唯物辩证法是认识世界和改造世界的根本方法,唯物辩证法的一系列规律和范畴,揭示了世界普遍联系和永恒发展的普遍规律,既是科学的世界观,同时也是我们认识世界和改造世界的基本方法论。按照世界本身的客观辩证本性与辩证运动的法则去认识世界,才能有效地改造世界,才能从必然王国走向自由王国。

人的认识活动本身既要符合客观辩证法,又有其固有的辩证运动的规律。作为唯物辩证法的实质和核心的对立统一规律,同时还为人们的认识活动提供了方法上的遵循。认识活动的主体与客体、感性与理性、具体与抽象、个别与一般等关系,无一不是对立统一的关系。

量变质变规律指导人们在科学研究中把定量分析和定性研究结合起来,遵照“量变—质变—新的量变”的客观进程,去认识和把握事物运动变化发展的阶段性与不同发展状态的转化。否定之否定规律告诉人们,任何现实事物都将在其发展过程中实现自我否定,周期性地向更高级的存在形态前进,应从前进性和曲折性相统一中把握事物发展的本质及其发展方向。

唯物辩证法的一系列成对的基本范畴,作为对客观事物及其发展过程最基本关系的反映,都体现了对立统一的关系,它们从不同的侧面进一步揭示了事物的联系和发展,是矛盾分析方法的具体运用,同样对人们深入认识世界和有效改造世界具有重要的方法论意义^[1]。

一部化学工程学科发展史很好地诠释并证明了马克思主义唯物辩证法认识论的科学性和真理性,只有基于唯物辩证法认识论观点、方法和理论才能正确地梳理出化学工程学科创立和发展的历史脉络,进而更好地把握学科未来的发展方向。为帮助化工专业学生更深入地了解化学工程学科特色,更好地培养其辩证唯物主义历史观点、系统观点、整体观点,一个很重要的方面是要求学生必须对本学科的发展历史有较清晰的认识,对关键概念、原理的来龙去脉及其在学科创立和发展过程中的地位和作用能全面准确地把握。如此有助于学生更好地理解和掌握本专业的知识,培养高超的工程思维能力。

基于辩证唯物主义关于认识过程的辩证运动及其规律,本文首先阐述了现代化学工业的基本特点,即大规模化,从其诞生开始,在近百年的历史发展中,人们的认识都是处于感性认识阶段,这一时期可称为“化学工艺期”; 随着认识的深化,开始进入认识过程的理性阶段,归纳出不同化学工艺所面临的共同问题,创立了第一个概念,即“化学工程学科”概念,这一时期可称为“学科孕育期”; 又经过二三十年的演变,发现尽管化学工艺路线繁杂多样,却是由为数不多的20多个基本操作技术构成,于是明确了化学工程学科研究对象,即“单元操作”,这一时期可称为“学科奠基期”; 再经过约三十年的发展,人们的认识进入了理性认识的高级阶段,创立了“三传一反”概念,这一时期可称为“学科大发展期”,直到诞生将各分支学科知识综合起来的“化工系统工程”分支学科,整个学科体系才趋于完善; 当前化学工程学科正以其强大的生命力不断地向新的领域渗透,进入“交叉渗透期”。下面将按上述思路展开详述。

英国工业革命始于18世纪60年代,以瓦特蒸汽机的改良和广泛使用为标志,以棉纺织业的技术革新为发轫,随后印染、造纸、制皂和玻璃等工业生产规模急速扩大,生产效率极大提高,所需求的碱量剧增,此时单靠从天然碱和植物灰中提取的纯碱量已明显不足,碱的大规模生产势在必行。在此背景下,1789年,法国奥尔良地区封建主公爵的侍从医生吕布兰通过试验成功地发明了一种制碱方法,并于1791年申请获得专利,建立起日产250～300 kg的碱厂^[2]。

1823年英国政府宣布食盐免税,促进了英国以食盐为原料的化学工业的发展。企业家马斯普拉特抓住这一时机,将吕布兰的制碱法传到英国,先后在利物浦、佛来明顿等地建厂; 到1886年,英国已用吕布兰法制取百万吨纯碱。

吕布兰法制碱工艺中,副产物氯化氢(HCl)气体,开始时是直接排放到大气中,由于氯化氢气体与水结合立即成为盐酸,对环境产生极大的污染危害。为回收氯化氢气体,人们发明了吸收塔,最初的吸收塔中是用焦炭作为填料; 同时,对生产废料中的硫化钙(CaS)进行了回收处理,生成硫磺。这样不仅革新了吕布兰法,又获得了一系列的副产品,使吕布兰法形成一个以食盐为主要原料,以纯碱为龙头产品及具有一系列副产品的完整的化工产业链。吕布兰法制碱工业的发展,带动了其他化学工业的兴起,同时又奠定了近代化工设备的基础。

19世纪70年代以煤为原料的有机化学工业,在德国得到迅速发展; 19世纪末20世纪初,大规模的石油炼制业在美国兴起,石油产量骤增,大型炼油厂不断兴建,石油化学工业初具规模。

