21世紀(jì)化學(xué)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(xué)工程發(fā)展過(guò)程及發(fā)展過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的穩(wěn)步提升，促進(jìn)了化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的多樣化發(fā)展。當(dāng)前，我國(guó)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(duì)化學(xué)工程的嚴(yán)峻要求，二是化學(xué)工程面臨的科技創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。

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

化學(xué)工程是研究化學(xué)工業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所進(jìn)行的化學(xué)過(guò)程、物理過(guò)程及其所用設(shè)備的設(shè)計(jì)與操作和優(yōu)化的共同規(guī)律的一門(mén)工程學(xué)科?；瘜W(xué)工程領(lǐng)域涉及工藝開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品研制、過(guò)程設(shè)計(jì)、裝備強(qiáng)化、系統(tǒng)模擬、環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)管理、操作控制等內(nèi)容。該領(lǐng)域包含無(wú)機(jī)與有機(jī)化工、精細(xì)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(huì)發(fā)展與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，化學(xué)工程領(lǐng)域具有重要作用，且化學(xué)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(dòng)高新科技的發(fā)展。

1我國(guó)化學(xué)工程的發(fā)展歷程

化學(xué)工程在發(fā)展的過(guò)程中經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一個(gè)發(fā)展階段稱為“單元操作”[1]，該階段的化學(xué)工程是一門(mén)共性化學(xué)工程學(xué)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(gè)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(dòng)、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(jìn)一步的知識(shí)深化；第二階段中，化學(xué)工程吸收了當(dāng)時(shí)相關(guān)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新成果，強(qiáng)化了解決工業(yè)問(wèn)題的能力，形成了模型化的方法論，進(jìn)一步推動(dòng)了化學(xué)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(xué)工程近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展。伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，化學(xué)工程的需求也在快速增長(zhǎng)，特別是資源、能源利用與環(huán)境破壞問(wèn)題的挑戰(zhàn)，使得化學(xué)工程的重要性進(jìn)一步凸顯。然而，一方面化學(xué)工程的現(xiàn)有理論與方法已經(jīng)愈發(fā)無(wú)法滿足當(dāng)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(xué)、生命科學(xué)技術(shù)等也為化學(xué)工程未來(lái)深層次的發(fā)展創(chuàng)造了新的機(jī)遇。在此狀況下，化工界關(guān)于化學(xué)工程新的發(fā)展階段的討論越來(lái)越多。我國(guó)化工學(xué)者郭慕孫提出“三傳一反+X”[3]，認(rèn)為傳遞過(guò)程與反應(yīng)工程的研究必須擴(kuò)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(guò)程中不斷發(fā)展與更新(汪家鼎)[4]。復(fù)雜性科學(xué)的進(jìn)步將有力推動(dòng)化學(xué)工程的發(fā)展。為了滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)化學(xué)工程的需要，我們首先應(yīng)當(dāng)關(guān)注化學(xué)工程當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)是什么?然后面對(duì)這些挑戰(zhàn)怎樣將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)遇。

2化工發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)

