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化学工程,简称化工,是研究以化学工业为代表以及其他过程工业(例如石油炼制、冶金食品印染工业等)生产过程中有关化学过程与物理过程的一般原理和规律,并且应用这些规律来解决过程及装置的开发、设计、操作及改善问题的工程技术学科。它主要研究大规模改变物料中的化学组成及其机械物理性质。简单地定义化学工程的本质,它是以数学及少量的物理观念为基础应用于化学工业上,来替生产各式化学品或是物料的工厂提供一个最节省成本的反应流程设计方式。实验研究、理论分析和科学计算已经成为当代化工研究中不可或缺的三种主要手段。

历史

化学工程是建立在其最基础的概念——单元操作之上[1]。多数人认为乔治·戴维斯发明了单元操作这项学科,但并没有积极地去发展它。1887年,他在英国曼彻斯特大学开课教授单元操作,被认为是化学工程的早期先锋。早在戴维斯开这门课的三年前,亨利·爱德华·阿姆斯特朗便已在伦敦城市研究所行业协会开了一门学位课程;然而,当时多数的雇主都偏好雇用化学家机械工程师,其课程的毕业生前景并不被看好,因此失败收场。而美国麻省理工学院英格兰曼彻斯特维多利亚大学以及伦敦大学所开授的相关课程也都面临了类似的情况。

路易斯·诺顿从1888年开始,在麻省理工学院开授了全美第一门化工课程。诺顿的课程与同期的阿姆斯特朗的课程,基本上互相类似,皆合并了化学与工程等学科知识。当时从事本行的初期化学工程师都面临了身份上的问题,他们一方面像是工程师,另一方面又不仅是一般的化学家。1905年,威廉·沃克在自己的课程中介绍了单元操作的理论。到了1920年代,单元操作已经在前述学校与学院中,成为化学工程重要的一环。1908年成立的美国化学工程学会(AIChE)是让化学工程成为独立科学学门的一个重要角色。此外,在它的成立与推动之下,单元操作成为化学工程学的重点领域。与此同时,于1922年成立的化学工程协会(IChemE)也确立了化学工程为一门独立的学科。

演进

1940年代,仅就单元操作已不足以应付化学反应器的发展;然而,单元操作在英国美国各学院的化工课程中,依然处于优势。直到1960年代,输送现象才开始受到较大的关注。输送现象提供了化学工程一个系统分析的方法。第二次世界大战前后的化工发展,主要是由石化工业所引领的,不过其他领域亦有所发展。1940年代,生化工程与制药工程开始有所进步,技术已足以大量生产青霉素链霉素等医用抗细菌药。同时,高分子科学于1950年代的发展[2],促进了后来塑胶工业的兴起。

近期发展

随着计算机科学的迅速发展,大大简化了人工计算与手绘的复杂过程。人类基因组计划的完成不仅是化学工程学的进步,也被视为是一项基因组学与基因工程的重大发展。化工原理亦被运用在大量制造核酸序列。

视频

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参考文献