综上可知,从肇始于法国的吕布兰法制碱到19世纪70年代在德国煤化工的大力发展,现代化学工业兴起的主要标志就是大规模化生产。显然,在这一时期,人们侧重的是以产品制备为主要目标,在确保产品质量的条件下,以化学工艺为手段,将各单项化学技术进行集成,解决各单元间的匹配、连接,解决整个工艺流程的组织、优化。由于人们的关注点是在各种操作流程上,因此,这一时期可以称为“化学工艺”时期,化学工程概念尚未真正出现。

从辩证唯物主义认识论角度来看化学工程学科,这一阶段尚属于感性认识阶段,人们在头脑中形成的主要是化学工艺外在的、表面肤浅的及片面的印象,了解到的仅是对象的外部联系,未上升到能把握工艺过程内在本质和规律的理性认识阶段,属于认识的初级阶段。

乔治·爱德华·戴维斯,英国化学工程师,被誉为化学工程学科先驱者,于1887年首次提出了“化学工程”概念^[2-3]。戴维斯在归纳了所有化学工厂的共同特点后,指出:化学工业发展中所面临的许多问题往往是工程问题。在化学工厂中,各种不同的化工生产工艺,都是由为数不多的基本操作如蒸发、干燥、过滤、吸收和萃取等组成的。这些基本操作面临的共同的“化学工程问题”就是:从事大型化工生产过程装置的建造、维修和操作。可见,这里的“装置的建造”,用现在通用的语言表述就是“过程的开发与设计”。同时,戴维斯坚定地认为化学工程应被定义为一门学科,是继土木工程、机械工程、电气工程之后的第四门工程学科。

随后,戴维斯根据自己的观点和理解搜集资料,进行整理分析,1887—1888年间他在曼彻斯特工学院举办了著名的12堂讲座。讲座中戴维斯系统地阐述了化学工程的任务、作用和研究对象。这些讲座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。

戴维斯虽然提出了化学工程概念,并将其定义为一门学科,但作为开创者,他的著作有着不可避免的缺陷:其内容仅是围绕英国化工行业使用的操作规范而撰写的,类似于操作说明书; 也仅是对过往经验的总结和对各种化工基本操作的定性叙述,内容较为浅显,对化学工程问题的本质仍缺乏有足够深度的理解,也未阐述系统的研究方法。他的讲座内容被批评为“常识”,缺乏创立一门独立学科必须有的足够的理论深度。

然而,戴维斯的这些资料,并非一无是处,是有它的积极意义的。尤其是戴维斯提出的“化学工程学科”的观点,在当时的美国引起了普遍的关注,并获得了广泛的认可,同时启发了美国几所大学去设置化学工程学科课程,从而有力地推动了该学科的发展。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年)、戴伦大学(1894年)、密歇根大学(1898年)也相继开设了类似的课程。这些课程的开设标志着“化学工程学科”的正式成立,从此,化学工程师的培养步入正轨之路。

但这些课程的主要内容是由机械工程和基础化学构成的,未能反映化学工程学科内在的特点,这样培养出来的化学工程师虽然具备制造各种化工产品的工艺知识,但仍不懂得化工生产过程的内在规律,因此还不能高质量地促进化学工业发展。

根据辩证唯物主义认识论,虽然戴维斯提出了化学工程概念,使人们对化工生产过程的认识开始由感性认识进入理性认识,但仍处于理性认识的初始阶段,对化学工程学科的“研究对象”究竟是什么还没有给予明确的科学定义,尚未深刻认识和准确把握其本质和内在规律,也没有形成系统的研究方法,因此未能编写出体现人们高认识水平的、反映学科特色的优秀教材,对化学工程师人才的培养也必然存在较大的局限性。

1915年,利特尔在给麻省理工学院的一份报告中,首次提出了“单元操作”的概念^[2]。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”的技术来解决其出现的工程问题。利特尔认为“单元操作”的概念能把握各种不同化工生产过程的共同本质。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学生具有广泛的适应能力。

利特尔时期的“单元操作”概念,既包括物理单元操作(物理过程),也包括化学单元过程(化学过程)。但随着人们认识的深入,发现用物理单元操作的研究方法无法适用于化学过程,迫于无奈,只得另起炉灶,开发出了适用于化学过程的数学模型方法。

由于化工生产过程的繁杂多样,对“单元操作”的研究首先需进行分类处理。1920年夏天,麻省理工学院化工系的华克尔、刘易斯、麦克亚当斯三位教授,按照物理过程的操作目的,同时也兼顾过程的原理、相态,将众多的化工生产过程划分为5大类、20多种基本单元操作:1)流动过程,包括流体输送、过滤、沉降、固体流态化等; 2)传热过程,包括导热、对流、辐射、蒸发、沸腾、冷凝等; 3)传质过程,包括吸收、萃取、精馏、干燥、吸附等; 4)热力过程,包括流体的温度和压力的变化过程等; 5)机械过程,包括固体输送、粉碎、筛分等。

单元操作是对化工生产过程的第一次归纳,其研究内容包括过程和设备两个方面。各单元操作中所发生的过程都有其内在的规律,研究各单元操作是为了掌握过程的规律,并设计设备的结构和大小,以使过程在有利的条件下进行。

