21世紀化學工程發展面臨的挑戰措施

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摘要：本文論述了化學工程發展過程及發展過程中面臨的挑戰，我國經濟水平的穩步提升，促進了化學工業生產技術的多樣化發展。當前，我國大部分化工企業面臨著兩大挑戰，一是環境的可持續發展對化學工程的嚴峻要求，二是化學工程面臨的科技創新的挑戰。

關鍵詞：化學工程；可持續發展；科技創新；挑戰

化學工程是研究化學工業及其相關產業生產過程中所進行的化學過程、物理過程及其所用設備的設計與操作和優化的共同規律的一門工程學科。化學工程領域涉及工藝開發、產品研制、過程設計、裝備強化、系統模擬、環境保護、生產管理、操作控制等內容。該領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、環境化工、材料化工等行業。在社會發展與國民經濟建設中，化學工程領域具有重要作用，且化學工程與信息、材料、生物、能源、資源、航天、海洋等高新技術領域相互滲透，共同推動高新科技的發展。

1我國化學工程的發展歷程

化學工程在發展的過程中經歷了三個階段。第一個發展階段稱為“單元操作”[1]，該階段的化學工程是一門共性化學工程學科，以各工業種類所需的單元設備或操作的共性規律為基礎；第二個發展階段稱為“傳遞原理和反應工程”[2]，該階段總結出了不同的單元設備和操作中的共性現象———流動、傳熱、傳遞和反應，即“三傳一反”，第二階段是在第一階段基礎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科學技術發展的新成果，強化了解決工業問題的能力，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領域中的應用，第二階段“三傳一反”的相關研究引領了化學工程近半個世紀的發展。伴隨社會經濟的持續發展和工業技術的高速發展，化學工程的需求也在快速增長，特別是資源、能源利用與環境破壞問題的挑戰，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有理論與方法已經愈發無法滿足當前工業工程應用與發展的需求；另一方面，一些高新技術的發展如納米科學、生命科學技術等也為化學工程未來深層次的發展創造了新的機遇。在此狀況下，化工界關于化學工程新的發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，并在探索多尺度轉變規律過程中不斷發展與更新(汪家鼎)[4]。復雜性科學的進步將有力推動化學工程的發展。為了滿足社會經濟發展對化學工程的需要，我們首先應當關注化學工程當前面臨的挑戰是什么?然后面對這些挑戰怎樣將其轉變為機遇。

2化工發展中面臨的挑戰

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

2.1化學工程與環境的可持續發展

近二三百年來，隨著工業的飛速發展，資源的急劇消耗，環境也日趨惡化，在人口、資源、環境與社會經濟的發展上，出現了一系列矛盾。人類面臨著資源短缺、生存環境質量下降等現象，迫使人們在改造自然的同時要進行深刻的反思。人們不得不面對現實，努力建立與自然新型合作關系，走可持續發展道路，建立和諧的社會經濟發展的大環境。我國政府也制定了可持續發展戰略，采取了積極的措施來促進經濟的全面發展和生態環境的平衡。而化學工程是對環境中的各種資源進行化學處理和加工的生產過程，該生產過程產生的廢棄物部分有害、有毒，進入環境會造成污染。并且有的化工產品在使用過程中也會造成對環境的污染。因此化學工業對環境影響巨大，所以實施可持續發展對化工生產尤為重要。化學工程領域要積極探索新的方法減少化工生產過程中或產品對環境的危害。這是化學工程今年來面臨的一大挑戰。目前我國環境保護問題面臨著嚴峻挑戰，同時資源、能源的高效清潔利用問題也面臨著突出挑戰，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不可再生能源向生物質能等新興可再生能源進行實質性的擴展。新興可再生能源應當具有環保性、成本低和宜于大規模利用等優點。隨著環境保護、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化學工程與科技創新

傳統的化學工程對于“三傳一反”的研究難以突破常規化工過程的量化放大和調控這一瓶頸問題，更需面對高新技術，尤其是生物技術、納米技術和材料科學發展過程中遇到的新問題，因此其時空內涵和范圍必須深化和擴展。化學工程需要解決的大多數難題都具有多尺度結構特征，空間上跨越從原子、分子到設備、系統，甚至自然生態的尺度，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系，因此認識不同層次結構與宏觀性能的關系十分困難，這是解決很多化學工程問題的瓶頸。我國目前的可持續發展戰略要求對化工產品進行全生命周期的設計，從產品研發開始就必須提前考慮以后整個周期中可能產生的生態環境效應和如何回收資源，這就需要大大擴展化學工程研究的時空范圍。化學工程必須樹立復雜性的觀念，進入復雜性科學[6]。由于當今很多新興領域在持續高速發展，而目前的化學工程理論與技術并不能滿足這些領域發展對于化工技術的需求，因此很多化工行業的企業在市場需求和經濟利益的推動下，采用了高能耗、高污染、高排放的生產模式。但如果長期忽視了化學工程相關知識的擴展和應用，忽視了化學工程學科自身的發展，長此以往，化學工程會失去發展的機遇，甚至可能在學科交叉與融合的進程中落伍。

3結論

我國化學工業正面臨許多挑戰，并且也會伴隨有機遇，化學工業發展所帶來的科技創新和對環境的友好型發展的步伐也將有較大進展。面對高新技術的發展、可持續發展戰略的趨勢，應認清形勢，明確任務，調整發展戰略，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