问题

为什么读化工感觉和读化学没区别呢?

回答
这个问题问得特别好,很多初入大学的同学,甚至是即将毕业的本科生,都会有这样的困惑:“化工和化学到底有什么区别?好像学的东西都差不多啊。” 这不仅仅是感觉上的模糊,背后其实牵扯到学科的定位、发展方向,以及它们之间千丝万缕的联系。我来好好跟你说道说道,尽量讲得细致点,让你明白其中的门道。

首先,咱们得从学科的“根”说起。

化学,它研究的是物质的组成、结构、性质以及变化规律。你可以把它想象成一个探索“原子王国”的侦探,它的核心是微观世界里各种粒子 interactions 的奥秘。它关注的是分子层面的变化,比如一个化学反应是如何发生的,为什么会发生,反应速率快慢受什么影响,产物是什么等等。

而化学工程,它的“根”则是在化学的基础上,但它的眼光更宏大。化学工程师更像是一个“工业建筑师”或者“生产流程设计师”。他们不仅理解化学反应是怎么发生的(这部分内容很多是来自化学的知识),更关心如何把这些化学反应放大到工业生产规模,如何安全、经济、高效地实现大规模生产。简单来说,化学是“做什么”,化工是“怎么大规模地做”。

所以,区别就在于“尺度”和“目的”。

化学的目的往往是探索未知、发现新物质、理解基本原理。比如,你可能在实验室里合成了一种新的催化剂,或者发现了某种物质的新反应途径。而化学工程师的目的则是将这些化学知识转化为实际的、可以满足社会需求的工业产品。你可能在工厂里设计一条生产塑料的流水线,或者优化一个炼油厂的工艺参数。

再来聊聊学习内容的差异:

当然,初期的课程会有重叠,比如基础的有机化学、无机化学、物理化学、分析化学等,这些都是化学工程的基础,没有这些,化工根本无从谈起。

但是,当你深入学习的时候,区别就开始显现了:

化学系的重点会更偏向:
理论研究: 深入理解化学键、量子化学、热力学统计力学、反应动力学等微观原理。
实验技能: 精确的合成技术、光谱解析、色谱分析等高精度的实验操作。
分支领域: 可能专攻有机合成、无机材料、高分子化学、分析化学、物理化学、生物化学等某个具体的化学分支,进行更深入的理论和实验探索。
研究方向: 目标可能是成为一名科研人员,在高校或研究机构进行前沿科学研究,或者在新材料、新药物的研发领域。

化工系的重点会更偏向:
单元操作: 这是化工的“灵魂”之一。化工会把一个复杂的生产过程分解成一系列“单元操作”,比如流体输送(泵、管道)、传热(换热器)、质量传递(精馏塔、吸收塔)、分离操作(过滤、离心)、反应器设计等等。这些都是工业生产中普遍存在的、将物质进行形态、状态或化学组成的改变的操作。
过程工程: 如何将这些单元操作有机地组合起来,形成一个完整、高效、安全的生产流程。这涉及到流程设计、设备选型、参数控制、安全评估等。
工程经济与管理: 如何在保证产品质量和安全的前提下,降低成本,提高效益,这在工业生产中是至关重要的。
自动化与控制: 如何利用自动化系统和控制理论,对生产过程进行精确的监控和调节,保证生产的稳定性和高效性。
安全与环保: 如何设计安全的生产装置,处理生产过程中的“三废”,符合环保法规,这些是化工生产的生命线。
实际应用: 石油化工、制药工程、轻工工程、食品工程、材料工程、能源工程等等,这些都是化工的应用领域,它们都是围绕着将化学原理转化为大规模生产的工艺和产品。

举个例子,让区别更形象化:

