化學工程師是何方神圣?有人說是一群會掙錢的化學家,也有人說是一眾懂一點兒化學的機械工程師,有人說是一幫麻煩制造者,也有人說是一伙問題解決者,這些說法都有點兒道理,但都不全面。
工程師的基本訓練是解決問題,不是制造問題,工程的四大支柱學科是機械、電機、土木和化工,也就是人們常說的機電土化,許許多多工程學科都是由此四個祖宗學科通過交叉衍生出來的,可謂兒孫滿堂,比如:能源、交通、航海、航空;又比如:計算機、軟件、信息、控制;再比如:建筑、環(huán)境、資源、地質(zhì);還有:材料、冶煉、高分子、生物工程等等,不一而足,發(fā)展出了幾百個大大小小的子子孫孫工程學科。
工程學科的發(fā)展和演義可以簡單粗暴地編成口訣:
工程學科演義 Evolution of Engineering Disciplines |
機:能、交、海、空 Mechanical: energy, transportation, ocean, aerospace |
電:機、軟、信、控 Electrical: computer, software, IT, control & automation |
土:建、環(huán)、資、地 Civil: architecture, environmental, resource, earth |
化:材、煉、高、生 Chemical: materials, metallurgy & refinery, polymer, biochemical |
化工之歌
那么化學工程(簡稱化工)有什么特殊的地方呢?化工是化學與機械結(jié)合的產(chǎn)物,學科交叉的結(jié)果。
化學是理科(science),化工是工科(engineering),雖說理工一家,但還是有本質(zhì)區(qū)別的,理是發(fā)現(xiàn)(science is to discover),解釋現(xiàn)象,透過現(xiàn)象看本質(zhì),創(chuàng)造知識,也可以說,理是“沒事找樂”,在牛頓之前,蘋果往下掉, 牛頓之后,蘋果還是往下掉,牛頓發(fā)現(xiàn)的引力沒有改變蘋果掉的方向,但后來的火箭和衛(wèi)星等等就是從這個發(fā)現(xiàn)搞出來的,搞理的人,好奇心很重要。
相對于理的發(fā)現(xiàn),工就是創(chuàng)新(engineering is to innovate),解決問題,運用知識做出新東西,橫空出世,也可以說,工是“無中生有”。工和理相依為命,理是基礎(chǔ),工是應用。比如說,蒸汽機、空調(diào)和冰箱,先是人們看到許許多多有趣的現(xiàn)象產(chǎn)生了疑問,為什么熱量很容易地從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體而不能自發(fā)地從低溫到高溫?為什么不能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響?由此歸納總結(jié)出了熱力學第二定律,設(shè)計出了卡諾循環(huán),這是理。基于這個理,做出了蒸汽機、空調(diào)和電冰箱,這是工。理的四大支柱學科是:數(shù)學、物理、化學和生物(數(shù)理化生),也有說要加天文和地理(數(shù)理化天地生),這幾大祖宗學科如今也是兒孫繞膝,其樂融融。
化學和機械的結(jié)合是一加一大于二的有機結(jié)合,發(fā)展出了化工,化工需要化學和數(shù)理作基礎(chǔ),搞化工的人必須掌握化學的基礎(chǔ)知識,包括所謂的“四大化學”:有機化學、無機化學、物理化學和分析化學,外加生物化學和高分子化學湊成“六大化學”,其程度不一定有專業(yè)化學家那么深,但同時對數(shù)理基礎(chǔ)知識要求比較高。化工跟化學的關(guān)系就是工跟理的關(guān)系,化學側(cè)重基礎(chǔ),化工側(cè)重應用,沒有化學的化工是無源之水、無本之木,沒有化工的化學是坐而論道、紙上談兵。
