化學工程發展史
正文
化學工程的萌芽 法國革命時期出現的呂布蘭法制鹼,標誌著化學工業的誕生。到19世紀70年代,制鹼、硫酸、化肥、煤化工等都已有了相當的規模，化學工業在19世紀出現了許多傑出的成就。例如：索爾維法制鹼中所用的純鹼碳化塔，高達20餘米，在其中同時進行化學吸收、結晶、沉降等過程，即使今天看來，也是一項了不起的成就。但當時取得這些成就的人卻認為他們自己是化學家，而沒有意識到他們已經在履行化學工程師的職責。
化學工程概念的提出 英國曼徹斯特地區的制鹼業污染檢查員G.E.戴維斯指出：化學工業發展中所面臨的許多問題往往是工程問題。各種化工生產工藝，都是由為數不多的基本操作如蒸餾、蒸發、乾燥、過濾、吸收和萃取組成的，可以對它們進行綜合的研究和分析，化學工程將成為繼土木工程、機械工程、電氣工程之後的第四門工程學科。但戴維斯的觀點當時在英國沒有被普遍接受。1880年他發起成立英國化學工程師協會，未獲成功。儘管如此，戴維斯仍繼續根據自己的觀點蒐集資料,進行整理分析。1887～1888年,他在曼徹斯特工學院作了12次演講，系統闡述了化學工程的任務、作用和研究對象。這些演講的內容後來陸續發表在曼徹斯特出版的《化工貿易雜誌》上，並在此基礎上寫成了《化學工程手冊》，於1901年出版。這是世界上第一本闡述各種化工生產過程共性規律的著作，出版後很受歡迎。1904年在他的助手N.斯溫丁的協助下，又出版該書的第二版。
化學工程專業的建立 與英國的情況相反，戴維斯的這些活動在美國卻引起了普遍的注意，化學工程這一名詞在美國很快獲得了廣泛套用。1888年，根據L.M.諾頓教授的提議，麻省理工學院開設了世界上第一個定名為化學工程的四年制學士學位課程，即著名的第十號課程。隨後,賓夕法尼亞大學(1892),戴倫大學(1894)、密西根大學(1898)也相繼開設了類似的課程。這些課程的開設標誌著培養化學工程師的最初嘗試。但這些課程的主要內容是由機械工程和化學構成的，還未具有今天化學工程專業的特點。這樣培養出來的化學工程師雖然具有製造各種化工產品的工藝知識，但仍不懂得化工生產的內在規律，因此還不能滿足化學工業發展的需要。
戴維斯實際上已提出了培養化學工程師的一種新的途徑。但他的工作偏重於對以往經驗的總結和對各種化工基本操作的定性敘述，而缺乏創立一門獨立學科所需要的理論深度。1902年W.H.華克爾受命徹底改造麻省理工學院化學工程的實驗教育，開始了對化學工程教育的一系列改革，使化學工程的發展進入了一個新時期。
學科基礎的奠定 華克爾當時是著名物理化學家A.諾伊斯的助手，在此之前他曾和A.D.利特爾一起從事化學工業方面的諮詢工作，這種經歷使他有條件致力於探索如何把物理化學和工業化學知識結合起來，去解決化學工業發展中面臨的工程問題。在1905年受聘在哈佛大學講述的工業化學課程中，他已系統發揮了化工原理的基本思想。1907年華克爾全面修訂了化學工程課程計畫，更加強調學生的化學訓練和工程原理的實際套用。
單元操作概念的提出 利特爾對化學工程早期發展也作出了重要貢獻。他曾長期從事化學工業方面的諮詢工作，1908年參予發起成立美國化學工程師協會，並擔任過該會的主席。對化學工程的興趣，以及同華克爾的友誼，使他一直關心著麻省理工學院的化學工程教育。1908年，根據他的建議，麻省理工學院建立了套用化學實驗室和化學工程實用學校，讓學生接受各種化工基本操作的實際訓練。1915年，他在給麻省理工學院的一份報告中，提出了單元操作的概念，他指出：任何化工生產過程，無論其規模大小都可以用一系列稱為單元操作的技術來解決。只有將紛雜眾多的化工生產過程分解為構成它們的單元操作來進行研究，才能使化學工程專業具有廣泛的適應能力。這些意見對化學工程產生了深遠的影響。
