化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的辨證綜合.doc

化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的辨證綜合 【摘要】：綜觀化學(xué)工程學(xué)科的演化和發(fā)展，認(rèn)為這是一個辯證綜合的歷程，而且不論是學(xué)科的分化還是融合，都體現(xiàn)出系統(tǒng)和諧的規(guī)律和性質(zhì)，綜合基礎(chǔ)上的分化與分化基礎(chǔ)上的綜合既是化學(xué)工程!學(xué)科發(fā)展的基本趨勢和規(guī)律，也是學(xué)科建設(shè)和課程改革的基本依據(jù)?！娟P(guān)鍵詞】：化學(xué)工程；系統(tǒng)；和諧；辯證法 自然界中的和諧系統(tǒng)比比皆是，大至宇宙，小到原子；地球生態(tài)系統(tǒng)是和諧的，動植物群落是和諧的，人類社會體系是和諧的，健康的人體更是一個絕妙的和諧體。所有這些和諧系統(tǒng)遵循著同樣的辯證綜合的規(guī)律，具體可以歸納出三條：1統(tǒng)一律；2層次律；3進(jìn)化律；所有和諧系統(tǒng)具有同樣的性質(zhì)：1開放性；2自組織性；3非線性；4無限發(fā)展性1。當(dāng)愛因斯坦把大半生致力于統(tǒng)一場論時，其哲學(xué)上的需要相對物理學(xué)上而言或許要來得大，面對物理學(xué)的系統(tǒng)和諧，理論規(guī)則的分立是不能令他覺得滿意的。而化學(xué)工程的發(fā)展是不是因循同樣的哲學(xué)歷程呢？ 在化學(xué)工程作為學(xué)科開始被重視之前，化學(xué)工業(yè)已具有了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，各種具體的工程與工藝都被獨(dú)立開來，在認(rèn)識上是被分為各門特殊的知識，因此，當(dāng)國外高等院校在十九世紀(jì)末開始設(shè)置化學(xué)工程學(xué)時，開設(shè)的課程大多是學(xué)習(xí)當(dāng)時化學(xué)工業(yè)的各種工藝學(xué)，化學(xué)工程的概念在當(dāng)時還是相當(dāng)模糊的，在理論上充其量是化學(xué)與機(jī)械的一種混合（amalgam）。然而這種理論混合的模式在德國人看來卻是很正統(tǒng)的，即使在今天，他們也避免專論化學(xué)工程，而是稱之為過程工程（Process Engineering），這一名稱實(shí)際上要比化學(xué)工程的范疇更廣，甚至更為準(zhǔn)確，凡是涉及一定流程與工藝的領(lǐng)域都是適用的。但我們習(xí)慣上還是沿用化學(xué)工程的名稱。 二十世紀(jì)開始，化學(xué)工業(yè)迅猛發(fā)展，在社會經(jīng)濟(jì)中占的比重越來越大，客觀上需要化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展和支持。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，人們對事物運(yùn)動規(guī)律性的認(rèn)識也愈來愈深化，愈來愈有概括性。伴隨著其他領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步，人們逐漸認(rèn)識到化學(xué)工業(yè)中各門看似不相干的工程和工藝中存在著共同的物理特性。1901年，美G.E.的Davis化學(xué)工程手冊的發(fā)表，初步提出了化工物理過程的原理。1900年始，以合成氨、純堿、燃料等為代表的近代化工廠出現(xiàn)，如1913年，德哈勃-博施法高壓合成氨技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，星火燎原的，化學(xué)工業(yè)呈現(xiàn)出巨大的發(fā)展前景。到了二十年代，美MIT的一些學(xué)者提出：不管化工生產(chǎn)的工藝如何千差萬別，它們在眾多的典型設(shè)備中進(jìn)行著原理相同的物理過程。1920年，美MIT成立了第一個嚴(yán)格意義上的化工系，時W.K.Lewis任系主任。1922年美國化工學(xué)會認(rèn)同了新的見解，引出了單元操作（Unit Operation）的概念，這一概念在蘇聯(lián)時期和我國則廣泛稱為化工原理。1900年始的分離工程研究使單元操作的概念日趨成熟。被稱為單元操作的過程主要有流體流動、傳熱、干燥、吸收、蒸發(fā)、萃取、結(jié)晶和過濾等，以這些單元操作作為研究和學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，是化學(xué)工程學(xué)科在二十世紀(jì)前半期發(fā)展的核心，其理論迅速成為發(fā)展化學(xué)工業(yè)的重要基石。