什么是化工?化工是什么?化工人會自豪地脫口而出:“三傳一反”!化工人對“三傳一反”有一份托付終生的情感。那什么是“三傳”呢?面對化工人的一臉陶醉是行外人的一臉懵圈,傳播、傳銷、傳染?不是!傳說、傳奇、傳真?也不是!是質(zhì)量傳遞、熱量傳遞和動量傳遞(動量傳遞也叫流體力學)。什么是“一反”?不是反動、反對、反省,而是反應工程。“三傳一反”很專業(yè),是化工的主要內(nèi)容,是化工人需要掌握的主要基礎(chǔ)知識。
那能不能用一句簡單明了誰都能聽得懂的話來定義化工呢?書本上網(wǎng)頁里有許許多多說法,各有各的優(yōu)劣,有些很雅,也有些很俗,雅俗共賞的說法不多。本人認為比較恰當?shù)摹盎ひ痪湓挕笔牵?/span>化工是有關(guān)材料與化學品生產(chǎn)與加工的學科,強調(diào)安全、可持續(xù)地盈利,需要利用計算機作設(shè)計、優(yōu)化和控制。這句“顯而易見”的說法,相信一定有人提過,只是本人孤陋寡聞,找不到出處,列不出引用文獻,有看官知道的,幫忙補缺,不勝感激。
化工一句話
化工一句話(One Sentence of Chemical Engineering):
化工是有關(guān)利用設(shè)計、優(yōu)化和控制手段安全、可持續(xù)和盈利的方式生產(chǎn)與加工材料與化學品的學科(Chemical engineering is about production and processing of materials and chemicals in safe, sustainable and profitable ways through design, optimization and control)。
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化工的兩大基石是:反應與分離。反應與分離哪個更重要呢?都重要,說哪個不重要都有人跟你急,但分離比反應更花錢,大約三分之二在分離,三分之一在反應,比如煉油,就是把原油通過裂化(反應)和精餾(分離)手段分級成汽油、煤油、柴油和重油。
反應與分離各有三個基本問題:多遠?多快?怎么搞?在反應領(lǐng)域,首要問題是:反應有沒有可能?能走多遠?也就是,原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物能有多徹底?比如說,塑料是碳氫化合物,金剛石也是碳,能不能把塑料垃圾燒成金剛石呢?能的話,收成幾何?這是個化學反應平衡問題,這方面的知識是從一門叫熱力學的課程里學到的,熱力學是門非常有趣的課,許多哲學思想,很是高大上,比如熱力學第一定律,能量可以從一種形式轉(zhuǎn)變到另一種形式,但數(shù)量不變,一度電和一度熱的能量相等。又比如熱力學第二定律,雖然數(shù)量一樣, 質(zhì)量可不一樣,一度電比一度熱金貴,因為一度電很容易變成一度熱,而一度熱變回一度電就麻煩了。再比如,最低溫度是多少?不是在南極北極,極地的最低溫度好像沒低過零下100 攝氏度(℃),那太小兒科了,最低溫度叫絕對零度,0開氏度(K),即零下273.15攝氏度,想象一下那是個什么世界,冷得發(fā)抖?還能抖起來?一切都靜止了,還抖什么抖。熱力學還有個特點,就是不關(guān)心時間,熱力學里沒有時間概念,不在乎快慢,如果一個熱力學的教授老催著學生快交作業(yè)的話,好像不是個好的熱力學教授,熱力學只管可行不可行,管平衡,管多遠,不管多快。
