化學(xué)工程技術(shù)的熱點分析與發(fā)展趨勢

徐興雨

（中國石油大學(xué)（北京） 理學(xué)院，北京 102249）

化學(xué)工程是一種將一系列與化學(xué)專業(yè)有關(guān)的技術(shù)進(jìn)行深入研究的化學(xué)或者物理過程，包括對原有設(shè)備的改進(jìn)和優(yōu)化及研究新的技術(shù)的一項工程性學(xué)科.以化學(xué)為指導(dǎo)思想，將其基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用結(jié)合到一起，包括研發(fā)產(chǎn)品、設(shè)計實驗過程、模擬系統(tǒng)、裝備強化、操作控制、保護環(huán)境、管理生產(chǎn)等方面的工作.化學(xué)工程領(lǐng)域包括無機化學(xué)、有機化學(xué)和石油化工化學(xué)等領(lǐng)域.因此化學(xué)工程既是國民經(jīng)濟建設(shè)的重要工程，又是推動社會進(jìn)步的重要工程，也是與高精尖端技術(shù)領(lǐng)域相結(jié)合的重要工程，推動了高精尖端技術(shù)的發(fā)展.目前化學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展方向：集約化、連續(xù)化、高效化、自動化和精細(xì)化.由于化學(xué)工程和生活的聯(lián)系比較緊密，范圍比較廣，因此，探索化學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義，對此進(jìn)行研究不僅可以掌握化學(xué)工程發(fā)展的動態(tài)，同時也有利于吸收國內(nèi)外的最新科研成果，有利于改進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，提高工作效率.

1 新型反應(yīng)技術(shù)的研究

1.1 超臨界化學(xué)反應(yīng)技術(shù)

超臨界液體是指在溫度和壓力都處于臨界點之上時，此時狀態(tài)處于液體和氣體之間，具有這兩種狀態(tài)的雙重性質(zhì).這種狀態(tài)的流體不僅在化學(xué)工業(yè)、生物化工、食品工業(yè)有廣泛的應(yīng)用，而且還在醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛，已經(jīng)顯示出巨大的魅力，極具發(fā)展前景.近年來，化學(xué)界將超臨界水氧化法應(yīng)用到保護環(huán)境的領(lǐng)域，但是都處于初級發(fā)展階段，很不成熟.

1.2 綠色化學(xué)反應(yīng)技術(shù)

綠色化學(xué)是指對環(huán)境不會造成污染的，有利于保護環(huán)境的化學(xué)工程.綠色化學(xué)簡單說就是采用化學(xué)的技術(shù)和方法來減少或消除那些對人類有害的、妨礙社區(qū)安全的、對生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生不利影響的原料或溶劑等.綠色化學(xué)是將污染從源頭進(jìn)行消除的工程，因此很徹底，這主要包括原子經(jīng)濟性和高選擇性的反應(yīng)，生產(chǎn)出對環(huán)境有利的材料，并且回收廢物循環(huán)利用的一門科學(xué)技術(shù).

1.3 新的分離技術(shù)研究

從廣義上說，分離強化首先是對設(shè)備的強化，然后是對生產(chǎn)工藝的強化，綜合起來說就是只要能將設(shè)備變小、將能量轉(zhuǎn)化效率提高的技術(shù)都是化工分離技術(shù)強化的結(jié)果，有利于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，這也是化工分離技術(shù)的主要趨勢之一.古老的化工分離技術(shù)原理：利用沸點的不同，將不同的組分從分離塔里分離出來.隨著科技的發(fā)展及國內(nèi)外的分工合作共同研究除了大量新的分離技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景，但是這些在應(yīng)用中同樣也存在著很多問題，那就是：此項研究對相關(guān)分子蒸餾的基礎(chǔ)理論探究比較少，沒有在理論上充分說明和指導(dǎo)，對設(shè)計刮膜式分子蒸餾器也沒有深入的研究.

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，分離技術(shù)也不斷得到改善，取得了長足的進(jìn)步，逐漸信息技術(shù)引入到分離技術(shù)的研究與開發(fā)上，例如在研究熱力學(xué)和傳遞的性質(zhì)、多相流等方面，這些都是信息技術(shù)發(fā)生功效的主要分離技術(shù)，再如分子模擬大大提高了預(yù)測熱力學(xué)平衡和傳遞性質(zhì)的水平.對分子的設(shè)計加速了可以加速分離，因此對研究和開發(fā)新的高效的分離劑有深遠(yuǎn)的意義.信息技術(shù)的引進(jìn)有利于新的分離過程的深入，提高工作效率.