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

2.1化學(xué)工程與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展

近二三百年來(lái)，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(huì)經(jīng)濟(jì)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?cè)诟脑熳匀坏耐瑫r(shí)要進(jìn)行深刻的反思。人們不得不面對(duì)現(xiàn)實(shí)，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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大環(huán)境。我國(guó)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(lái)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的平衡。而化學(xué)工程是對(duì)環(huán)境中的各種資源進(jìn)行化學(xué)處理和加工的生產(chǎn)過(guò)程，該生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢棄物部分有害、有毒，進(jìn)入環(huán)境會(huì)造成污染。并且有的化工產(chǎn)品在使用過(guò)程中也會(huì)造成對(duì)環(huán)境的污染。因此化學(xué)工業(yè)對(duì)環(huán)境影響巨大，所以實(shí)施可持續(xù)發(fā)展對(duì)化工生產(chǎn)尤為重要?；瘜W(xué)工程領(lǐng)域要積極探索新的方法減少化工生產(chǎn)過(guò)程中或產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的危害。這是化學(xué)工程今年來(lái)面臨的一大挑戰(zhàn)。目前我國(guó)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同時(shí)資源、能源的高效清潔利用問(wèn)題也面臨著突出挑戰(zhàn)，因此，化學(xué)工程的研究對(duì)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(jìn)行實(shí)質(zhì)性的擴(kuò)展。新興可再生能源應(yīng)當(dāng)具有環(huán)保性、成本低和宜于大規(guī)模利用等優(yōu)點(diǎn)。隨著環(huán)境保護(hù)、氣候變化、能源清潔利用等問(wèn)題越來(lái)越受到重視，各種資源的循環(huán)利用也將成為化學(xué)工程面臨的重要難題，化學(xué)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(hù)的重大問(wèn)題為目標(biāo)(李成岳)[5]。

2.2化學(xué)工程與科技創(chuàng)新

傳統(tǒng)的化學(xué)工程對(duì)于“三傳一反”的研究難以突破常規(guī)化工過(guò)程的量化放大和調(diào)控這一瓶頸問(wèn)題，更需面對(duì)高新技術(shù)，尤其是生物技術(shù)、納米技術(shù)和材料科學(xué)發(fā)展過(guò)程中遇到的新問(wèn)題，因此其時(shí)空內(nèi)涵和范圍必須深化和擴(kuò)展。化學(xué)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(shí)間上跨越秒、月到年甚至更大的尺度，之前的計(jì)算方法并不能在這樣的時(shí)空尺度中運(yùn)算，更無(wú)法建立不同尺度之間的關(guān)系，因此認(rèn)識(shí)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(xué)工程問(wèn)題的瓶頸。我國(guó)目前的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求對(duì)化工產(chǎn)品進(jìn)行全生命周期的設(shè)計(jì)，從產(chǎn)品研發(fā)開(kāi)始就必須提前考慮以后整個(gè)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(kuò)展化學(xué)工程研究的時(shí)空范圍?；瘜W(xué)工程必須樹(shù)立復(fù)雜性的觀念，進(jìn)入復(fù)雜性科學(xué)[6]。由于當(dāng)今很多新興領(lǐng)域在持續(xù)高速發(fā)展，而目前的化學(xué)工程理論與技術(shù)并不能滿足這些領(lǐng)域發(fā)展對(duì)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(chǎng)需求和經(jīng)濟(jì)利益的推動(dòng)下，采用了高能耗、高污染、高排放的生產(chǎn)模式。但如果長(zhǎng)期忽視了化學(xué)工程相關(guān)知識(shí)的擴(kuò)展和應(yīng)用，忽視了化學(xué)工程學(xué)科自身的發(fā)展，長(zhǎng)此以往，化學(xué)工程會(huì)失去發(fā)展的機(jī)遇，甚至可能在學(xué)科交叉與融合的進(jìn)程中落伍。

3結(jié)論

我國(guó)化學(xué)工業(yè)正面臨許多挑戰(zhàn)，并且也會(huì)伴隨有機(jī)遇，化學(xué)工業(yè)發(fā)展所帶來(lái)的科技創(chuàng)新和對(duì)環(huán)境的友好型發(fā)展的步伐也將有較大進(jìn)展。面對(duì)高新技術(shù)的發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的趨勢(shì)，應(yīng)認(rèn)清形勢(shì)，明確任務(wù)，調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略，全面提高競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)進(jìn)展)，2000,10(12):1078~1082.

[4]中國(guó)科學(xué)院化學(xué)學(xué)部，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)化學(xué)科學(xué)部.展望21世紀(jì)的化學(xué)工程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

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

[6]李靜海.淺談21世紀(jì)的化學(xué)工程[J].化工學(xué)報(bào)，2008.

作者:趙慧 單位:西安思源學(xué)院