化學反應有多快?總不能耗上一年半載生產(chǎn)幾公斤產(chǎn)品吧,喝西北風去?這個問題需要動力學來解答,動力學就是關(guān)于速率的一門課,單位時間單位體積里能出多少產(chǎn)品?請記住,不是越快越好的,太快了也會造成麻煩,比如爆炸,關(guān)鍵是可控,要多快就多快,要多慢就多慢,安全生產(chǎn)才是硬道理。
課本上的許多知識在日常生活中是可以活學活用的,比如泡綠茶,高手泡出來的綠茶,過了夜還是綠綠的,一股清香,訣竅就在掌握反應動力學,用開水泡上幾分鐘,把葉子濾掉,立即降溫,完美。因為綠茶沒有發(fā)酵過,含有碳水化合物,葉子繼續(xù)泡在水里就會發(fā)酵變黃變黑,又因為發(fā)酵是個氧化反應,反應速率跟溫度很有關(guān)系,溫度越高反應越快,只有濾掉葉子降低溫度才能保持綠茶的綠色和清香,不妨試試。
催化是有關(guān)動力學的一門課,催化就是加快或減慢化學反應,催化改變不了熱力學,但能改變動力學,可別小看催化,許多革命性的變化就是催化帶來的,比如,用乙烯做聚乙烯,二十世紀三十年代就做出來了,可是需要高溫高壓苛刻條件,很不容易,直到五十年代,齊格勒和納塔發(fā)現(xiàn)了四氯化鈦和三乙基鋁能在常溫常壓下催化乙烯聚合,還能制備聚丙烯,由此帶來了高分子材料工業(yè)革命。
解決了“多遠”和“多快”,就?!霸趺锤恪绷??也就是反應器工程,反應器的類型很多,壇壇罐罐,管管道道,立式、臥式,間歇、連續(xù)、半連續(xù),模樣琳瑯滿目,但幾個基本東西還是一樣都要考慮的,停留時間分布,攪拌,加熱,冷卻,結(jié)垢等等。還有令人頭疼的放大問題,別以為實驗室燒瓶里做出來的東西都能大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn),放大是一門很有講究的科學,因為太復雜,有時理論不太頂用,得靠經(jīng)驗一步一步地放大,這過程耗錢耗力又耗時,希望近些年如火如荼的人工智能理論對化工放大有所幫助,機器學習,工藝學習,結(jié)合工業(yè)大數(shù)據(jù),藝高人膽大,繞過一些中試。
全憑經(jīng)驗毛估估的東西還不能算現(xiàn)代科學,應該是藝術(shù),藝術(shù)和科學很不一樣,科學是從復雜的現(xiàn)象中找出簡單的原理,想想宇宙多復雜,看看愛因斯坦公式E=MC2吧,簡單得要死!不服不行,還必須五體投地。數(shù)學是最美的語言,能用數(shù)學表達的東西盡量用數(shù)學表達,一句頂一萬句??茖W從復雜到簡單,而藝術(shù)恰恰相反,藝術(shù)家能從單調(diào)無聊的生活中,司空見慣的環(huán)境里,看到凡人看不到的,說不清道不明的美,從簡單到復雜,也是真功夫??垂儆信d趣的話可以上網(wǎng)看看塞·托姆布雷的《無題(紐約)》1968(Cy Twombly "Untitled (New York City)" 1968),看似無序卻有序,道是有序又無序,曾經(jīng)無題難為題,除卻無語不是語。無即為有,有便是無,點到為止,無須深究,此畫妙不可言,切莫妄加評論,顯得無知無識,盡給理工丟臉。托老的這幾根線條,2015年11月在蘇富比拍出了七千萬美刀!也別羨慕嫉妒恨,這世界只能容納一個托姆布雷,想當二托?畫幾根線試試。有人愿拔七美刀就謝天謝地了。此處聲明一下,因為不知如何引用藝術(shù)品,未敢把這幅四億多人民幣的名畫拷貝到這篇文章里來,有勞看官自己動手上網(wǎng)找找。
此時此刻,想起了北島那首只有一個字的詩,《生活》:網(wǎng)。沒讀懂?太無知!讀懂啦?真無知!