2 傳熱過程的一些新的研究進(jìn)展和方向

2.1 微細(xì)尺度傳熱學(xué)研究進(jìn)展

微細(xì)尺度是從空間尺度和時間尺度微細(xì)的探討和研究傳熱學(xué)規(guī)律，現(xiàn)在在傳熱學(xué)中已經(jīng)自成一個分支，發(fā)展前景廣闊.當(dāng)物體的特征尺寸遠(yuǎn)大于載體粒子的平均尺寸即連續(xù)介質(zhì)時假定依然會成立，但是由于尺度的微細(xì)，原來的假設(shè)的影響因素也會相對的發(fā)生變化，這就導(dǎo)致了流動和傳入規(guī)律發(fā)生著惟妙惟肖的變化.

目前，微米、納米科學(xué)已經(jīng)取得長足的進(jìn)步，受到人們的廣泛關(guān)注,諸多領(lǐng)域都是圍繞微細(xì)尺度傳熱學(xué)進(jìn)行研究的.其中高集成度電子設(shè)備、微型熱管、多空介質(zhì)流動傳熱等多項研究都是微熱尺度傳熱學(xué)研究取得的豐碩成果.

2.2 傳熱設(shè)備研究進(jìn)展

通過近十年的研究，利用翅片可以達(dá)到促進(jìn)和增強傳熱的效果

2.3 強化傳熱過程的研究進(jìn)展

這項研究主要是從改進(jìn)換熱器設(shè)備的形式入手，提高傳熱的效率，并想辦法改進(jìn)設(shè)備使其持續(xù)對外放熱，這種改進(jìn)包括發(fā)明新的傳熱材料和改進(jìn)生產(chǎn)工藝，將過去的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化等方法.

2.4 傳熱理論研究進(jìn)展

近年來，傳熱研究者一直都致力于滴狀冷凝在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用，但至今仍未能很好的實現(xiàn)，主要問題是如何獲得實現(xiàn)滴狀冷凝，并且使其冷凝表面壽命延長.改變冷凝界面的性質(zhì)，將滴狀冷凝應(yīng)用到工業(yè)上進(jìn)行傳熱改造是傳播熱學(xué)研究的主要熱點之一.

沸騰的傳熱方式不僅在機械、動力和石油化工等傳統(tǒng)的工業(yè)之中廣泛使用，而且在航空航天技術(shù)等高科技領(lǐng)域也廣泛的應(yīng)用著.長期以來，人們都在對液體發(fā)生核態(tài)沸騰的原因和具有高換熱強度的機理進(jìn)行著深入的探究.由于沸騰的現(xiàn)象是復(fù)雜和多變的，這些都導(dǎo)致了我們不能利用常規(guī)的計算方法來計算出沸騰所能傳輸?shù)臒崃?到現(xiàn)在為止，加熱器表面受到水沸騰時產(chǎn)生的氣泡的影響，這一問題是最需要得到解決的，也是研究的重點所在，對沸騰傳熱進(jìn)行計算大都采用機理模型，這種方法存在嚴(yán)重的缺陷就是計算的準(zhǔn)確率很低，而且需要大量的實驗做基礎(chǔ)，所以目前應(yīng)用的范圍較窄，目前沒有能較準(zhǔn)確計算沸騰傳熱的計算式，因此我們有另辟蹊徑，從新的角度來探究和研究問題，從基本理論出發(fā)，提出新的理論與計算方法或研究出新的模型，將數(shù)學(xué)與之相結(jié)合計算出沸騰所傳出的熱量，這將成為今后研究的重中之重.

2.5 與計算機技術(shù)相結(jié)合

計算機技術(shù)的進(jìn)步使化學(xué)中大量的計算問題和數(shù)據(jù)采集分析的問題得到了解決，同時解決了人力物力和財力，也增加了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與精確度，主要表現(xiàn)在計算機技術(shù)對計算流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)上的主要貢獻(xiàn)，其主要的研究方法是數(shù)值模擬法.這種方法的特點是需要大量的數(shù)據(jù)計算，而且需要大量的實驗作為補充，采用計算機進(jìn)行分析和計算，有利于將數(shù)據(jù)直觀的表現(xiàn)出來，方式更加靈活多變，費用更加低廉，并且得出結(jié)論的周期比較短，對于應(yīng)對此類問題計算機技術(shù)是最好的選擇.

