探索化學工程發展史：從呂布蘭法制堿到索爾維法制堿的偉大成就
更新時間：2024-08-24 15:50:33作者：佚名
化學工程的起源
法國大革命期間，魯本斯制堿法的出現標志著化學工業的誕生。
到19世紀70年代，堿、硫酸、肥料、煤化工等生產已達到相當規模，化學工業在19世紀取得了許多卓越的成就。
例如索爾維法制堿所用的純堿碳化塔高達20多米，其中同時進行化學吸收、結晶、沉降等過程，即使放到今天來看，也是一項令人驚嘆的成就。
但當時做出這些成就的人都認為自己是化學家，并沒有意識到自己已經履行了化學工程師的職責。
化學工程的概念
英國曼徹斯特堿工業污染監察員GE Davis指出，化學工業發展面臨的很多問題往往是工程問題。各種化工生產過程都是由蒸餾、蒸發、干燥、過濾、吸收、萃取等幾個基本操作組成，可以對它們進行綜合研究和分析。化學工程將成為繼土木工程、機械工程、電氣工程之后的第四大工程學科。
但戴維斯的觀點在當時的英國并未被廣泛接受。
1880年，他發起成立英國化學工程師學會，但未能成功，盡管如此，戴維斯依然堅持收集資料，并根據自己的觀點進行整理分析。
1887年至1888年，他在曼徹斯特理工學院作了12次演講，系統地闡述了化學工程的任務、作用和研究對象。這些演講的內容后來發表在曼徹斯特出版的《化學貿易雜志》上，并在此基礎上撰寫了《化學工程手冊》，并于1901年出版。這是世界上第一本闡述各種化工生產過程共同規律的書籍，出版后十分暢銷。
1904年，在他的助手N. Swindling的協助下，該書的第二版出版。
化學工程系成立
與英國的情況相反，戴維斯的活動在美國引起了廣泛關注，“化學工程”一詞很快在美國開始廣泛使用。
1888年，麻省理工學院根據LM諾頓教授的提議，開設了世界上第一個四年制學士學位課程——化學工程，即著名的第十號課程。隨后，賓夕法尼亞大學（1892年）、達特茅斯大學（1894年）、密歇根大學（1898年）也開設了類似課程。
這些課程的開設，標志著我國化學工程師培養的首次嘗試，但當時的課程主要內容是機械工程和化學，尚不具備當今化學工程專業的特色，培養出來的化學工程師雖然掌握了制造各種化工產品的工藝知識，但還不了解化工生產的內部規律，不能適應化學工業發展的需要。
戴維斯實際上提出了一種培養化學工程師的新方法，但他的工作側重于總結過去的經驗并定性地描述各種基本的化學操作，缺乏建立獨立學科所需的理論深度。
1902年，WH沃克受命徹底改造麻省理工學院化學工程實驗教育，并開始了一系列化學工程教育改革，將化學工程的發展帶入了一個嶄新的時代。
奠定學科基礎
當時沃克是著名物理化學家A.諾伊斯的助手，而在此之前，他曾與AD利特爾一起從事化學工業的咨詢工作，這段經歷使他致力于探索如何將物理化學和工業化學知識結合起來解決化學工業發展中面臨的工程問題。
1905年，他應聘到哈佛大學講授工業化學課程時，系統地闡述了化學工程原理的基本思想。
1907年，沃克全面修改了化學工程課程，更加重視學生的化學訓練和工程原理的實際應用。
提出單元操作的概念
利特爾還對化學工程的早期發展做出了重要貢獻，他長期從事化學工業的咨詢工作。
1908年，他參與創立了美國化學工程師學會并擔任主席，對化學工程的興趣以及與沃克的友誼使他始終關注著麻省理工學院的化學工程教育。
1908年，麻省理工學院根據他的建議，建立了應用化學實驗室和實用化學工程學院，為學生提供各種基本化學操作的實踐訓練。
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，不論其規模大小，都可以用一系列稱為單元操作的技術來解決。只有把紛繁多樣的化工生產過程分解成其組成單元操作進行研究，化學工程專業才能具有廣泛的適應性。這些觀點對化學工程產生了深遠的影響。
化學工程師培訓
1920年，化學工程從麻省理工學院化學系分離出來，成為一個獨立的系，WK·劉易斯擔任系主任。那年夏天，在沃克位于緬因州的避暑別墅里，沃克、劉易斯和WH·麥克亞當斯完成了《化學工程原理》一書的初稿。該書油印后，立即用于化學工程系的教學，并于1923年正式出版。
《化工原理》闡述了各類單元操作的物理化學原理，提出了它們的定量計算方法，并借鑒了物理學等基礎學科對化學工程有用的研究成果（如雷諾對湍流和層流的研究）和研究方法（如量綱分析和相似理論），為化學工程作為一門獨立的工程學科奠定了基礎，并影響了后來化學工程師的培養和化學工程的發展。
20世紀20年代，在汽車工業的帶動下，石油煉制工業取得了很大的發展，出現了第一個化工過程——熱裂解。在化工生產中電滲析工程學，連續操作越來越普遍。這些過程的操作和放大，需要對流體流動、熱量的傳遞與利用、相間傳質等規律有更深入的認識。
