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化工人都该看看这首《化工之歌》,听院士聊聊化工那些事

Sep 20, 2019 10:39:08 AM

作者 | 朱世平

编辑 | Yuki

来源 | 我是科学家iScientist

 
在你的印象中,化学工程师们每天都在忙些什么呢?他们是会挣钱的化学家,还是懂一点儿化学的机械工程师?他们是麻烦制造者,还是问题解决者?今天,一位多年从事化工领域研究的科学家——朱世平教授,给大家分享他眼中的化学工程,聊聊化工人的那些事儿。
 

化学工程师是何方神圣?有人说是一群会挣钱的化学家,也有人说是一众懂一点儿化学的机械工程师,有人说是一帮麻烦制造者,也有人说是一伙问题解决者,这些说法都有点儿道理,但都不全面。

工程师的基本训练是解决问题,不是制造问题,工程的四大支柱学科是机械、电机、土木和化工,也就是人们常说的机电土化,许许多多工程学科都是由此四个学祖科宗通过交叉衍生出来的,可谓儿孙满堂。那么化学工程(简称化工)有什么特殊的地方呢?化工是化学与机械结合的产物,学科交叉的结果。化学是理科(science),化工是工科(engineering),理是发现(science is to discover),工是创新(engineering is to innovate)。


化学工程是一门注重创新的学科 | pexels

化学和机械的结合是“1+1>2”的有机结合,发展出了化工,化工需要化学和数理作基础,搞化工的人必须掌握化学的基础知识,包括所谓的“四大化学”:有机化学、无机化学、物理化学、和分析化学,其程度不一定有专业化学家那么深,但同时对数理基础知识要求比较高。化工跟化学的关系就是工跟理的关系,化学侧重基础,化工侧重应用,没有化学的化工是无源之水无本之木,没有化工的化学是坐而论道纸上谈兵,化学化工相通才能情高致远,才有一泻千里之畅快淋漓。

什么是化工?化工是什么?化工人会自豪地脱口而出:“三传一反”!化工人对“三传一反”有一份托付终生情感。那什么是“三传一反”呢?是质量传递、热量传递、动量传递(动量传递也叫流体力学)和反应工程。“三传一反”是化工的主要基础知识。

那能不能用一句简单明了谁都能听得懂的话来定义化工呢?本人认为比较恰当的“化工一句话”是:化工是有关材料与化学品生产与加工的学科,强调安全、可持续地盈利,需要利用计算机作设计、优化和控制(Chemical engineering is about production and processing of materials and chemicals in safe, sustainable and profitable ways, through design, optimization and control)。

化工的两大基石是:反应与分离。分离比反应更花钱,大约三分之二在分离,三分之一在反应,比如炼油,就是把原油通过裂化(反应)和精馏(分离)手段分级成汽油、煤油、柴油和重油。


石油化工与我们的衣食住行息息相关 | pixabay

反应与分离各有三个基本问题:多远?多快?怎么搞?

在反应领域,首要问题是:反应有没有可能?能走多远?也就是,原料转化成产物能有多彻底?这方面的知识是从一门叫热力学的课程里学到的,热力学是门非常有趣的课,许多哲学思想,比如热力学第一定律,能量可以从一种形式转变到另一种形式,但数量不变,一度电和一度热的能量相等。又比如热力学第二定律,虽然数量一样, 质量可不一样,一度电比一度热金贵,因为一度电很容易变成一度热,而一度热变回一度电就麻烦了。再比如,最低温度是多少?绝对零度,0开氏度(K),即零下273.15摄氏度,一切都静止了。热力学还有个特点,就是不关心时间,热力学里没有时间概念,不在乎快慢 。


现代化的化工厂 | pixabay

化学反应有多快?这个问题需要动力学来解答,动力学就是关于速率的一门课,单位时间单位体积里能出多少产品?请记住,不是越快越好,太快了也会造成麻烦,比如爆炸,关键是可控,要多快就多快,要多慢就多慢,安全生产才是硬道理。