這種把千變?nèi)f化、千差萬別的過程和工藝概括成單元操作是生產(chǎn)力發(fā)展到一定水平的反映，是化學(xué)工程學(xué)從個性到共性的第一個哲學(xué)性概括，是在一個系統(tǒng)整體性把握的高度上建立了一門技術(shù)科學(xué)，體現(xiàn)了系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的和諧統(tǒng)一規(guī)律。 隨著單元操作概念的確定，另一方面，化學(xué)工程學(xué)科中重要支柱之一的反應(yīng)工程亦逐漸浮出水面。從最初的德Winkler流化床煤氣化爐的應(yīng)用到德Bergim-Pier三相液化床煤液化工藝的開發(fā)，又到1931年丁納橡膠和氯丁橡膠的投產(chǎn)，化學(xué)工業(yè)上發(fā)展的高峰持續(xù)不絕，1940年美國FCC煉油開發(fā)成功，成為石油化工的起點(diǎn)。直到1957年，歐洲第一屆反應(yīng)工程會議，明確提出反應(yīng)工程的概念，成為化學(xué)工程學(xué)科的重要組成部分，是化學(xué)工程學(xué)的進(jìn)一步和諧統(tǒng)一。反應(yīng)工程的建立，乃至今日仍備受困擾的過程放大效應(yīng)問題，及從逐級放大到數(shù)模放大的研究都帶動了化工過程系統(tǒng)工程的發(fā)展，并共同體現(xiàn)了系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的和諧層次律。 就在反應(yīng)工程發(fā)展的同時，單元操作得到了更加深刻的認(rèn)識，人們發(fā)現(xiàn)各單元操作之間存在著更為普遍的原理，過濾只是流體傳動的一個特例；蒸發(fā)不過是傳熱的一種形式；吸收和萃取都包含著質(zhì)量的傳遞；干燥與蒸餾則是傳熱加傳質(zhì)的操作2于是單元操作可以看成是傳熱、傳質(zhì)及流體動量傳遞的特殊情況或特定的組合。這種認(rèn)識的深化過程并沒有停止，人們進(jìn)一步又發(fā)現(xiàn)了動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞之間的類似性。于是從二十世紀(jì)50年代開始，人們綜合了以往的成果，開始用統(tǒng)一的觀點(diǎn)來研究三種傳遞過程。1960年，美威斯康辛大學(xué)（Univ. Wiscosin）的R.B.Bird教授出版了Transport Phenomena一書，系統(tǒng)地采用統(tǒng)一的方法來處理三種傳遞現(xiàn)象，從此化學(xué)工程學(xué)科的核心過渡到了三傳一反的系統(tǒng)性概念。三傳的研究是系統(tǒng)科學(xué)和諧進(jìn)化律的又一體現(xiàn)，使化學(xué)工程學(xué)達(dá)到了一個新的整體性高度，這種高度的和諧統(tǒng)一是對客觀世界本質(zhì)性的認(rèn)識，并在學(xué)科上反映出了系統(tǒng)科學(xué)的基本原理和性質(zhì)，其影響力是普遍性的，是跨學(xué)科的，不僅使傳遞原理成為化學(xué)工程學(xué)的重要基礎(chǔ)，同時在生物工程、機(jī)械、航天和土木建筑等工程學(xué)科上也具有重要意義，并日益成為工程專業(yè)共有的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，只是側(cè)重點(diǎn)有所差異而已。 至此化學(xué)工程學(xué)科自身經(jīng)歷了一系列的演化和發(fā)展，并在短短的一個世紀(jì)中達(dá)到了一個前所未有的高度，涵括了眾多的生產(chǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，如醫(yī)藥、化肥、能源、材料、航天、冶金、日用化學(xué)品等，每年為社會提供數(shù)以億噸計的千百萬種產(chǎn)品，是人們衣、食、住、行須臾不可離開的物質(zhì)基礎(chǔ)，為社會繁榮作出了巨大貢獻(xiàn)。然而事物總是一分為二的，從人類發(fā)展最為激動人心的口號征服自然到今天龐大的工業(yè)化進(jìn)程，地球自然生態(tài)系統(tǒng)遭遇了前所未有的嚴(yán)峻局面，這之中，化學(xué)工業(yè)是造成大規(guī)模環(huán)境污染及惡性重復(fù)污染的主要過程之一，化學(xué)工程學(xué)科需要肩負(fù)起新的使命。1990年，生態(tài)化工（Eco-Chemical Engineering）的概念提出來了，相應(yīng)在化工生產(chǎn)和過程工藝中提出了清潔化工和綠色化工的概念，因時應(yīng)勢，化學(xué)工程學(xué)開始了系統(tǒng)科學(xué)的自組織過程，這也是和諧系統(tǒng)對立統(tǒng)一發(fā)展的需要。