MIT培養的第一批具備單元操作知識的化學工程師在熱裂解工藝開發中發揮了良好的作用，進一步推動了單元操作的研究并取得了豐碩的成果。
繼《化學工程原理》之后，又陸續出版了一批討論各種單元操作的著作，如C.S.羅賓遜的《蒸餾原理》（1922年）和《蒸發》（1926年），劉易斯的《化學計算》（1926年），麥克亞當斯的《傳熱》（1933年），T.K.舍伍德的《吸收和萃取》（1937年）。
化學熱力學的誕生
沃克等人在解釋單元操作原理時，運用的是熱力學的結果，但化工工程面臨的很多問題，如很多化工過程中遇到的高溫高壓下氣體混合物的pVT關系的計算，在經典熱力學中還沒有現成的方法。
20世紀30年代初，美國麻省理工學院的H.C.韋伯教授等人提出了利用氣體臨界性質的計算方法，雖然從物理化學角度看這種方法很粗糙，但對于工程應用來說已經足夠精確，這是化工熱力學最早的研究成果。
1939年，韋伯撰寫了第一本化學工程熱力學教科書《化學工程師熱力學》。
1944年，耶魯大學BF Dodge教授出版了他的第一本著作《化工熱力學》，從此，化工學科一個新的分支學科——化工熱力學誕生。
化學工程研究
第二次世界大戰爆發后，化學工程的研究也轉向滿足戰爭的需要。
20世紀40年代初，化學工程在C4餾分分離、丁苯橡膠乳液聚合、粗柴油流化催化裂化、曼哈頓原子彈計劃等重大化工過程的開發中發揮了重要作用。
例如流化催化裂化設想是由麻省理工學院的Lewis教授和E.R.Gilliland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研究，確定了顆粒尺寸、密度以及擴大顆粒床層以產生良好的氣固接觸和顆粒運動所需的氣速之間的關系，并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。
這三次發展的成功使人們認識到，要成功實現工藝放大，特別是高倍數放大（曼哈頓計劃中放大倍數高達1000倍），必須深刻認識工藝的內在規律，沒有扎實的基礎研究是難以實現的。
同時，經過二三十年的單元操作研究，奠定了一定的基礎，反應器工程放大對化工過程開發的重要性也更加凸顯。
這些都為戰后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引入是化學工程發展的第一次過程的話，那么，第二次世界大戰以后，化學工程發展則經歷了第二次過程，即“三轉移一反應”(動量傳遞、傳熱、傳質和反應工程)概念的引入。
“三傳一反攻”理念的形成
在化學工程發展的初期，工業反應過程的研究引起了化學工程師們的重視，戴維斯在《化學工程手冊》中對化學工業中的反應進行了分類。
單元操作概念在處理僅涉及物理變化的化學操作方面取得了巨大成功。有人將反應過程按化學特性劃分為硝化、磺化、加氫、脫氫等單元過程，試圖解決工業反應過程開發問題。但實踐證明，單元過程概念并沒有抓住反應過程開發所需要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，釩催化劑成功用于二氧化硫的催化氧化。
采用硅鋁催化劑的原油催化裂解工藝于1936年發明，這些氣固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工業反應中傳質、傳熱對反應結果的影響。
20世紀30年代末，德國的G.Damk?hler和美國的EW Tilly分別系統地分析了反應相外的傳質與傳熱以及反應相內的傳質與傳熱，這些成果至今仍是化學反應工程的重要組成部分。
20世紀50年代初，隨著石油化工的興起，在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、宏觀混合、微觀混合、反應器參數敏感性、反應器穩定性等。
1957年在阿姆斯特丹召開的首屆歐洲化學反應工程研討會上，自然宣告了化學反應工程學科的誕生。
在《化學工程原理》中沃克等人吸收了流體力學、傳熱和傳質方面的研究成果。
到了20世紀50年代，化學工程師們有了更清晰的認識，即從本質上講，一切單元操作都可以分解為三種傳遞過程：動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞，或者它們的組合。在化學反應工程學科的形成過程中，傳遞過程對工業反應器中化學反應的影響也被清晰地認識到。對單元操作和反應過程的深入研究，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材料；在噴霧干燥設備的設計中，必須詳細分析流動模型以及傳熱傳質速率等。
20世紀50年代初，許多大學開始向化工系學生講授流體力學、擴散原理等課程，出現了將三種傳遞過程融為一體的趨勢。
