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反應釜中知冷知熱,分離塔裏經風曆雨!

《化工之歌》

化工是什麽?化工爲什麽?化工怎麽啦?——這是一個令學術界和産業界、大學化工院系教師和研究生本科生們苦苦探究又耿耿于懷、知之愈深又愛之愈切的大問題。

許多年前,浙江大學化工系78級傑出校友朱世平院士以一首原創詩作《化工之歌》表達了對化工專業、化工學科深刻的理解和真摯的感情。近日,他又將自己對化工的進一步思考和理解撰寫成長文。一詩一文,珠聯璧合,交相輝映,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。

同學們,讓我們一起來聆聽這化工“開學第一課”吧!

化學工程師是何方神聖?有人說是一群會掙錢的化學家,也有人說是一衆懂一點兒化學的機械工程師,有人說是一幫麻煩制造者,也有人說是一夥問題解決者,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學祖科宗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:建築、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

能、交、海、空

Mechanical:  

energy, transportation, ocean, aerospace

機、软、信、控

Electrical: 

computer, software, IT, control&automation

建、環、資、地

Civil:

  architecture, environmental, resource, earth

材、煉、高、生

Chemical: 

materials, metallurgy&refinery, polymer, biochemical

那么化学工程(简称化工)有什么特殊的地方呢?化工是化学与機械结合的产物,学科交叉的结果。化学是理科(science),化工是工科(engineering),虽说理工一家,但还是有本质区别的,理是发现(science is to discover),解释现象,透过现象看本质,创造知识,也可以说,理是“沒事找樂”,在牛顿之前,苹果往下掉, 牛顿之后,苹果还是往下掉,牛顿发现的引力没有改变苹果掉的方向,但后来的火箭和卫星等等就是从这个发现搞出来的,搞理的人,好奇心很重要。相对于理的发现,工就是创新(engineering is to innovate),解决问题,运用知识做出新东西,横空出世,也可以说,工是“無中生有”

工和理相依为命,理是基础,工是应用。比如说,蒸汽機、空调和冰箱,先是人们看到许许多多有趣的现象产生了疑问,为什么热量很容易地从高温物体转移到低温物体而不能自发地从低温到高温?为什么不能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响?由此归纳总结出了热力学第二定律,设计出了卡諾循環,这是理。基于这个理,做出了蒸汽機、空调和電冰箱,这是工。理的四大支柱学科是:数学、物理、化学和生物(数理化生),也有说要上至天文下至地理(数理化天地生),这几大祖宗学科如今也是儿孙绕膝,其乐融融。

化学和機械的结合是一加一大于二的有機结合,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”:有機化学、无機化学、物理化学、和分析化学,外加生物化学和高分子化学凑成“六大化学”,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,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,化學化工相通才能情高致遠,才有一瀉千裏之暢快淋漓。

什麽是化工?化工是什麽?化工人會自豪地脫口而出:“三傳一反”!化工人对“三傳一反”有一份托付终生情感。那什么是“三传”呢?面对化工人的一脸陶醉是行外人的一脸懵圈,传播、传销、传染?不是!传说、传奇、传真?也不是!是质量传递、热量传递和动量传递(动量传递也叫流体力学)。


“三傳”示意圖



什么是“一反”?不是反动、反对、反省,而是反应工程。“三傳一反”很专业,是化工的主要内容,是化工人需要掌握的主要基础知识。




反應器

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?書本上網頁裏有許許多多說法,各有各的優劣,有些很雅,也有些很俗,雅俗共賞的說法不多。本人認爲比較恰當的“化工一句話”是:化工是有關材料与化学品生产与加工的学科,强调安全、可持续地盈利,需要利用计算機作设计、优化和控制,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

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,

生産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。反應與分離哪个更重要呢?都重要,说哪个不重要都有人跟你急,但分离比反应更花钱,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。


反應與分離各有三个基本问题:多遠?多快?怎麽搞?

