化學工程:工程技術學科-中文百科頻道

研究方向

研究以化學工業為代表的過程工業中相關化學過程和物理過程的一般原理和共性規律，解決過程及其裝置的模拟、放大、開發、設計、操作及優化的理論和方法問題。

該學科方向的主要内容有：生物質資源化學加工工程、生物能源工程、化工熱力學、傳遞過程原理、分離工程、化學反應工程、過程系統工程、化工安全生産及化工過程和裝備設計等。

特點

工業生産的共同特點是，從實驗室到工業生産特别是大規模的生産，都要解決一個裝置的放大問題。生産規模擴大和經濟效益提高的重要途徑是裝置的放大，以節省投資，降低消耗，減少占地,節約人力但是,在大裝置上所能達到的某些指标，通常低于小型試驗結果，原因是随着裝置的放大，物料的流動、傳熱、傳質等物理過程的因素和條件發生了變化。這種起源于放大過程的效應，長期以來被籠統地稱作“放大效應”，它包含了很多已查明或未查明的物理因素（或稱工程因素）的影響。

研究對象

化學工程的一個重要任務就是研究有關工程因素對過程和裝置的效應，特别是在放大中的效應，以解決關于過程開發、裝置設計和操作的理論和方法等問題。它以物理學、化學和數學的原理為基礎，廣泛應用各種實驗手段，與化學工藝相配合，去解決工業生産問題。

化學工程的研究對象通常是非常複雜的，主要表現在：

①過程本身的複雜性：既有化學的，又有物理的，并且兩者時常同時發生,相互影響。

②物系的複雜性:既有流體（氣體和液體），又有固體，時常多相共存。流體性質可有大幅度變化，如低粘度和高粘度、牛頓型和非牛頓型等。

有時，在過程進行中有物性顯着改變，如聚合過程中反應物系從低粘度向高粘度的轉變。

③物系流動時邊界的複雜性：由于設備（如塔闆、攪拌槳、檔闆等）的幾何形狀是多變的，填充物（如催化劑、填料等）的外形也是多變的，使流動邊界

複雜且難以确定和描述。

研究内容

化學工程包括單元操作、化學反應工程、傳遞過程、化工熱力學、化工系統工程、過程動态學及控制等方面。

單元操作

構成多種化工産品生産的物理過程都可歸納為有限的幾種基本過程，如流體輸送、換熱（加熱和冷卻）、蒸餾、吸收、蒸發、萃取、結晶、幹燥等。這些基本過程稱為單元操作。對單元操作的研究，得到具有共性的結果，可以用來指導各類産品的生産和化工設備的設計。

在20世紀初，對化學工程的認識雖隻限于單元操作，但卻開拓了一個嶄新的領域和出現了一些從事嶄新職業的化學工程師。這些化學工程師不同于以往的化工生産工作者，他們經曆過化學工程這一專門學科的訓練，故有能力使化工生産過程和設備設計、制造和操作控制更為合理。直到今天，各個單元操作的研究還是有着極為重要的理論意義和應用價值，而且是為了适應新的技術要求，一些新的單元操作不斷出現并逐步充實進來。

化學反應工程

化學反應是化工生産的核心部分，它決定着産品的收率，對生産成本有着重要影響。盡管如此，在早期因其複雜性而阻礙了對它的系統研究。

直到20世紀中葉，在單元操作和傳遞過程研究成果的基礎上，在各種反應過程中，如氧化、還原、硝化、磺化等發現了若幹具有共性的問題，如反應器内的返混、反應相内傳質和傳熱、反應相外傳質和傳熱、反應器的穩定性等。對于這些問題的研究，以及它們對反應動力學的各種效應的研究，構成了一個新的學科分支即化學反應工程，從而使化學工程的内容和方法得到了充實和發展。

傳遞過程

是單元操作和反應工程的共同基礎。在各種單元操作設備和反應裝置中進行的物理過程不外乎三種傳遞：動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞。

