21世紀化學工程發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)措施

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摘要：本文論述了化學工程發(fā)展過程及發(fā)展過程中面臨的挑戰(zhàn)，我國經(jīng)濟水平的穩(wěn)步提升，促進了化學工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的多樣化發(fā)展。當前，我國大部分化工企業(yè)面臨著兩大挑戰(zhàn)，一是環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展對化學工程的嚴峻要求，二是化學工程面臨的科技創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：化學工程；可持續(xù)發(fā)展；科技創(chuàng)新；挑戰(zhàn)

化學工程是研究化學工業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中所進行的化學過程、物理過程及其所用設(shè)備的設(shè)計與操作和優(yōu)化的共同規(guī)律的一門工程學科?；瘜W工程領(lǐng)域涉及工藝開發(fā)、產(chǎn)品研制、過程設(shè)計、裝備強化、系統(tǒng)模擬、環(huán)境保護、生產(chǎn)管理、操作控制等內(nèi)容。該領(lǐng)域包含無機與有機化工、精細化工、石油化工與煤炭化工、冶金化工、生物化工、環(huán)境化工、材料化工等行業(yè)。在社會發(fā)展與國民經(jīng)濟建設(shè)中，化學工程領(lǐng)域具有重要作用，且化學工程與信息、材料、生物、能源、資源、航天、海洋等高新技術(shù)領(lǐng)域相互滲透，共同推動高新科技的發(fā)展。

1我國化學工程的發(fā)展歷程

化學工程在發(fā)展的過程中經(jīng)歷了三個階段。第一個發(fā)展階段稱為“單元操作”[1]，該階段的化學工程是一門共性化學工程學科，以各工業(yè)種類所需的單元設(shè)備或操作的共性規(guī)律為基礎(chǔ)；第二個發(fā)展階段稱為“傳遞原理和反應(yīng)工程”[2]，該階段總結(jié)出了不同的單元設(shè)備和操作中的共性現(xiàn)象———流動、傳熱、傳遞和反應(yīng)，即“三傳一反”，第二階段是在第一階段基礎(chǔ)上進一步的知識深化；第二階段中，化學工程吸收了當時相關(guān)科學技術(shù)發(fā)展的新成果，強化了解決工業(yè)問題的能力，形成了模型化的方法論，進一步推動了化學工程在其他工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，第二階段“三傳一反”的相關(guān)研究引領(lǐng)了化學工程近半個世紀的發(fā)展。伴隨社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，化學工程的需求也在快速增長，特別是資源、能源利用與環(huán)境破壞問題的挑戰(zhàn)，使得化學工程的重要性進一步凸顯。然而，一方面化學工程的現(xiàn)有理論與方法已經(jīng)愈發(fā)無法滿足當前工業(yè)工程應(yīng)用與發(fā)展的需求；另一方面，一些高新技術(shù)的發(fā)展如納米科學、生命科學技術(shù)等也為化學工程未來深層次的發(fā)展創(chuàng)造了新的機遇。在此狀況下，化工界關(guān)于化學工程新的發(fā)展階段的討論越來越多。我國化工學者郭慕孫提出“三傳一反+X”[3]，認為傳遞過程與反應(yīng)工程的研究必須擴展到介觀尺度、微觀尺度范疇，并在探索多尺度轉(zhuǎn)變規(guī)律過程中不斷發(fā)展與更新(汪家鼎)[4]。復(fù)雜性科學的進步將有力推動化學工程的發(fā)展。為了滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對化學工程的需要，我們首先應(yīng)當關(guān)注化學工程當前面臨的挑戰(zhàn)是什么?然后面對這些挑戰(zhàn)怎樣將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C遇。

2化工發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)

目前，在我國化學工程的發(fā)展中，第二階段的“三傳一反”依然是化學工程研究的主要內(nèi)容，但化學工程的研究內(nèi)容只有產(chǎn)生適應(yīng)學科交叉融合和經(jīng)濟需求的變革，才能繼續(xù)在社會發(fā)展中發(fā)揮重要作用。而在此變革過程中，我們面臨著多方位的挑戰(zhàn)。