在反應領域,首要問題是:反應有沒有可能?能走多遠?也就是,原料轉化成産物能有多徹底?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裏學到的,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,一度電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,一度電比一度热金贵,因为一度電很容易变成一度热,而一度热变回一度電就麻烦了。再比如,最低溫度是多少?不是在南极北极,极地的最低温度好像没低过零下100 摄氏度(),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,想象一下那是個什麽世界,冷得發抖?還能抖起來?一切都靜止了,還抖什麽抖。熱力學還有個特點,就是不關心時間,熱力學裏沒有時間概念,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。


卡諾循環




空调应用卡諾循環的原理

化學反應有多快?總不能耗上一年半載生産幾公斤産品吧,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,單位時間單位體積裏能出多少産品?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,安全生産才是硬道理。

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,用開水泡上幾分鍾,把葉子濾掉,立即降溫,完美。因爲綠茶沒有發酵過,含有碳水化合物,葉子繼續泡在水裏就會發酵變黃變黑,又因爲發酵是個氧化反應,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,上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钛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。


酶催化機理

解决了“多远”和“多快”,就剩“怎么搞”了?也就是反應器工程,反應器的类型很多,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,就能营救全人类,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,機器学习,工艺学习,结合工业大数据,艺高人胆大,绕过一些中试。

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,科學是從複雜的現象中找出簡單的原理,想想宇宙多複雜,看看愛因斯坦公式E=MC?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。科學從複雜到簡單,而藝術恰恰相反,藝術家能從單調無聊的生活中,司空見慣的環境裏,看到凡人看不到的,說不清道不明的美,從簡單到複雜,也是真功夫。

看官有兴趣的话可以上网看看塞·托姆布雷的《无题(纽约)》1968(Cy Twombly "Untitled (New York City)" 1968),看似无序却有序,道是有序又无序,曾经无题难为题,除却无语不是语。无即为有,有便是无,点到为止,无须深究,此画妙不可言,切莫妄加评论,显得无知无识,尽给理工丢脸。托老的这几根线条,2015年11月在苏富比拍出了七千万美刀!也别羡慕嫉妒恨,这世界只能容纳一个托姆布雷,想当二托?画几根线试试。有人愿拔七美刀就谢天谢地了。此处声明一下,因为不知如何引用艺术品,未敢把这幅四亿多人民币的名画拷贝到这篇文章里来,有劳看官自己动手上网找找。

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,科學從複雜到簡單,藝術從簡單到複雜,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,找幾件很複雜的東西,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。此處需要免責聲明,對于由于讀了此文而入錯行的,本文作者概不負責,因爲實驗有誤差。再說了,“除了做理論的,沒人相信理論;除了做實驗的,誰都相信實驗。”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两大基石,和反应一样,分离也是这三个基本问题:多遠?多快?怎麽搞?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,菲老1855年就提出来了。传热的快慢跟温度梯度成正比,叫傅立叶定律,傅老提的更早,1822年。同一时期,纳维尔和斯托克斯提出了一个流体力学方程,就叫纳维尔-斯托克斯方程,是个非常牛的方程,飞機在天空中飞行、轮船在大海里航行,都得靠这方程,可这方程实在是太难解了,有不知天高地厚的数学发烧友不妨试试。


蒸餾塔分離的日化用品

分離的最後一個問題也是“怎麽搞”,需要單元操作,化工人的拿手好戏,最著名的單元操作要数蒸馏,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、膜分离等等單元操作,懂得單元操作的人,日常生活中可有不少乐趣,比如想把啤酒搞可口一点,就是件容易的事,把啤酒瓶塞进冰柜,等有一半结冰后,取出来,把液体倒给自个享受,把冰化了敬给老爸,立马赢得名副其实的坑爹美名。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

反应 Reaction:

A + B → C + D

多远 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

分离 Separation:

(A+B+C+D) → A + B + C + D

多远 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

不得不承认,这化工一頁紙是极其简单粗暴的,专家一看都会晕过去,没晕的,一定疯狂拍砖,一问题一砖,砖砖精准狠,比如:反應器里的三传,太重要啦,怎么没关心呢?正是由于怕被拍砖,这些自娱自乐文字十几年未敢成文示人。

理工語言的確貧乏,難怪理工男成了不堪的貶義詞,爲了化工,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?深知衆口難調,請多多包涵。

《化工之歌》

學術版

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

啓迪了品質的飛躍

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

分離塔裏經風曆雨。

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,国外警察路查是这样的,警察:有没有喝酒,司機:有,警察:下来走直线,如果司機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,警察就是在测司機的熵值,喝晕了,摇摇晃晃转圈子,熵高了,罚款,吊销驾照,进局子。看官别误解,驾车禁酒利国利民,是普大喜奔的英明政策,本人坚决拥护,也省下了不少酒钱。

