工程学（4）——化学工程

化学工业和电气工业是现代社会的基础设施，它们一开始就是科学密集型的产业。不像土木工程和机械工程那样历史源远流长，化学工业和电气工业没有前者那样的久远传统，它们源于化学和物理的科学发展。

自从拉瓦锡的著作在18世纪80年代出版以来，化学结束了他过去的炼金术历史，变成了独立定义的科学，并最终通向了原子科学。化学在医学和其他领域中的实际应用，总是受到重视与追求，实用性增进了化学的普及性。

从18世纪未开始，新的推动了来自蓬勃发展的纺织工业，衣物的漂白和印染迫切需要生物碱的化学替代品，这是当时的紧缺物资。英国一度在这些重化工产品的生产中领先，但到了19世纪末期，英国就渐渐被美国超越了。

有机化学在1810年问世。在珀金于1856年发现第一种苯胺染料以后，全欧洲的所有化学家都竞相把苯胺和他们在实验中废弃的任何化学物质进行反应，以便创造出各种颜色。在凯库勒于1865年发现苯的六边形形状结构后，化学家们在探索类似燃料或药物的有机成分时得到了理论的帮助。德国的巴斯夫（BASF）、霍斯特和拜尔公司，都是由化学家在1863年左右成立的。德国化学公司与大学和工业研究实验室建立了紧密的联系，使得他们能开发出上百种染料，并以比竞争者更低的单位成本来生产，并且分化出像制药业那样的其他领域。德国人很快就在精细化工制品方面超过了英国，并继续在合成染料方面独占鳌头。

德国是化学和化学工业的世界领袖，但并不是德国人把化学工程发展成为一门富有特色的学科，化学工程是由乔治戴维斯在英国构想出来并通过美国人得以最终实现的，这些美国人是麻省理工学院的沃克、刘易斯、利特尔。1888年，麻省理工学院设立了首个定名为化学工程的四年制课程，1920年化学成为了一个独立的系。宾夕法尼亚大学在1892年设立了第二个化学工程系。

富有特色的化学工程是在20世纪早期发展起来的。沃克、刘易斯和利特尔勾勒了单元操作并将之系统化，其基本流程普适于许多其他类型的化学反应器，使得工程师在反应器设计中能够以单元形式进行组合与相配。由于化学核心课程的成熟，化学工程吸引了越来越多的学生。

早在19世纪，许多化学方法已经在工业上获得了应用，为了解释它们，一门化学的分支发展起来。行业化学家把每一种生产工艺都看作一套单元，而不是把它们解析为各种构成部分，他们编写的教科书犹如烹饪大全，其中罗列的工艺足有上百种，各种方法互相独立而又有重复之处。

同工业化学相比较，化学工程学却从整体论转向分析法，从个别转向类型。它解析每一种工艺流程，关注点不是在于个别的实例，而是在于对许多工艺流程通用的操作类型。组分操作遵从一般的原理，它构成了化学工程学的统一基础。

工程师把一般工艺分解为若干主要步骤，其中包括准备原材料，控制反应条件，提取最终产品等等。而对每一步骤的进一步分解又显示为若干单元操作的组合，其中含有的类型数目是有限的。每一种化学工艺都可以分为准备、反应、分离三个阶段，每一个阶段都拥有各种各样的单元操作。

把化工工艺解析为单元操作还只是第一步。为了挖掘和综合一种新工艺的特定操作，工程师必须理解在一定条件下为什么要进行这样的操作，为此，需要掌握操作中潜在的数学关系。自从19世纪80年代后期以来，物理化学家们一直在对这些操作方法进行研究，沃克、刘易斯和麦克亚当斯把物理化学和热力学结合起来，解释了无数的单元操作是如何运用流体运动和热传递等普遍原理的。

有效的预言是科学的特长。牛顿力学使得物理学家能够预测彗星，类似地，工程师也能够在他们的设计作业中预测产品的性能。与自然科学所不同的只是工程科学所强调的实践性。

青霉素的战时生产充分体现了工程科学的快速适应能力，也有力显示了工程科学在产生实际成果方面补充自然科学的必要性。费莱明在1928年发现青霉素之后，人们企盼利用其巨大作用的兴奋心情很快就消退了，因为当时尚无人能够找到一条能生产足够数量青霉素以供临床试验的途径。

1941年6月，佛洛里携带他的研究成果来到美国，一个为了通过青霉素拯救二战士兵生命的国际合作项目迅速确立。虽然科学研究改进了工艺流程，但青霉素产量仍然远远不够。于是，工程师们积极行动起来，美国辉瑞公司的工程师在容量1000加仑的反应罐中引进了深浸发酵法。美国默克公司的工程师发明了氧气输送的激式循环工艺，这个工艺成了适于培养好氧微生物反应器的核心技术。在诺曼底登陆之前9个月，青霉素的研制已经完成了中间试验阶段。美国辉瑞公司在纽约布鲁克林开设的第一家工厂，从设计到投产前后只用了短短5个月时间。1944年6月6日，盟军反攻诺曼底时，辉瑞工厂每月的生产量已经超过10万份剂量，为参与反攻的盟军士兵准备了充足的青霉素供应。