化學工程師的培養 1920年，在麻省理工學院，化學工程脫離化學系而成為一個獨立的系，由W.K.劉易斯任系主任。這年夏天,在華克爾的緬因州夏季別墅里,華克爾、劉易斯和W.H.麥克亞當斯完成了《化工原理》一書的初稿,此書油印後立即用於化工系的教育,後於1923年正式出版。《化工原理》闡述了各種單元操作的物理化學原理，提出了它們的定量計算方法，並從物理學等基礎學科中吸取了對化學工程有用的研究成果（如雷諾關於湍流、層流的研究）和研究方法（如因次分析和相似論,奠定了化學工程作為一門獨立工程學科的基礎,影響了此後化學工程師的培養和化學工程的發展。
20世紀20年代，在汽車工業的推動下，石油煉製工業獲得了很大的發展，出現了第一個化學加工過程──熱裂化，在化工生產中，連續操作日益普遍。這些過程的操作和放大，都需要加深理解流體流動、熱量的傳遞和利用以及相際傳質的規律。麻省理工學院培養的第一批具有單元操作知識的化學工程師，在熱裂化過程的開發中發揮了很好的作用。這些進一步推動了單元操作的研究,並取得了豐碩的成果。繼《化工原理》後,一批論述各種單元操作的著作，如C.S.魯賓遜的《精餾原理》（1922）和《蒸發》（1926）、劉易斯的《化工計算》(1926)、麥克亞當斯的《熱量傳遞》(1933)、T.K.舍伍德的《吸收和萃取》(1937)相繼問世。
化工熱力學的誕生 在闡述單元操作的原理時，華克爾等曾利用了熱力學的成果。但是化學工程面臨的許多問題，例如許多化工過程中都會遇到的高溫、高壓下氣體混合物的p－V－T關係的計算,經典熱力學並沒有提供現成的方法。30年代初，麻省理工學院的H.C.韋伯教授等人提出了一種利用氣體臨界性質的計算方法。雖然從物理化學的觀點來看，這種方法十分粗糙，但對工程套用，卻已夠準確。這是化工熱力學最早的研究成果。1939年韋伯寫出了第一本化工熱力學教科書《化學工程師用熱力學》。1944年耶魯大學的B.F.道奇教授寫的第一本取名為《化工熱力學》的著作出版了，於是化學工程的一個新的分支學科──化工熱力學誕生了。
化學工程的研究 第二次世界大戰爆發以後，化學工程的研究也轉入了滿足戰爭需要的軌道。40年代前期，在重大化工過程的開發中，即碳四餾分的分離和丁苯橡膠的乳液聚合、粗柴油的流態化催化裂化以及曼哈頓核子彈工程計畫等,化學工程都發揮了重要作用。例如:流態化催化裂化的構想就是由麻省理工學院的劉易斯教授和E.R.吉利蘭教授提出的。在他們的指導下，幾所大學同時進行了流化床性能的研究，確定了顆粒尺寸、密度和使顆粒床層膨脹，以造成氣固間良好接觸和顆粒運動所需的氣速間的關係，證實了在催化裂化反應器和再生器之間連續輸送大量固體催化劑的可能性。這三項開發的成功，使人們認識到要順利實現過程放大，特別是高倍數的放大（在曼哈頓工程中放大倍數高達1000），必須對過程的內在規律有深刻的了解，沒有堅實的基礎研究工作，是很難做到這一點的。同時，在單元操作經過二、三十年的研究已有了一定的基礎後，反應器的工程放大對化工過程開發的重要性顯得更為突出。這些都為戰後化學工程的進一步發展指明了方向。
