新世紀的化學工程:化學工程的重要內涵 / 呂世源

星期日 , 18, 九月 2016 Leave a comment

新世紀的化學工程:化學工程的重要內涵

呂世源

國立清華大學化學工程系
sylu@mx.nthu.edu.tw

n  化學與化學工程的區別

何謂化學工程?一個簡單且容易為高中生理解的說明方式,是從區隔化學與化學工程入手。從名稱上看,化學工程較化學多了工程。工程乃是用於處理大量或大規模事物之手段。對於有用的產品,要藉由工程手段將之大量生產,以能降低產品成本,讓眾多使用者能夠負擔、蒙受其益。此工程手段之使用於是區隔化學與化學工程。為能適當地使用工程手段,化學工程的內涵除了化學的核心知識外,更包含將大量物質從原料轉變成產品的相關知識。大量生產通常需藉由工廠的操作進行,其進行方式需是安全且無害於環境的,且其結果能產生利潤,以能長期經營。化學工程於是可以說是經由研究發展與工廠之設計、建造、操作以安全且無害於環境的方式生產有利潤的產品來服務人類社會的學問。

一項有用的產品在實驗室中發展完成後,需要藉由工程手段將之大量生產。其生產規模需由實驗室的毎天幾克等級放大到工廠的毎天幾噸等級。實驗室的研發可以不計血本,工廠的生產則必需降低成本、創造利潤、造福大眾。現今的生產成本除原料與製造成本外,也包含對環境衝擊所衍生的環境成本,例如廢棄物的處理、二氧化碳的排放等。實驗室的研發可以試管、燒杯、攪拌棒等小型器具進行,工廠的生產則需使用反應槽、輸送管線、熱交換器、蒸餾塔等大型設備方可達成大量生產。試想一個簡單的AB均勻混合的操作,在實驗室可以量筒、燒杯及攪拌棒輕鬆達成,但如果是在工廠要處理噸級的量,則非使用輸送管線、反應槽、攪拌設備不可,其相關設計與操作則是化學工程的重要內涵。這些大型設備的設計、操作與連結,配合適當的化學與生物反應,得以將原料大量生產成產品。這種藉由適當化學(生物)反應單元與物理操作單元之配合,以達成從原料到產品之大量生產目的的程序,稱之為製造程序,簡稱製程。化學工程的目的即在於此,發展、設計、建構、操作製程以大量生產有用的產品。化學工程師因精於此道,過去常被稱為製程工程師。

n  化學工程的內涵

化學工程的學習除了基礎的化學核心知識外,包括普通化學、有機化學、分析化學、物理化學等,還得加上達成大量生產目的的工程手段所需的相關知識。如果將化學工程粗略地分為〝化學〞與〝工程〞兩部分,則〝化學〞的部分包括探討一個程序能否進行的化工熱力學與探討一個程序能多快進行的反應工程。〝工程〞的部分主要經由物理操作以達成反應條件的設定,原料與產品的傳送及產品的分離與純化等。這些物理單元包括管線輸送、攪拌、流體化、旋風分離、熱交換、乾燥、蒸餾、萃取、吸收、吸附、過濾等,稱之為單元操作。這些單元操作進行的基本原理可歸納成動量、能量與質量之輸送,因此還需進行輸送現象課程的學習。可以說單元操作是輸送現象的應用,而輸送現象是單元操作的原理。前面提到,製程是化學工程的主體,如何將製程控制在最適操作狀態以取得最適操作結果,亦是一重要關鍵,因此需修習程序控制學。化學工程的修習,最後以一門總驗收的課程,程序設計,來結尾。學生需將之前所學習到的化學工程18式融會貫通,應用到一項產品的製造程序的設計,其所牽涉到化學(生物)反應單元與物理操作單元為何、如何安排與串連、其反應與操作條件如何設定、程序控制儀表如何建置等。另外值得一提的是,任何工程問題都牽涉到計算,因此微積分與工程數學(微分方程、線性系統、向量微積分等)之修習亦不可免。總的來說,化學工程之內涵牽涉到的不僅是化學而已,還要加上物理、生物與數學,是所有工程科系中對自然科學的基礎要求最完整的。對化學有興趣僅是適合念化工的必要條件,而非充要條件!圖一展現化學工程的整體修習內涵。

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圖一:化學工程的修習內涵

n  化學工程的應用與省思

製造程序之發展、設計、建構與操作既是化學工程的拿手絕活,化學工程的應用自不僅限於化學產業。任何牽涉到使用製造程序以獲致產品的產業,都需要化學工程師。化學工程之應用與時俱進,從牙膏、肥皂、菸酒、石化到半導體、光電、生物技術、環境與能源產業都需要。現今人類所面臨的兩大生存危機,一為化石原料的過度使用,造成化石能源枯竭所產生的能源危機,二為二氧化碳過度排放所導致的全球氣候極端化與生態浩劫。發展乾淨的替代能源與減少二氧化碳排放是人類在本世紀必需積極從事且要成功突破的科技挑戰。不管是二氧化碳的減排、捕捉、再利用或是太陽能、生質能、氫能的發展,都是化學工程師能夠積極貢獻,也是責無旁貸的任務。有志之士,盍興乎來!

 

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