例如，以動量傳遞為基礎的流體輸送、反應器中的氣流分布；以熱量傳遞為基礎的換熱操作,聚合釜中聚合熱的移出;以質量傳遞為基礎的吸收操作，反應物和産物在催化劑内部的擴散等。有些過程有兩種或兩種以上的傳遞現象同時存在,如氣體增減濕等。作為化學工程的學科分支,傳遞過程着重研究上述三種傳遞的速率及相互關系，連貫起一些本質類同但表現形式各異的現象。

化工熱力學

是單元操作和反應工程的理論基礎，研究傳遞過程的方向和極限，提供過程分析和設計所需的有關基礎數據。因此，化學工程的學科分支也可以分兩個層次：單元操作和反應工程較多地直接面向工業實際，傳遞過程和化工熱力學較多地從基礎研究角度，支持前兩個分支。通過這兩個層次使理論和實際得以密切結合。

其他問題

随着生産規模的擴大和資源、能源的大量耗用，使得早先并不顯得很重要的問題逐漸突出起來。例如能量利用問題，設計和操作優化問題，在大型生産中都十分重要。由于化工過程中，各個過程單元相互影響，相互制約，因此很有必要将化工過程看作一個綜合系統，并建立起整體優化的概念。

于是系統工程這一學科在化學工程中得到了迅速的發展，也取得了明顯的效果，形成了化工系統工程。它是系統工程方法與單元操作和化學反應工程這兩個學科分支相結合的産物。為了保持操作的合理和優化，過程動态特性和控制方法也是化學工程的重要内容。

研究方法

由于化學工程對象的這些特點，使得解析方法在化學工程研究中往往失效。也從而形成了自己的研究方法（化學工程研究方法），其中有些方法并非首創，而由别的領域移植而來。

早期的研究方法

化學工程初期的主要方法是經驗放大，通過多層次的、逐級擴大的試驗，探索放大的規律。這種經驗方法耗資大、費時長、效果差，人們一直努力試圖擺脫這種處境。但是時至今日，對于一些特别複雜，人們迄今尚知之甚少的過程，還不得不求助于或部分求助于此法。

世紀初的研究方法

相當盛行的是相似論和因次分析，其特點是将影響過程的衆多變量通過相似變換或因次分析歸納成為數較少的無因次數（無量綱）群形式，然後設計模型試驗，求得這些數群的關系。用這兩種方法歸納實驗結果，甚為有效。

對于反應過程，逐級的經驗方法沿用了很長時間。由于不可能在滿足幾何相似和物理量相似的同時滿足化學相似條件，用無因次數群關聯實驗結果以獲得反應過程規律的思路歸于無效。

年代以後的研究方法

直至50年代，才在化學反應工程領域中廣泛應用數學模型方法。這一方法的影響波及到化學工程的其他分支，使研究方法出現了一個革新。但即使采用了這個方法,實驗工作仍占重要地位,基礎數據要依靠實驗測定，模型要通過實驗得到鑒别，模型參數要由實驗求取，模型可靠性要由實驗驗證。

各種化學工程研究方法的基礎是實驗工作，不論采用哪一種研究方法，都應力求使實驗工作有效、可靠和簡易可行。各種理論、各種方法以及計算機的應用，目的都是為使實驗工作更能揭示事物的規律，更為節省時間、人力和費用。在上述方法的應用中，多方面體現了過程分解（将一個複雜過程分解為兩個或幾個較簡單過程），過程簡化（較複雜過程忽略次要因素而以較簡單過程簡化處理）和過程綜合（在分别處理分解了的過程後，再将這些過程綜合為一）的思想。

重要作用

現代工業生産的規模常要求一套裝置的年産量達數十萬噸或更高。這些裝置必然面臨大量的工程問題，而且指标稍有下降，就會帶來很大的經濟損失。

科學技術的進步，時時刻刻在創造新的産品和新的工藝。但這些新的産品必須借助工程的手段才能實現工業生産，新的工藝要有經濟和技術的合理性才能取代原有工藝。

上述裝置大型化和新産品、新工藝工業化的問題都屬于化學工程的研究範圍。化學工程在國民經濟中的重要作用是十分明顯的。

例如将大量煙氣中硫、氮氧化物等有害組分脫除後再排放，在實驗室達到要求後，進而要在工業規模中實現大量煙氣的淨化，就必須考慮大規模淨化的經濟性和可行性，着眼點與實驗室研究很不相同。

