化学工程学科的历史及前沿故事（刘明言）

在普通大学本科课程教学中，一般难以专门安排较长学时进行学科历史故事及前沿进展等方面的授课，而了解这些方面的相关知识，对于启迪大学生的创新思维、培养创新能力等又十分重要。为此，我们结合“天津大学一流本科教育 2030 行动计划”和“新工科”建设要求，2019年特地申请了“天津大学第一批新工科通识教育课程”教改立项，面向全校所有专业的本科生新开设《化学工程学科的历史及前沿故事》通识课程。自2020年3月开设第1期新课程以来，已有6期800余名本科生选修，教学评价优秀。同时，该教改项目2022年9月也已结题，成绩优秀。但是，由于是新开课程，开课时间短，因此，该通识课授课用的都是新编讲义，尚没有教材。本天津大学“十四五”规划教材《化学工程学科的历史及前沿故事》就是该通识课程的配套教材。目前国内外尚未见到这方面的教材出版。本教材也可供研究生选用。
本教材编写团队由教学经验丰富、科研成果丰硕的老、中、青教师组成。具体各章节编写内容及编著者为：第0章 绪论（刘明言，天津大学）；第1章 化学工程学科的创立及前沿（刘明言、马永丽，天津大学）；第2章 流体力学（刘明言、马永丽，天津大学）；第3章 流态化（马永丽、刘明言，天津大学）；第4章 混合（张金利、刘玉东、郭俊恒，天津大学）；第5章 传热（刘明言、马永丽，天津大学）；第6章 蒸馏（吴松海、贾绍义、宋佳、韩煦，天津大学）；第7章 膜分离（王志、吴洪，天津大学）；第8章 工业结晶（周丽娜，天津大学）；第9章 微化工（付涛涛，天津大学）；第10章 人工智能与化工（王靖涛、张壮、饶思麟，天津大学）；第11章 催化科学（李新刚，天津大学）；第12章 食品工程（周志江，天津大学）；第13章 制药工程（赵广荣，天津大学）；第14章 生物工程（张传波、卢文玉，天津大学）；第15章 油田化学品（刘钟馨，海南大学）等。各章内容包括化学工程学科发展中涉及的基本概念，并强调伴随着学科发展而出现的各种有趣的历史及前沿小故事等，以启发学生的思考和兴趣。第11～15章是化工相关领域的内容。同时，教材的内容也包括作者多年的教学实践和科研成果总结。
需要指出的是，化学工程学科的诞生和发展已有百年历史，其形成和发展历程丰富多彩，相关文献也浩如烟海。限于时间和篇幅，一些化学工程学科理论的应用领域，例如：石油炼制、基本有机化工、基本无机化工（酸、碱、盐等）等内容暂没有包括。鉴于作者的知识和能力有限，仅能撷取知识大海中的一滴水奉献给读者，而且也难免会有疏漏之处，恳请读者及时指出和纠正！

编著者   
2023年8月  

本书简要介绍化学工程学科的诞生、发展、前沿以及相关的有趣故事等。重点阐述与《化工原理》（或《化工单元操作》）、《传递过程原理》（或《动量、热量和质量传递》）以及《化学反应工程》等化学工程专业本科生核心课程教材相关的延伸内容，包括学科发展史、流体力学、流态化、混合、传热、蒸馏、膜分离、工业结晶、微化工、人工智能与化工等化工过程的历史及前沿故事，也涵盖催化科学、食品工程、制药工程、生物工程、油田化学品等相关领域的历史及未来发展方向等内容。
本书可供开设有化学工程学科的高等院校作为本科生或研究生的通识课教材使用，也可供从事化学工程学科相关方向研究开发和工业生产的科研机构及企事业单位的同仁参考。作为具有一定科普成分的教材，也可供有兴趣了解化学工程学科发展历史及现状的其他专业学者及中小学生参考。

第0章 绪论	001
0.1 化学工业简介	001
0.1.1 化学工业的概念	001
0.1.2 化学工业的特点	001
0.1.3 化学工业在国民经济中的地位	001
0.2 化学工业的历史和现状	002
0.2.1 古代化学工业	002
0.2.2 近现代化学工业	002
0.2.3 我国的化学工业基础	003
0.2.4 化学工业的发展趋势	003
0.3 化学工业的分类	003
0.4 化学工业发展的标志	004
0.5 化学工程学科的诞生及使命	004
0.5.1 化学工程学科的诞生	004
0.5.2 化学工程学科的使命	004
0.6 化学工程师的职责	004
0.7 “化工”一词的涵义	005
0.8 化学和化工的关系	005
0.9 化工涵盖的专业方向及人才去向	006
0.9.1 化工涵盖的专业方向	006
0.9.2 化工人才的工作去向	006
0.10 小结	006
思考题	006
参考文献	007

第1章 化学工程学科的创立及前沿	008
1.1 化学工程学科的创立	008
1.1.1 学科的内涵	008
1.1.2 化学工程学科的涵义	008
1.1.3 化学工程学科人才应具备的能力	009
1.1.4 化学工程学科的历史沿革	009
1.2 化学工程学科的前沿	018
1.2.1 了解化学工程学科研究领域的途径	018
1.2.2 化学工程学科的前沿支持方向	019
1.2.3 需求新变化给化学工程学科带来的新机遇	022
1.2.4 化学工程学科的未来展望	024
1.3 小结	026
思考题	026
参考文献	026