1957年，在普渡大學召開的美國工程系主任會議上，傳遞過程被與力學、熱力學、電磁學并列為工程基礎學科，并制定了詳細的課程計劃。在此背景下，威斯康星大學的RB Bode、WE Steward、EN Lightfoot等教授著手編寫《傳遞現象》，該書首先在威斯康星大學試行，并于1960年經修訂后正式出版。該書的出版，產生了幾乎與當年《化學工程原理》同樣巨大的影響，到1978年，該書已印刷19次，標志著化學工程發展進入了“三個傳遞、一個反應”的新時代。
學科交叉融合與深化
20世紀50年代中期，電子計算機開始進入化工行業，極大地促進了化工工程的發展。化工過程的數學模擬得到迅速發展，由最初對某一過程或某臺設備的模擬，很快發展到對整個工藝流程乃至某個聯合企業的模擬。20世紀50年代末，出現了第一代化工模擬系統。
在計算機上進行模擬實驗節省了時間和金錢，使得研究化工系統的整體優化成為可能，形成了化工研究的一個新領域——化工系統工程。這是化工在綜合性方面的深化。到目前為止，化工已經形成了比較完整的學科體系。
在化學反應工程、轉移工程、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研究并未停滯，轉移過程研究和電子計算機的應用為單元操作帶來了新的活力。
20世紀50年代初，美國化學工程師學會組織開展了精餾塔板效率的研究，對影響塔板效率的主要因素和如何改進塔板結構有了感性的認識。閥塔板、舌形塔板、斜孔塔板等新型塔板相繼推出。通過設計方法的改進，篩板塔板重新獲得廣泛應用。反滲透、電滲析、超濾等膜分離操作和區熔等凈化技術相繼投入工業應用。液膜分離、參數泵分離等新型分離技術開始在實驗室進行研究。
高壓過程的廣泛采用和傳質與分離過程設計計算方法的改進，促進了化工熱力學中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，提出了一批至今仍被廣泛應用的狀態方程(如RK方程、馬丁-侯方程等)和活度系數方程(如Magrus方程、Wilson方程和NRTL方程等)。
新領域的出現
進入20世紀70年代后，化學工業規模不斷擴大，面對環境污染、能源短缺等挑戰，化學工程各分支學科繼續蓬勃發展，在單元操作領域，固體物料的加工處理開始受到廣泛關注，粉體工程這一新興分支學科正在形成。
在化工熱力學研究中，狀態方程與相平衡的關系仍是一個活躍的課題，形式簡單、具有足夠精度的新狀態方程，如PR方程(1976)、SRK方程(1972)貝語網校，基于基團貢獻原理的活度系數方程如UNIFAC方程(1977)等相繼提出。降低能耗的迫切需要使過程熱力學分析有了很大的發展。高分子化學和生物化工的發展促進了非牛頓流體傳遞過程特性的研究，激光測量、流場顯示等新技術開始應用于傳遞過程的研究。
化學反應工程不斷向復雜領域拓展，20世紀70年代初出現了處理有大量連續組分參與反應的復雜反應體系的集中動力學方法、聚合反應工程、電化學反應工程等新的分支學科。
化工系統工作開始進行系統集成的探索，在換熱網絡、分離過程的綜合等方面取得了實用成果，20世紀80年代初發展了以ASPEN為代表的第三代化工模擬系統。
然而電滲析工程學，化工熱力學、傳遞過程、單元操作、化學反應工程和化學系統工程等學科體系在深度和廣度上已經覆蓋了傳統化學工程的各個領域，很難再指望在傳統化學工程范圍內出現過去那樣激動人心的突破。近十幾年來，化學工程領域更引人矚目的發展，是在與相鄰學科的交叉滲透中已經或正在形成的一些頗具前景的新領域。
第二次世界大戰期間青霉素生產的發展，開創了化學工程與生物化學融合的新紀元。戰后，各種抗生素和激素的生產迅速增加，微生物技術也應用于石油蛋白生產、污水凈化等。
20世紀70年代，分子生物學取得了重組DNA技術等重大成果，為生物化學品和藥物制備開辟了新的領域，有望對人類社會的發展產生重大影響。生物化工無論在生化反應還是分離技術方面都在不斷取得進展。
化學工程師以其專業知識為醫學的發展做出了貢獻，一門新的學科——生物醫學工程正在形成。人體本質上是一個結構復雜的小型化工廠，許多生理過程都可以借助化學工程原理進行分析。
質量傳遞原理已用于減壓病的研究，傳熱原理已用于體內熱調節的研究，停留時間分布的概念可用來分析藥物的療效，非牛頓流體流動和透析的原理已應用于人工心肺機和人工腎的研制。
化學工程結合固體物理學、晶體化學和材料科學，在化學氣相沉積過程的研究中發揮著重要作用。化學氣相沉積是近二十年來迅速發展起來的制備無機材料的新技術，廣泛應用于微電子、光纖通訊、超導等新技術領域中各種功能器件的制造。
正如一百年前化學工程從化學中分離出來一樣，如今化學工程領域中也不斷涌現出新的學科。
相關文章
為您推薦
加載中...