而就单元操作研究方法而言,在化工原理分支学科的历史发展中,已形成了两种基本的且较为完善的研究方法^[4]:一种是实验研究方法,又称经验法; 另一种是数学模型方法,即半理论、半经验的方法。

实验研究方法避免了方程的建立,直接用实验测取各变量之间的联系。但是,如果实验工作必须遍历各种尺寸的设备和各种不同的物料,那么这样的实验将不胜其烦,而且失去了指导意义,因此必须建立实验研究的方法论,以使实验结果在几何尺寸上能“由小见大”,在物料品种方面能“由此及彼”。对于物理单元操作,基于相似论的因次分析法能极大程度地减少实验工作量,成为本学科主要的研究方法。

与纯经验的实验研究方法相比,数学模型方法需深入了解过程的本质,因此其研究结果比较可靠,同时实验工作量可大幅度地减少,实验的任务不再是全面测定各变量间的关系,而只是检验模型和测定模型参数。但在过程过于复杂,一时未找到有效的简化途径时,数学模型方法便难以奏效。

在明确单元操作过程为研究对象,对过程内在的动力学规律进行经验的或模型的研究以后,学科的建立也就水到渠成了。此时,所需的只是一位学养深厚、理论功底扎实、化工实际工作经验丰富,具有前瞻性创新型的人才加以抽象归纳了。这一任务历史性地落在了麻省理工学院华克尔教授的肩上,华克尔当时是著名物理化学家A.诺伊斯的助手,具有深厚的理论基础,而在此之前他曾和利特尔一起从事化学工业方面的咨询工作,因而具有丰富的化学工程实际经验。至此,创立一门新兴学科的所有条件皆已具备。

1920年夏天,在华克尔的缅因州夏季别墅里,华克尔、刘易斯和麦克亚当斯共同完成了《化工原理》一书的初稿,后于1923年正式出版,此书油印后立即作为化学工程专业学生的教科书^[2]。也正是在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,即化工系,由刘易斯任系主任。

对于单元操作过程,虽然两种研究方法各有其应用场景,但经验法在本学科中占据主导地位,数学模型方法则处于辅助位置。数学模型法中,最有名的例子当属毛细管束模型。该模型应用于流体通过颗粒层时的压降计算。康采尼于1927年在流速很低、雷诺数很小的情况下,回归了模型参数即固定床的流动摩擦系数^[4]; 土耳其化学工程师欧根于1952年通过推导获得在较宽广流速范围内模型参数的计算公式。

至于质量传递过程,虽然刘易斯与惠特曼于1923年创立膜理论,但在研究传质速率时,按习惯及应用方便,人们仍较多地使用传质系数,较少地使用膜理论中的模型参数——膜厚度,而传质系数的回归是完全基于无因次的准数关联法,因此传质操作单元的研究其实质仍是基于经验法。膜理论作为数学模型法的应用更主要地体现在化学吸收的计算中,而化学吸收过程的模拟和计算属于化学反应工程学科内容。

根据辩证唯物主义认识论,在经历前一阶段的感性认识后,人们积累了大量第一手的有关化学工艺过程的感性资料。对这些资料在经过去伪存真、除粗存精、由此及彼、由表及里抽象归纳以后,必然创立出大量反映对象内在特征的概念,以及经过科学的推理获取体现过程规律或反映对象各部分内在联系的关系式,构建出具有严谨逻辑的知识体系,这一阶段正是理性认识充分发展乃至完善的阶段。如果说戴维斯时期提出的“化学工程学科”仍是停留在头脑中的概念的话,那么至此,化学工程才成为名副其实的学科了。化学工程学科的成立,能够更好地指导人们深刻地认识化工生产过程,以及更有效地从事化工生产过程的设计和操作优化,更迅速地开发出符合社会需要和市场要求的化工产品,通过实践以达到改造世界的根本目的。

为了更好地培养学生高超的工程思维能力,需要对本学科的底层逻辑加以梳理和沉淀,以获得人们认识过程的一些共性规律。化学工程分支学科的建立,预示着它能较为满意地解决一系列工程问题。工程问题,从哲学角度来看,就是矛盾的集中体现。工程问题的解决其实就是矛盾的解决,而矛盾的完全解决过程必然遵循否定之否定规律。唯有如此,才能构建出完整的理论体系。现以吸收操作单元为例加以说明:首先需明确设计任务,即针对一定的工艺要求,设计出具有一定高度和直径的吸收塔,这时的吸收塔只是存在于我们头脑中的一个概念,是一个综合性的、整体上却是模糊的概念塔。在我们明确了设计任务后,接下来就是对吸收过程进行分解。任何一个过程总是由两部分组成:一是过程的方向和极限,二是过程的速率变化规律。如果对相关吸收分离体系有前人的研究结果,可以直接采用为自己的设计服务; 如果没有现成的研究结果,则需设计实验进行测定,以获取所需数据。当过程平衡和速率数据收集齐全后,可通过物料衡算和热量衡算将数据综合起来,以计算塔的高度; 通过类似的过程也可以计算出塔径。在此基础上便可以设计、计算其他更细微的结构尺寸了。过程的平衡和速率属于过程的特殊性范畴,而物料和热量衡算则属于普遍性范畴,只有实现两者的结合,方能解决具体的工程问题。