假设我们要生产一种新的药物。

化学家会做的是: 在实验室里,通过多步复杂的有机合成反应,找到最佳的合成路线,分离纯化目标产物,并利用各种谱学手段(NMR, MS, IR等)来确认其结构。他们可能会探索有没有更简单、更绿色的合成方法,或者发现这个分子的潜在药理作用。
化学工程师会做的是: 在化学家找到有效的合成方法后,工程师需要考虑:
放大生产: 如何把实验室里几克、几十克的合成量放大到公斤级、吨级?实验室用的烧瓶和加热棒够吗?需要什么样的反应釜、什么样的搅拌方式?
工艺优化: 如何在放大生产时,保证反应的收率和纯度不下降?需要什么样的温度、压力、催化剂浓度?是否需要溶剂回收?
分离提纯: 实验室里可能用色谱柱就能分离,但工业上需要用什么方法?精馏、结晶、萃取还是过滤?如何设计这些分离设备?
安全与环保: 反应过程中会不会产生易燃易爆的气体?溶剂是否有毒?废水废气如何处理?安全连锁装置怎么设计?
设备设计与操作: 选择什么样的泵输送物料?换热器如何设计才能高效散热?整个生产线的自动化程度如何?

你可以看到,虽然都和“药物生产”这个目标相关,但化学家是在“研究分子如何组合”,而化学工程师是在“设计如何大规模生产出这个分子”。

所以,为什么你会觉得没区别?

1. 初期课程的重叠: 大学本科一二年级的基础课程,大部分都会学到。这就像盖房子,你得先学怎么认识砖瓦水泥,这个阶段化学和化工都一样。
2. “化学”这个概念的广义性: 有时候我们说的“化工”其实也包含了化学知识的应用,比如“化学工业”。所以当你看到化工的很多应用时,你自然会联想到化学。
3. 专业细分的模糊: 现代化学和化工的交叉领域非常多,比如生物化工、制药工程、材料化工等,这些专业本身就融合了大量的化学和工程思想。有些学校的化工可能更偏重某些化学领域,而有些化学专业也可能涉及一些工业应用。
4. 自身认知的偏差: 很多时候,我们对一个专业的理解,是通过表面的课程设置和自己接触到的信息来判断的。如果接触的化工信息更多的是关于生产和应用,而对化学的了解仅限于实验室反应,自然会觉得化工在“做化学”。

总结一下:

化学是基础,是科学,它探索“为什么”和“是什么”。化工是应用,是工程,它关注“怎么做”和“怎样做得更好”。化工建立在化学之上,但它更侧重于工程技术、大规模生产、过程设计、经济性、安全性和环保性。

当你从“为什么一个分子会这样存在”的角度去理解化学,再到“如何把这个分子稳定、经济地生产出来,卖给消费者”的角度去理解化工,你就会发现它们之间的巨大差异,但同时也能理解它们之间密不可分的依存关系。很多厉害的化工研究,最终也是在探索更高效的化学反应和更优的催化剂,而很多前沿的化学发现,也离不开化工技术来实现产业化。它们是相辅相成的。

网友意见

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精简回答(可直接看白话版):

化工和化学在一百年前分家,分家的原因是放大效应,或者说化工过程的非线性(也就是哲学里的,量变引起质变)。如果化工过程都是线性的,那么化学家在实验室用瓶瓶罐罐设计好的合成、分离的条件,可以直接应用到几吨的设备上。这样的话,也就不要化学工程师什么事了,只要让机械工程师把设备造大一点就好了。现实是复杂的,因为质量传递、能量传递、动量传递、反应的非线性的耦合,从实验室到化工生产中,需要去找这个“非线性规律”,从而能够顺利进行各种化学品生产这些最经典的规律,在化工原理和反应工程,两门最核心的课程中,就可以看到。从化学到化工,从实验室到工业,并不是简单的产量变大而已。这是化工和化学,两个专业底层的区别。


详细解答(白话版):

成都是很生活化的城市,在我去过的城市中,也是民众对美食的热情最高的之一。本科时,川大每年都有食堂大厨、同学、教职工的厨艺竞赛,非常有名。和同学去农家乐玩,一起做菜时才发现,同学里也是不乏烹饪高手,男生女生都有,所以对四川人民的平均烹饪水平,还是有所了解的。厨艺竞赛时,电子科大的同学、校外居民都会来观看,是最热闹的活动之一。(链接new.qq.com/omn/20180527)。虽然学校不乏烹饪高手,但是在2014年食堂改革之前,江安校区的饭真的不好吃。当时,我曾经听到同学说一句话“厨艺竞赛上,每个大厨的菜其实都挺好吃的;但是平常食堂的饭菜口味,真心不觉得他们厨艺水平这么高”

