[科普中國(guó)]-院士寫了首《化工之歌》，聊聊化工那些事

在你的印象中，化學(xué)工程師們每天都在忙些什么呢？他們是會(huì)掙錢的化學(xué)家，還是懂一點(diǎn)兒化學(xué)的機(jī)械工程師？他們是麻煩制造者，還是問(wèn)題解決者？今天，一位多年從事化工領(lǐng)域研究的科學(xué)家——朱世平教授，給大家分享他眼中的化學(xué)工程，聊聊化工人的那些事兒。

作者：朱世平

編輯：Yuki

化學(xué)工程師是何方神圣？ 有人說(shuō)是一群會(huì)掙錢的化學(xué)家，也有人說(shuō)是一眾懂一點(diǎn)兒化學(xué)的機(jī)械工程師，有人說(shuō)是一幫麻煩制造者，也有人說(shuō)是一伙問(wèn)題解決者，這些說(shuō)法都有點(diǎn)兒道理，但都不全面。

工程師的基本訓(xùn)練是解決問(wèn)題，不是制造問(wèn)題 ，工程的四大支柱學(xué)科是機(jī)械、電機(jī)、土木和化工，也就是人們常說(shuō)的機(jī)電土化，許許多多工程學(xué)科都是由此四個(gè)學(xué)祖科宗通過(guò)交叉衍生出來(lái)的，可謂兒孫滿堂。那么 化學(xué)工程（簡(jiǎn)稱化工）有什么特殊的地方呢？ 化工是化學(xué)與機(jī)械結(jié)合的產(chǎn)物，學(xué)科交叉的結(jié)果 。 化學(xué)是理科 （science）， 化工是工科 （engineering）， 理是發(fā)現(xiàn) （science is to discover）， 工是創(chuàng)新 （engineering is to innovate）。

(化學(xué)工程是一門注重創(chuàng)新的學(xué)科 | pexels)

化學(xué)和機(jī)械的結(jié)合是“1+1>2”的有機(jī)結(jié)合，發(fā)展出了化工，化工需要化學(xué)和數(shù)理作基礎(chǔ)，搞化工的人必須掌握化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括所謂的“四大化學(xué)”：有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、和分析化學(xué)，其程度不一定有專業(yè)化學(xué)家那么深，但同時(shí)對(duì)數(shù)理基礎(chǔ)知識(shí)要求比較高。 化工跟化學(xué)的關(guān)系就是工跟理的關(guān)系，化學(xué)側(cè)重基礎(chǔ)，化工側(cè)重應(yīng)用 ，沒(méi)有化學(xué)的化工是無(wú)源之水無(wú)本之木，沒(méi)有化工的化學(xué)是坐而論道紙上談兵，化學(xué)化工相通才能情高致遠(yuǎn)，才有一瀉千里之暢快淋漓。

什么是化工？化工是什么？化工人會(huì)自豪地脫口而出：“三傳一反”！化工人對(duì)“三傳一反”有一份托付終生情感。那什么是“三傳一反”呢？是質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、動(dòng)量傳遞（動(dòng)量傳遞也叫流體力學(xué)）和反應(yīng)工程?！叭齻饕环础笔腔さ闹饕A(chǔ)知識(shí)。

那能不能用一句簡(jiǎn)單明了誰(shuí)都能聽(tīng)得懂的話來(lái)定義化工呢？本人認(rèn)為比較恰當(dāng)?shù)摹盎ひ痪湓挕笔牵? 化工是有關(guān)材料與化學(xué)品生產(chǎn)與加工的學(xué)科，強(qiáng)調(diào)安全、可持續(xù)地盈利，需要利用計(jì)算機(jī)作設(shè)計(jì)、優(yōu)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）。

化工的兩大基石是： 反應(yīng)與分離。 分離比反應(yīng)更花錢，大約三分之二在分離，三分之一在反應(yīng)，比如煉油，就是把原油通過(guò)裂化（反應(yīng)）和精餾（分離）手段分級(jí)成汽油、煤油、柴油和重油。

(石油化工與我們的衣食住行息息相關(guān) | pixabay)

