導(dǎo)語：化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

【摘要】:綜觀化學(xué)工程學(xué)科的演化和發(fā)展,認(rèn)為這是一個(gè)辯證綜合的歷程,而且不論是學(xué)科的"分化"還是"融合",都體現(xiàn)出系統(tǒng)和諧的規(guī)律和性質(zhì),綜合基礎(chǔ)上的分化與分化基礎(chǔ)上的綜合既是化學(xué)工程!學(xué)科發(fā)展的基本趨勢和規(guī)律,也是學(xué)科建設(shè)和課程改革的基本依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】:化學(xué)工程;系統(tǒng);和諧;辯證法

自然界中的和諧系統(tǒng)比比皆是,大至宇宙,小到原子;地球生態(tài)系統(tǒng)是和諧的,動(dòng)植物群落是和諧的,人類社會(huì)體系是和諧的,健康的人體更是一個(gè)絕妙的和諧體。所有這些和諧系統(tǒng)遵循著同樣的辯證綜合的規(guī)律,具體可以歸納出三條:1.統(tǒng)一律;2.層次律;3.進(jìn)化律;所有和諧系統(tǒng)具有同樣的性質(zhì):1.開放性;2.自組織性;3.非線性;4.無限發(fā)展性[1]。當(dāng)愛因斯坦把大半生致力于統(tǒng)一場論時(shí),其哲學(xué)上的需要相對(duì)物理學(xué)上而言或許要來得大,面對(duì)物理學(xué)的系統(tǒng)和諧,理論規(guī)則的分立是不能令他覺得滿意的。而化學(xué)工程的發(fā)展是不是因循同樣的哲學(xué)歷程呢?

在化學(xué)工程作為學(xué)科開始被重視之前,化學(xué)工業(yè)已具有了相當(dāng)?shù)囊?guī)模,各種具體的工程與工藝都被獨(dú)立開來,在認(rèn)識(shí)上是被分為各門特殊的知識(shí),因此,當(dāng)國外高等院校在十九世紀(jì)末開始設(shè)置"化學(xué)工程學(xué)"時(shí),開設(shè)的課程大多是學(xué)習(xí)當(dāng)時(shí)化學(xué)工業(yè)的各種工藝學(xué),"化學(xué)工程"的概念在當(dāng)時(shí)還是相當(dāng)模糊的,在理論上充其量是化學(xué)與機(jī)械的一種混合(amalgam)。然而這種理論混合的模式在德國人看來卻是很正統(tǒng)的,即使在今天,他們也避免專論"化學(xué)工程",而是稱之為"過程工程"(ProcessEngineering),這一名稱實(shí)際上要比"化學(xué)工程"的范疇更廣,甚至更為準(zhǔn)確,凡是涉及一定流程與工藝的領(lǐng)域都是適用的。但我們習(xí)慣上還是沿用"化學(xué)工程"的名稱。

二十世紀(jì)開始,化學(xué)工業(yè)迅猛發(fā)展,在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中占的比重越來越大,客觀上需要化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展和支持。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展,人們對(duì)事物運(yùn)動(dòng)規(guī)律性的認(rèn)識(shí)也愈來愈深化,愈來愈有概括性。伴隨著其他領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步,人們逐漸認(rèn)識(shí)到化學(xué)工業(yè)中各門看似不相干的工程和工藝中存在著共同的物理特性。1901年,美G.E.的Davis《化學(xué)工程手冊(cè)》的發(fā)表,初步提出了"化工物理過程"的原理。1900年始,以合成氨、純堿、燃料等為代表的近代化工廠出現(xiàn),如1913年,德哈勃-博施法高壓合成氨技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,星火燎原的,化學(xué)工業(yè)呈現(xiàn)出巨大的發(fā)展前景。到了二十年代,美MIT的一些學(xué)者提出:不管化工生產(chǎn)的工藝如何千差萬別,它們?cè)诒姸嗟牡湫驮O(shè)備中進(jìn)行著原理相同的物理過程。1920年,美MIT成立了第一個(gè)嚴(yán)格意義上的化工系,時(shí)W.K.Lewis任系主任。1922年美國化工學(xué)會(huì)認(rèn)同了新的見解,引出了"單元操作"(UnitOperation)的概念,這一概念在蘇聯(lián)時(shí)期和我國則廣泛稱為"化工原理"。

