樓主
發表于 2019/9/5 3:06:33

    朱世平教授撰寫的“化工之歌”一文,將具有嚴謹的科學性內涵的化工學科的方方面面通過淺俗的靈動性語言清晰地展現出來,籠天地于形內,解讀得生動而透徹。我以我歌見真知,在科技文明的語境中宏大、精深的化工世界也可以這樣傳唱。

     化學工程師是何方神圣?有人說是一群會掙錢的化學家,也有人說是一眾懂一點兒化學的機械工程師,有人說是一幫麻煩制造者,也有人說是一伙問題解決者,這些說法都有點兒道理,但都不全面。

工程師的基本訓練是解決問題,不是制造問題,工程的四大支柱學科是機械、電機、土木和化工,也就是人們常說的機電土化,許許多多工程學科都是由此四個祖宗學科通過交叉衍生出來的,可謂兒孫滿堂,比如:能源、交通、航海、航空;又比如:計算機、軟件、信息、控制;再比如:建筑、環境、資源、地質;還有:材料、冶煉、高分子、生物工程等等,不一而足,發展出了幾百個大大小小的子子孫孫工程學科。工程學科的發展和演義可以簡單粗暴地編成口訣:

工程學科演義

Evolution of Engineering Disciplines

機:能、交、海、空

Mechanical: energy, transportation, ocean,

aerospace

電:機、軟、信、控

Electrical: computer, software, IT, control

& automation

土:建、環、資、地

Civil: architecture, environmental,

resource, earth

化:材、煉、高、生

Chemical: materials, metallurgy &

refinery, polymer, biochemical      

化工之歌

那么化學工程(簡稱化工)有什么特殊的地方呢?化工是化學與機械結合的產物,學科交叉的結果。化學是理科(science),化工是工科(engineering),雖說理工一家,但還是有本質區別的,理是發現(science is to discover),解釋現象,透過現象看本質,創造知識,也可以說,理是“沒事找樂”,在牛頓之前,蘋果往下掉,

牛頓之后,蘋果還是往下掉,牛頓發現的引力沒有改變蘋果掉的方向,但后來的火箭和衛星等等就是從這個發現搞出來的,搞理的人,好奇心很重要。相對于理的發現,工就是創新(engineering is to innovate),解決問題,運用知識做出新東西,橫空出世,也可以說,工是“無中生有”。工和理相依為命,理是基礎,工是應用。比如說,蒸汽機、空調和冰箱,先是人們看到許許多多有趣的現象產生了疑問,為什么熱量很容易地從高溫物體轉移到低溫物體而不能自發地從低溫到高溫?為什么不能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響?由此歸納總結出了熱力學第二定律,設計出了卡諾循環,這是理。基于這個理,做出了蒸汽機、空調和電冰箱,這是工。理的四大支柱學科是:數學、物理、化學和生物(數理化生),也有說要加天文和地理(數理化天地生),這幾大祖宗學科如今也是兒孫繞膝,其樂融融。

化學和機械的結合是一加一大于二的有機結合,發展出了化工,化工需要化學和數理作基礎,搞化工的人必須掌握化學的基礎知識,包括所謂的“四大化學”:有機化學、無機化學、物理化學和分析化學,外加生物化學和高分子化學湊成“六大化學”,其程度不一定有專業化學家那么深,但同時對數理基礎知識要求比較高。化工跟化學的關系就是工跟理的關系,化學側重基礎,化工側重應用,沒有化學的化工是無源之水、無本之木,沒有化工的化學是坐而論道、紙上談兵。

什么是化工?化工是什么?化工人會自豪地脫口而出:“三傳一反”!化工人對“三傳一反”有一份托付終生的情感。那什么是“三傳”呢?面對化工人的一臉陶醉是行外人的一臉懵圈,傳播、傳銷、傳染?不是!傳說、傳奇、傳真?也不是!是質量傳遞、熱量傳遞和動量傳遞(動量傳遞也叫流體力學)。什么是“一反”?不是反動、反對、反省,而是反應工程。“三傳一反”很專業,是化工的主要內容,是化工人需要掌握的主要基礎知識。