3 化學(xué)工程學(xué)科未來的發(fā)展動態(tài)

3.1 將化工過程與系統(tǒng)過程研究相結(jié)合

化學(xué)變化是一個復(fù)雜的過程，這是因為性質(zhì)決定的，其非對稱性和不平衡性打破了人們的慣性思維，使其控制因素增多，結(jié)構(gòu)尺度變多，其中結(jié)構(gòu)是對過程工程研究的中心問題，主要解決辦法是簡化其結(jié)構(gòu)，使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變得簡單，更具有使用價值；首先研究特殊系統(tǒng)，然后推理出一般性的結(jié)論，進(jìn)而推而廣之，這些都為解決結(jié)構(gòu)問題打下了良好的基礎(chǔ)，解決了復(fù)雜系統(tǒng)不容易被分析的問題，采用整體法和還原法研究復(fù)雜的系統(tǒng)有利于把握系統(tǒng)的主要變換方向，多尺度的思考問題的方式可以將過程問題轉(zhuǎn)換成平時的時間和空間問題，對研究化學(xué)工程的復(fù)雜結(jié)構(gòu)有好處.

化學(xué)工程的這一轉(zhuǎn)變趨勢預(yù)示著化學(xué)正在向著應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行擴張，更加注重其實用性和價值性，而非學(xué)科本身理論的研究.這也在化學(xué)課堂上出現(xiàn)了明顯的改革，從只有實驗和理論兩個過程的化學(xué)轉(zhuǎn)換成有實驗、有計算最后才產(chǎn)生結(jié)論的過程，這就需要化學(xué)與數(shù)學(xué)物理等相結(jié)合，甚至與計算機技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而實現(xiàn)化學(xué)過程的更好研究.

3.2 將化學(xué)工程與材料科學(xué)研究相結(jié)合

科學(xué)的進(jìn)步使大量新的技術(shù)和產(chǎn)品能源不斷涌現(xiàn)，并且在先進(jìn)技術(shù)的引導(dǎo)下得到了廣泛的應(yīng)用，這就為化學(xué)工程的研究提出了新的問題那就是如何為新的產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展提供良好的服務(wù)并不斷形成新的完整的理論，化學(xué)工程的發(fā)展就此進(jìn)入老人一個新的發(fā)展階段.在學(xué)科研究的方法上更多的注重學(xué)科的交叉，更多的研究材料其中包括信息和化學(xué)、生物與化學(xué)、能源與化學(xué)、環(huán)境與化學(xué)相結(jié)合的工程學(xué)科，這些都為化學(xué)工程的發(fā)展提出了新的發(fā)展方向和研究課題，為化學(xué)的發(fā)展做了良好的鋪墊.

3.3 將化學(xué)工程與信息工程研究相結(jié)合

化學(xué)工程技術(shù)的熱點是將化學(xué)工程與信息工程研究相結(jié)合，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)已經(jīng)深入各行各業(yè)，通過計算機技術(shù)可以收集大量信息，并對此進(jìn)行精細(xì)的計算，隨著大量的數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，可以得出很多重要的規(guī)律和結(jié)論，這些規(guī)律可以用來作為提高效率和生產(chǎn)效益的理論依據(jù)，同時可以預(yù)見，將化學(xué)工程和材料科學(xué)結(jié)合起來進(jìn)行分析必將是化學(xué)工程領(lǐng)域的重點研究課題，必將成為引領(lǐng)化學(xué)研究的主要方向.

4 結(jié)語

綜上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和化學(xué)行業(yè)的不斷進(jìn)步，專業(yè)人員已經(jīng)把化學(xué)專業(yè)的研究重點從單一研究化學(xué)過程、設(shè)備等單一方面轉(zhuǎn)而研究化學(xué)行業(yè)與其他行業(yè)的融合方面.最大限度地節(jié)約地資源、能源，實現(xiàn)綠色化學(xué)的目標(biāo)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.探究化學(xué)工程技術(shù)的熱點分析與發(fā)展趨勢，通過對現(xiàn)有的化學(xué)工程技術(shù)的分析，研究其技術(shù)熱點，從而經(jīng)過理論分析，判斷未來的化學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢.化學(xué)的影響以及需要重點探討的方向，就是化學(xué)環(huán)保問題.由于化學(xué)工程往往都會涉及污染問題，因此從化學(xué)工程技術(shù)角度分析，將從技術(shù)角度出發(fā)，從而盡最大限度來降低化工技術(shù)對環(huán)境的影響.未來化學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展，直接影響著其發(fā)展態(tài)勢.

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