1900年始的"分離工程"研究使"單元操作"的概念日趨成熟。被稱為單元操作的過程主要有流體流動(dòng)、傳熱、干燥、吸收、蒸發(fā)、萃取、結(jié)晶和過濾等,以這些單元操作作為研究和學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容,是化學(xué)工程學(xué)科在二十世紀(jì)前半期發(fā)展的核心,其理論迅速成為發(fā)展化學(xué)工業(yè)的重要基石。這種把千變?nèi)f化、千差萬別的過程和工藝概括成"單元操作"是生產(chǎn)力發(fā)展到一定水平的反映,是化學(xué)工程學(xué)從"個(gè)性"到"共性"的第一個(gè)哲學(xué)性概括,是在一個(gè)系統(tǒng)整體性把握的高度上建立了一門技術(shù)科學(xué),體現(xiàn)了系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的和諧統(tǒng)一規(guī)律。

隨著"單元操作"概念的確定,另一方面,化學(xué)工程學(xué)科中重要支柱之一的"反應(yīng)工程"亦逐漸浮出水面。從最初的德Winkler流化床煤氣化爐的應(yīng)用到德Bergim-Pier三相液化床煤液化工藝的開發(fā),又到1931年丁納橡膠和氯丁橡膠的投產(chǎn),化學(xué)工業(yè)上發(fā)展的高峰持續(xù)不絕,1940年美國FCC煉油開發(fā)成功,成為石油化工的起點(diǎn)。直到1957年,歐洲第一屆反應(yīng)工程會(huì)議,明確提出"反應(yīng)工程"的概念,成為化學(xué)工程學(xué)科的重要組成部分,是化學(xué)工程學(xué)的進(jìn)一步和諧統(tǒng)一。"反應(yīng)工程"的建立,乃至今日仍備受困擾的"過程放大效應(yīng)"問題,及從"逐級(jí)放大"到"數(shù)模放大"的研究都帶動(dòng)了"化工過程系統(tǒng)工程"的發(fā)展,并共同體現(xiàn)了系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的和諧層次律。

就在"反應(yīng)工程"發(fā)展的同時(shí),"單元操作"得到了更加深刻的認(rèn)識(shí),人們發(fā)現(xiàn)各單元操作之間存在著更為普遍的原理,"過濾只是流體傳動(dòng)的一個(gè)特例;蒸發(fā)不過是傳熱的一種形式;吸收和萃取都包含著質(zhì)量的傳遞;干燥與蒸餾則是傳熱加傳質(zhì)的操作……"[2]于是單元操作可以看成是傳熱、傳質(zhì)及流體動(dòng)量傳遞的特殊情況或特定的組合。這種認(rèn)識(shí)的深化過程并沒有停止,人們進(jìn)一步又發(fā)現(xiàn)了動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞之間的類似性。于是從二十世紀(jì)50年代開始,人們綜合了以往的成果,開始用統(tǒng)一的觀點(diǎn)來研究三種傳遞過程。1960年,美威斯康辛大學(xué)(Univ.Wiscosin)的R.B.Bird教授出版了《TransportPhenomena》一書,系統(tǒng)地采用統(tǒng)一的方法來處理三種傳遞現(xiàn)象,從此化學(xué)工程學(xué)科的核心過渡到了"三傳一反"的系統(tǒng)性概念。"三傳"的研究是系統(tǒng)科學(xué)和諧進(jìn)化律的又一體現(xiàn),使化學(xué)工程學(xué)達(dá)到了一個(gè)新的整體性高度,這種高度的和諧統(tǒng)一是對(duì)客觀世界本質(zhì)性的認(rèn)識(shí),并在學(xué)科上反映出了系統(tǒng)科學(xué)的基本原理和性質(zhì),其影響力是普遍性的,是跨學(xué)科的,不僅使"傳遞原理"成為化學(xué)工程學(xué)的重要基礎(chǔ),同時(shí)在生物工程、機(jī)械、航天和土木建筑等工程學(xué)科上也具有重要意義,并日益成為工程專業(yè)共有的一門技術(shù)基礎(chǔ)課,只是側(cè)重點(diǎn)有所差異而已。