學科體系的形成 如果說單元操作概念的提出是化學工程發展過程中經歷的第一個歷程的話，那么在第二次世界大戰後，化學工程又經歷了其發展過程中的第二個歷程，這就是“三傳一反”（動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和反應工程）概念的提出。
三傳一反概念的形成 化學工程誕生之初,對工業反應過程的研究吸引著化學工程師的注意。戴維斯在《化學工程手冊》中曾對化學工業中的反應作過分類。單元操作的概念，在處理只包含物理變化的化工操作時獲得了巨大的成功。有人將反應過程按化學特徵分為硝化、磺化、加氫、脫氫等單元過程，試圖解決工業反應過程的開發問題。但實踐證明單元過程的概念沒有抓住反應過程開發中所需解決的工程問題的本質。
1913年哈伯- 博施法（見合成氨工業發展史）投入生產，這一成功極大地促進了催化劑和催化反應的研究。1928年釩催化劑被成功用於二氧化硫的催化氧化。1936年發明了用矽鋁催化劑進行的粗柴油催化裂化工藝。對這些氣固相催化反應過程和燃燒過程的研究，使化學工程師開始認識到，在工業反應過程中質量傳遞和熱量傳遞對反應結果的影響。30年代後期，德國的G.達姆科勒和美國的E.W.蒂利分別對反應相外傳質和傳熱以及反應相內傳質和傳熱作了系統的分析。這些成果至今仍是化學反應工程的重要組成部分。50年代初，隨著石油化工的興起，在對連續反應過程的研究中，提出了一系列重要的概念。如返混、停留時間分布、巨觀混合、微觀混合、反應器參數敏感性、反應器的穩定性等。在1957年於阿姆斯特丹舉行的第一屆歐洲化學反應工程討論會上，水到渠成地宣布了化學反應工程這一學科的誕生。
在《化工原理》中，華克爾等已經吸取了流體力學、傳熱學和關於質量傳遞的研究成果。到50年代，化學工程師更清楚地認識到從本質上看，所有單元操作都可以分解成動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞這三種傳遞過程或它們的結合。在工業反應器中傳遞過程對化學反應的影響，在化學反應工程學科形成過程中，也被清楚地認識到了。對單元操作和反應過程的深入研究，都離不開對傳遞過程規律的探索。化學工業在發展過程中也提出了許多新課題，例如在聚合物加工中，化學工程師必須處理高粘度物料，在噴霧乾燥設備的設計中，必須對流動模型和傳熱、傳質速率作詳細分析。50年代初，許多大學都開始給化工系的學生講授流體力學，擴散原理等課程，並出現了把三種傳遞過程加以綜合的趨向。1957年在普渡大學召開的美國工程學科的系主任會議上，傳遞過程和力學、熱力學、電磁學等一起被列為基礎工程學科,並制訂了這一課程的詳細計畫。在這種背景下,威斯康星大學教授R.B.博德、W.E.斯圖爾德和E.N.萊特富特著手編寫《傳遞現象》，先在威斯康星大學試用，經修訂後於1960年正式出版。這部著作的出版幾乎和當年的《化工原理》一樣產生了巨大的影響，到1978年就印刷了19次，成為化學工程發展進入“三傳一反”的新時期的標誌。
分支學科的綜合和深化 50年代中期，電子計算機開始進入化工領域，對化學工程的發展起了巨大的推動作用，化工過程數學模擬迅速發展。由對一個過程或一台設備的模擬，很快發展到對整個工藝流程甚至聯合企業的模擬，在50年代後期出現了第一代的化工模擬系統。在計算機上進行模擬試驗，既省時又省錢，使得研究化工系統的整體最佳化成為可能，形成了化學工程研究的一個新領域──化工系統工程。這是化學工程在綜合方面上的深化。至此，化學工程形成了比較完整的學科體系。