2.1化學工程與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展

近二三百年來，隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，資源的急劇消耗，環(huán)境也日趨惡化，在人口、資源、環(huán)境與社會經(jīng)濟的發(fā)展上，出現(xiàn)了一系列矛盾。人類面臨著資源短缺、生存環(huán)境質(zhì)量下降等現(xiàn)象，迫使人們在改造自然的同時要進行深刻的反思。人們不得不面對現(xiàn)實，努力建立與自然新型合作關(guān)系，走可持續(xù)發(fā)展道路，建立和諧的社會經(jīng)濟發(fā)展的大環(huán)境。我國政府也制定了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，采取了積極的措施來促進經(jīng)濟的全面發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的平衡。而化學工程是對環(huán)境中的各種資源進行化學處理和加工的生產(chǎn)過程，該生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢棄物部分有害、有毒，進入環(huán)境會造成污染。并且有的化工產(chǎn)品在使用過程中也會造成對環(huán)境的污染。因此化學工業(yè)對環(huán)境影響巨大，所以實施可持續(xù)發(fā)展對化工生產(chǎn)尤為重要?；瘜W工程領(lǐng)域要積極探索新的方法減少化工生產(chǎn)過程中或產(chǎn)品對環(huán)境的危害。這是化學工程今年來面臨的一大挑戰(zhàn)。目前我國環(huán)境保護問題面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，同時資源、能源的高效清潔利用問題也面臨著突出挑戰(zhàn)，因此，化學工程的研究對象將由以煤、石油、天然氣為代表的傳統(tǒng)不可再生能源向生物質(zhì)能等新興可再生能源進行實質(zhì)性的擴展。新興可再生能源應(yīng)當具有環(huán)保性、成本低和宜于大規(guī)模利用等優(yōu)點。隨著環(huán)境保護、氣候變化、能源清潔利用等問題越來越受到重視，各種資源的循環(huán)利用也將成為化學工程面臨的重要難題，化學工程必須重視并解決這一難題。今后，化工必須以重大需求作為牽引力，以解決能源、資源利用與環(huán)境保護的重大問題為目標(李成岳)[5]。

2.2化學工程與科技創(chuàng)新

傳統(tǒng)的化學工程對于“三傳一反”的研究難以突破常規(guī)化工過程的量化放大和調(diào)控這一瓶頸問題，更需面對高新技術(shù)，尤其是生物技術(shù)、納米技術(shù)和材料科學發(fā)展過程中遇到的新問題，因此其時空內(nèi)涵和范圍必須深化和擴展。化學工程需要解決的大多數(shù)難題都具有多尺度結(jié)構(gòu)特征，空間上跨越從原子、分子到設(shè)備、系統(tǒng)，甚至自然生態(tài)的尺度，時間上跨越秒、月到年甚至更大的尺度，之前的計算方法并不能在這樣的時空尺度中運算，更無法建立不同尺度之間的關(guān)系，因此認識不同層次結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系十分困難，這是解決很多化學工程問題的瓶頸。我國目前的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求對化工產(chǎn)品進行全生命周期的設(shè)計，從產(chǎn)品研發(fā)開始就必須提前考慮以后整個周期中可能產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和如何回收資源，這就需要大大擴展化學工程研究的時空范圍?；瘜W工程必須樹立復(fù)雜性的觀念，進入復(fù)雜性科學[6]。由于當今很多新興領(lǐng)域在持續(xù)高速發(fā)展，而目前的化學工程理論與技術(shù)并不能滿足這些領(lǐng)域發(fā)展對于化工技術(shù)的需求，因此很多化工行業(yè)的企業(yè)在市場需求和經(jīng)濟利益的推動下，采用了高能耗、高污染、高排放的生產(chǎn)模式。但如果長期忽視了化學工程相關(guān)知識的擴展和應(yīng)用，忽視了化學工程學科自身的發(fā)展，長此以往，化學工程會失去發(fā)展的機遇，甚至可能在學科交叉與融合的進程中落伍。

3結(jié)論

我國化學工業(yè)正面臨許多挑戰(zhàn)，并且也會伴隨有機遇，化學工業(yè)發(fā)展所帶來的科技創(chuàng)新和對環(huán)境的友好型發(fā)展的步伐也將有較大進展。面對高新技術(shù)的發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的趨勢，應(yīng)認清形勢，明確任務(wù)，調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略，全面提高競爭力。

參考文獻：

[1]DavisGE.HandbookofChemicalEngineering.Manchester:DavisBrothers，1901.

[2]BirdRB，StewartE，LightfootEN.TransportPhenomena.NewYork:Wiley，1960.

[3]KwaukMooson，LiJinghai.Transport，reactionandmulti-scale.ProgressinNaturalScience(自然科學進展)，2000,10(12):1078~1082.

[4]中國科學院化學學部，國家自然科學基金委員會化學科學部.展望21世紀的化學工程.北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[5]LiChengyue.Progressandperspectivesonchemicalengineering.ChemicalIndustryandEngineeringProgress(化工進展)，2000,19(3):4~7.

[6]李靜海.淺談21世紀的化學工程[J].化工學報，2008.

作者:趙慧 單位:西安思源學院