那能不能用一句簡單明了誰都能聽得懂的話來定義化工呢?書本上網頁里有許許多多說法,各有各的優劣,有些很雅,也有些很俗,雅俗共賞的說法不多。本人認為比較恰當的“化工一句話”是:化工是有關材料與化學品生產與加工的學科,強調安全、可持續地盈利,需要利用計算機作設計、優化和控制。這句“顯而易見”的說法,相信一定有人提過,只是本人孤陋寡聞,找不到出處,列不出引用文獻,有看官知道的,幫忙補缺,不勝感激。

化工一句話

化工一句話(One Sentence of Chemical Engineering):

化工是有關利用設計、優化和控制手段安全、可持續和盈利的方式生產與加工材料與化學品的學科(Chemical engineering is about production and processing of

materials and chemicals in safe, sustainable and profitable ways through

design, optimization and control)。

    化工的兩大基石是:反應與分離。反應與分離哪個更重要呢?都重要,說哪個不重要都有人跟你急,但分離比反應更花錢,大約三分之二在分離,三分之一在反應,比如煉油,就是把原油通過裂化(反應)和精餾(分離)手段分級成汽油、煤油、柴油和重油。

反應與分離各有三個基本問題:多遠?多快?怎么搞?在反應領域,首要問題是:反應有沒有可能?能走多遠?也就是,原料轉化成產物能有多徹底?比如說,塑料是碳氫化合物,金剛石也是碳,能不能把塑料垃圾燒成金剛石呢?能的話,收成幾何?這是個化學反應平衡問題,這方面的知識是從一門叫熱力學的課程里學到的,熱力學是門非常有趣的課,許多哲學思想,很是高大上,比如熱力學第一定律,能量可以從一種形式轉變到另一種形式,但數量不變,一度電和一度熱的能量相等。又比如熱力學第二定律,雖然數量一樣,

    質量可不一樣,一度電比一度熱金貴,因為一度電很容易變成一度熱,而一度熱變回一度電就麻煩了。再比如,最低溫度是多少?不是在南極北極,極地的最低溫度好像沒低過零下100 攝氏度(℃),那太小兒科了,最低溫度叫絕對零度,0開氏度(K),即零下273.15攝氏度,想象一下那是個什么世界,冷得發抖?還能抖起來?一切都靜止了,還抖什么抖。熱力學還有個特點,就是不關心時間,熱力學里沒有時間概念,不在乎快慢,如果一個熱力學的教授老催著學生快交作業的話,好像不是個好的熱力學教授,熱力學只管可行不可行,管平衡,管多遠,不管多快。

化學反應有多快?總不能耗上一年半載生產幾公斤產品吧,喝西北風去?這個問題需要動力學來解答,動力學就是關于速率的一門課,單位時間單位體積里能出多少產品?請記住,不是越快越好的,太快了也會造成麻煩,比如爆炸,關鍵是可控,要多快就多快,要多慢就多慢,安全生產才是硬道理。

課本上的許多知識在日常生活中是可以活學活用的,比如泡綠茶,高手泡出來的綠茶,過了夜還是綠綠的,一股清香,訣竅就在掌握反應動力學,用開水泡上幾分鐘,把葉子濾掉,立即降溫,完美。因為綠茶沒有發酵過,含有碳水化合物,葉子繼續泡在水里就會發酵變黃變黑,又因為發酵是個氧化反應,反應速率跟溫度很有關系,溫度越高反應越快,只有濾掉葉子降低溫度才能保持綠茶的綠色和清香,不妨試試。

催化是有關動力學的一門課,催化就是加快或減慢化學反應,催化改變不了熱力學,但能改變動力學,可別小看催化,許多革命性的變化就是催化帶來的,比如,用乙烯做聚乙烯,二十世紀三十年代就做出來了,可是需要高溫高壓苛刻條件,很不容易,直到五十年代,齊格勒和納塔發現了四氯化鈦和三乙基鋁能在常溫常壓下催化乙烯聚合,還能制備聚丙烯,由此帶來了高分子材料工業革命。

