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​深度好文 | 朱世平教授:《化工之歌》

来源(化工学报)   2019-09-12
导读:朱世平教授撰写的“化工之歌”一文,将具有严谨的科学性内涵的化工学科的方方面面通过浅俗的灵动性语言清晰地展现出来,笼天地于形内,解读得生动而透彻。我以我歌见真知,在科技文明的语境中宏大、精深的化工世界也可以这样传唱。

化学工程师是何方神圣?有人说是一群会挣钱的化学家,也有人说是一众懂一点儿化学的机械工程师,有人说是一帮麻烦制造者,也有人说是一伙问题解决者,这些说法都有点儿道理,但都不全面。

工程师的基本训练是解决问题,不是制造问题,工程的四大支柱学科是机械、电机、土木和化工,也就是人们常说的机电土化,许许多多工程学科都是由此四个祖宗学科通过交叉衍生出来的,可谓儿孙满堂,比如:能源、交通、航海、航空;又比如:计算机、软件、信息、控制;再比如:建筑、环境、资源、地质;还有:材料、冶炼、高分子、生物工程等等,不一而足,发展出了几百个大大小小的子子孙孙工程学科。

工程学科的发展和演义可以简单粗暴地编成口诀:

工程学科演义

Evolution of Engineering Disciplines

机:能、交、海、空

Mechanical: energy, transportation, ocean, aerospace

电:机、软、信、控

Electrical: computer, software, IT, control & automation

土:建、环、资、地

Civil: architecture, environmental, resource, earth

化:材、炼、高、生

Chemical: materials, metallurgy & refinery, polymer, biochemical


化工之歌

那么化学工程(简称化工)有什么特殊的地方呢?化工是化学与机械结合的产物,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“没事找乐”,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“无中生有”。工和理相依为命,理是基础,工是应用。比如说,蒸汽机、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,设计出了卡诺循环,这是理。基于这个理,做出了蒸汽机、空调和电冰箱,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),也有说要加天文和地理(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。

化学和机械的结合是一加一大于二的有机结合,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”:有机化学、无机化学、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,没有化学的化工是无源之水、无本之木,没有化工的化学是坐而论道、纸上谈兵。

什么是化工?化工是什么?化工人会自豪地脱口而出:“三传一反”!化工人对“三传一反”有一份托付终生的情感。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)。什么是“一反”?不是反动、反对、反省,而是反应工程。“三传一反”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。

那能不能用一句简单明了谁都能听得懂的话来定义化工呢?书本上网页里有许许多多说法,各有各的优劣,有些很雅,也有些很俗,雅俗共赏的说法不多。本人认为比较恰当的“化工一句话”是:化工是有关材料与化学品生产与加工的学科,强调安全、可持续地盈利,需要利用计算机作设计、优化和控制。这句“显而易见”的说法,相信一定有人提过,只是本人孤陋寡闻,找不到出处,列不出引用文献,有看官知道的,帮忙补缺,不胜感激。

化工一句话

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

化工是有关利用设计、优化和控制手段安全、可持续和盈利的方式生产与加工材料与化学品的学科(Chemical engineering is about production and processing of materials and chemicals in safe, sustainable and profitable ways through design, optimization and control)。

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化工的两大基石是:反应与分离。反应与分离哪个更重要呢?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。

反应与分离各有三个基本问题:多远?多快?怎么搞?在反应领域,首要问题是:反应有没有可能?能走多远?也就是,原料转化成产物能有多彻底?比如说,塑料是碳氢化合物,金刚石也是碳,能不能把塑料垃圾烧成金刚石呢?能的话,收成几何?这是个化学反应平衡问题,这方面的知识是从一门叫热力学的课程里学到的,热力学是门非常有趣的课,许多哲学思想,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,一度电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,一度电比一度热金贵,因为一度电很容易变成一度热,而一度热变回一度电就麻烦了。再比如,最低温度是多少?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(℃),那太小儿科了,最低温度叫绝对零度,0开氏度(K),即零下273.15摄氏度,想象一下那是个什么世界,冷得发抖?还能抖起来?一切都静止了,还抖什么抖。热力学还有个特点,就是不关心时间,热力学里没有时间概念,不在乎快慢,如果一个热力学的教授老催着学生快交作业的话,好像不是个好的热力学教授,热力学只管可行不可行,管平衡,管多远,不管多快。