科學和藝術(shù)是相通的,但不是簡單的學幾門課就能通的,就訓練而言,科學從復雜到簡單,藝術(shù)從簡單到復雜,是相反的,孩子究竟適合文科還是理科,父母是可以判斷的,實驗很簡單,找?guī)准軓碗s的東西,讓孩子講講,如能三言兩語說得清清楚楚明明白白,絕對是理工的料,再找?guī)准唵蔚臇|西,如能繪聲繪色頭頭是道,應該是文科的料,實驗要多做,因為有誤差 。文理相融,是人們的追求,不是低層次的一加一等于二,而是高層次一加一大于二的一種協(xié)同效應。
反應與分離是化工的兩大基石,各有三個相同的基本問題:多遠?多快?怎么搞?反應產(chǎn)物是個混合物,里面有產(chǎn)品、副產(chǎn)品和沒有轉(zhuǎn)化掉的原料,要分離,要提純。
混合物中的各組分容不容易分離也是熱力學決定的,有些組分不喜歡混在一起,很容易分離,如油和水,也有些組分特別喜歡混在一起,如酒精和水,熱力學決定了組分能分得多開。至于分得多快,就是傳遞過程了,傳質(zhì)、傳熱、流體力學,也就是令化工人十二分自豪的“三傳”。傳質(zhì)的快慢跟濃度梯度成正比,叫菲克定律,菲老1855年就提出來了。傳熱的快慢跟溫度梯度成正比,叫傅立葉定律,傅老提得更早,1822年。同一時期,納維爾和斯托克斯提出了一個流體力學方程,就叫納維爾-斯托克斯方程,是個非常牛的方程,飛機在天空中飛行、輪船在大海里航行,都得靠這方程,可這方程實在是太難解了,有不知天高地厚的數(shù)學發(fā)燒友不妨試試。
分離的最后一個問題也是“怎么搞”,需要單元操作,化工人的拿手好戲,最著名的單元操作要數(shù)蒸餾,利用各組分的揮發(fā)度不同,把輕組分汽化、分開、再冷凝,原油就是靠一次次蒸餾制成各種油類的,多次蒸餾也叫精餾,燒酒也靠蒸餾提高酒精度。除了蒸餾外,還有萃取、吸附、吸收、結(jié)晶、過濾、沉淀、膜分離等等單元操作,懂得單元操作的人,日常生活中可有不少樂趣,比如想把啤酒搞可口一點,就是件容易的事,把啤酒瓶塞進冰柜,等有一半結(jié)冰后,取出來,把液體倒給自個喝,把冰化了給老爸,立馬贏得名副其實的坑爹美名。需要提一句的是,分離和混合基本原理是相同的,理論是共享的,只是方向相反而已。
以上這些內(nèi)容可以總結(jié)成“化工一頁紙”:
化工一頁紙 One Page of Chemical Engineering | |
反應 Reaction: A + B → C + D | |
多遠 How far? | 熱力學 Thermodynamics |
多快 How fast? | 動力學和催化Kinetics & Catalysis |
怎么搞 How to? | 反應器工程 Reactor Engineering |
分離 Separation: (A+B+C+D)→A+B+C +D | |
多遠 How far? | 熱力學 Thermodynamics |
多快 How fast? | 傳遞過程 Transport Phenomena |
怎么搞 How to? | 單元操作 Unit Operations |
不得不承認,這化工一頁紙是極其簡單粗暴的,專家一看都會暈過去,沒暈的,一定瘋狂拍磚,一問題一磚,磚磚精準狠,比如:反應器里的三傳,太重要啦,怎么沒關(guān)心呢?正是由于怕被拍磚,這些自娛自樂文字十幾年未敢成文示人。
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理工語言的確貧乏,難怪理工男成了不堪的貶義詞,為了化工,就豁出去了,來一瓶重口味的“朱氏醬油”:學術(shù)版《化工之歌》打油詩,看看合不合各位看官的口味?深知眾口難調(diào),請多多包涵。
