化學(xué)工程新的增長(zhǎng)點(diǎn)之

王佳 郝鵬 馮柳旭 李智雯 王慧 王鈞慕

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)工程學(xué)科在近代科學(xué)與技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，正在經(jīng)歷著急劇的變革和變化。新能源、新資源、新材料、生物技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)日新月異，有取代傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)，化學(xué)工程如何面對(duì)變化的時(shí)代已成為化學(xué)工程學(xué)科必須考慮的重大問(wèn)題，通過(guò)學(xué)科交叉，可以為新產(chǎn)業(yè)形成更好的服務(wù)，同時(shí)在服務(wù)中不斷發(fā)展本學(xué)科的理論?，F(xiàn)在已經(jīng)派生出材料化學(xué)工程、環(huán)境化學(xué)工程、資源化學(xué)工程、能源化學(xué)工程等，為化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展帶來(lái)了新的活力。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)生與意義；工程理論；發(fā)展方向

一、材料化學(xué)工程的產(chǎn)生與意義

化學(xué)工程學(xué)科百年歷史經(jīng)歷了形成、發(fā)展、拓展的幾個(gè)階段。第一階段是化學(xué)工程學(xué)科的形成階段，其典型特征是以單元操作為核心內(nèi)容。隨著對(duì)這些單元過(guò)程的共性規(guī)律的進(jìn)一步研究，人們?cè)诟邔哟紊蠈?duì)化工過(guò)程的本質(zhì)進(jìn)行探討與研究，化學(xué)工程學(xué)科也隨之派生出新的二級(jí)學(xué)科，如化工熱力學(xué)、傳質(zhì)與分離、化學(xué)反應(yīng)工程、化工系統(tǒng)工程等，化學(xué)工程的發(fā)展進(jìn)入了第二個(gè)階段。這兩個(gè)階段的發(fā)展，其推動(dòng)力主要來(lái)自傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)、石油化工和煤化工。

另一方面，過(guò)程工業(yè)是我國(guó)工業(yè)的重要組成部分，過(guò)程工業(yè)的發(fā)展對(duì)加快我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程、解決我國(guó)長(zhǎng)期供給短缺的問(wèn)題發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。過(guò)程工業(yè)對(duì)資源、能源的過(guò)度消耗和環(huán)境的污染已經(jīng)成為制約我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸所在。因此，有效解決我國(guó)過(guò)程工業(yè)對(duì)資源、能源的過(guò)度消耗和環(huán)境污染的瓶頸問(wèn)題，是國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的要求。

首先，材料工業(yè)是資源、能源消耗和環(huán)境污染的大戶，這一現(xiàn)實(shí)導(dǎo)致不可再生的礦石資源消耗極大。用化學(xué)工程技術(shù)對(duì)材料生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行流程和生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化設(shè)計(jì)和綜合研究，發(fā)展基礎(chǔ)原材料的綠色制備技術(shù)，無(wú)疑是緩解我國(guó)過(guò)程工業(yè)的資源、能源、環(huán)境瓶頸問(wèn)題的重要途徑之一，必將為國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中制定的“到2020年主要工業(yè)產(chǎn)品單位能耗指標(biāo)達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平”的目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。

其次，化學(xué)工程技術(shù)水平的提高需要新材料的支撐。材料加工需要化學(xué)工程，而化學(xué)工程自身的發(fā)展也離不開新材料的支撐?；瘜W(xué)工程領(lǐng)域的核心技術(shù)是分離與反應(yīng)及過(guò)程裝備技術(shù)，新材料在其中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。以新材料如膜材料、新型吸附材料等為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的新型分離技術(shù)，如膜分離、吸附分離等，在分離過(guò)程中一般不產(chǎn)生相的變化，因此具有節(jié)約能源的特征，發(fā)展十分迅速，成為分離領(lǐng)域的主要發(fā)展方向；以新型催化材料為基礎(chǔ)的反應(yīng)技術(shù)正在改變著化工與石油化工的面貌，如分子篩催化劑、茂金屬催化劑、非晶態(tài)合金等。可見(jiàn)，依托新材料發(fā)展分離與反應(yīng)過(guò)程是提高我國(guó)過(guò)程工業(yè)技術(shù)水平的必由之路，也是化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的必然趨勢(shì)。

二、 基于化學(xué)工程理論與方法的材料制備技術(shù)