在系統(tǒng)科學(xué)看來，自組織是和諧系統(tǒng)的基本性質(zhì)之一，只有自組織系統(tǒng)能通過外部和自身內(nèi)部的不斷協(xié)調(diào)、整合，在適應(yīng)環(huán)境的同時保持自己的特性并產(chǎn)生新的功能。從自發(fā)到自覺地，化學(xué)工程學(xué)吸收了自組織的理論，不斷在廣度和深度上充實(shí)、完善和發(fā)展。 隨著新世紀(jì)的到來，世界正發(fā)生著全球性的變化，經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境和技術(shù)等領(lǐng)域都面臨著新范疇新理念的變更和沖擊3。化學(xué)工程學(xué)科需要因應(yīng)時代發(fā)展而改變傳統(tǒng)的限制，不斷有新的概念提出來，如化學(xué)工程應(yīng)是伺機(jī)而待的專業(yè)（a profession in waiting）；化學(xué)工程師必須be steeped in technology，能夠創(chuàng)新、開發(fā)、變換、調(diào)控和適應(yīng)取代；化學(xué)工程學(xué)科要從Process Engineering達(dá)到Product Engineering再到Formulation Engineering。進(jìn)一步的綜合認(rèn)為，化學(xué)工程學(xué)關(guān)注著同時發(fā)生在非常廣泛的時空跨度內(nèi)的現(xiàn)象，必須具備多尺度、多目標(biāo)的方法來達(dá)到過程的總體優(yōu)化。涵括了五個方面4，5： Nanoscale（納觀尺度）：研究量子化學(xué)、分子過程與分子模擬等。 Microscale（微觀尺度）：研究微粒、氣泡、液滴、控制界面膠束和微流力學(xué)規(guī)律等。 Mesoscale（介觀尺度）：研究換熱設(shè)備、反應(yīng)設(shè)備、塔器以及傳統(tǒng)的單元操作和三傳一反等。 Macroscale（宏觀尺度）：研究生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)過程等。 Megascale（兆觀尺度）：研究環(huán)境過程和大氣生態(tài)過程等。 于是化學(xué)工程學(xué)的核心轉(zhuǎn)變到了多尺度、多目標(biāo)擇優(yōu)的概念，化學(xué)工程學(xué)科又到達(dá)一個新的和諧統(tǒng)一的高度，進(jìn)入了更高層次的系統(tǒng)工程領(lǐng)域。 新的發(fā)展的深度促使化學(xué)工程學(xué)科作出了一定尺度的分化，然而這還遠(yuǎn)未結(jié)束，人們對世界的認(rèn)識還在不斷探索不斷深入，一個更深刻更普遍也更一般的問題已經(jīng)觸到了化學(xué)工程學(xué)科的神經(jīng)，觸到了化學(xué)工程學(xué)的認(rèn)識本質(zhì)，并促使化學(xué)工程學(xué)需要有新的融合。這一問題就是非線性及其包涵的混沌原理，相對于線性是人類認(rèn)識客觀世界的基本工具，非線性則是客觀世界的本質(zhì)特征，是線性反映的目的，是從科學(xué)角度看待世界的一種和諧統(tǒng)一；而在對混沌發(fā)展的研究表明，混沌運(yùn)動的普遍存在，揭示了自然界中實(shí)際系統(tǒng)發(fā)展演化的新行為，混沌態(tài)的自相似性使這種時間演化表現(xiàn)為一種空間結(jié)構(gòu)，而且以其不同空間尺度上的相似性，揭示了系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)動的統(tǒng)一性。這種統(tǒng)一性是一個觀察整體的問題，只有在長時間范圍（因?yàn)榛煦邕\(yùn)動是一種長時間行為）和更高層次復(fù)雜性中才能顯現(xiàn)出來。6，7這一問題涵蓋了自然科學(xué)和人文社會科學(xué)的眾多領(lǐng)域，具有重大的科學(xué)價值和深刻的哲學(xué)方法論意義。馬克思曾經(jīng)預(yù)言：自然科學(xué)往后將會把關(guān)于人類的科學(xué)總括在自己下面，正如關(guān)于人類的科學(xué)把自然科學(xué)總括在自己下面一樣：它們將成為一個科學(xué)。從這一角度上，非線性問題是這種過程一體化的契合點(diǎn)以及整體認(rèn)識論上的共性8。當(dāng)站在這種整體性的高度上，化學(xué)工程學(xué)科獲得了全新的視野和更強(qiáng)大的分析解決問題的能力，并最終具有了學(xué)科融合的基礎(chǔ)。 在整個化學(xué)工程學(xué)科的孕育、誕生和發(fā)展過程中，始終交織著學(xué)科的分化與融合，除了上述尺度（scale）上的分化以外還有著所謂的石油化工、精細(xì)化工、高分子化工等專業(yè)上的分化；另一方面，作為近代工程技術(shù)，它又是自然科學(xué)（化學(xué)、物理等）和技術(shù)科學(xué)（機(jī)械、材料等）的融合。