學術(shù)版
化工之歌
熵焓指明了方向
發(fā)展要平衡可持續(xù),
活化能催化出速率
做事要張弛有度講究效益,
菲克、傅立葉定律
啟迪了品質(zhì)的飛躍
溫暖的傳遞
無邊無際,
納維爾-斯托克斯方程
表述了澎湃的心濤
燃燒的激情
奔騰不息,
反應釜中知冷知熱
分離塔里經(jīng)風歷雨。
賣萌版
化工之歌
人類面臨的難題
莫過于能源、資源、環(huán)境,
老百姓過日子憂心
最不堪食品安全、空氣、水,
“三傳一反”的智慧
單元操作的能力
排憂解難
化工是排頭兵,
挑戰(zhàn)即是機遇
發(fā)展才是硬道理
國泰民安
化工人的使命,
拒絕浮躁追求卓越
攜手共創(chuàng)化工世紀。
熵焓是熱力學的重要概念,熵就是任性、隨意、自由度,喝酒不開車,開車不喝酒已是常識,深入人心。其實每個人的酒量不一樣,能喝的人,一兩杯不礙事,國外警察路查是這樣的,警察:“有沒有喝酒?”司機:“有?!本欤骸跋聛碜咧本€?!比绻緳C能用模特兒的貓步走出一條直線,警察立馬說:“可以走了?!逼鋵?,警察就是在測司機的熵值,喝暈了,搖搖晃晃轉(zhuǎn)圈子,熵高了,罰款,吊銷駕照,進局子。看官別誤解,駕車禁酒利國利民,是“普大喜奔”的英明政策,本人堅決擁護,也省下了不少酒錢。
活化能是動力學的一個重要概念,活化能的高低決定反應快慢,就像爬山一樣,山高了,爬得慢,要加快的話,就得加熱加溫加能量,山兩邊的高低決定了化學反應是吸熱還是放熱,這邊比那邊高,爬過去了,就放熱,反之這邊比那邊低,就吸熱。放熱吸熱是熱力學問題,活化能把動力學和熱力學扯在了一起。
菲克定律管傳質(zhì),傅立葉定律管傳熱,所以啟迪了品質(zhì)的飛躍和溫暖的傳遞,兩個定律都是微分方程,給個邊界條件:無邊無際。納維爾-斯托克斯方程解釋氣體和液體的流動行為,用來表述澎湃的心濤和燃燒的激情正合適,給個起始條件:奔騰不息。
反應釜中知冷知熱,分離塔里經(jīng)風歷雨,化工為人類作出了偉大的貢獻。看官有所不知,化學工業(yè)占比中國GDP 20%以上,化學工業(yè)是基礎(chǔ)工業(yè),關(guān)系到國家富強和人民幸福,化工與日常生活息息相關(guān),一睜一閉之間的梳洗打扮吃喝拉撒,哪樣離得開化工產(chǎn)品?沒有化工,這日子一天都過不下去。正是因為太實用,機會多多,過去三十年,什么掙錢最容易?化工!只要村頭有塊地,招商引資門檻低,搗鼓搗鼓出配方,管它專利不專利,管管道道鋪開來,壇壇罐罐湊個齊,取個名字要拗口,西當中來中作西,三傳一反沒關(guān)系,安全生產(chǎn)誰在意,百噸千噸萬噸級,腰包才是硬道理。競爭越來越烈,規(guī)模越來越大,裝置越來越衰,直逼一個臨界點。出來混,遲早是要還的,結(jié)果就是幾十年后今天的另一方景象,爆炸聲聲刺耳,火光熊熊灼眼,形勢告急傷心,談化變色絕情,一聲令下:關(guān),關(guān),關(guān)!搞得化工人灰頭灰臉,念行業(yè)之悠悠,憂后不見來者,空前絕后。這,本來是可以避免的。是教訓,也是新的開始。