化学反应有多快?总不能耗上一年半载生产几公斤产品吧,喝西北风去?这个问题需要动力学来解答,动力学就是关于速率的一门课,单位时间单位体积里能出多少产品?请记住,不是越快越好的,太快了也会造成麻烦,比如爆炸,关键是可控,要多快就多快,要多慢就多慢,安全生产才是硬道理。

课本上的许多知识在日常生活中是可以活学活用的,比如泡绿茶,高手泡出来的绿茶,过了夜还是绿绿的,一股清香,诀窍就在掌握反应动力学,用开水泡上几分钟,把叶子滤掉,立即降温,完美。因为绿茶没有发酵过,含有碳水化合物,叶子继续泡在水里就会发酵变黄变黑,又因为发酵是个氧化反应,反应速率跟温度很有关系,温度越高反应越快,只有滤掉叶子降低温度才能保持绿茶的绿色和清香,不妨试试。

催化是有关动力学的一门课,催化就是加快或减慢化学反应,催化改变不了热力学,但能改变动力学,可别小看催化,许多革命性的变化就是催化带来的,比如,用乙烯做聚乙烯,二十世纪三十年代就做出来了,可是需要高温高压苛刻条件,很不容易,直到五十年代,齐格勒和纳塔发现了四氯化钛和三乙基铝能在常温常压下催化乙烯聚合,还能制备聚丙烯,由此带来了高分子材料工业革命。

解决了“多远”和“多快”,就剩“怎么搞”了?也就是反应器工程,反应器的类型很多,坛坛罐罐,管管道道,立式、卧式,间歇、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,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,机器学习,工艺学习,结合工业大数据,艺高人胆大,绕过一些中试。

全凭经验毛估估的东西还不能算现代科学,应该是艺术,艺术和科学很不一样,科学是从复杂的现象中找出简单的原理,想想宇宙多复杂,看看爱因斯坦公式E=MC2吧,简单得要死!不服不行,还必须五体投地。数学是最美的语言,能用数学表达的东西尽量用数学表达,一句顶一万句。科学从复杂到简单,而艺术恰恰相反,艺术家能从单调无聊的生活中,司空见惯的环境里,看到凡人看不到的,说不清道不明的美,从简单到复杂,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。

此时此刻,想起了北岛那首只有一个字的诗,《生活》:网。没读懂?太无知!读懂啦?真无知!

科学和艺术是相通的,但不是简单的学几门课就能通的,就训练而言,科学从复杂到简单,艺术从简单到复杂,是相反的,孩子究竟适合文科还是理科,父母是可以判断的,实验很简单,找几件很复杂的东西,让孩子讲讲,如能三言两语说得清清楚楚明明白白,绝对是理工的料,再找几件简单的东西,如能绘声绘色头头是道,应该是文科的料,实验要多做,因为有误差 。文理相融,是人们的追求,不是低层次的一加一等于二,而是高层次一加一大于二的一种协同效应。

反应与分离是化工的两大基石,各有三个相同的基本问题:多远?多快?怎么搞?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,傅老提得更早,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,飞机在天空中飞行、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。

分离的最后一个问题也是“怎么搞”,需要单元操作,化工人的拿手好戏,最著名的单元操作要数蒸馏,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、膜分离等等单元操作,懂得单元操作的人,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,把液体倒给自个喝,把冰化了给老爸,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。

以上这些内容可以总结成“化工一页纸”:

化工一页纸

One Page of Chemical Engineering


反应

Reaction: A + B → C + D


多远 How far?

热力学 Thermodynamics

多快 How fast?

动力学和催化Kinetics & Catalysis

怎么搞 How to?

反应器工程 Reactor Engineering

分离

Separation: (A+B+C+D)→A+B+C +D


多远 How far?

热力学 Thermodynamics

多快 How fast?

传递过程 Transport Phenomena

怎么搞 How to?