正如物理學(xué)家普朗克（Planck）所指出的：科學(xué)是內(nèi)在的整體，它被分解為單獨(dú)的部分不是取決于事物的本身，而是取決于人類認(rèn)識能力的局限性，實(shí)際上存在著從物理到化學(xué)，通過生物學(xué)和人類學(xué)到社會學(xué)的連續(xù)的鏈條，這是任何一處都不能被打斷的鏈條。事實(shí)上，當(dāng)化學(xué)工程學(xué)科的核心發(fā)展到非線性混沌系統(tǒng)時，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的融合已是其客觀系統(tǒng)性的需要，它需要強(qiáng)有力的非線性解算能力和綜合分析能力?；谌斯ぶ悄芎蜕窠?jīng)生物學(xué)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks）技術(shù)為這種系統(tǒng)性的融合提供了新的思路和途徑。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特有的信息處理能力在愈來愈多的領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，它具有如下特點(diǎn)9，10： 學(xué)習(xí)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)外界環(huán)境修改自身行為，這使它比其他任何方法接受自身感興趣的外界信息更敏感。 概括：經(jīng)過學(xué)習(xí)訓(xùn)練后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)在某種程度上能夠?qū)ν饨缧畔⒌纳倭縼G失或自身組織的局部缺損不再很敏感，反映了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的健壯性（魯棒性），即工程上說的容錯能力。 抽取：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有抽取外界輸入信息特征的特殊功能，在某種意義上可以說它能創(chuàng)造出未見的事物。 模擬：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由眾多的神經(jīng)元組成，以并行的方式處理信息，大大加快了運(yùn)行速度，可以逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。 當(dāng)然，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并非十全十美，其自身的發(fā)展就曾經(jīng)歷過相當(dāng)曲折的過程，但是，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）特性的融合將是化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展到非線性核心系統(tǒng)的自組織適應(yīng)和需要。例如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的控制系統(tǒng)，適應(yīng)性、穩(wěn)定性和智能性均較好，能處理復(fù)雜工藝過程的控制問題，也使得化學(xué)工程師不但也是機(jī)械工程師，還首先是系統(tǒng)工程師，并能從最一般的非線性原理出發(fā)，解決實(shí)際過程的創(chuàng)新、應(yīng)用、開發(fā)、生產(chǎn)等問題。 生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，人類認(rèn)識自然和改造自然的不斷深化，化學(xué)工程學(xué)科必將不斷分化和融合，體現(xiàn)出和諧系統(tǒng)的無限發(fā)展性質(zhì)。參考文獻(xiàn) 1 李立本. 系統(tǒng)的和諧與和諧觀J. 自然辯證法研究, 1998, 14(5):39. 2 韓兆熊. 傳遞過程原理M. 浙江：浙江大學(xué)出版社, 1988, 11:3. 3 季子林, 陳士俊, 王樹恩. 科學(xué)技術(shù)論與方法論M. 天津科技翻譯出版公司, 1991, 9:115 4 金涌, 汪展文, 王金福, 等. 化學(xué)工程邁入21世紀(jì)J. 化工進(jìn)展, 2000,(1):5-10 5 黃仲濤, 李雪輝, 王樂夫. 21世紀(jì)化工發(fā)展趨勢J. 化工進(jìn)展, 2001,(4):1-4. 6 張生心, 梁仲清. 從量子混沌再看物理學(xué)的統(tǒng)一性J. 自然辯證法研究, 1996, 12(10):8. 7 苗東升. 系統(tǒng)科學(xué)精要M. 中國人民大學(xué)出版社, 1998, 5:20 8 成思危. 試