在化學反應工程、傳遞工程、化工系統工程取得突破性進展的同時，單元操作和化工熱力學並沒有停滯不前。傳遞過程研究和電子計算機的套用給單元操作帶來了新的活力。50年代初，美國化學工程師協會組織了蒸餾塔板效率的研究工作，對影響塔板效率的主要因素及應如何改進塔板結構有了感性認識。浮閥塔板、舌形塔板、斜孔塔板等新形塔板相繼問世，通過設計方法的改進，篩板塔重新獲得廣泛套用。反滲透、電滲析、超過濾等膜分離操作和區域熔煉等提純技術投入了工業套用。液膜分離、參數泵分離等新的分離技術開始進行實驗室研究。
高壓過程的普遍採用和傳質分離過程設計計算方法的改進，推動了化工熱力學關於狀態方程和多元汽液平衡、液液平衡及相平衡關聯方法的研究，提出了一批至今仍獲得廣泛套用的狀態方程(如RK方程,馬丁-侯方程)和活度係數方程（如馬格勒斯方程、威爾遜方程、NRTL方程）。
新興領域的出現 進入70年代後，化學工業的規模不斷擴大，並且面臨著環境污染和能源緊缺的挑戰，化學工程的各分支學科繼續生氣勃勃地向前發展。在單元操作領域裡，固體物料的加工和處理開始得到普遍的注意，正在形成粉體工程的新分支。在化工熱力學研究中，狀態方程和相平衡關聯依然是活躍的課題，提出了PR方程(1976)、SRK方程 (1972)等形式簡單又有足夠精確度的新狀態方程和基於基團貢獻原則的UNIFAC方程(1977)等活度係數方程。降低能耗的迫切要求，使過程熱力學分析獲得了很大的發展。高分子化工和生物化工的發展推動了非牛頓型流體傳遞過程特徵的研究，雷射測量、流場顯示等新技術開始套用於傳遞過程的研究。化學反應工程不斷向複雜領域擴展，70年代初出現了處理有大量連續組分參與反應的複雜反應體系的集總動力學方法和聚合反應工程、電化學反應工程等新分支。化工系統工作開始對系統綜合進行探索，在換熱器網路和分離流程的合成方面已取得有實用價值的成果，80年代初開發了以ASPEN為代表的第三代化工模擬系統。
但是，由化工熱力學、傳遞過程、單元操作、化學反應工程和化工系統工程構成的學科體系，無論在深度和廣度上都已覆蓋了傳統化學工程的各個領域，所以在傳統化學工程的範圍內難以期望再會出現過去那種令人激動的突破。近十幾年來，化學工程更引人注目的發展是在與鄰近學科的交叉滲透中已經或正在形成的一些充滿希望的新領域。
第二次世界大戰期間發展起來的青黴素生產，開創了化學工程與生物化學結合的新時代。戰後各種抗生素和激素的生產迅速增長，微生物技術被用於石油蛋白生產和進行污水淨化。70年代,分子生物學取得了重組DNA技術等重大成果，開拓了製備生物化學品和醫藥品的新領域，已可預見將對人類社會發展產生重大影響。生物化學工程無論在生化反應還是分離技術方面都在不斷取得進展。
化學工程師已經以自己的專長為醫學的發展作出了貢獻，生物醫學工程這一新學科正在形成。人的身體實質上相當於一座構造複雜的小型化工廠，許多生理過程可藉助化學工程原理進行分析。傳質原理已被用於潛水病的研究，傳熱原理已被用於體內熱調節的研究，停留時間分布的概念可用來分析藥物的療效，在人工心肺機、人工腎的研製中套用了非牛頓流體流動和滲析的原理。
化學工程與固體物理、結晶化學、材料科學相結合，在化學氣相澱積過程的研究中發揮著自己的作用。化學氣相澱積是近二十年來獲得迅速發展的一種製備無機材料的新技術，在微電子、光纖通訊、超導等新技術領域中，廣泛用於各種功能器件的製造。
正如一百年前從化學中分裂出了化學工程一樣，今天在化學工程中又在孕育著新的學科。