单元操作 Unit Operations

不得不承认,这化工一页纸是极其简单粗暴的,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:反应器里的三传,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。

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理工语言的确贫乏,难怪理工男成了不堪的贬义词,为了化工,就豁出去了,来一瓶重口味的“朱氏酱油”:学术版《化工之歌》打油诗,看看合不合各位看官的口味?深知众口难调,请多多包涵。

学术版

化工之歌

熵焓指明了方向

发展要平衡可持续,

活化能催化出速率

做事要张弛有度讲究效益,

菲克、傅立叶定律

启迪了品质的飞跃

温暖的传递

无边无际,

纳维尔-斯托克斯方程

表述了澎湃的心涛

燃烧的激情

奔腾不息,

反应釜中知冷知热

分离塔里经风历雨。

卖萌版

化工之歌

人类面临的难题

莫过于能源、资源、环境,

老百姓过日子忧心

最不堪食品安全、空气、水,

“三传一反”的智慧

单元操作的能力

排忧解难

化工是排头兵,

挑战即是机遇

发展才是硬道理

国泰民安

化工人的使命,

拒绝浮躁追求卓越

携手共创化工世纪。


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?”司机:“有。”警察:“下来走直线。”如果司机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,警察就是在测司机的熵值,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。

活化能是动力学的一个重要概念,活化能的高低决定反应快慢,就像爬山一样,山高了,爬得慢,要加快的话,就得加热加温加能量,山两边的高低决定了化学反应是吸热还是放热,这边比那边高,爬过去了,就放热,反之这边比那边低,就吸热。放热吸热是热力学问题,活化能把动力学和热力学扯在了一起。

菲克定律管传质,傅立叶定律管传热,所以启迪了品质的飞跃和温暖的传递,两个定律都是微分方程,给个边界条件:无边无际。纳维尔-斯托克斯方程解释气体和液体的流动行为,用来表述澎湃的心涛和燃烧的激情正合适,给个起始条件:奔腾不息。

反应釜中知冷知热,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。正是因为太实用,机会多多,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,三传一反没关系,安全生产谁在意,百吨千吨万吨级,腰包才是硬道理。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,爆炸声声刺耳,火光熊熊灼眼,形势告急伤心,谈化变色绝情,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。这,本来是可以避免的。是教训,也是新的开始。

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,凡是涉及反应与分离的,凡是用到三传一反热力学知识的,就是化工,比如能源,由于历史原因,能源学科多半是从机械学科发展过来的,因为有了机械,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,都涉及反应与分离,都用到三传一反热力学,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,但归根结底还是反应与分离,还是化工。再如材料,材料的生产与加工就是化工,材料作为一个学科研究材料结构与性能关系,是从化工发展过来的。还有煮饭炒菜,其实也是个化工过程,有反应、有分离,三传、一反、热力学,掌握火候,做到色香味俱佳。做不好一桌饭菜的人,搞不好化工,我算个例外。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“三传一反”砖家的,也没人做“化工一页纸”里的科研。误会误会,牛人们学富五车、才高八斗,“化工一页纸”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、安全,you name it,不在话下,只要涉及反应与分离,只要用到三传一反热力学,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。

化学工程是个系统工程,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。挑战即是机会!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应与分离,都得用上三传一反热力学。从这个意义上讲,二十一世纪就是个化工世纪。紧接着学术版《化工之歌》,再编了个口味更重的卖萌版《化工之歌》,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。

大凡科普,多半是忽悠外行的,无非是想得到大众对本学科本行业的认可,后继有人,可本文作者更希望同行能读读,有话想说,憋着难受,靠不靠谱,也就管不了了。这篇文章是根据讲稿整理而成,得到了许多前辈和同仁的鼓励与帮助,在此一并感谢。

谨以此文,献给所有为化工事业忍辱负重、为民富国强默默奉献的人们(本文刊于《化工学报》2019年9期)。

关于作者

朱世平先生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,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 。

朱世平教授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。

朱世平教授热心教学与科普,最近两年,走进国内一百多所高校和高中,讲科学、学科、科研,讲化学、化工、材料、高分子,鼓励年轻人学好理工技,货与百姓家,走实业报国之路。