化學(xué)工程的理論與方法已經(jīng)成為基礎(chǔ)原材料綠色制備的重要支撐，循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式要求最大限度地將廢棄物轉(zhuǎn)化為商品，降低廢棄物的產(chǎn)生量和排放量，化學(xué)工程的系統(tǒng)分析與優(yōu)化的方法在其中發(fā)揮著重要的作用。以系統(tǒng)優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，從流程整體優(yōu)化的高度出發(fā)，可以達(dá)到使物質(zhì)獲得率最大化、能源效率最佳化和制造過(guò)程時(shí)間最小化的綜合效果，而不是簡(jiǎn)單地從單元工序、單個(gè)裝備改造出發(fā)再簡(jiǎn)單相加。在此基礎(chǔ)上組成若干區(qū)域性的兼顧社會(huì)整體節(jié)能、降低社會(huì)環(huán)境負(fù)荷、協(xié)同優(yōu)化的鋼鐵生產(chǎn)體系具有重要價(jià)值，比如，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展對(duì)水泥的需求量仍將有大幅度的增長(zhǎng)，據(jù)預(yù)測(cè)，到2010年我國(guó)水泥的年需求量將達(dá)12億噸以上，水泥生產(chǎn)年耗電975億千瓦時(shí)、煤11700萬(wàn)噸、石灰石8.3億噸，排放C02 6.6億噸、s02和NO等有害氣體270萬(wàn)噸，數(shù)量擴(kuò)張型的水泥工業(yè)發(fā)展模式將使我國(guó)能源、資源和環(huán)境不堪重負(fù)，水泥工業(yè)同樣需要按照循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念來(lái)發(fā)展。

三、材料化學(xué)工程的科學(xué)問(wèn)題

材料化學(xué)工程學(xué)科的核心在于研究材料結(jié)構(gòu)、性能（應(yīng)用）與制備（生產(chǎn)）之間的關(guān)系，其關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題是：材料結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，材料結(jié)構(gòu)與制備的關(guān)系以及應(yīng)用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變。盡管化學(xué)工程理論與方法是實(shí)現(xiàn)材料制備從經(jīng)驗(yàn)為主向定量控制轉(zhuǎn)變的有效手段，但由于材料制備過(guò)程不同于傳統(tǒng)的化工過(guò)程（傳統(tǒng)的化學(xué)工程通常將過(guò)程系統(tǒng)處理為均相或幾個(gè)均相加上相際傳遞），這一領(lǐng)域的發(fā)展面臨許多新問(wèn)題。最為典型的是，復(fù)雜材料一般具有介觀層次的微相結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的化學(xué)工程理論主要建立在宏觀和微觀兩個(gè)層面上，即以傳遞理論為主的宏觀分析方法和分子水平上的微觀分析方法，發(fā)展介觀層次下的化學(xué)工程理論與方法將成為材料化學(xué)工程今后研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。材料在宏觀系統(tǒng)中的行為（功能）與材料的微結(jié)構(gòu)關(guān)系是過(guò)程與材料優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。盡管對(duì)于材料微結(jié)構(gòu)中的傳遞與反應(yīng)過(guò)程研究已取得了一定進(jìn)展，但這一領(lǐng)域的研究尚有很多問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決，如：通過(guò)材料微結(jié)構(gòu)傳遞和反應(yīng)的物質(zhì)與材料的相互作用規(guī)律，以及這種作用規(guī)律與宏觀環(huán)境的變化關(guān)系；分子模擬技術(shù)如何與實(shí)際過(guò)程的耦合；介觀尺度范圍內(nèi)的傳遞理論等，均需要進(jìn)行深入的研究。

四、材料化學(xué)工程的發(fā)展方向

材料化學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展，不但促進(jìn)了材料工業(yè)的進(jìn)步，也為化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展開辟了新方向，但材料化學(xué)工程作為一個(gè)的新交叉學(xué)科需進(jìn)一步凝煉科學(xué)問(wèn)題，奠定其學(xué)科發(fā)展的理論基礎(chǔ)。未來(lái)需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)材料設(shè)計(jì)與制備領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究，通過(guò)分子模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析的綜合研究，在分子與介觀尺度范圍揭示材料微結(jié)構(gòu)、性能與制備的關(guān)系，構(gòu)建面向應(yīng)用過(guò)程的材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料生產(chǎn)流程模擬的方法與技術(shù)平臺(tái)，夯實(shí)材料化學(xué)工程發(fā)展的理論基礎(chǔ)；在應(yīng)用技術(shù)方面形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果，服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，緩解我國(guó)過(guò)程工業(yè)面臨的資源、能源與環(huán)境的瓶頸壓力，為人類和諧社會(huì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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