第2章 流体力学	027
2.1 流体力学发展简史	027
2.1.1 流体力学的应用背景	027
2.1.2 流体力学的发展简史	027
2.1.3 流体力学的研究方法	038
2.1.4 流体力学的发展方向	038
2.2 湍流界面减阻	039
2.2.1 湍流减阻简介	039
2.2.2 湍流减阻方法	039
2.2.3 湍流减阻的未来发展方向	040
2.3 小结	040
思考题	040
参考文献	041

第3章 流态化	042
3.1 什么是流态化工程	042
3.1.1 流态化现象	042
3.1.2 流态化操作的主要优缺点	042
3.1.3 流化床的基本结构	043
3.1.4 自然界的流态化现象	043
3.1.5 流态化的工业应用	043
3.2 流态化的发展简史	045
3.2.1 流化床反应器的历史	045
3.2.2 我国的流态化发展史	046
3.3 流态化的前沿方向	046
3.3.1 基于过程工业应用需求的流态化应用研究	046
3.3.2 基于流态化工程科学未来发展趋势的基础研究	047
3.4 小结	047
思考题	047
参考文献	047

第4章 混合	048
4.1 混合及其设备简介	048
4.1.1 管道混合器	049
4.1.2 射流混合器	050
4.1.3 撞击流混合器	050
4.1.4 微通道混合器	052
4.1.5 超重力混合器	053
4.1.6 旋转圆盘混合器	055
4.1.7 搅拌混合器	056
4.1.8 高剪切混合器	057
4.1.9 高压均质机	059
4.1.10 捏合机	060
4.1.11 混炼机	061
4.2 混合过程的前沿和趣事	062
4.2.1 咖啡中牛奶、奶泡和咖啡分层的效果如何形成？	062
4.2.2 和面中的混合搅拌	064
4.2.3 有趣的墨汁混合效应	064
4.2.4 马兰戈尼的混合之美	065
4.2.5 流体混合中的“生命之花”	066
4.2.6 流体混合中的分层现象—能回到“过去”的流体？	067
4.2.7 微流控芯片	068
4.2.8 混合强化燃烧—强劲的发动机	068
4.2.9 混合强化化学反应过程	069
4.2.10 混合强化纳米材料的制备	072
4.3 小结	073
思考题	073
参考文献	074

第5章 传热	076
5.1 传热历史沿革	076
5.1.1 什么是传热	076
5.1.2 传热发展简史	077
5.1.3 传热研究的前沿方向	085
5.2 微纳表面传热新方向	086
5.2.1 单相对流的影响因素	086
5.2.2 沸腾的影响因素	089
5.2.3 冷凝的影响因素	090
5.2.4 微纳表面强化单相对流	090
5.2.5 微纳表面强化沸腾	091
5.2.6 微纳表面强化冷凝	091
5.2.7 其他传热新方向、新方法	092
5.3 小结	092
思考题	092
参考文献	092

第6章 蒸馏	094
6.1 蒸馏技术历史沿革	094
6.1.1 蒸馏起源与发展	094
6.1.2 蒸馏原理与分类	095
6.1.3 蒸馏特点与应用	097
6.1.4 蒸馏过程的理论基础	097
6.1.5 蒸馏设备与塔器	098
6.2 蒸馏技术新进展	102
6.2.1 蒸馏过程强化	102
6.2.2 蒸馏过程节能	104
6.2.3 蒸馏与数字化	108
6.3 小结	109
思考题	110
参考文献	110

第7章 膜分离	111
7.1 膜分离技术概述	111
7.1.1 膜分离技术的起源	111
7.1.2 膜与膜过程简介	112
7.1.3 膜分离技术的应用	112
7.2 反渗透技术的历史及进展故事	114
7.2.1 反渗透技术简介	114
7.2.2 反渗透技术的发展起源	115
7.2.3 反渗透膜的历史及进展	116
7.2.4 反渗透膜的商业化进程	117
7.2.5 反渗透技术在中国的发展进程	119
7.2.6 反渗透技术的发展前景	120
7.3 膜技术在能源领域的应用	120
7.3.1 燃料电池隔膜	120
7.3.2 锂电池隔膜	127
7.4 膜技术在医疗领域的应用	130
7.4.1 血液透析膜（“人工肾”）	130
7.4.2 体外膜肺氧合膜	132
7.5 小结	135
思考题	135
参考文献	136

第8章 工业结晶	139
8.1 中国工业结晶的历史	139
8.1.1 结晶在制盐行业中的发展	139
8.1.2 工业结晶技术在中国的发展	142
8.2 工业结晶技术的“热门话题”	144
8.2.1 高端“晶”品制造	144
8.2.2 医药工业结晶及药物多晶型	146
8.2.3 绿色分离“晶”制技术	148
8.2.4 智能制造在工业结晶中的应用	149
8.3 多种分析手段及PAT技术在工业结晶技术中的应用	151
8.3.1 晶型分析方法	151
8.3.2 粒子形态分析方法	152
8.3.3 过程分析技术	153
8.3.4 在线分析技术在工业结晶中的应用	156
8.4 小结	158
思考题	159
参考文献	159

