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化学工程

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化学工程,简称化工,是研究化学工业为代表以及其他过程工业(例如石油炼制冶金食品印染工业等)生产过程中有关化学过程与物理过程的一般原理和规律,并且应用这些规律来解决过程及装置的开发、设计、操作及改善问题的工程技术学科。它主要研究大规模改变物料中的化学组成及其机械和物理性质。简单地定义化学工程的本质,它是以数学及少量的物理观念为基础应用于化学工业上,来替生产各式化学品或是物料的工厂提供一个最节省成本的反应流程设计方式。实验研究、理论分析和科学计算已经成为当代化工研究中不可或缺的三种主要手段。

概要

化学工程的理论基础主要是化学数学物理学。 包括上述各学科的分支,如:

历史

在麻省理工学院工业实验室里的学生们。
麻省理工学院工业实验室里的学生们。

化学工程是建立在其最基础的概念——单元操作之上。多数人认为乔治·戴维斯发明了单元操作这项学科,但并没有积极地去发展它[1]。1887年,他在英国曼彻斯特大学开课教授单元操作,被认为是化学工程的早期先锋[2]。早在戴维斯开这门课的三年前,亨利·爱德华·阿姆斯特朗便已在伦敦城市研究所行业协会开了一门学位课程;然而,当时多数的雇主都偏好雇用化学家机械工程师,其课程的毕业生前景并不被看好,因此失败收场[3]。而美国麻省理工学院、英格兰的曼彻斯特维多利亚大学以及伦敦大学所开授的相关课程也都面临了类似的情况[4]

路易斯·诺顿从1888年开始,在麻省理工学院开授了全美第一门化工课程[5]。诺顿的课程与同期的阿姆斯特朗的课程,基本上互相类似,皆合并了化学工程等学科知识。当时从事本行的初期化学工程师都面临了身份上的问题,他们一方面像是工程师,另一方面又不仅是一般的化学家[3]。1905年,威廉·沃克在自己的课程中介绍了单元操作的理论[6]。到了1920年代,单元操作已经在前述学校与学院中,成为化学工程重要的一环[7]。1908年成立的美国化学工程学会(AIChE)是让化学工程成为独立科学学门的一个重要角色。此外,在它的成立与推动之下,单元操作成为化学工程学的重点领域[8]。与此同时,于1922年成立的化学工程协会(IChemE)也确立了化学工程为一门独立的学科[9][10]

演进

1940年代,仅就单元操作已不足以应付化学反应器的发展;然而,单元操作在英国和美国各学院的化工课程中,依然处于优势。直到1960年代,输送现象才开始受到较大的关注[11]。输送现象提供了化学工程一个系统分析的方法[12]第二次世界大战前后的化工发展,主要是由石化工业所引领的,不过其他领域亦有所发展[13]。1940年代,生化工程制药工程开始有所进步,技术已足以大量生产青霉素链霉素等医用抗细菌药[14]。同时,高分子科学于1950年代的发展,促进了后来塑胶工业的兴起[15]

近期发展

随着计算机科学的迅速发展,大大简化了人工计算与手绘的复杂过程。人类基因组计划的完成不仅是化学工程学的进步,也被视为是一项基因组学基因工程的重大发展[16]。化工原理亦被运用在大量制造核酸序列[17]

基本概念

在化学工程中经常会用到下面这些概念:

化学反应工程

化学工程领域包含控制工厂程序与条件,以确保工厂的最佳运作。化学反应工程师利用实验室数据以及化学热力学的物理参数来建构分析模型或设计反应器,亦借此解决问题、预测反应器之性能。[18]

程序设计

单元操作是化学工程程序里的一个物理步骤,如结晶过滤干燥蒸发等。综合运用这些单元操作,得以制备反应物、纯化并分离生成物、回收剩余反应物以及控制反应器中的能量输送[19]。另一方面,一个单元的过程与单元操作在化学上是等价的;借由单元操作,数个单元过程构成了一个整体的处理过程。单元过程,如氮化或氧化等,涉及大量的生物化学热化学等转换方式。负责这些的工程师则称为“程序工程师”[20]

输送现象

输送现象的运用在工业生产线上十分常见,包含流体力学热量输送以及质量输送等部分,其中又涉及动量输送、能量输送与化学物质的输送等等。在表达巨观微观分子等三种不同层级的输送现象时,所使用基础方程式十分类似;因此,在学习输送现象时,需要对其原理及数学式有很全面且通盘的了解。[21]

应用

化学工程师以电脑控制并监控自动化工厂系统。[22]
化学工程师以电脑控制并监控自动化工厂系统。[22]

化学工程师专门找寻并建构最经济实惠的生产方式,其考量重点包含原料能源等成本问题[23]。化学工程师利用化学工程学知识,将未经处理的低价原料以大规模的方式转换成高价有用的产品,如药物石化产品以及塑胶等等。他们也专注于污染物排放与各项研究。在应用及研究方面都需要大量的电脑协助[22]

化学工程师可能从事工业生产或学术研究;他们专门进行设计或实验,以找寻并建立更优良的生产方式、污染控制、节约资源以及安全提升。他们也许是专门设计并建构工厂的专案工程师。在化工领域,工程师们运用其专业知识来选择工厂设备、控制生产产量与成本的最大化及最小化,并从事后续工厂的升级与维护。[24] 化学工程师也许一辈子受雇管理工厂运作;相反地,也有可能成为专业顾问,处理并协助化工相关问题。

成为化学工程师

通常至少需大学学历,拥有相关证照便有加分效果,如化学乙、丙级,化工乙、丙级,以化学丙级为其基础最为重要

研究领域

今天,化学工程学的研究十分多样化,涵盖了传统化学工业材料科学生物技术奈米技术等众多领域。

相关条目

参考文献

  1. ^ Cohen 1996, pp. 172–173.
  2. ^ Cohen 1996, p. 175.
  3. ^ 3.0 3.1 Reynolds 2001, p. 176.
  4. ^ Cohen 1996, p. 178.
  5. ^ Cohen 1996, p. 180.
  6. ^ Cohen 1996, p. 183.
  7. ^ Cohen 1996, p. 184.
  8. ^ Cohen 1996, p. 187.
  9. ^ Cohen 1996, p. 189.
  10. ^ Cohen 1996, p. 190.
  11. ^ Cohen 1996, p. 185.
  12. ^ Perkins 2003, p. 30.
  13. ^ Reynolds 2001, p. 177.
  14. ^ Perkins 2003, pp. 32–33.
  15. ^ Kim 2002, p. 7S.
  16. ^ Kim 2002, p. 9S.
  17. ^ American Institute of Chemical Engineers 2003a.
  18. ^ Carberry 2001, pp. 1–2.
  19. ^ McCabe, Smith & Hariott 1993, p. 4.
  20. ^ Silla 2003, pp. 8–9.
  21. ^ Bird, Stewart & Lightfoot 2002, pp. 1–2.
  22. ^ 22.0 22.1 Garner 2003, pp. 47–48.
  23. ^ American Institute of Chemical Engineers 2003, Article III.
  24. ^ Garner 2003, pp. 49–50.

参考书目

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