催化是有关动力学的一门课,催化就是加快或减慢化学反应,催化改变不了热力学,但能改变动力学,可别小看催化,许多革命性的变化就是催化带来的,比如,用乙烯做聚乙烯,上世纪三十年代就做出来了,可是需要高温高压苛刻条件,很不容易,直到五十年代,齐格勒和纳塔发现了四氯化钛和三乙基铝能在常温常压下催化乙烯聚合,还能制备聚丙烯,由此带来了高分子材料工业革命。

解决了“多远”和“多快”,就剩“怎么搞”了。也就是反应器工程,反应器的类型很多,坛坛罐罐,管管道道,立式、卧式,间隙、连续、半连续,模样琳琅满目,但几个基本东西还是一样都要考虑的,停留时间分布,搅拌,加热冷却,结垢等等。还有令人头疼的放大问题,别以为实验室烧瓶里做出来的东西都能大规模工业生产,都能营救全人类,放大是一门很有讲究的科学,因为太复杂,有时理论不太顶用,得靠经验一步一步地放大,这过程耗钱耗力又耗时,希望近些年如火如荼的人工智能理论对化工放大有所帮助,机器学习,工艺学习,结合工业大数据,艺高人胆大,绕过一些中试。


将实验室中用烧杯完成的实验放大到工业生产,是一门很有讲究的科学 | pixabay

反应与分离是化工的两大基石,和反应一样,分离也是这三个基本问题:多远?多快?怎么搞?反应产物是个混合物,里面有产品、副产品、和没有转化掉的原料,要分离,要提纯,混合物中的各组分容不容易分离也是热力学决定的,有些组分不喜欢混在一起,很容易分离,如油和水,也有些组分特别喜欢混在一起,如酒精和水,热力学决定了组分能分得多开。至于分得多快,就是传递过程了,传质、传热、流体力学,也就是令化工人十二分自豪的“三传”。传质的快慢跟浓度梯度成正比,叫菲克定律。传热的快慢跟温度梯度成正比,叫傅立叶定律。描述流体力学行为的是纳维尔-斯托克斯方程,一个非常牛的方程,飞机在天空中飞行、轮船在大海里航行,都得靠它 。


纳维尔-斯托克斯方程是描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程 | pixabay

分离的最后一个问题也是“怎么搞”,需要单元操作,化工人的拿手好戏,最著名的单元操作要数蒸馏,利用各组分的挥发度不同,把轻组分汽化、分开、再冷凝,原油就是靠一次次蒸馏制成各种油类的,多次蒸馏也叫精馏,烧酒也靠蒸馏提高酒精度。除了蒸馏外,还有萃取、吸附、吸收、结晶、过滤、沉淀、膜分离等等单元操作 。需要提一句的是,分离和混合基本原理是相同的,理论是共享的,只是方向相反而已。

以上这些内容可以总结成“化工一页纸”:


不得不承认,这化工一页纸是极其简单粗暴的,比如:反应器里的三传,太重要啦,怎么没关心呢?由于怕被拍砖,这些自娱自乐文字十几年未敢示人。

众所周知,写“什么之歌”是件找抽的事。为了化工,咱就豁出去了,打油一首学术版《化工之歌》:

 化工之歌 (学术版)

熵焓指明了方向,

发展要平衡可持续;

活化能催化出速率,

做事要张弛有度讲究效益;

菲克、傅立叶定律,

启迪了品质的飞跃,

温暖的传递,无边无际;

纳维尔—斯托克斯方程,

表述了澎湃的心涛,

燃烧的激情,奔腾不息;

反应釜中知冷知热,

分离塔里经风历雨。

熵焓是热力学的重要概念,熵就是任性、随意、自由度。“喝酒不开车,开车不喝酒”已是常识,深入人心。其实每个人的酒量不一样,能喝的人,一两杯不碍事,国外警察路查会让司机下车沿直线行走,如果司机能用模特儿的猫步走出一条直线,警察立马说:可以走了。其实,警察就是在测司机的熵值,喝晕了,摇摇晃晃转圈子,说明熵高了,就要罚款,吊销驾照,进局子。

活化能是动力学的一个重要概念,活化能的高低决定反应快慢,就像爬山一样,山高了,爬得慢,要加快的话,就得加热加温加能量,山两边的高低决定了化学反应是吸热还是放热,这边比那边高,爬过去了,就放热,反之这边比那边低,就吸热。放热吸热是热力学问题,活化能把动力学和热力学扯在了一起。