总结上述过程:首先按照工艺要求设计者在头脑中形成概念塔,然后对过程进行分解分别获取相应数据,从而实现第一次否定,但第一次否定仅仅解决了部分问题; 再对这些数据进行综合,设计出现实的塔,从而完成第二次否定。唯有经历两次否定过程,方才将概念塔变成一座满足工艺要求的现实塔,问题或矛盾才得以完美地解决。对吸收单元是这样,其余换热单元、蒸馏单元、干燥单元、萃取单元乃至化学反应器的开发,无不如此。

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,如相平衡理论。然而化学工程面临的许多问题,例如许多化工生产过程中都会遇到的高温高压下气体混合物p -V-T关系的计算,经典热力学并没有提供现成的方法。

20世纪30年代初,当时科学家们发现一个现象,即在临界点处各种气体的压缩因子近似相等。受该事实的启发,麻省理工学院的韦伯教授等提出了以气体临界性质为基础的对比态原理及计算方法,从而一举解决了高温高压下气体混合物的p -V-T之间的关系计算问题。现说明如下:

式(1)中:Z为流体压缩因子; p为流体压力; V为流体体积; T为流体温度; 下角标c表示流体临界状态; 下角标r表示对比态。对纯流体,系统的自由度F=2,若两种不同纯流体的对比压力p_r(p/p_c)和对比温度T_r(T/T_c)相等,根据式(1),则对比体积V_r、对比压缩因子Z_r也一定相等; 又因为在临界点处各种流体的压缩因子Z_c近似相等,则不同流体之间的压缩因子Z也是相等的。这就是两参数对比态原理,由此原理出发人们开发出对比态计算方法。

对比态原理的发现及派生出的计算方法是化工热力学分支学科早期极为重要的研究成果,正是基于这一研究成果,化工热力学作为化学工程分支学科才得以完美创立。虽然从物理化学的角度来看,对比态计算方法十分粗糙,但对工程应用却已足够准确,能够满足工程需要。

20世纪30年代之前,即该原理发现之前,关于p -V-T关系只有范德华方程(1873年建立,1949年建立R-K状态方程):

式(2)中:常数a为对分子间存在相互作用的校正; b为对分子具有体积大小的校正。范德华方程属于两参数立方型方程,方程中的两个参数a、b表征具体物系性质,反映的是真实气体偏离理想气体的程度。不同物系,其值不同; 物系状态不同,其值大小也可能不同。

在对比态原理提出之前,a、b值大小只能针对不同体系由实验具体测定,低温低压尚可以通过实验确定,但高温高压下模型参数值是否存在变化?如果存在变化,其变化情况如何?诸如此类问题,难以得到解决。而后来的实验事实也确实证明,参数a随温度T的变化而变化。

显然,直接实验测定方法存在很大的缺陷,一是在高温高压条件下,进行实验存在较大的困难; 二也是最重要的,如果实验需要遍历所有的物系、遍历物系所有的状态,这样的实验将不胜其烦,实验结果即方程本身也失去了指导的价值。方程参数难以确定,则p -V-T关系就很难由方程进行计算。

对比态原理的发现及计算方法很好地克服了上述困难,概括起来该原理至少具有下面三重意义。一是对实验的指导,根据该原理,可由低温低压气体的性质预测高温高压气体的性质; 可由简单流体性质预测复杂流体性质,从而使实验测定方法现实可行。为说明这一点,举例解释如下。

例如:氢气H₂,临界温度T_c为33.2 K,临界压力p_c为1.297 MPa; 氦气He,T_c为5.19 K,p_c为0.227 MPa,其他气体的T_c、p_c都远远高于这两种气体的T_c和p_c。这样就可以以H₂、He等类似气体为参考组分,由低温低压下某参考组分的性质,“由此及彼”地推导出其他气体在高温高压下的性质了。以下推导中下角标H表示H₂或He等参考气体,下角标X表示待测组分。推导如下:

如果保持两种组分的对比态相同,即对比温度T_r、对比压力p_r相等,则

由于T_c,H<T_c,X,p_c,H<p_c,X,最后得

T_H<T_X,p_H<p_X。(5)

由式(5)便可以通过简单气体如H₂、He等参考组分在低温低压下的性质,推测出复杂物质在高温高压下的性质了。在当前所用的化工热力学教材^[5]中,基于三参数对比态原理的Lee-Kesler解析式正是基于上述思想。

其二,对比态原理具有重大的实验方法论上的意义,根据实验人们发现在临界点处,压力对体积的一阶、二阶导数都为零,即

由此便可以通过T_c、p_c等临界点的物性数据计算状态方程参数,于是关于p -V-T状态方程也就可以方便地运用到高温高压下的气体性质的计算了。该方法可称为计算解析方法,其本质虽仍属于经验法,但因找到了模型参数与临界性质之间的关系,通过巧妙地利用临界点处物质的性质,间接求出模型参数,有效地减少了遍历物料各种状态所需的大量实验工作量。