    解決了“多遠”和“多快”,就剩“怎么搞”了?也就是反應器工程,反應器的類型很多,壇壇罐罐,管管道道,立式、臥式,間歇、連續、半連續,模樣琳瑯滿目,但幾個基本東西還是一樣都要考慮的,停留時間分布,攪拌,加熱,冷卻,結垢等等。還有令人頭疼的放大問題,別以為實驗室燒瓶里做出來的東西都能大規模工業生產,放大是一門很有講究的科學,因為太復雜,有時理論不太頂用,得靠經驗一步一步地放大,這過程耗錢耗力又耗時,希望近些年如火如荼的人工智能理論對化工放大有所幫助,機器學習,工藝學習,結合工業大數據,藝高人膽大,繞過一些中試。

    全憑經驗毛估估的東西還不能算現代科學,應該是藝術,藝術和科學很不一樣,科學是從復雜的現象中找出簡單的原理,想想宇宙多復雜,看看愛因斯坦公式E=MC2吧,簡單得要死!不服不行,還必須五體投地。數學是最美的語言,能用數學表達的東西盡量用數學表達,一句頂一萬句。科學從復雜到簡單,而藝術恰恰相反,藝術家能從單調無聊的生活中,司空見慣的環境里,看到凡人看不到的,說不清道不明的美,從簡單到復雜,也是真功夫。看官有興趣的話可以上網看看塞·托姆布雷的《無題(紐約)》1968(Cy Twombly "Untitled (New York City)" 1968),看似無序卻有序,道是有序又無序,曾經無題難為題,除卻無語不是語。無即為有,有便是無,點到為止,無須深究,此畫妙不可言,切莫妄加評論,顯得無知無識,盡給理工丟臉。托老的這幾根線條,2015年11月在蘇富比拍出了七千萬美刀!也別羨慕嫉妒恨,這世界只能容納一個托姆布雷,想當二托?畫幾根線試試。有人愿拔七美刀就謝天謝地了。此處聲明一下,因為不知如何引用藝術品,未敢把這幅四億多人民幣的名畫拷貝到這篇文章里來,有勞看官自己動手上網找找。

此時此刻,想起了北島那首只有一個字的詩,《生活》:網。沒讀懂?太無知!讀懂啦?真無知!

    科學和藝術是相通的,但不是簡單的學幾門課就能通的,就訓練而言,科學從復雜到簡單,藝術從簡單到復雜,是相反的,孩子究竟適合文科還是理科,父母是可以判斷的,實驗很簡單,找幾件很復雜的東西,讓孩子講講,如能三言兩語說得清清楚楚明明白白,絕對是理工的料,再找幾件簡單的東西,如能繪聲繪色頭頭是道,應該是文科的料,實驗要多做,因為有誤差。文理相融,是人們的追求,不是低層次的一加一等于二,而是高層次一加一大于二的一種協同效應。

    反應與分離是化工的兩大基石,各有三個相同的基本問題:多遠?多快?怎么搞?反應產物是個混合物,里面有產品、副產品和沒有轉化掉的原料,要分離,要提純。

    混合物中的各組分容不容易分離也是熱力學決定的,有些組分不喜歡混在一起,很容易分離,如油和水,也有些組分特別喜歡混在一起,如酒精和水,熱力學決定了組分能分得多開。至于分得多快,就是傳遞過程了,傳質、傳熱、流體力學,也就是令化工人十二分自豪的“三傳”。傳質的快慢跟濃度梯度成正比,叫菲克定律,菲老1855年就提出來了。傳熱的快慢跟溫度梯度成正比,叫傅立葉定律,傅老提得更早,1822年。同一時期,納維爾和斯托克斯提出了一個流體力學方程,就叫納維爾-斯托克斯方程,是個非常牛的方程,飛機在天空中飛行、輪船在大海里航行,都得靠這方程,可這方程實在是太難解了,有不知天高地厚的數學發燒友不妨試試。