人們常有誤解,以為化工就是化工廠,化工廠當然是化工的,但化工絕不僅僅是化工廠,凡是涉及反應與分離的,凡是用到三傳一反熱力學知識的,就是化工,比如能源,由于歷史原因,能源學科多半是從機械學科發(fā)展過來的,因為有了機械,需要驅(qū)動,需要驅(qū)動,就得有能源。能源種類繁多,目前主要能源還是煤炭、石油、天然氣、核燃料等,都涉及反應與分離,都用到三傳一反熱力學,主要還是化工的東西。又如環(huán)境,雖然作為學科,有些從土木發(fā)展過來,但歸根結(jié)底還是反應與分離,還是化工。再如材料,材料的生產(chǎn)與加工就是化工,材料作為一個學科研究材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系,是從化工發(fā)展過來的。還有煮飯炒菜,其實也是個化工過程,有反應、有分離,三傳、一反、熱力學,掌握火候,做到色香味俱佳。做不好一桌飯菜的人,搞不好化工,我算個例外。請記住,化工是工學四大祖宗學科之一,長者有長者的尊貴和風范,長者有長者的智慧和力量,化工大牛常常自喻為老母雞,老當益壯,勇于下蛋 。
有學生申研時,上網(wǎng)幾晝夜,查了化工學術(shù)界牛人張三李四王五,發(fā)現(xiàn)少有號稱“三傳一反”磚家的,也沒人做“化工一頁紙”里的科研。誤會誤會,牛人們學富五車、才高八斗,“化工一頁紙”里的那點兒基礎(chǔ)知識,早在牛人們血液里,水滿無聲。牛人們什么都敢做,什么都能做,什么材料、能源、環(huán)境、生物、納米、食品、藥物、安全,you name it,不在話下,只要涉及反應與分離,只要用到三傳一反熱力學,舍化工其誰?再說象牙塔里也不都是不食人間煙火的圣人,圣人的一半是俗人,也得養(yǎng)家糊口,藝不壓身的教授們,響應號召,開個公司,做個咨詢,情有可原。
化學工程是個系統(tǒng)工程,非常講究大視野、大格局,具有非凡的領(lǐng)導力和執(zhí)行力。人類面臨的挑戰(zhàn)有哪些?能源、資源、材料、環(huán)境、健康、食品、安全、反恐等等。挑戰(zhàn)即是機會!如能舉出一個學科跟所有這些挑戰(zhàn)都有關(guān)系,都能作出貢獻的,也只有化工,解決這些挑戰(zhàn)都涉及到反應與分離,都得用上三傳一反熱力學。從這個意義上講,二十一世紀就是個化工世紀。緊接著學術(shù)版《化工之歌》,再編了個口味更重的賣萌版《化工之歌》,也曾試著寫過一首相應的英文打油詩,實在是拿不出手,但有一句,千真萬確,化工人 deserve a cool career and a hot life。
大凡科普,多半是忽悠外行的,無非是想得到大眾對本學科本行業(yè)的認可,后繼有人,可本文作者更希望同行能讀讀,有話想說,憋著難受,靠不靠譜,也就管不了了。這篇文章是根據(jù)講稿整理而成,得到了許多前輩和同仁的鼓勵與幫助,在此一并感謝。
謹以此文,獻給所有為化工事業(yè)忍辱負重、為民富國強默默奉獻的人們(本文刊于《化工學報》2019年9期)。
關(guān)于作者
朱世平先生是加拿大皇家科學院院士,加拿大工程院院士,麥克馬斯特“杰出大學教授”。1982年畢業(yè)于浙江大學化工系,1991年獲麥克馬斯特大學博士學位,1994年起任教該?;は岛筒牧舷?,2009至2014年任化工系主任,2017年入職香港中文大學(深圳),擔任副校長 。
朱世平教授從事高分子化工研究,專長聚合反應工程,已發(fā)表論文360多篇,他引上萬,已培養(yǎng)高學位人才120多名。2011年獲加拿大化學聯(lián)合會“大分子科學與工程獎”,2016年獲加拿大化學工程學會最高獎R.S. Jane Memorial Award。
朱世平教授熱心教學與科普,最近兩年,走進國內(nèi)一百多所高校和高中,講科學、學科、科研,講化學、化工、材料、高分子,鼓勵年輕人學好理工技,貨與百姓家,走實業(yè)報國之路。
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