其三,一门学科的建立,理论上说,必须要有统一的研究对象、统一的研究方法,以及应用统一的研究方法能解决研究对象所涉领域的一切问题(至少是理论上)。如果不能满足这一点,就说明学科的成立条件尚不完备。高温高压下的p -V-T关系获得解决,则意味着在较宽广的温度、压力范围内的p -V-T关系获得解决。

p-V-T关系是表征热力学平衡系统(研究对象)特殊性的,特殊性问题解决了,特殊性与普遍性方程(由热力学四大定律推导获得的热力学普遍关系式)的结合,便能解决系统其他不能由实验直接测定的一切热力学性质了,如H(焓)、U(内能)、S(熵)、A(自由能)、G(自由焓),进而解决化工过程进行的方向和极限的判断与计算,以及化工过程变化时所发生的能量有效转换问题,于是化工热力学作为化学工程分支学科的成立也就水到渠成了。

1939年韦伯撰写了第一本化工热力学教科书《化学工程师用热力学》,1944年耶鲁大学的道奇教授编写的第一本取名为《化工热力学》的著作出版,预示着该分支学科正式诞生。

化学工程学科的研究方法通常可分为数学解析法、数学模型法、经验法三种。经验法有它的局限性,实验工作量比较大是其固有的弱点。如上所述,化工热力学创立之初,针对p -V-T关系所采取的研究方法属于经验法。

1964年威尔逊在其《关于液态多组分体系热力学行为模型》的论文中提出“局部组成”概念,并由此建立起计算溶液组分的活度系数模型,习惯上称为Wilson模型。该模型的提出使得化工热力学分支学科的研究方法由原来的“实验研究方法”跃升为“半理论、半经验的数学模型方法”,在方法论上获得了重大的突破,被誉为本学科的一次革命。由该模型出发,引发出其他相关模型的发展,其中比较著名的有NRTL模型、UNIQUAC模型,以及根据UNIQUAC模型更进一步地发展出的UNIFAC模型。UNIFAC模型是基于体系中各组分的分子中各基团的贡献所形成的计算方法,在化工生产过程开发中获得了广泛的应用。

与此同时,从于化工生产过程中高压状态的普遍采用,20世纪70年代,关于状态方程的研究也取得了众多的成果,如PR方程(1976年)、SRK方程(1972年),以及多参数的马丁-侯方程等。至此,无论是对系统性质的认识,对其内在规律的把握,以及研究方法的突破,都说明本学科的发展已逐渐完善。

最后需要进一步加以说明的是,如果将《化工原理》中的毛细管束模型和《化工热力学》中的威尔逊模型加以比较,不难发现,虽然两者都属于数学模型方法,模型参数都是通过实验而获得。但若详加推究,仍可发现两者之间存在细微差别,威尔逊模型中的参数更多地与体系的微观性质相关联,因此参数的本质含义更为清晰,而毛细管束模型参数,则纯粹由实验数据回归获得。可见,即使是属于同样性质的数学模型方法,其理论深浅也不完全相同。

1913年,在无机化工领域取得了一项惊人的成就,哈伯以氢、氮为原料,在高温高压和催化剂的作用下合成氨获得成功,并投入生产。这一成功极大地促进了人们对催化剂和催化反应的研究(氨合成催化反应,CO变换催化反应等)。

1928年钒催化剂被成功用于二氧化硫的催化氧化,从而促进了硫酸工业的大规模化生产。这一切化学工业实践的成功,对固定床催化反应器的开发提出了迫切的要求。

其实,在化学工程学科诞生之初,对工业反应过程的研究就吸引了无数化学工程师的注意^[6]。戴维斯在其所著的《化学工程手册》中曾对化学工业中的反应作过分类,后来又有研究者将反应过程按化学反应特征分为硝化、磺化、加氢、脱氢等单元过程,尝试应用已有的单元操作概念解决工业反应过程的开发问题; 然而实践证明,基于相似论的无因次分析方法,虽然在处理只包含物理变化的单元操作过程中获得了巨大的成功,但在化学反应器开发过程中却出现了很大的困难。单元操作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。现已证明,在满足物理相似的条件下,无法同时满足化学相似。因此,从实验归纳得出的准数关联式在反应器设备放大时失去了它本身的普遍性,从而对其开发工作失去了指导意义,工业规模化学反应器的开发需寻求新的理论和方法。

20世纪30年代后期,美国的E.W.蒂利和德国的G.达姆科勒分别对气固相催化反应过程进行了深入的研究,分析了反应相内和反应相外的传质、传热过程对反应过程的影响,并取得了一系列重要的成果。为纪念两位学者的贡献,将外扩散对反应过程的影响称为达姆科勒准数,将内扩散对反应过程的影响称为蒂利准数。这些成果构成了现代化学反应工程教材重要的内容。