    分離的最后一個問題也是“怎么搞”,需要單元操作,化工人的拿手好戲,最著名的單元操作要數蒸餾,利用各組分的揮發度不同,把輕組分汽化、分開、再冷凝,原油就是靠一次次蒸餾制成各種油類的,多次蒸餾也叫精餾,燒酒也靠蒸餾提高酒精度。除了蒸餾外,還有萃取、吸附、吸收、結晶、過濾、沉淀、膜分離等等單元操作,懂得單元操作的人,日常生活中可有不少樂趣,比如想把啤酒搞可口一點,就是件容易的事,把啤酒瓶塞進冰柜,等有一半結冰后,取出來,把液體倒給自個喝,把冰化了給老爸,立馬贏得名副其實的坑爹美名。需要提一句的是,分離和混合基本原理是相同的,理論是共享的,只是方向相反而已。

以上這些內容可以總結成“化工一頁紙”:

化工一頁紙

One Page of Chemical Engineering

反應

Reaction: A + B → C + D

多遠 How far?

熱力學 Thermodynamics

多快 How fast?

動力學和催化Kinetics & Catalysis

怎么搞 How to?

反應器工程 Reactor Engineering

分離

Separation: (A+B+C+D)→A+B+C +D

多遠 How far?

熱力學 Thermodynamics

多快 How fast?

傳遞過程 Transport Phenomena

怎么搞 How to?

單元操作 Unit Operations

不得不承認,這化工一頁紙是極其簡單粗暴的,專家一看都會暈過去,沒暈的,一定瘋狂拍磚,一問題一磚,磚磚精準狠,比如:反應器里的三傳,太重要啦,怎么沒關心呢?正是由于怕被拍磚,這些自娛自樂文字十幾年未敢成文示人。

    理工語言的確貧乏,難怪理工男成了不堪的貶義詞,為了化工,就豁出去了,來一瓶重口味的“朱氏醬油”:學術版《化工之歌》打油詩,看看合不合各位看官的口味?深知眾口難調,請多多包涵。

學術版

化工之歌

熵焓指明了方向

發展要平衡可持續,

活化能催化出速率

做事要張弛有度講究效益,

菲克、傅立葉定律

啟迪了品質的飛躍

溫暖的傳遞

無邊無際,

納維爾-斯托克斯方程

表述了澎湃的心濤

燃燒的激情

奔騰不息,

反應釜中知冷知熱

分離塔里經風歷雨。

賣萌版

化工之歌

人類面臨的難題

莫過于能源、資源、環境,

老百姓過日子憂心

最不堪食品安全、空氣、水,

“三傳一反”的智慧

單元操作的能力

排憂解難

化工是排頭兵,

挑戰即是機遇

發展才是硬道理

國泰民安

化工人的使命,

拒絕浮躁追求卓越

攜手共創化工世紀。

    熵焓是熱力學的重要概念,熵就是任性、隨意、自由度,喝酒不開車,開車不喝酒已是常識,深入人心。其實每個人的酒量不一樣,能喝的人,一兩杯不礙事,國外警察路查是這樣的,警察:“有沒有喝酒?”司機:“有。”警察:“下來走直線。”如果司機能用模特兒的貓步走出一條直線,警察立馬說:“可以走了。”其實,警察就是在測司機的熵值,喝暈了,搖搖晃晃轉圈子,熵高了,罰款,吊銷駕照,進局子。看官別誤解,駕車禁酒利國利民,是“普大喜奔”的英明政策,本人堅決擁護,也省下了不少酒錢。

   活化能是動力學的一個重要概念,活化能的高低決定反應快慢,就像爬山一樣,山高了,爬得慢,要加快的話,就得加熱加溫加能量,山兩邊的高低決定了化學反應是吸熱還是放熱,這邊比那邊高,爬過去了,就放熱,反之這邊比那邊低,就吸熱。放熱吸熱是熱力學問題,活化能把動力學和熱力學扯在了一起。

    菲克定律管傳質,傅立葉定律管傳熱,所以啟迪了品質的飛躍和溫暖的傳遞,兩個定律都是微分方程,給個邊界條件:無邊無際。納維爾-斯托克斯方程解釋氣體和液體的流動行為,用來表述澎湃的心濤和燃燒的激情正合適,給個起始條件:奔騰不息。

