做出分析井将其分成多个单元操作来获得。……”。1922年,在美国的化学工程师年会上,单元操作的概念被法定认可。次年,麻省理工学院的著名教授W H Walker等人写成第一部关于单元操作的书,名为 Principles of Chemical Engineering(化工原理)。 
 
根据单元操作的基本规律,可将操作单元划分为三类: 
 
遵循流体力学基本规律的操作单元,包括流体输送、沉降、过滤、固体流态化等; 
  
遵循传热基本规律的操作单元,包括加热、冷却、冷凝、蒸发等; 
  
遵循传质基本规律的操作单元,包括蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等。因为这些操作的最终目的是将混合物分离,故又称之为传质分离操作。 
  
同一单元操作在不同化工生产中有共性也有各自的特征,例如制碱和制糖生产都有蒸发这个单元操作,它们共同遵循传热基本规律,都采用蒸发器,这就是蒸发操作在两种不同工业生产中的共性。但制碱工业的蒸发条件不同于制糖,两者所选的蒸发器也各异,这是特殊性。从以产品来划分的化工生产工艺中,抽象出各种单元操作,即从特殊性中总结出普遍性,是认识上的一个飞跃,使量化分析成为可能,极大促进了化工的设计、预测和控制,对化学工程学的形成和发展起了重要推动作用,并促进了化学工业的发展。 
 
同时,从事有机合成的化工专家也根据归类和归纳的思路,将有机合成工艺按其化学反应组合成单元过程,例如磺化、硝化、酯化等。这些单元过程的内涵大都限于化学,逐渐发展为“精细化工”学科,指导小批量化工产品的生产。 
 
化工科学的成长是一个逐步抽象的历程,不断将有区别的化工过程的共同性质或特性形象地抽取出来并进行考虑。这种抽象是理论思维的重要形态,任何学术研究发展到理论水平,几乎都需要对研究对象进行抽象处理,提炼出理论原则或模型。随着对单元操作不断深入研究,人们认识到分析单元操作中潜在的基本科学规律本身更是极有价值的研究课题。 
 
从整个社会来考察,任何理论归根到底都来自社会实践。理论最可宝贵和真正有价值的地方,不仅仅是为了能够解释和剖析实践,而是在于能够强化实践和预示明天的实践,特别是在理论工具突飞猛进和微型计算机普及的信息年代里,理论愈来愈科学地显示出“运筹于帷幄之中,决战于千里之外”的作用。单元操作中抽象提炼出的共性科学规律不仅可以帮助理解已有单元操作的过程细节,还可以指导人们认识新的技术单元的基本规律。 
 
流体流动是一种动量传递现象,所以遵循流体力学基本规律的诸操作单元,都可以用动量传递理论去研究,其余两大类的单元操作则可分别用热量传递理论与质量传递理论进行研究。三种传递现象在许多过程中同时发生,并且存在类似的规律。这使得原来本是分立学科的流体力学(动量传递)、传热学与传质学合而为一,构成一个新的基础学科成为必要。1960年,威斯康星大学的Bird等人为了加强学生工程科学基础的训练,把三种传递过程的内容组织在一起写成了Transport Phenomena(传递现象)一书,Bird等人在前言中写道;“当前的工科教育愈来愈倾向于着重基本物理原理的理解,而不是盲目地套用经验结论。”这一思想始终贯穿于传递课程之中。 
 
同时,对于很多重要化学反应,需要设计工业反应装置的结构,确定并控制最佳操作条件,模拟放大生产过程。对于反应器中进行的化学反应,除了要考虑分子反应的化学机理、反应速率,还必须注意参加反应物料的质量、热量和动量传递过程。传递过程的方法逐步与具有化学反应的工艺结合,在此交叉领域中再经归类和归纳,形成一门新的分支化工学科:化学反应工程。 
  
至此,化学工程学学科发展到了“三传一反”的较完整阶段,人们可以通过物理角度去理解并利用数学手段来定量描述众多松散的化工过程。20世纪60年代末,由于计算机的迅速发展与普及,使人们对化工单元的研究扩展到化工生产过程的系统优化设计、操作以及控制。运筹学与优化理论的结合并用于化工过程,形成了“化工系统工程学”,同时发展了“过程动态学与控制论”。这些学科,都是以“三传一反”对化工过程的数学描述作为基础的。

 <传递>作为学科出现以来,一直是化学工程的核心基础专业课程之一。可以说,<传递>课程是化工科学走向成熟的标志性学科之一,并经历了时间的检验,其重要性毋庸置疑。近年来,在近代科学技术快速发展的推动下,化学工程学科正在经历着急剧的变革。不仅在强化“三传一反”过程的准确量化认识,也愈加注重众多小产量新产品开发所面临的问题。新形势下,化工专业教育的核心内容需要有所革新,但<传递>课程所涉及的动量、热量和质量传递内容不会被撤销,而将近一步调整充实,以帮助学生准确理解不同尺度下化工过程所蕴含的流动和传递现象。随着科技发展,<传递>课程涵盖的领域不断扩大,描述的对象从普通流体向高分子材料及其溶液、离子液体、生物体、两相流、流体界面等领域扩展,该学科的应用对象不断扩大,涵盖了国民经济、生命健康和一些高技术产业,如新材料、新能源、食品药品加工等,使其焕发出新的生命力。



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