第9章 微化工	160
9.1 微化工技术基本概念及特征	160
9.2 多相微化工基础及界面传递现象	160
9.2.1 气泡（液滴）的生成	160
9.2.2 气泡（液滴）在错流接触T形微通道内的生成	161
9.2.3 受限型分散相（气泡或者液滴）的破裂方式	162
9.2.4 非受限分散相（气泡或者液滴）的破裂方式	162
9.2.5 转变区域内的气泡（液滴）破裂行为	162
9.3 黏度比的影响	162
9.4 气泡（液滴）在聚焦流十字形微通道内的生成	163
9.4.1 气泡的生成	163
9.4.2 液滴的生成	164
9.5 复杂结构微通道内气泡（液滴）动力学	164
9.6 面向碳减排的微化工基础及应用	166
9.7 小结	168
思考题	168
参考文献	168

第10章 人工智能与化工	170
10.1 人工智能简史	170
10.2 我国的人工智能战略	171
10.3 人工智能主要算法简介	173
10.4 人工智能与化学化工	174
10.4.1 化学工程与人工智能简史	175
10.4.2 人工智能在化学化工中的应用	177
10.4.3 工业互联网与智能化工园区建设	181
10.5 小结	183
思考题	184
参考文献	184

第11章 催化科学	185
11.1 催化科学的发展历史	185
11.1.1 催化是化学改变世界的加速器	185
11.1.2 “衣食住行医”相关的工业化重大成果	187
11.2 催化科学前沿进展	191
11.2.1 费-托合成反应	191
11.2.2 二氧化碳催化转化	193
11.2.3 机动车尾气污染物催化净化	195
11.2.4 光催化	198
11.2.5 手性催化	200
11.3 小结	202
思考题	203
参考文献	203

第12章 食品工程	205
12.1 食品工程的历史沿革	206
12.2 食品工程的前沿进展	209
12.2.1 纳米科学与技术	209
12.2.2 食品固体的弛豫、玻璃化转变和工程性质	209
12.2.3 非热加工技术	210
12.2.4 3D打印食品	211
12.2.5 人造肉	212
12.2.6 食品工业数字化转型	213
12.2.7 食品智能包装系统	214
12.2.8 食品过程建模与虚拟化	216
12.2.9 超加工食品与健康	217
12.2.10 大数据与食品个性化设计	219
12.3 小结	219
思考题	219
参考文献	219

第13章 制药工程	223
13.1 概述	223
13.1.1 药品与制药链	223
13.1.2 制药工程	224
13.2 化工制药	226
13.2.1 抗疟药物制造	226
13.2.2 中药制药治疗新型冠状病毒感染	229
13.3 化学制药	230
13.3.1 从煤焦油到阿司匹林	230
13.3.2 从红色染料到抗菌的磺胺类药物	231
13.3.3 全化学合成制造氯霉素	232
13.3.4 替尼类抗肿瘤药物	232
13.3.5 化学制药治疗新型冠状病毒感染	233
13.4 生物制药	233
13.4.1 微生物制药	233
13.4.2 基因工程制药	236
13.4.3 抗体制药	237
13.4.4 基因疗法药物	240
13.4.5 新型冠状病毒疫苗制造	241
13.5 小结	243
思考题	243
参考文献	243

第14章 生物工程	244
14.1 生物工程历史沿革	244
14.1.1 传统生物工程时期	244
14.1.2 近代生物工程时期	245
14.1.3 现代生物工程时期	246
14.2 生物工程的前沿进展	250
14.2.1 生物工程推动医学革命	251
14.2.2 生物工程变革农业生产	252
14.2.3 生物工程促进生物制造产业升级	253
14.2.4 生物工程改善生态环境	257
14.2.5 生物工程保障能源安全	258
14.3 小结	258
思考题	259
参考文献	259

第15章 油田化学品	261
15.1 原油的发展史	261
15.1.1 最早发现	261
15.1.2 大规模使用	262
15.1.3 战争期间的石油工业	262
15.1.4 石油工业的成长与OPEC的崛起	263
15.1.5 低油价时期的世界石油工业	263
15.2 新时代的世界原油局势	264
15.2.1 美国控制原油的左右手	264
15.2.2 原油需求量的增长得益于新兴经济体	265
15.2.3 新兴能源对原油的冲击	265
15.3 新中国石油工业发展简史	265
15.3.1 恢复与发展	266
15.3.2 历史性转变	267
15.3.3 新的崛起	269
15.3.4 石油工业进入新的发展时期	270
15.3.5 中国石油工业现状	271
15.4 油田化学品发展历史	271
15.4.1 钻井泥浆处理剂	272
15.4.2 采油用化学剂	272
15.4.3 集输用化学剂	273
15.4.4 水质处理用化学剂	274
15.4.5 提高采收率用化学剂	274
15.5 小结	274
思考题	275
参考文献	275