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化学工程发展史history of chemical engineering

时间：2020-03-01 来源：网络 浏览：
过滤、蒸发、蒸馏、结晶、干燥等单元操作在生产中的应用，已有几千年的历史，据考古发现，至少在10000年以前中国人已掌握了用窑穴烧制陶器的技艺，5000年以前已通过利用日光蒸发海水、结晶制盐;埃及人在5000年以前的第三王朝时期开始酿造葡萄酒，并在生产过程中用布袋对葡萄汁进行过滤。但在相当长的时期里，这些操作都是规模很小的手工作业。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，化学工程已经成为一门有独特研究对象和完整体系的工程学科。
　　化学工程的萌芽 　法国革命时期出现的吕布兰法制碱，标志着化学工业的诞生。到19世纪70年代，制碱、硫酸、化肥、煤化工等都已有了相当的规模，化学工业在19世纪出现了许多杰出的成就。例如：索尔维法制碱中所用的纯碱碳化塔，高达20余米，在其中同时进行化学吸收、结晶、沉降等过程，即使今天看来，也是一项了不起的成就。但当时取得这些成就的人却认为他们自己是化学家，而没有意识到他们已经在履行化学工程师的职责。
　　化学工程概念的提出 　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、过滤、吸收和萃取组成的，可以对它们进行综合的研究和分析，化学工程将成为继土木工程、机械工程、电气工程之后的第四门工程学科。但戴维斯的观点当时在英国没有被普遍接受。1880年他发起成立英国化学工程师协会，未获成功。尽管如此，戴维斯仍继续根据自己的观点搜集资料，进行整理分析。1887～1888年，他在曼彻斯特工学院作了12次演讲，系统阐述了化学工程的任务、作用和研究对象。这些演讲的内容后来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，出版后很受欢迎。1904年在他的助手N.斯温丁的协助下，又出版该书的第二版。
　　化学工程专业的建立 　与英国的情况相反，戴维斯的这些活动在美国却引起了普遍的注意，化学工程这一名词在美国很快获得了广泛应用。1888年，根据L.M.诺顿教授的提议，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，即著名的第十号课程。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。这些课程的开设标志着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。这样培养出来的化学工程师虽然具有制造各种化工产品的工艺知识，但仍不懂得化工生产的内在规律，因此还不能满足化学工业发展的需要。
　　戴维斯实际上已提出了培养化学工程师的一种新的途径。但他的工作偏重于对以往经验的总结和对各种化工基本操作的定性叙述，而缺乏创立一门独立学科所需要的理论深度。1902年W.H.华克尔受命彻底改造麻省理工学院化学工程的实验教育，开始了对化学工程教育的一系列改革，使化学工程的发展进入了一个新时期。
　　学科基础的奠定 　华克尔当时是著名物理化学家A.诺伊斯的助手，在此之前他曾和A.D.利特尔一起从事化学工业方面的咨询工作，这种经历使他有条件致力于探索如何把物理化学和工业化学知识结合起来，去解决化学工业发展中面临的工程问题。在1905年受聘在哈佛大学讲述的工业化学课程中，他已系统发挥了化工原理的基本思想。1907年华克尔全面修订了化学工程课程计划，更加强调学生的化学训练和工程原理的实际应用。
　　单元操作概念的提出 　利特尔对化学工程早期发展也作出了重要贡献。他曾长期从事化学工业方面的咨询工作，1908年参予发起成立美国化学工程师协会，并担任过该会的主席。对化学工程的兴趣，以及同华克尔的友谊，使他一直关心着麻省理工学院的化学工程教育。1908年，根据他的建议，麻省理工学院建立了应用化学实验室和化学工程实用学校，让学生接受各种化工基本操作的实际训练。1915年，他在给麻省理工学院的一份报告中，提出了单元操作的概念，他指出：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。只有将纷杂众多的化工生产过程分解为构成它们的单元操作来进行研究，才能使化学工程专业具有广泛的适应能力。这些意见对化学工程产生了深远的影响。
　　化学工程师的培养 　1920年，在麻省理工学院，化学工程脱离化学系而成为一个独立的系，由W.K.刘易斯任系主任。这年夏天，在华克尔的缅因州夏季别墅里，华克尔、刘易斯和W.H.麦克亚当斯完成了《化工原理》一书的初稿，此书油印后立即用于化工系的教育，后于1923年正式出版。《化工原理》阐述了各种单元操作的物理化学原理，提出了它们的定量计算方法，并从物理学等基础学科中吸取了对化学工程有用的研究成果（如雷诺关于湍流、层流的研究）和研究方法（如因次分析和相似论，奠定了化学工程作为一门独立工程学科的基础，影响了此后化学工程师的培养和化学工程的发展。