至此化學(xué)工程學(xué)科自身經(jīng)歷了一系列的演化和發(fā)展,并在短短的一個(gè)世紀(jì)中達(dá)到了一個(gè)前所未有的高度,涵括了眾多的生產(chǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域,如醫(yī)藥、化肥、能源、材料、航天、冶金、日用化學(xué)品等,每年為社會(huì)提供數(shù)以億噸計(jì)的千百萬種產(chǎn)品,是人們衣、食、住、行須臾不可離開的物質(zhì)基礎(chǔ),為社會(huì)繁榮作出了巨大貢獻(xiàn)。然而事物總是一分為二的,從人類發(fā)展最為激動(dòng)人心的口號(hào)"征服自然"到今天龐大的工業(yè)化進(jìn)程,地球自然生態(tài)系統(tǒng)遭遇了前所未有的嚴(yán)峻局面,這之中,化學(xué)工業(yè)是造成大規(guī)模環(huán)境污染及惡性重復(fù)污染的主要過程之一,化學(xué)工程學(xué)科需要肩負(fù)起新的使命。1990年,"生態(tài)化工"(Eco-ChemicalEngineering)的概念提出來了,相應(yīng)在化工生產(chǎn)和過程工藝中提出了"清潔化工"和"綠色化工"的概念,因時(shí)應(yīng)勢,化學(xué)工程學(xué)開始了系統(tǒng)科學(xué)的自組織過程,這也是和諧系統(tǒng)對(duì)立統(tǒng)一發(fā)展的需要。在系統(tǒng)科學(xué)看來,自組織是和諧系統(tǒng)的基本性質(zhì)之一,只有自組織系統(tǒng)能通過外部和自身內(nèi)部的不斷協(xié)調(diào)、整合,在適應(yīng)環(huán)境的同時(shí)保持自己的特性并產(chǎn)生新的功能。從自發(fā)到自覺地,化學(xué)工程學(xué)吸收了自組織的理論,不斷在廣度和深度上充實(shí)、完善和發(fā)展。隨著新世紀(jì)的到來,世界正發(fā)生著全球性的變化,經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境和技術(shù)等領(lǐng)域都面臨著新范疇新理念的變更和沖擊[3]。化學(xué)工程學(xué)科需要因應(yīng)時(shí)展而改變傳統(tǒng)的限制,不斷有新的概念提出來,如化學(xué)工程應(yīng)是伺機(jī)而待的專業(yè)(aprofessioninwaiting);化學(xué)工程師必須"besteepedintechnology",能夠創(chuàng)新、開發(fā)、變換、調(diào)控和適應(yīng)取代;化學(xué)工程學(xué)科要從"ProcessEngineering"達(dá)到"ProductEngineering"再到"FormulationEngineering"。進(jìn)一步的綜合認(rèn)為,化學(xué)工程學(xué)關(guān)注著同時(shí)發(fā)生在非常廣泛的時(shí)空跨度內(nèi)的現(xiàn)象,必須具備多尺度、多目標(biāo)的方法來達(dá)到過程的總體優(yōu)化。涵括了五個(gè)方面[4,5]:

①Nanoscale(納觀尺度):研究量子化學(xué)、分子過程與分子模擬等。

②Microscale(微觀尺度):研究微粒、氣泡、液滴、控制界面膠束和微流力學(xué)規(guī)律等。

③Mesoscale(介觀尺度):研究換熱設(shè)備、反應(yīng)設(shè)備、塔器以及傳統(tǒng)的"單元操作"和"三傳一反"等。

④Macroscale(宏觀尺度):研究生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)過程等。

⑤Megascale(兆觀尺度):研究環(huán)境過程和大氣生態(tài)過程等。

于是化學(xué)工程學(xué)的核心轉(zhuǎn)變到了"多尺度、多目標(biāo)擇優(yōu)"的概念,化學(xué)工程學(xué)科又到達(dá)一個(gè)新的和諧統(tǒng)一的高度,進(jìn)入了更高層次的系統(tǒng)工程領(lǐng)域。