食堂大厨平常的菜做得不好吃,其中的一个原因是成本,这里不多说。另一个原因,就是工程学里说的放大效应。放大效应,在工程学里非常常见,通常指各种工程系统的特性,随规模成非线性变化。我曾经见过学土木工程的学长,研究不同规模土堆的稳定性受含水量的影响;我也在纪录片里看到飞机制造过程中,利用不同尺寸的飞机模型进行实验。在化工中,一般就指随着产量的增大各种参数和指标会发生剧烈变化,比如反应终点的时间、收率、放热等。厨艺竞赛时,食堂的大厨,只是炒一盘菜,所以容易控制和掌握;而平常食堂的大厨,要做的是上百人吃的大锅菜,这是难以控制和掌握的。如果你有一定生活经验,你会发现,家里来很多客人时,你按照平常的比例去放调料,平常的烹饪方式去烹饪,但却达不到平常的口味。换句话说,化工工程师的责任是,尽量让大锅菜炒得跟厨艺竞赛中的一盘菜一样好,甚至更好,这样企业才能有收益,才能节能环保。放大效应,是19世纪末、20世纪初西方工业化时,化学家发现的;也因为放大效应的原因,MIT、特拉华大学、明尼苏达大学这些学校设立了最早的化工系,使化工成为工程学新的分支。如果还体会不到放大效应,给你看个视频!千万不要以为,你会炒菜,你就可以做大锅菜!所谓的大锅菜难做,不只是因为锅变大了。也是哲学讲的,量变引起质变。

大锅菜的炒制 https://www.zhihu.com/video/1109793148259270656

上面的视频中,大厨的颠锅过程,可以深刻体会到,随着反应物的量变大以后,要搅拌均匀变得多么得困难。这种搅拌均匀的困难程度和反应物的量是非线性的。搅拌问题本质上是一种力学问题,所以化工中这将这一种非线性,划归为动量传递的非线性。其实,这个时候火候比搅拌还有更难控制。食材越多,容器中间的食材就难以受热;就需要去升高烹饪温度和延长烹饪时间,这也是非线性的;在化工中,这就划归为传热学里的能量传递的非线性。此外还有质量传递的非线性反应的非线性“入味”,简单说就是调料的分子(比如盐),能否进到食物内部,这就划归为质量传递过程,也是非线性的。食材在烹饪过程中,会发生美拉德反应,产生各种令人愉悦的味道,反应也是非线性的。更复杂的是,质量、热量、动量的传递与反应会相互影响,即“三传一反”的耦合。比如勾芡前后,搅拌的手感是完全不同的。勾芡是淀粉发生糊化反应,但是糊化反应的结果是物质的粘度发生变化,具有了一定的非牛顿流体性质,从而就影响搅拌的手感,即动量传递;搅拌又会反过来影响受热。勾芡时,锅的底部容易形成胶状的感觉,就是因为底物温度跟高。所以传递现象和反应不但是非线性的,还会相互耦合,就是放大效应产生的根本原因。也是因为放大效应, 我对下面图片中的这种火锅、披萨、扬州炒饭,不会有任何的兴趣!其口味,品质,都非常难以把握;相反我对精致的“小菜”更感兴趣,比如“考究”的粤式早茶,“精致”的日式料理。即所谓“食不厌精,脍不厌细”。(我还写过一篇谈烹饪与传热学的文章, Devin:漫谈传热学与烹饪 1.火候•尺寸效应篇)。


成都有一家叫麻辣空间的火锅连锁店,它的清油火锅比较出名,它的创始人在一个纪录片里面就曾提到类似的放大现象。他想把他家的火锅底料批量生产,但是他发现平常一锅一锅炒的食材配比和烹饪条件,放到大型设备上,就达不到他平常一锅一锅炒的口感。他后来是在大型设备上,大量的实验摸索后,才重新找到食材比例和烹制条件,才成功生产。这个老板可能会对这种现象很陌生,但是对流程工业而言,这就是化工学科形成的起源,放大效应。他的摸索实验过程和化学工业中,从实验室的小试到化工的中试非常相似。像制药过程,制药工艺工程师通常,在实验室小试的基础上,再进行中试放大,整个过程是10倍,10倍的放大;工艺参数会在这个过程中,进行调整、优化;设备选型,也会在中试过程确定。食品工业本身也属于流程工业,广义上看是化工过程,只是偏轻化工。物质加工处理的过程,都可以看做化工过程。