反應(yīng)與分離各有三個(gè)基本問(wèn)題： 多遠(yuǎn)？ 多快？ 怎么搞？

在反應(yīng)領(lǐng)域，首要問(wèn)題是：反應(yīng)有沒(méi)有可能？能走多遠(yuǎn)？也就是，原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物能有多徹底？這方面的知識(shí)是從一門叫熱力學(xué)的課程里學(xué)到的，熱力學(xué)是門非常有趣的課，許多哲學(xué)思想，比如熱力學(xué)第一定律，能量可以從一種形式轉(zhuǎn)變到另一種形式，但數(shù)量不變，一度電和一度熱的能量相等。又比如熱力學(xué)第二定律，雖然數(shù)量一樣， 質(zhì)量可不一樣，一度電比一度熱金貴，因?yàn)橐欢入姾苋菀鬃兂梢欢葻?，而一度熱變回一度電就麻煩了。再比如，最低溫度是多少？絕對(duì)零度，0開(kāi)氏度（K），即零下273.15攝氏度，一切都靜止了。熱力學(xué)還有個(gè)特點(diǎn)，就是不關(guān)心時(shí)間， 熱力學(xué)里沒(méi)有時(shí)間概念，不在乎快慢 。

(現(xiàn)代化的化工廠 | pixabay)

化學(xué)反應(yīng)有多快？這個(gè)問(wèn)題需要?jiǎng)恿W(xué)來(lái)解答，動(dòng)力學(xué)就是關(guān)于速率的一門課，單位時(shí)間單位體積里能出多少產(chǎn)品？請(qǐng)記住，不是越快越好，太快了也會(huì)造成麻煩，比如爆炸，關(guān)鍵是可控，要多快就多快，要多慢就多慢，安全生產(chǎn)才是硬道理。

催化是有關(guān)動(dòng)力學(xué)的一門課，催化就是加快或減慢化學(xué)反應(yīng)，催化改變不了熱力學(xué)，但能改變動(dòng)力學(xué)，可別小看催化， 許多革命性的變化就是催化帶來(lái)的 ，比如，用乙烯做聚乙烯，上世紀(jì)三十年代就做出來(lái)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(fā)現(xiàn)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(lái)了高分子材料工業(yè)革命。

解決了“多遠(yuǎn)”和“多快”，就?！霸趺锤恪绷?。也就是反應(yīng)器工程，反應(yīng)器的類型很多，壇壇罐罐，管管道道，立式、臥式，間隙、連續(xù)、半連續(xù)，模樣琳瑯滿目，但幾個(gè)基本東西還是一樣都要考慮的，停留時(shí)間分布，攪拌，加熱冷卻，結(jié)垢等等。還有令人頭疼的放大問(wèn)題， 別以為實(shí)驗(yàn)室燒瓶里做出來(lái)的東西都能大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，都能營(yíng)救全人類，放大是一門很有講究的科學(xué) ，因?yàn)樘珡?fù)雜，有時(shí)理論不太頂用，得靠經(jīng)驗(yàn)一步一步地放大，這過(guò)程耗錢耗力又耗時(shí)，希望近些年如火如荼的人工智能理論對(duì)化工放大有所幫助，機(jī)器學(xué)習(xí)，工藝學(xué)習(xí)，結(jié)合工業(yè)大數(shù)據(jù)，藝高人膽大，繞過(guò)一些中試。

(將實(shí)驗(yàn)室中用燒杯完成的實(shí)驗(yàn)放大到工業(yè)生產(chǎn)，是一門很有講究的科學(xué) | pixabay)

反應(yīng)與分離是化工的兩大基石 ，和反應(yīng)一樣，分離也是這三個(gè)基本問(wèn)題：多遠(yuǎn)？多快？怎么搞？反應(yīng)產(chǎn)物是個(gè)混合物，里面有產(chǎn)品、副產(chǎn)品、和沒(méi)有轉(zhuǎn)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(xué)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(xué)決定了組分能分得多開(kāi)。至于分得多快，就是傳遞過(guò)程了，傳質(zhì)、傳熱、流體力學(xué)，也就是令化工人十二分自豪的“三傳”。傳質(zhì)的快慢跟濃度梯度成正比，叫菲克定律。傳熱的快慢跟溫度梯度成正比，叫傅立葉定律。描述流體力學(xué)行為的是納維爾-斯托克斯方程，一個(gè)非常牛的方程，飛機(jī)在天空中飛行、輪船在大海里航行，都得靠它 。