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


催化劑與活化能

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。納維爾—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)和燃燒的激情(气)正合适,给个起始条件:奔腾不息。

反應釜中知冷知熱,分离塔里经风历雨,化工为人类作出了伟大的贡献。看官有所不知,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。





現代“綠色”化工廠

正是因为太实用,機会多多,过去三十年,什么挣钱最容易?化工!只要村头有块地,招商引资门槛低,捣鼓捣鼓出配方,管它专利不专利,管管道道铺开来,坛坛罐罐凑个齐,取个名字要拗口,西当中来中作西,三傳一反没关系,安全生产谁在意,百吨千吨万吨级,鼓了腰包最神气。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,结果就是几十年后今天的另一方景象,爆炸声声日刺耳,火光熊熊夜灼眼,形势告急真堵心,谈化变色最绝情,一声令下:关,关,关!搞得化工人灰头灰脸,念,行业之悠悠,忧,后不见来者,空前绝后。

這,本來是可以避免的!靠混,混得了今天,混不了明天,混得了一時,混不了一世。是血的教訓,也是新的開始。切記:遵規致富過三代,違章謀利毀一生


安全牢記于心

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,凡是涉及反應與分離的,凡是用到三傳一反热力学知识的,就是化工。

比如能源,由于历史原因,能源学科多半是从機械学科发展过来的,因为有了機械,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電池和制氢,都涉及反應與分離,都用到三傳一反热力学,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,但归根结底还是反應與分離,还是化工。

再如材料,材料的生产与加工就是化工,金属冶炼、无機制备、有機合成、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。

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。更不用提油鹽醬醋茶,杯中物,以及心誠則靈的保健品了,哪樣不是靠化工弄出來的?

请记住,化工是工学四大祖宗学科之一,长者有长者的尊贵和风范,长者有长者的智慧和力量,化工大牛常常自喻为老母鸡,老当益壮,勇于下蛋 。

有学生申研时,上网几昼夜,查了化工学术界牛人张三李四王五,发现少有号称“三傳一反”砖家的,也没人做“化工一頁紙”里的科研。误会误会,牛人们学富五车、才高八斗,“化工一頁紙”里的那点儿基础知识,早在牛人们血液里,水满无声。牛人们什么都敢做,什么都能做,什么材料、能源、环境、生物、纳米、食品、药物、化肥、农药、安全,you name it,不在话下,只要涉及反應與分離,只要用到三傳一反热力学,舍化工其谁?再说象牙塔里也不都是不食人间烟火的圣人,圣人的一半是俗人,也得养家糊口,艺不压身的教授们,响应号召,开个公司,做个咨询,情有可原。

化學工程是個系統工程,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 。挑战即是機会!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應與分離,都得用上三傳一反热力学。从这个意义上讲,二十一世纪就是个化工世纪。紧接着學術版《化工之歌》,再编了个口味更重的賣萌版《化工之歌》,雷死人概不负责。也曾试着写过一首相应的英文打油诗,实在是拿不出手,但有一句,千真万确,化工人 deserve a cool career and a hot life。

《化工之歌》

賣萌版

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,

挑战既是機遇

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。

大凡科普,多半是忽悠外行的,無非是想得到大衆對本學科本行業的認可,後繼有人,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。

本文根據講稿整理而成(原稿刊于《化工學報》2019年第9),得到了許多前輩和同仁的鼓勵與幫助,在此一並感謝。
謹以此文,感謝所有爲祖國化工事業忍辱負重、爲民富國強默默奉獻的人們。

關于作者

朱世平校友是加拿大皇家科学院院士,加拿大工程院院士,麦克马斯特“杰出大学教授”。1982年毕业于浙江大学化工系,获工学学士学位并留校任教。1991年获麦克马斯特大学博士学位,1994年起任教该校化工系和材料系,2009至2014年任化工系主任,2017年入职香港中文大学(深圳),担任副校长 。

朱世平校友从事高分子化工研究,专长聚合反应工程,已发表论文360多篇,他引上万,已培养高学位人才120多名。2011年获加拿大化学联合会“大分子科学与工程奖”,2016年获加拿大化学工程学会最高奖R.S. Jane Memorial Award。

朱世平校友熱心教學與科普,最近兩年,走進國內一百多所高校和高中,講科學、學科、科研,講化學、化工、材料、高分子,鼓勵年輕人學好理工技,貨與百姓家,走實業報國之路。


轉載自:浙大化工

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