1.1　單元操作

過濾、蒸發(fā)、蒸餾、結晶、干燥等操作具有悠久的歷史。五千年前，中國人已利用日光蒸發(fā)海水制鹽，埃及人已開始釀造葡萄酒，并用布袋過濾葡萄汁，但這些操作都是規(guī)模很小的手工作業(yè)。19世紀下半葉，法國大革命時期出現(xiàn)了路布蘭法制堿，標志著化學工業(yè)的誕生。19世紀70年代，制堿、硫酸、化肥、煤化工等都已有了相當規(guī)模。例如，索爾維法制堿中所用的碳化塔高達20余米，在其中同時進行化學吸收、結晶、沉降等過程。

英國曼徹斯特地區(qū)的制堿業(yè)污染檢查員戴維斯（George E.Davis，1850—1906，圖1-1）指出：化學工業(yè)發(fā)展中面臨的許多問題往往是工程問題；各種化工生產(chǎn)工藝，都是由蒸餾、蒸發(fā)、干燥、過濾、吸收和萃取等基本操作組成的，可以對其進行綜合研究和分析；化學工程將成為繼土木工程、機械工程、電氣工程之后的第四門工程學科。也許是因為人微言輕，戴維斯的觀點在英國并沒有受到重視，1880年他發(fā)起成立英國化學工程師協(xié)會也未獲成功。1887—1888年，戴維斯在曼徹斯特工學院作了12次演講，系統(tǒng)闡述了化學工程的任務、作用和研究對象。這些演講的內(nèi)容陸續(xù)發(fā)表在曼徹斯特出版的《化工貿(mào)易雜志》上，戴維斯在此基礎上寫成了《化學工程手冊》，于1901年出版，這是世界上第一部闡述各種化工生產(chǎn)過程共性規(guī)律的著作^［2］。

圖1-1　George E.Davis^［1］

戴維斯的觀點在美國卻產(chǎn)生了較大影響。1888年，根據(jù)L.M.諾頓教授的提議，麻省理工學院開設了世界上第一門化學工程課程。隨后，賓夕法尼亞大學、戴倫大學、密歇根大學也分別于1892年、1894年、1898年相繼開設了類似的課程。但這些課程的主要內(nèi)容是由機械工程和化學構成的，未能揭示化工生產(chǎn)的內(nèi)在規(guī)律。

1908年，利特爾（Arthur D.Little，1863—1935，圖1-2）參與發(fā)起成立美國化學工程師協(xié)會，并擔任過該會的主席。1915年，利特爾提出了單元操作的概念：任何化工生產(chǎn)過程，無論其規(guī)模大小都可以用一系列單元操作實現(xiàn)。只有將紛繁復雜的化工生產(chǎn)過程分解為若干單元操作進行研究，才能使化學工程專業(yè)具有廣泛的適應能力。

圖1-2　Arthur D.Little^［2］

1920年，麻省理工學院成立了化學工程系，由W.K.劉易斯任系主任。同年，華克爾（William H.Walker，1869—1934，圖1-3）、劉易斯（Warren K.Lewis，1882—1975）和麥克亞當斯（William H.McAdams）撰寫了《化工原理》一書的初稿，用于化工系的教學，后于1923年正式出版。該書闡述了各種單元操作的物理化學原理，提出了定量計算方法，并從物理學等基礎學科中汲取了對化學工程有用的研究成果（如雷諾關于湍流和層流的研究）和研究方法（如因次分析和相似論），奠定了化學工程作為一門獨立工程學科的基礎。此后，各種單元操作的專著，如C.S.魯賓遜的《精餾原理》（1922）和《蒸發(fā)》（1926）、劉易斯的《化工計算》（1926）、麥克亞當斯的《熱量傳遞》（1933）、舍伍德的《吸收和萃取》（1937）相繼出版。

圖1-3　William H.Walker^［2］

20世紀50年代初，美國化學工程師協(xié)會組織開展了蒸餾塔板效率的研究，浮閥塔板、舌形塔板、斜孔塔板等新型塔板相繼問世，通過改進設計方法，篩板塔重新獲得廣泛應用。反滲透、電滲析、超濾等膜分離操作和區(qū)域熔煉等提純技術進入了工業(yè)應用，液膜分離等新的分離技術開始進行實驗室研究。