1939年,焦姆金和佩热夫对氨合成反应机理进行了研究,认为氮的活化吸附是反应速率的控制步骤,并假设在催化剂表面活性不均匀、氮吸附的遮盖度中等、气体为理想气体及反应距离平衡不很远等条件下,推导出氨合成本征动力学方程式。这是应用数学模型法研究本征动力学的一项重要成果,现代化学反应工程教材大多将其作为建立本征动力学方程的经典案例^[7]。

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。20世纪40年代前期,在三项重大项目的开发中,化学工程都发挥了重要作用。尤其是粗柴油的流态化催化裂化项目,促成了流化床反应器的开发成功,为后来的化学反应工程学科的创立奠定了基础^[8]。

粗柴油流态化催化裂化工艺的设想是由麻省理工学院的刘易斯教授和吉利兰教授提出的,其关键工程技术为流化床反应器开发。1934年有人将润滑油精制的废白土与原料油相混合,经过加热,发现能生产更多的汽油,说明酸性催化裂化剂(即废白土)能催化裂化重油,这就奠定了流态化催化裂化的化学反应基础。

如何在大型催化裂化装置上实现上述反应,最开始采用的是片状催化剂,床层为固定床和移动床反应器,系统研究发现这类反应系统既不高效也不经济。于是,决定采用粉状(细颗粒)催化剂,并建成一套约16 m³/d中型装置进行试验。因为采用粉状催化剂,固定床反应器不再适合,必须使用流化床反应器,在经过多次反复实验后,人们掌握了固体催化剂的流化规律,最终促成了该类型反应器的开发成功。

20世纪50年代初,随着石油化工的兴起,大型装置的连续化操作日益普遍。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、停留时间分布等,尤其是平推流、全混流概念的提出,为后续应用数学模型法研究反应器的性质和行为奠定了基础。

总之,正是基于对“气固相固定床反应器”和“气固相流化床反应器”的充分研究,并取得了一系列重要成果,在1957年于荷兰首都阿姆斯特丹举行的第一届欧洲化学反应工程会议上,宣布了化学反应工程这一分支学科的诞生。

20世纪50年代末到60年代初,出版了一系列有关化学反应工程的著作,例如:S.M.华拉斯的《化工动力学》; 1957年,美国俄勒冈州立大学的列文斯比尔(Levenspiel)教授正式出版了专著《化学反应工程》,列文斯比尔长期从事化学反应工程领域的研究,是世界著名化学反应工程学科领域的专家,被誉为化学反应工程鼻祖,又被称为“化学反应器之父”。

我国学者^[9-13]对化学反应工程学科的发展也起到了很好的推动作用。陈敏恒等^[14]在1962年提出级际有限返混模型,并将马尔可夫链理论用于该模型之中。朱炳辰在1966年由化学工业出版社出版的《无机物工业反应过程动力学》中,对无机物反应动力学进行了系统的阐述,尤其是在气固相催化反应动力学研究方面,更是奉献了毕生的精力,作出了极大的贡献。

20世纪70年代以来,化学反应工程不断向复杂领域扩展,出现了处理有大量组分参与反应的复杂反应体系的集总动力学方法,例如:李绍芬^[15]对石脑油水蒸气转化反应系统便是采取该方法进行了研究; 盖希坤等^[16]采取了相似的方法对铁基载氧体的沼气化学链燃烧反应动力学进行了研究,取得了有益的结果。与此同时,从本学科出发,又衍生出聚合反应工程、电化学反应工程、生物反应工程等新分支学科。

最后,从学科历史辩证发展的角度对本学科研究方法作一回顾和总结。化学工程学科发展初期,由于未能认识到物理过程和化学过程本质上的区别,也未能充分地认识到化学反应过程在整个化学生产工艺中的关键作用,人们尝试将两类不同性质的过程用同一种方法来研究处理,但在反应器设备放大时出现了难以克服的困难。于是针对反应过程人们开发出不同于物理过程的新的研究方法,这就是数学模型法。数学模型法是贯穿整个化学反应工程学科的主要方法,从微观的本征反应动力学方程的建立,到固体颗粒(如催化剂)内外扩散过程的研究,以及设备尺度上的工业反应器模拟和优化,无一不贯穿着数学模型法的精神。数学模型法成功应用的著名案例是20世纪60年代,美国开发的“丙烯二聚法”在制备异戊二烯工艺时,核心设备为气相均相管式反应器,当对反应器模型进行模拟,其结果与小试结果相符后,未经过中间试验,直接放大17 000倍,达到工业规模。其开发周期之短,实验工作量之少,人力、物力、财力之节省,远非逐级经验放大法所能比拟,显示出数学模型法无与伦比的优越性。

化工生产中所涉及的传递过程,通常是指动量传递、热量传递和质量传递,对它们各自独立的研究,其实都已经有相当长的历史了。动量传递的理论基础是流体力学,热量传递的理论基础是传热学,质量传递的理论基础是传质学。1687年牛顿首先对流体流动现象进行了研究,建立了牛顿黏性定律; 1822年傅里叶研究了热传导现象,建立了傅里叶定律; 1855年费克提出了物质扩散质量通量的基本关系式。可见,无论是流体力学,还是传热学和传质学,都有上百年以上的研究历史。

