化學工程新的增長點之

王佳 郝鵬 馮柳旭 李智雯 王慧 王鈞慕

摘 要：隨著科學技術的發展，化學工程學科在近代科學與技術快速發展的推動下，正在經歷著急劇的變革和變化。新能源、新資源、新材料、生物技術等新興產業日新月異，有取代傳統產業的趨勢，化學工程如何面對變化的時代已成為化學工程學科必須考慮的重大問題，通過學科交叉，可以為新產業形成更好的服務，同時在服務中不斷發展本學科的理論。現在已經派生出材料化學工程、環境化學工程、資源化學工程、能源化學工程等，為化學工程學科的發展帶來了新的活力。

關鍵詞：產生與意義；工程理論；發展方向

一、材料化學工程的產生與意義

化學工程學科百年歷史經歷了形成、發展、拓展的幾個階段。第一階段是化學工程學科的形成階段，其典型特征是以單元操作為核心內容。隨著對這些單元過程的共性規律的進一步研究，人們在更高層次上對化工過程的本質進行探討與研究，化學工程學科也隨之派生出新的二級學科，如化工熱力學、傳質與分離、化學反應工程、化工系統工程等，化學工程的發展進入了第二個階段。這兩個階段的發展，其推動力主要來自傳統的化學工業、石油化工和煤化工。

另一方面，過程工業是我國工業的重要組成部分，過程工業的發展對加快我國工業化進程、解決我國長期供給短缺的問題發揮了關鍵的作用。過程工業對資源、能源的過度消耗和環境的污染已經成為制約我國可持續發展的瓶頸所在。因此，有效解決我國過程工業對資源、能源的過度消耗和環境污染的瓶頸問題，是國家中長期科學和技術發展規劃的要求。

首先，材料工業是資源、能源消耗和環境污染的大戶，這一現實導致不可再生的礦石資源消耗極大。用化學工程技術對材料生產過程進行流程和生態產業鏈優化設計和綜合研究，發展基礎原材料的綠色制備技術，無疑是緩解我國過程工業的資源、能源、環境瓶頸問題的重要途徑之一，必將為國家中長期科學和技術發展規劃中制定的“到2020年主要工業產品單位能耗指標達到或接近世界先進水平”的目標作出貢獻。

其次，化學工程技術水平的提高需要新材料的支撐。材料加工需要化學工程，而化學工程自身的發展也離不開新材料的支撐。化學工程領域的核心技術是分離與反應及過程裝備技術，新材料在其中發揮著關鍵的作用。以新材料如膜材料、新型吸附材料等為基礎發展起來的新型分離技術，如膜分離、吸附分離等，在分離過程中一般不產生相的變化，因此具有節約能源的特征，發展十分迅速，成為分離領域的主要發展方向；以新型催化材料為基礎的反應技術正在改變著化工與石油化工的面貌，如分子篩催化劑、茂金屬催化劑、非晶態合金等。可見，依托新材料發展分離與反應過程是提高我國過程工業技術水平的必由之路，也是化學工程學科發展的必然趨勢。

二、 基于化學工程理論與方法的材料制備技術

化學工程的理論與方法已經成為基礎原材料綠色制備的重要支撐，循環經濟發展方式要求最大限度地將廢棄物轉化為商品，降低廢棄物的產生量和排放量，化學工程的系統分析與優化的方法在其中發揮著重要的作用。以系統優化理論為基礎，從流程整體優化的高度出發，可以達到使物質獲得率最大化、能源效率最佳化和制造過程時間最小化的綜合效果，而不是簡單地從單元工序、單個裝備改造出發再簡單相加。在此基礎上組成若干區域性的兼顧社會整體節能、降低社會環境負荷、協同優化的鋼鐵生產體系具有重要價值，比如，國民經濟的持續發展對水泥的需求量仍將有大幅度的增長，據預測，到2010年我國水泥的年需求量將達12億噸以上，水泥生產年耗電975億千瓦時、煤11700萬噸、石灰石8.3億噸，排放C02 6.6億噸、s02和NO等有害氣體270萬噸，數量擴張型的水泥工業發展模式將使我國能源、資源和環境不堪重負，水泥工業同樣需要按照循環經濟的理念來發展。

三、材料化學工程的科學問題

材料化學工程學科的核心在于研究材料結構、性能（應用）與制備（生產）之間的關系，其關鍵的科學問題是：材料結構與功能的關系，材料結構與制備的關系以及應用過程中的結構演變。盡管化學工程理論與方法是實現材料制備從經驗為主向定量控制轉變的有效手段，但由于材料制備過程不同于傳統的化工過程（傳統的化學工程通常將過程系統處理為均相或幾個均相加上相際傳遞），這一領域的發展面臨許多新問題。最為典型的是，復雜材料一般具有介觀層次的微相結構，而傳統的化學工程理論主要建立在宏觀和微觀兩個層面上，即以傳遞理論為主的宏觀分析方法和分子水平上的微觀分析方法，發展介觀層次下的化學工程理論與方法將成為材料化學工程今后研究的熱點問題。材料在宏觀系統中的行為（功能）與材料的微結構關系是過程與材料優化設計的基礎。盡管對于材料微結構中的傳遞與反應過程研究已取得了一定進展，但這一領域的研究尚有很多問題沒有得到很好的解決，如：通過材料微結構傳遞和反應的物質與材料的相互作用規律，以及這種作用規律與宏觀環境的變化關系；分子模擬技術如何與實際過程的耦合；介觀尺度范圍內的傳遞理論等，均需要進行深入的研究。

四、材料化學工程的發展方向

材料化學工程領域的發展，不但促進了材料工業的進步，也為化學工程學科的發展開辟了新方向，但材料化學工程作為一個的新交叉學科需進一步凝煉科學問題，奠定其學科發展的理論基礎。未來需進一步加強對材料設計與制備領域關鍵科學問題的研究，通過分子模擬、實驗測試和理論分析的綜合研究，在分子與介觀尺度范圍揭示材料微結構、性能與制備的關系，構建面向應用過程的材料微結構設計和材料生產流程模擬的方法與技術平臺，夯實材料化學工程發展的理論基礎；在應用技術方面形成具有自主知識產權的成果，服務于國民經濟建設，緩解我國過程工業面臨的資源、能源與環境的瓶頸壓力，為人類和諧社會的發展做出貢獻。

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