化学工程新的增长点之

王佳 郝鹏 冯柳旭 李智雯 王慧 王钧慕

摘 要：随着科学技术的发展，化学工程学科在近代科学与技术快速发展的推动下，正在经历着急剧的变革和变化。新能源、新资源、新材料、生物技术等新兴产业日新月异，有取代传统产业的趋势，化学工程如何面对变化的时代已成为化学工程学科必须考虑的重大问题，通过学科交叉，可以为新产业形成更好的服务，同时在服务中不断发展本学科的理论。现在已经派生出材料化学工程、环境化学工程、资源化学工程、能源化学工程等，为化学工程学科的发展带来了新的活力。

关键词：产生与意义；工程理论；发展方向

一、材料化学工程的产生与意义

化学工程学科百年历史经历了形成、发展、拓展的几个阶段。第一阶段是化学工程学科的形成阶段，其典型特征是以单元操作为核心内容。随着对这些单元过程的共性规律的进一步研究，人们在更高层次上对化工过程的本质进行探讨与研究，化学工程学科也随之派生出新的二级学科，如化工热力学、传质与分离、化学反应工程、化工系统工程等，化学工程的发展进入了第二个阶段。这两个阶段的发展，其推动力主要来自传统的化学工业、石油化工和煤化工。

另一方面，过程工业是我国工业的重要组成部分，过程工业的发展对加快我国工业化进程、解决我国长期供给短缺的问题发挥了关键的作用。过程工业对资源、能源的过度消耗和环境的污染已经成为制约我国可持续发展的瓶颈所在。因此，有效解决我国过程工业对资源、能源的过度消耗和环境污染的瓶颈问题，是国家中长期科学和技术发展规划的要求。

首先，材料工业是资源、能源消耗和环境污染的大户，这一现实导致不可再生的矿石资源消耗极大。用化学工程技术对材料生产过程进行流程和生态产业链优化设计和综合研究，发展基础原材料的绿色制备技术，无疑是缓解我国过程工业的资源、能源、环境瓶颈问题的重要途径之一，必将为国家中长期科学和技术发展规划中制定的“到2020年主要工业产品单位能耗指标达到或接近世界先进水平”的目标作出贡献。

其次，化学工程技术水平的提高需要新材料的支撑。材料加工需要化学工程，而化学工程自身的发展也离不开新材料的支撑。化学工程领域的核心技术是分离与反应及过程装备技术，新材料在其中发挥着关键的作用。以新材料如膜材料、新型吸附材料等为基础发展起来的新型分离技术，如膜分离、吸附分离等，在分离过程中一般不产生相的变化，因此具有节约能源的特征，发展十分迅速，成为分离领域的主要发展方向；以新型催化材料为基础的反应技术正在改变着化工与石油化工的面貌，如分子筛催化剂、茂金属催化剂、非晶态合金等。可见，依托新材料发展分离与反应过程是提高我国过程工业技术水平的必由之路，也是化学工程学科发展的必然趋势。

二、 基于化学工程理论与方法的材料制备技术

化学工程的理论与方法已经成为基础原材料绿色制备的重要支撑，循环经济发展方式要求最大限度地将废弃物转化为商品，降低废弃物的产生量和排放量，化学工程的系统分析与优化的方法在其中发挥着重要的作用。以系统优化理论为基础，从流程整体优化的高度出发，可以达到使物质获得率最大化、能源效率最佳化和制造过程时间最小化的综合效果，而不是简单地从单元工序、单个装备改造出发再简单相加。在此基础上组成若干区域性的兼顾社会整体节能、降低社会环境负荷、协同优化的钢铁生产体系具有重要价值，比如，国民经济的持续发展对水泥的需求量仍将有大幅度的增长，据预测，到2010年我国水泥的年需求量将达12亿吨以上，水泥生产年耗电975亿千瓦时、煤11700万吨、石灰石8.3亿吨，排放C02 6.6亿吨、s02和NO等有害气体270万吨，数量扩张型的水泥工业发展模式将使我国能源、资源和环境不堪重负，水泥工业同样需要按照循环经济的理念来发展。

三、材料化学工程的科学问题

材料化学工程学科的核心在于研究材料结构、性能（应用）与制备（生产）之间的关系，其关键的科学问题是：材料结构与功能的关系，材料结构与制备的关系以及应用过程中的结构演变。尽管化学工程理论与方法是实现材料制备从经验为主向定量控制转变的有效手段，但由于材料制备过程不同于传统的化工过程（传统的化学工程通常将过程系统处理为均相或几个均相加上相际传递），这一领域的发展面临许多新问题。最为典型的是，复杂材料一般具有介观层次的微相结构，而传统的化学工程理论主要建立在宏观和微观两个层面上，即以传递理论为主的宏观分析方法和分子水平上的微观分析方法，发展介观层次下的化学工程理论与方法将成为材料化学工程今后研究的热点问题。材料在宏观系统中的行为（功能）与材料的微结构关系是过程与材料优化设计的基础。尽管对于材料微结构中的传递与反应过程研究已取得了一定进展，但这一领域的研究尚有很多问题没有得到很好的解决，如：通过材料微结构传递和反应的物质与材料的相互作用规律，以及这种作用规律与宏观环境的变化关系；分子模拟技术如何与实际过程的耦合；介观尺度范围内的传递理论等，均需要进行深入的研究。

四、材料化学工程的发展方向

材料化学工程领域的发展，不但促进了材料工业的进步，也为化学工程学科的发展开辟了新方向，但材料化学工程作为一个的新交叉学科需进一步凝炼科学问题，奠定其学科发展的理论基础。未来需进一步加强对材料设计与制备领域关键科学问题的研究，通过分子模拟、实验测试和理论分析的综合研究，在分子与介观尺度范围揭示材料微结构、性能与制备的关系，构建面向应用过程的材料微结构设计和材料生产流程模拟的方法与技术平台，夯实材料化学工程发展的理论基础；在应用技术方面形成具有自主知识产权的成果，服务于国民经济建设，缓解我国过程工业面临的资源、能源与环境的瓶颈壓力，为人类和谐社会的发展做出贡献。

参考文献：

[1]李静海，胡英，袁权等.展望21世纪的化学工程.北京：化学工业出版社

[2]徐南平，时钧.化工学报，2003，54（4）：423～4265

[3]朱宇，陆小华，丁皓等.化工学报，2004，55（8）：1213～12238