　　20世纪20年代，在汽车工业的推动下，石油炼制工业获得了很大的发展，出现了第一个化学加工过程──热裂化，在化工生产中，连续操作日益普遍。这些过程的操作和放大，都需要加深理解流体流动、热量的传递和利用以及相际传质的规律。麻省理工学院培养的第一批具有单元操作知识的化学工程师，在热裂化过程的开发中发挥了很好的作用。这些进一步推动了单元操作的研究，并取得了丰硕的成果。继《化工原理》后，一批论述各种单元操作的著作，如C.S.鲁宾逊的《精馏原理》（1922）和《蒸发》（1926）、刘易斯的《化工计算》(1926)、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。
　　化工热力学的诞生 　在阐述单元操作的原理时，华克尔等曾利用了热力学的成果。但是化学工程面临的许多问题，例如许多化工过程中都会遇到的高温、高压下气体混合物的p－V－T关系的计算，经典热力学并没有提供现成的方法。30年代初，麻省理工学院的H.C.韦伯教授等人提出了一种利用气体临界性质的计算方法。虽然从物理化学的观点来看，这种方法十分粗糙，但对工程应用，却已够准确。这是化工热力学最早的研究成果。1939年韦伯写出了第一本化工热力学教科书《化学工程师用热力学》。1944年耶鲁大学的B.F.道奇教授写的第一本取名为《化工热力学》的著作出版了，于是化学工程的一个新的分支学科──化工热力学诞生了。
　　化学工程的研究 　第二次世界大战爆发以后，化学工程的研究也转入了满足战争需要的轨道。40年代前期，在重大化工过程的开发中，即碳四馏分的分离和丁苯橡胶的乳液聚合、粗柴油的流态化催化裂化以及曼哈顿原子弹工程计划等，化学工程都发挥了重要作用。例如:流态化催化裂化的设想就是由麻省理工学院的刘易斯教授和E.R.吉利兰教授提出的。在他们的指导下，几所大学同时进行了流化床性能的研究，确定了颗粒尺寸、密度和使颗粒床层膨胀，以造成气固间良好接触和颗粒运动所需的气速间的关系，证实了在催化裂化反应器和再生器之间连续输送大量固体催化剂的可能性。这三项开发的成功，使人们认识到要顺利实现过程放大，特别是高倍数的放大（在曼哈顿工程中放大倍数高达1000），必须对过程的内在规律有深刻的了解，没有坚实的基础研究工作，是很难做到这一点的。同时，在单元操作经过二、三十年的研究已有了一定的基础后，反应器的工程放大对化工过程开发的重要性显得更为突出。这些都为战后化学工程的进一步发展指明了方向。
　　学科体系的形成 　如果说单元操作概念的提出是化学工程发展过程中经历的第一个历程的话，那么在第二次世界大战后，化学工程又经历了其发展过程中的第二个历程，这就是“三传一反”（动量传递、热量传递、质量传递和反应工程）概念的提出。
　　三传一反概念的形成  化学工程诞生之初，对工业反应过程的研究吸引着化学工程师的注意。戴维斯在《化学工程手册》中曾对化学工业中的反应作过分类。单元操作的概念，在处理只包含物理变化的化工操作时获得了巨大的成功。有人将反应过程按化学特征分为硝化、磺化、加氢、脱氢等单元过程，试图解决工业反应过程的开发问题。但实践证明单元过程的概念没有抓住反应过程开发中所需解决的工程问题的本质。
　　1913年哈伯- 博施法（见合成氨工业发展史）投入生产，这一成功极大地促进了催化剂和催化反应的研究。1928年钒催化剂被成功用于二氧化硫的催化氧化。1936年发明了用硅铝催化剂进行的粗柴油催化裂化工艺。对这些气固相催化反应过程和燃烧过程的研究，使化学工程师开始认识到，在工业反应过程中质量传递和热量传递对反应结果的影响。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传质和传热以及反应相内传质和传热作了系统的分析。这些成果至今仍是化学反应工程的重要组成部分。50年代初，随着石油化工的兴起，在对连续反应过程的研究中，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，水到渠成地宣布了化学反应工程这一学科的诞生。