在华克尔等编著《化工原理》教材时,在西勒和达姆科勒研究内外扩散对反应过程的影响时,他们就已经吸取了流体力学、传热学和传质学的研究成果。到20世纪50年代,化学工程师更清楚地认识到:从本质上看,所有物理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; 而在化学反应器中伴随着化学反应的发生,也存在着大量的传递现象。到了20世纪50年代后期,许多高校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。

在此背景下,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华克尔等编著的《化工原理》教材一样,引起了业界巨大的轰动,到1978年就印刷了19次,影响深远,成为化学工程学科发展进入“三传一反”新时期的主要标志。

之所以需将三种不同性质的传递过程综合在一起进行研究,是有其深刻的原因的^[17-19]:其一,虽然在具体研究时,按照需要对其中某种传递过程着墨较多,但其他两种传递过程往往也是相伴而生的; 其二,三种传递现象有着类似的机理和类似的数学表达式,相互之间可以类比,从一种传递的结果可预测另一种传递的结果,即有名的“类比律”; 其三,从认识论的角度看,将三种类似的现象并列研究,有助于加深人们对过程的理解,而从实践角度看,可以采取较少的实验工作量,达到由此及彼的效果。

就本学科研究方法而论,传递过程主要采取的是理论分析法,又名数学解析法,一般分为三个步骤:一是确定简化的物理模型,这是理论研究方法最为困难的一步,它要求研究者对研究对象有深刻的了解; 二是在简化的物理模型上应用三大守恒定律并结合流体特征如牛顿黏性定律、傅里叶定律和费克定律建立普遍方程; 三是结合具体定解条件,确定方程的解。

理论分析方法通常只适用于比较简单的物理模型,对更复杂更能符合实际过程的物理模型,其对应的数学模型也更为复杂。20世纪60年代以来,伴随着电子计算机的出现,以及一系列数值计算方法(如有限差分法、有限元法)的发展,数值计算在传递过程研究中的应用越来越广泛。

无论是数学解析法还是数值计算法,其结论正确与否都需要实验加以验证,这是实验的检验功能,符合辩证唯物主义实践决定认识原理。而当所研究的问题极为复杂,模型不易建立,或虽有模型但因方程复杂或初始边界条件复杂难以求解时,实验研究更是成为唯一的研究方法了。实验研究必须在实验方法论的指导下进行才有意义,要能做到由此及彼、由小见大的目的,通常实验研究方法有因次分析法和相似论方法,这与单元操作中所采取的研究方法相一致,只是在传递过程分支学科中,实验研究方法处于辅助从属地位。

近20多年来,随着对传递现象的研究深入发展,其领域也不断扩大。如对高分子化工和生物化学工程领域,开展了高黏度、非牛顿型流体中传递过程的研究; 从单相中的传递扩大到两相流中的传递,特别是两相界面及其附近区域中的传递; 随着湍流测试技术(如激光测量、流场显示等)的改善,湍流理论取得了重要进展,湍流传递的研究正在深入。

依据辩证唯物主义认识论,传递过程分支学科是人们理性认识发展到高级阶段的产物,主要表现在两个方面。其一,从学科历史发展角度看,在戴维斯以前,人们对化工过程的认识主要侧重于单一化工过程的工艺特征,每一类化工过程的工艺均被视为一门专门的“工艺知识”; 至利特尔提出“单元操作”概念后,人们发现,各种不同的化工工艺,无论其规模大小,所生产的产品是相同还是不相同,都可以分解为若干相对独立的单元技术组合,而且不同工艺的相同单元操作遵循相同的原理,例如蒸发就是最早被提出的单元操作之一,以单元操作为对象进行研究和学习是化学工程学科在20世纪前半期的主要内容; 20世纪50年代以后,随着对单元操作研究的深入,人们发现不同操作单元之间仍存在着共性,最终都可以归纳入动量传递、热量传递和质量传递,即所谓“三传”的范式中。其二,在和化工原理分支学科的横向比较中,两者之间也存在着很大的区别,化工原理分支学科主要解决的是设备与单元过程之间的矛盾关系,对“三传”过程的研究无一不受到具体设备和操作条件的约束,由于设备结构的复杂性和操作条件的多样性,对过程的研究方法主要采取的是经验法,只有极少数单元使用了数学模型法,而在传递过程分支学科中,由于脱离了具体设备因素的影响,仅考虑过程的变化规律,因此其研究方法是更为理论化的数学解析法,这是更深入、更抽象、更能把握过程本质的理性分析方法。

20世纪50年代中期,电子计算机开始进入化工领域,对化学工程学科的发展起到了巨大的推动作用,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整个企业的模拟,在20世纪50年代后期出现了第一代的化工模拟系统。

到了20世纪80年代初,化工系统工程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取得了有实用价值的成果,开发了以ASPEN为代表的第三代化工模拟系统。

化工系统工程学科的研究对象为化工系统或化工生产过程,其任务是解决化工生产领域内的技术经济方面的决策问题,解决实际问题的基本方法是过程模拟或称流程模拟。过程模拟包含两个基本内容,一是模型建立(建模),二是模型求解(即模拟)。