(納維爾-斯托克斯方程是描述粘性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程 | pixabay)

分離的最后一個(gè)問(wèn)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(shù)蒸餾，利用各組分的揮發(fā)度不同，把輕組分汽化、分開(kāi)、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(jié)晶、過(guò)濾、沉淀、膜分離等等單元操作 。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(nèi)容可以總結(jié)成“化工一頁(yè)紙”：

不得不承認(rèn)，這化工一頁(yè)紙是極其簡(jiǎn)單粗暴的，比如：反應(yīng)器里的三傳，太重要啦，怎么沒(méi)關(guān)心呢？由于怕被拍磚，這些自?shī)首詷?lè)文字十幾年未敢示人。

眾所周知，寫“什么之歌”是件找抽的事。為了化工，咱就豁出去了，打油一首 學(xué)術(shù)版 《化工之歌》 ：

化工之歌 （學(xué)術(shù)版）

熵焓指明了方向，

發(fā)展要平衡可持續(xù)；

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(zhì)的飛躍，

溫暖的傳遞，無(wú)邊無(wú)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(yīng)釜中知冷知熱，

分離塔里經(jīng)風(fēng)歷雨。

熵焓是熱力學(xué)的重要概念，熵就是任性、隨意、自由度?！昂染撇婚_(kāi)車，開(kāi)車不喝酒”已是常識(shí)，深入人心。其實(shí)每個(gè)人的酒量不一樣，能喝的人，一兩杯不礙事，國(guó)外警察路查 會(huì)讓司機(jī) 下車沿 直線行走 ，如果司機(jī)能用模特兒的貓步走出一條直線，警察立馬說(shuō)：可以走了。其實(shí)，警察就是在測(cè)司機(jī)的熵值，喝暈了，搖搖晃晃轉(zhuǎn)圈子，說(shuō)明熵高了，就要罰款，吊銷駕照，進(jìn)局子。

活化能是動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要概念，活化能的高低決定反應(yīng)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(xué)反應(yīng)是吸熱還是放熱，這邊比那邊高，爬過(guò)去了，就放熱，反之這邊比那邊低，就吸熱。 放熱吸熱是熱力學(xué)問(wèn)題，活化能把動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)扯在了一起。

菲克定律管傳質(zhì)，傅立葉定律管傳熱，所以啟迪了品質(zhì)（質(zhì)）的飛躍和溫暖（熱）的傳遞，兩個(gè)定律都是微分方程，給個(gè)邊界條件：無(wú)邊無(wú)際。納維爾—斯托克斯方程解釋液體和氣體的流動(dòng)行為，用來(lái)表達(dá)澎湃的心濤（液）和燃燒的激情（氣）正合適，給個(gè)起始條件：奔騰不息。

反應(yīng)釜中知冷知熱，分離塔里經(jīng)風(fēng)歷雨，化工為人類作出了偉大的貢獻(xiàn)。大家有所不知， 化學(xué)工業(yè)占比中國(guó)GDP 20%以上，化學(xué)工業(yè)是基礎(chǔ)工業(yè)，關(guān)系到國(guó)家富強(qiáng)和人民幸福 ，化工與日常生活息息相關(guān)，一睜一閉之間的梳洗打扮吃喝拉撒，哪樣離得開(kāi)化工產(chǎn)品？沒(méi)有化工，這日子一天都過(guò)不下去。

(化學(xué)工業(yè)是與國(guó)民生活息息相關(guān)的基礎(chǔ)工業(yè) | pixabay)