菲克定律管传质,傅立叶定律管传热,所以启迪了品质(质)的飞跃和温暖(热)的传递,两个定律都是微分方程,给个边界条件:无边无际。纳维尔—斯托克斯方程解释液体和气体的流动行为,用来表达澎湃的心涛(液)和燃烧的激情(气)正合适,给个起始条件:奔腾不息。

反应釜中知冷知热,分离塔里经风历雨,化工为人类作出了伟大的贡献。大家有所不知,化学工业占比中国GDP 20%以上,化学工业是基础工业,关系到国家富强和人民幸福,化工与日常生活息息相关,一睁一闭之间的梳洗打扮吃喝拉撒,哪样离得开化工产品?没有化工,这日子一天都过不下去。


化学工业是与国民生活息息相关的基础工业 | pixabay

正是因为太实用,机会多多,过去三十年,什么挣钱最容易?化工!招商引资门槛低,安全生产没在意。竞争越来越烈,规模越来越大,装置越来越衰,直逼一个临界点。出来混,迟早是要还的,结果是今天的另一方景象,爆炸声声,火光熊熊,形势告急,谈化变色,一声令下:关,关,关!念,行业之悠悠,忧,后不见来者。


2019年3月21日位于盐城的一家化工厂发生爆炸,图为灭火后的现场出现巨坑 | 澎湃新闻

这,本来是可以避免的!靠混,混得了今天,混不了明天,混得了一时,混不了一世。是血的教训,也是新的开始。切记:遵规致富过三代,违章谋利毁一生。

人们常有误解,以为化工就是化工厂,化工厂当然是化工的,但化工绝不仅仅是化工厂,凡是涉及反应与分离的,凡是用到三传一反热力学知识的,就是化工。

比如能源,由于历史原因,能源学科多半是从机械学科发展过来的,因为有了机械,需要驱动,需要驱动,就得有能源。能源种类繁多,目前主要能源还是煤炭、石油、天然气、核燃料等,还有眼下如火如荼的电池和制氢,都涉及反应与分离,都用到三传一反热力学,主要还是化工的东西。

又如环境,虽然作为学科,有些从土木发展过来,但归根结底还是反应与分离,还是化工。

再如材料,材料的生产与加工就是化工,金属冶炼、无机制备、有机合成、高分子聚合的工业过程都是典型的化工过程,材料作为一个学科研究材料结构与性能关系,就是从化工发展过来的。

还有煮饭炒菜,其实也是个化工过程,有反应、有分离,三传、一反、热力学,掌握火候,做到色香味俱佳 。更不用提油盐酱醋茶,杯中物,以及心诚则灵的保健品了,哪样不是靠化工弄出来的?化工大牛常常自喻为老母鸡,老当益壮,勇于下蛋 。


材料的生产与加工也是化工 | pixabay

化学工程是个系统工程,非常讲究大视野、大格局,具有非凡的领导力和执行力。人类面临的挑战有哪些?能源、资源、材料、环境、健康、食品、安全、反恐等等 。挑战即是机会!如能举出一个学科跟所有这些挑战都有关系,都能作出贡献的,也只有化工,解决这些挑战都涉及到反应与分离,都得用上三传一反热力学。从这个意义上讲,二十一世纪就是个化工世纪,请看这首卖萌版的《化工之歌》:


化工之歌 (卖萌版)

人类面临的难题,

莫过于能源、资源、环境;

老百姓过日子忧心,

最不堪食品安全、空气、水;

“三传一反”的智慧,

单元操作的能力,

排忧解难,化工是排头兵;

挑战既是机遇,发展才是硬道理,

国泰民安,化工人的使命;

拒绝浮躁追求卓越,

携手共创化工世纪。

这篇文章是根据讲稿整理而成(原稿刊于《化工学报》2019年第9期),得到了许多前辈和同仁的鼓励与帮助,在此一并感谢。并谨以此文,献给所有为化工事业忍辱负重、为民富国强默默奉献的人们。

本文作者朱世平,首发于我是科学家iScientist,每天 7 点 30分准时带来科学家的科普,欢迎关注。



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