建模和模拟是化工系统工程最重要最常用的技术手段,化工流程模拟系统就是在建模和模拟等研究工作方面所取得的重要成果,目前表现为计算机软件系统。化工过程模拟包含三要素,也是流程模拟系统的三要素,分别为物性数据、数学模型和求解方法。模拟系统包括:稳态流程模拟系统、动态流程模拟系统、专用流程模拟系统、通用流程模拟系统、操作型流程模拟系统和设计型流程模拟系统^[20]。

这些模拟系统能解决诸多化工生产实际问题,如反应器系统的最优设计、分离序列的最优设计、换热网络的最优设计、整套化工装置的设计,以及化工过程离线、在线操作优化等。

计算机模拟具有很大的优势,在计算机上进行模拟试验,通过计算机软件接收化工生产流程的参数信息,便可对过程开发、设计、操作(即工程问题)进行系统分析、计算,以达到化工系统的整体优化,既省时又经济。化工系统工程是化学工程在综合方面上的深化。至此,整个化学工程形成了比较完整的学科体系。

化学工程学科的发展有力地证明了辩证唯物主义认识论原理的科学性和真理性。从哲学上看,化工生产过程虽是“人造客体”,但人们对它的认识,从化学工程学科的角度看,在戴维斯之前人们头脑中形成的是关于各个产品的化学工艺的整体知识,该阶段仍处于感性认识阶段,但因为积累了大量的有关化学和机械方面的知识,能生产出各种不同功能的化工产品,因此,也可以认为处于感性认识的高级阶段。

随着实践活动范围的扩大和深入,人们逐渐认识到尽管不同产品的化学生产工艺不同,千变万化,但构成工艺路线的独立单元数却是有限的,只要把握有限的几个单元操作技术,通过对它们的不同组合,便可形成所有的化学工艺,生产出符合人们需要的具有特定功能的化工产品。从学科辩证发展角度看,“单元操作”是人们第一次通过对大量不同化学工艺流程的分解而概括出的属于化学工程学科特有的科学概念,因此可以认为实现了从感性认识到理性认识的第一次飞跃。

通过对单元操作的深入研究,人们发现物理单元和化学单元有着本质的不同,遵循不同的规律,物理单元的研究方法对化学单元并不适合。对物理单元采取无因次准数法可以有效地进行设备的放大,但该放大方法应用于化学过程中遇到了难以克服的困难。于是对有化学反应存在的过程必须开发出与之相适应的数学模型方法,这就促成了化学反应工程分支学科的成立。而对物理单元,人们研究发现,虽单元过程不同,但都可以由动量传递、热量传递和质量传递即所谓的“三传”来概括,同时由于脱离了具体设备和操作条件的影响,在研究方法上也由原来的经验法跃升为数学解析法,从而形成化工传递过程学科。如果说单元操作概念的形成是理性认识的初级阶段的话,那么“三传一反”概念的形成则是理性认识上升到高级阶段。

然而,认识过程是不是就此结束了呢?或者说化学工程学科是否发展完整了呢?显然没有。随着电子计算机的出现,人们的计算能力获得了极大的提高,化学工程学科发展进入了综合阶段。人们不再满足于对单一单元过程的研究,而是将整个化学生产工艺过程作为一个整体进行模拟和优化,进而形成化工系统工程分支学科。从学科的发展来说,经历了从综合到分解再到综合、从工艺到工程再到系统这样一个否定之否定过程,学科的体系才完整地构建起来。应该说,学科发展经历了两次否定以后,似乎又回到了原点,但在对对象的认识深度及研究方法上都实现了彻底的飞跃。化学工程学科发展路线示意图见图1。

图1 化学工程学科发展路线示意图
Fig.1 Schematic diagram of disciplinary development route for chemical engineering

至此,由单元操作、化工热力学、传递过程、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所涉及的各个领域,所以在传统化学工程的范围内难以期望会再出现过去那种令人激动的突破。

近十几年来,化学工程最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。这里仅就两个领域略加阐述:其一是生物医学工程,用化学工程的观点和方法研究人体内的生理过程,如药物在人体中的扩散,用停留时间分布的概念来分析药物的疗效等; 其二是20世纪70年代,分子生物学取得了重组DNA技术等重大科学成果,进而开拓了制备生物化学品的新领域,出现了生物化学工程,以便有效解决生物反应器和生物制剂分离等工程问题,如超滤技术等,已可预见将对人类社会发展产生重大影响。

总之,化学工程学科随着自身的不断成熟和完善,一方面,更进一步地向学科深度方向发展; 另一方面,该学科也以自身强大的生命力向相关领域渗透,面对新的研究对象、新的问题,将产生新的研究方法,形成新的交叉学科。

所有这一切无不证明了唯物辩证法所揭示的“事物是普遍联系和普遍发展”的真理。唯物辩证法为我们深刻认识化学工程学科,有力地掌握其概念、规律和知识体系,开发出新的满足社会需要的化工产品,提供了极为科学的方法论依据。