　　在《化工原理》中，华克尔等已经吸取了流体力学、传热学和关于质量传递的研究成果。到50年代，化学工程师更清楚地认识到从本质上看，所有单元操作都可以分解成动量传递、热量传递、质量传递这三种传递过程或它们的结合。在工业反应器中传递过程对化学反应的影响，在化学反应工程学科形成过程中，也被清楚地认识到了。对单元操作和反应过程的深入研究，都离不开对传递过程规律的探索。化学工业在发展过程中也提出了许多新课题，例如在聚合物加工中，化学工程师必须处理高粘度物料，在喷雾干燥设备的设计中，必须对流动模型和传热、传质速率作详细分析。50年代初，许多大学都开始给化工系的学生讲授流体力学，扩散原理等课程，并出现了把三种传递过程加以综合的趋向。1957年在普渡大学召开的美国工程学科的系主任会议上，传递过程和力学、热力学、电磁学等一起被列为基础工程学科，并制订了这一课程的详细计划。在这种背景下，威斯康星大学教授R.B.博德、W.E.斯图尔德和E.N.莱特富特着手编写《传递现象》，先在威斯康星大学试用，经修订后于1960年正式出版。这部著作的出版几乎和当年的《化工原理》一样产生了巨大的影响，到1978年就印刷了19次，成为化学工程发展进入“三传一反”的新时期的标志。
　　分支学科的综合和深化 　50年代中期，电子计算机开始进入化工领域，对化学工程的发展起了巨大的推动作用，化工过程数学模拟迅速发展。由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，在50年代后期出现了第一代的化工模拟系统。在计算机上进行模拟试验，既省时又省钱，使得研究化工系统的整体优化成为可能，形成了化学工程研究的一个新领域──化工系统工程。这是化学工程在综合方面上的深化。至此，化学工程形成了比较完整的学科体系。
　　在化学反应工程、传递工程、化工系统工程取得突破性进展的同时，单元操作和化工热力学并没有停滞不前。传递过程研究和电子计算机的应用给单元操作带来了新的活力。50年代初，美国化学工程师协会组织了蒸馏塔板效率的研究工作，对影响塔板效率的主要因素及应如何改进塔板结构有了感性认识。浮阀塔板、舌形塔板、斜孔塔板等新形塔板相继问世，通过设计方法的改进，筛板塔重新获得广泛应用。反渗透、电渗析、超过滤等膜分离操作和区域熔炼等提纯技术投入了工业应用。液膜分离、参数泵分离等新的分离技术开始进行实验室研究。
　　高压过程的普遍采用和传质分离过程设计计算方法的改进，推动了化工热力学关于状态方程和多元汽液平衡、液液平衡及相平衡关联方法的研究，提出了一批至今仍获得广泛应用的状态方程(如RK方程，马丁-侯方程)和活度系数方程（如马格勒斯方程、威尔逊方程、NRTL方程）。
　　新兴领域的出现 　进入70年代后，化学工业的规模不断扩大，并且面临着环境污染和能源紧缺的挑战，化学工程的各分支学科继续生气勃勃地向前发展。在单元操作领域里，固体物料的加工和处理开始得到普遍的注意，正在形成粉体工程的新分支。在化工热力学研究中，状态方程和相平衡关联依然是活跃的课题，提出了PR方程(1976)、SRK方程 (1972)等形式简单又有足够精确度的新状态方程和基于基团贡献原则的UNIFAC方程(1977)等活度系数方程。降低能耗的迫切要求，使过程热力学分析获得了很大的发展。高分子化工和生物化工的发展推动了非牛顿型流体传递过程特征的研究，激光测量、流场显示等新技术开始应用于传递过程的研究。化学反应工程不断向复杂领域扩展，70年代初出现了处理有大量连续组分参与反应的复杂反应体系的集总动力学方法和聚合反应工程、电化学反应工程等新分支。化工系统工作开始对系统综合进行探索，在换热器网络和分离流程的合成方面已取得有实用价值的成果，80年代初开发了以ASPEN为代表的第三代化工模拟系统。
　　但是，由化工热力学、传递过程、单元操作、化学反应工程和化工系统工程构成的学科体系，无论在深度和广度上都已覆盖了传统化学工程的各个领域，所以在传统化学工程的范围内难以期望再会出现过去那种令人激动的突破。近十几年来，化学工程更引人注目的发展是在与邻近学科的交叉渗透中已经或正在形成的一些充满希望的新领域。
　　第二次世界大战期间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。战后各种抗生素和激素的生产迅速增长，微生物技术被用于石油蛋白生产和进行污水净化。70年代，分子生物学取得了重组DNA技术等重大成果，开拓了制备生物化学品和医药品的新领域，已可预见将对人类社会发展产生重大影响。生物化学工程无论在生化反应还是分离技术方面都在不断取得进展。
　　化学工程师已经以自己的专长为医学的发展作出了贡献，生物医学工程这一新学科正在形成。人的身体实质上相当于一座构造复杂的小型化工厂，许多生理过程可借助化学工程原理进行分析。传质原理已被用于潜水病的研究，传热原理已被用于体内热调节的研究，停留时间分布的概念可用来分析药物的疗效，在人工心肺机、人工肾的研制中应用了非牛顿流体流动和渗析的原理。
　　化学工程与固体物理、结晶化学、材料科学相结合，在化学气相淀积过程的研究中发挥着自己的作用。化学气相淀积是近二十年来获得迅速发展的一种制备无机材料的新技术，在微电子、光纤通讯、超导等新技术领域中，广泛用于各种功能器件的制造。
　　正如一百年前从化学中分裂出了化学工程一样，今天在化学工程中又在孕育着新的学科。  
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