正是因?yàn)樘珜?shí)用，機(jī)會(huì)多多，過(guò)去三十年，什么掙錢最容易？化工！招商引資門檻低，安全生產(chǎn)沒(méi)在意。競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越烈，規(guī)模越來(lái)越大，裝置越來(lái)越衰，直逼一個(gè)臨界點(diǎn)。出來(lái)混，遲早是要還的，結(jié)果是今天的另一方景象，爆炸聲聲，火光熊熊，形勢(shì)告急，談化變色，一聲令下：關(guān)，關(guān)，關(guān)！念，行業(yè)之悠悠，憂，后不見(jiàn)來(lái)者。

(2019年3月21日位于鹽城的一家化工廠發(fā)生爆炸，圖為滅火后的現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)巨坑 | 澎湃新聞)

這，本來(lái)是可以避免的！靠混，混得了今天，混不了明天，混得了一時(shí)，混不了一世。是血的教訓(xùn)，也是新的開(kāi)始。切記： 遵規(guī)致富過(guò)三代，違章謀利毀一生。

人們常有誤解，以為化工就是化工廠， 化工廠當(dāng)然是化工的，但化工絕不僅僅是化工廠 ，凡是涉及反應(yīng)與分離的，凡是用到三傳一反熱力學(xué)知識(shí)的，就是化工。

比如能源，由于歷史原因，能源學(xué)科多半是從機(jī)械學(xué)科發(fā)展過(guò)來(lái)的，因?yàn)橛辛藱C(jī)械，需要驅(qū)動(dòng)，需要驅(qū)動(dòng)，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，還有眼下如火如荼的電池和制氫，都涉及反應(yīng)與分離，都用到三傳一反熱力學(xué)，主要還是化工的東西。

又如環(huán)境，雖然作為學(xué)科，有些從土木發(fā)展過(guò)來(lái)，但歸根結(jié)底還是反應(yīng)與分離，還是化工。

再如材料，材料的生產(chǎn)與加工就是化工，金屬冶煉、無(wú)機(jī)制備、有機(jī)合成、高分子聚合的工業(yè)過(guò)程都是典型的化工過(guò)程，材料作為一個(gè)學(xué)科研究材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，就是從化工發(fā)展過(guò)來(lái)的。

還有煮飯炒菜，其實(shí)也是個(gè)化工過(guò)程，有反應(yīng)、有分離，三傳、一反、熱力學(xué)，掌握火候，做到色香味俱佳 。更不用提油鹽醬醋茶，杯中物，以及心誠(chéng)則靈的保健品了，哪樣不是靠化工弄出來(lái)的？化工大牛常常自喻為老母雞，老當(dāng)益壯，勇于下蛋 。

(材料的生產(chǎn)與加工也是化工 | pixabay)

化學(xué)工程是個(gè)系統(tǒng)工程， 非常講究大視野、大格局，具有非凡的領(lǐng)導(dǎo)力和執(zhí)行力。人類面臨的挑戰(zhàn)有哪些？能源、資源、材料、環(huán)境、健康、食品、安全、反恐等等 。挑戰(zhàn)即是機(jī)會(huì)！如能舉出一個(gè)學(xué)科跟所有這些挑戰(zhàn)都有關(guān)系，都能作出貢獻(xiàn)的，也只有化工，解決這些挑戰(zhàn)都涉及到反應(yīng)與分離，都得用上三傳一反熱力學(xué)。從這個(gè)意義上講，二十一世紀(jì)就是個(gè)化工世紀(jì)，請(qǐng)看這首 賣萌版的《化工之歌》 ：

化工之歌 （賣萌版）

人類面臨的難題，

莫過(guò)于能源、資源、環(huán)境；

老百姓過(guò)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(zhàn)既是機(jī)遇，發(fā)展才是硬道理，

國(guó)泰民安，化工人的使命；

拒絕浮躁追求卓越，

攜手共創(chuàng)化工世紀(jì)。

這篇文章是根據(jù)講稿整理而成（ 原稿刊于 《化工學(xué)報(bào) 》 2019年第 9 期 ），得到了許多前輩和同仁的鼓勵(lì)與幫助，在此一并感謝。并謹(jǐn)以此文，獻(xiàn)給所有為化工事業(yè)忍辱負(fù)重、為民富國(guó)強(qiáng)默默奉獻(xiàn)的人們。

作者名片

排版：Yao

題圖： pixabay