    反應釜中知冷知熱,分離塔里經風歷雨,化工為人類作出了偉大的貢獻。看官有所不知,化學工業占比中國GDP 20%以上,化學工業是基礎工業,關系到國家富強和人民幸福,化工與日常生活息息相關,一睜一閉之間的梳洗打扮吃喝拉撒,哪樣離得開化工產品?沒有化工,這日子一天都過不下去。正是因為太實用,機會多多,過去三十年,什么掙錢最容易?化工!只要村頭有塊地,招商引資門檻低,搗鼓搗鼓出配方,管它專利不專利,管管道道鋪開來,壇壇罐罐湊個齊,取個名字要拗口,西當中來中作西,三傳一反沒關系,安全生產誰在意,百噸千噸萬噸級,腰包才是硬道理。競爭越來越烈,規模越來越大,裝置越來越衰,直逼一個臨界點。出來混,遲早是要還的,結果就是幾十年后今天的另一方景象,爆炸聲聲刺耳,火光熊熊灼眼,形勢告急傷心,談化變色絕情,一聲令下:關,關,關!搞得化工人灰頭灰臉,念行業之悠悠,憂后不見來者,空前絕后。這,本來是可以避免的。是教訓,也是新的開始。

    人們常有誤解,以為化工就是化工廠,化工廠當然是化工的,但化工絕不僅僅是化工廠,凡是涉及反應與分離的,凡是用到三傳一反熱力學知識的,就是化工,比如能源,由于歷史原因,能源學科多半是從機械學科發展過來的,因為有了機械,需要驅動,需要驅動,就得有能源。能源種類繁多,目前主要能源還是煤炭、石油、天然氣、核燃料等,都涉及反應與分離,都用到三傳一反熱力學,主要還是化工的東西。又如環境,雖然作為學科,有些從土木發展過來,但歸根結底還是反應與分離,還是化工。再如材料,材料的生產與加工就是化工,材料作為一個學科研究材料結構與性能關系,是從化工發展過來的。還有煮飯炒菜,其實也是個化工過程,有反應、有分離,三傳、一反、熱力學,掌握火候,做到色香味俱佳。做不好一桌飯菜的人,搞不好化工,我算個例外。請記住,化工是工學四大祖宗學科之一,長者有長者的尊貴和風范,長者有長者的智慧和力量,化工大牛常常自喻為老母雞,老當益壯,勇于下蛋。

    有學生申研時,上網幾晝夜,查了化工學術界牛人張三李四王五,發現少有號稱“三傳一反”磚家的,也沒人做“化工一頁紙”里的科研。誤會誤會,牛人們學富五車、才高八斗,“化工一頁紙”里的那點兒基礎知識,早在牛人們血液里,水滿無聲。牛人們什么都敢做,什么都能做,什么材料、能源、環境、生物、納米、食品、藥物、安全,you name it,不在話下,只要涉及反應與分離,只要用到三傳一反熱力學,舍化工其誰?再說象牙塔里也不都是不食人間煙火的圣人,圣人的一半是俗人,也得養家糊口,藝不壓身的教授們,響應號召,開個公司,做個咨詢,情有可原。

    化學工程是個系統工程,非常講究大視野、大格局,具有非凡的領導力和執行力。人類面臨的挑戰有哪些?能源、資源、材料、環境、健康、食品、安全、反恐等等。挑戰即是機會!如能舉出一個學科跟所有這些挑戰都有關系,都能作出貢獻的,也只有化工,解決這些挑戰都涉及到反應與分離,都得用上三傳一反熱力學。從這個意義上講,二十一世紀就是個化工世紀。緊接著學術版《化工之歌》,再編了個口味更重的賣萌版《化工之歌》,也曾試著寫過一首相應的英文打油詩,實在是拿不出手,但有一句,千真萬確,化工人

deserve a cool career and a hot life。

大凡科普,多半是忽悠外行的,無非是想得到大眾對本學科本行業的認可,后繼有人,可本文作者更希望同行能讀讀,有話想說,憋著難受,靠不靠譜,也就管不了了。這篇文章是根據講稿整理而成,得到了許多前輩和同仁的鼓勵與幫助,在此一并感謝。

謹以此文,獻給所有為化工事業忍辱負重、為民富國強默默奉獻的人們