新的發(fā)展的深度促使化學(xué)工程學(xué)科作出了一定尺度的"分化",然而這還遠(yuǎn)未結(jié)束,人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)還在不斷探索不斷深入,一個(gè)更深刻更普遍也更一般的問題已經(jīng)觸到了化學(xué)工程學(xué)科的神經(jīng),觸到了化學(xué)工程學(xué)的認(rèn)識(shí)本質(zhì),并促使化學(xué)工程學(xué)需要有新的"融合"。這一問題就是"非線性及其包涵的混沌原理",相對(duì)于"線性"是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的基本工具,"非線性"則是客觀世界的本質(zhì)特征,是"線性"反映的目的,是從科學(xué)角度看待世界的一種和諧統(tǒng)一;而在對(duì)"混沌發(fā)展"的研究表明,"混沌運(yùn)動(dòng)的普遍存在,揭示了自然界中實(shí)際系統(tǒng)發(fā)展演化的新行為,混沌態(tài)的自相似性使這種時(shí)間演化表現(xiàn)為一種空間結(jié)構(gòu),而且以其不同空間尺度上的相似性,揭示了系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性。這種統(tǒng)一性是一個(gè)觀察"整體"的問題,只有在長時(shí)間范圍(因?yàn)榛煦邕\(yùn)動(dòng)是一種長時(shí)間行為)和更高層次復(fù)雜性中才能顯現(xiàn)出來。"[6,7]這一問題涵蓋了自然科學(xué)和人文社會(huì)科學(xué)的眾多領(lǐng)域,具有重大的科學(xué)價(jià)值和深刻的哲學(xué)方法論意義。馬克思曾經(jīng)預(yù)言:"自然科學(xué)往后將會(huì)把關(guān)于人類的科學(xué)總括在自己下面,正如關(guān)于人類的科學(xué)把自然科學(xué)總括在自己下面一樣:它們將成為一個(gè)科學(xué)。"從這一角度上,"非線性"問題是這種過程一體化的契合點(diǎn)以及整體認(rèn)識(shí)論上的共性[8]。當(dāng)站在這種整體性的高度上,化學(xué)工程學(xué)科獲得了全新的視野和更強(qiáng)大的分析解決問題的能力,并最終具有了學(xué)科融合的基礎(chǔ)。

在整個(gè)化學(xué)工程學(xué)科的孕育、誕生和發(fā)展過程中,始終交織著學(xué)科的"分化"與"融合",除了上述尺度(scale)上的分化以外還有著所謂的石油化工、精細(xì)化工、高分子化工等專業(yè)上的分化;另一方面,作為近代工程技術(shù),它又是自然科學(xué)(化學(xué)、物理等)和技術(shù)科學(xué)(機(jī)械、材料等)的融合。正如物理學(xué)家普朗克(Planck)所指出的:"科學(xué)是內(nèi)在的整體,它被分解為單獨(dú)的部分不是取決于事物的本身,而是取決于人類認(rèn)識(shí)能力的局限性,實(shí)際上存在著從物理到化學(xué),通過生物學(xué)和人類學(xué)到社會(huì)學(xué)的連續(xù)的鏈條,這是任何一處都不能被打斷的鏈條。"事實(shí)上,當(dāng)化學(xué)工程學(xué)科的核心發(fā)展到"非線性混沌系統(tǒng)"時(shí),實(shí)現(xiàn)科學(xué)的融合已是其客觀系統(tǒng)性的需要,它需要強(qiáng)有力的非線性解算能力和綜合分析能力。基于人工智能和神經(jīng)生物學(xué)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetworks)技術(shù)為這種系統(tǒng)性的融合提供了新的思路和途徑。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特有的信息處理能力在愈來愈多的領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景,它具有如下特點(diǎn)[9,10]:

①學(xué)習(xí):神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)外界環(huán)境修改自身行為,這使它比其他任何方法接受自身感興趣的外界信息更敏感。

②概括:經(jīng)過學(xué)習(xí)訓(xùn)練后,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)在某種程度上能夠?qū)ν饨缧畔⒌纳倭縼G失或自身組織的局部缺損不再很敏感,反映了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的健壯性(魯棒性),即工程上說的"容錯(cuò)"能力。

③抽取:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有抽取外界輸入信息特征的特殊功能,在某種意義上可以說它能"創(chuàng)造"出未見的事物。

④模擬:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由眾多的神經(jīng)元組成,以并行的方式處理信息,大大加快了運(yùn)行速度,可以逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。

當(dāng)然,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并非十全十美,其自身的發(fā)展就曾經(jīng)歷過相當(dāng)曲折的過程,但是,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNs)特性的融合將是化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展到非線性核心系統(tǒng)的自組織適應(yīng)和需要。例如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng),適應(yīng)性、穩(wěn)定性和智能性均較好,能處理復(fù)雜工藝過程的控制問題,也使得化學(xué)工程師不但也是機(jī)械工程師,還首先是系統(tǒng)工程師,并能從最一般的非線性原理出發(fā),解決實(shí)際過程的創(chuàng)新、應(yīng)用、開發(fā)、生產(chǎn)等問題。

生產(chǎn)力的不斷發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步,人類認(rèn)識(shí)自然和改造自然的不斷深化,化學(xué)工程學(xué)科必將不斷"分化"和"融合",體現(xiàn)出和諧系統(tǒng)的無限發(fā)展性質(zhì)。

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