發展方向

化學工程面臨着新的挑戰和新的課題，解決這些新課題的過程，必然使化學工程學科得到發展。它的研究範圍和應用前景已遠遠越過了它原有的含義。

化學工程正向兩個方向發展：一方面随着學科的成熟，不斷向學科的深度發展；另一方面是不斷向新的領域滲透，研究和解決新領域中的新問題。

學科的縱深方向

為了深入掌握過程的規律，對化學工程中經常遇到的多相物系、高粘度流體和非牛頓型流體的傳遞規律進行深入系統研究。這些研究不但有利于解決傳統研究領域的問題，也有助于了解諸如人體内血液流動等新興課題。對反應過程中多重定常穩定态問題的研究，既是反應器設計和操作的需要，也是從另一側面對非線性系統穩定性問題研究所作的貢獻。為了使大型裝置的設計更為迅速可靠，研究了各種物系物性參數、熱力學參數與熱化學參數以及相平衡與化學平衡數據，推動了化工熱力學研究進一步與實際的結合。

在研究方法方面，數學模型方法不斷完善，與之相配合的是，以統計理論和信息論為基礎的實驗設計、數據處理、模型的篩選和鑒别以及模型參數估計等方法。為了進行過程的模拟及多方案計算，發展了多種計算機模拟系統，建立了模型庫和數據庫，并從定态模拟發展到為過程控制所需要的動态模拟。

向新領域的滲透

這是客觀需要，也是學科發展的動力。在曆史上，化學工程就在各種新過程的開發和優化，在無機化工和石油化工等裝置大型化的推動下得到發展，如大型徑向固定床反應器和催化裂化用流化床反應器的開發技術。

在解決石油加工中多組分反應物系處理方法時，發展了集總動力學處理方法，這一方法反過來又可用于處理生物反應過程。在向材料工業滲透過程中，出現了将化學反應工程原理用于聚合過程的聚合反應工程，對于高粘物系傳遞特性的研究則有了實際應用的課題。随着生物技術的進展,出現了生物化學工程,以解決生物反應器和生物制劑分離等問題，如超過濾技術等。能源短缺的情況，使人們重視低溫熱源的利用，出現了新型換熱器。

為了保護環境，也為了開發海洋資源，要求研究低濃度混合物的分離技術，于是出現了新的分離技術，如膜分離、泡沫分離等。用化學工程的觀點和方法，研究人體内的生理過程，如藥物在人體中的擴散，以及研究人工髒器等，形成了生物醫學工程這一新的研究領域。為了探索在離心力場、電場、磁場等作用下的過程規律，出現了場緻化學工程。化學工程的原理甚至被應用于研究高純電子器件的制備，噴氣技術等等方面。也就是說，在化工生産領域之外，凡是存在反應過程或傳遞過程并值得重視的場合，幾乎都可以找到化學工程的用武之地。這一認識反映了當今化學工程的概貌。

培養目标

使畢業生适應國家經濟與科技發展的需求，成為具備寬厚的理論基礎知識，通曉化工生産技術的專業原理、專業技能與研究方法，能夠從事過程工業領域的産品研制與開發、裝置設計、生産過程的控制以及企業經營管理等方面工作的高素質科技人才。

簡單地定義化學工程的本質，它是以數學及少量的物理觀念為基礎應用于化學工業上，從而為生産各式化學品或物料的工廠提供一個最節省成本的反應流程設計方式。化學工程是傳統工業界的稱法，賓夕法尼亞大學提出一個叫嶄新的觀點，它不将其稱作“化學工程”，而稱作“工程化學”;傳統化學工程的意義是在化學工業中的工程應用，而工程化學的觀點是把工程技術應用在化學工業上。