放大效应,遍布工程学的各个领域(经典的工程学,一般指土木、电气、机械、化工,这些最早诞生的工程学)。最为经典的放大效应来自于机械工程学,化工学科的形成也深受机械工程学影响,借鉴了大量机械工程的研究、分析方法。早期人类设计飞行器时,流体力学这样的学科都还是零碎的知识,不成体系。所以放大更多靠经验,直到今天,经验公式、无因次准数这些,都依然在不同的工程学广泛的使用。当时设计飞行器,都是先做小的模型,然后到风洞里实验,再进行优化和改进;然后再做大一点的模型,再次实验。一直这样下去,这就是飞行器的放大过程。你会发现上文的制药工业的放大,跟飞行器的放大有着某种相似。虽然看着不同的工程学,有着大相径庭的内容,但实际上不同的工程学之间,有着非常相似的逻辑,非常相似的方法论。其底层是去发明创造,解决实际问题;而化学是自然科学,其底层逻辑,是去解释各种自然现象的原因。

从化学到化工,从实验室到工业,并不是简单的产量变大而已;其背后是动量、能量、质量传递反应的物理现象的综合作用,这也正是化工的研究范围,跟化学显著不同。所以内行觉得化工学的东西偏物理外行觉得化工学的偏化学。上面我们谈了食品加工过程中的搅拌问题的放大。现在举一个类似的化工问题,生物反应器的设计中,搅拌也是一个十分重要的问题。搅拌快了,换热负担很大,动物细胞甚至经不起搅拌;搅拌不快,反应器中的质量传递会受到影响,浓度就不均匀,溶解氧水平低,溶解二氧化碳浓度很高,直接影响细胞的生存。所以人们总结了一些准数,搅拌过程的放大中,会用到Power number(暂且翻译成,功率准数吧),记作N_P这个N_P准数常在买搅拌桨的时候,会见到:

其中P为搅拌功率(不通气下),N_i为搅拌转速,D_i为搅拌桨直径,rho为液体密度。如果用功率准数相似去进行放大,那么意味着:要保持和实验室的瓶瓶罐罐相似的搅拌效果,那么需要搅拌功率要随着转速的立方,搅拌桨直径的5次方变化。5次方的变化,是非常急剧的增加。在计算机的算法中,三次方变化的计算复杂度,就被认为负担非常大。根据这个无因次准数的关联式这种非线性是非常惊人的!有的时候,受制于各种现实因素,目前人类的科技甚至可能造不出相应的机械;有的时候,甚至完全没有经济价值。通常情况下,随着放大,质量、能量、动量的传递效果都会变差反应会受到质量、能量、动量的影响,而发生深刻变化。

上面简单提了下搅拌的非线性。接着搅拌的非线性,我们谈一谈换热。假设上面的搅拌器的功率随着搅拌桨的直径成5次方变化,随之会带来另一个问题。换热!搅拌可能会积累了大量的热量。假设换热器的总换热系数不变下,这意味着换热面积需要跟着搅拌成5次方变化。你想过,这需要多少跟管子吗?在反应器中,有的时候夹套甚至不能,提供足够的面积供换热。这时就可能有很多种方式去处理,对于密封性要求高的,可以考虑在反应器中加入盘管;密封性要求不高,可以接外循环进行换热。这些很现实的问题,都是要去进行工程计算的,都是要考虑成本和实际情况的,都是化学不需要去考虑的。

再给你看,两个很常见的公式,学化工和学化学的朋友都很熟悉的,以此来感受下化工过程的非线性。

阿伦尼乌斯公式: , 这里反应速率常数随温度的非线性变化。

一级反应: 其解为: ,注意浓度和时间,浓度和温度(上式)的非线性变化。把这两个式子,连起来看,将会看到温度对于反应过程的非线性的影响。

化工过程中,传热、传质、动量传递、反应的控制方程,往往都是一些常微分、偏微分方程,其解析解,常常通常含有自然常数e的幂这就是传热、传质、动量传递、反应的非线性的体现。自然常数表达了自然界的非线性,因而称为自然常数的原因。化工的非线性,有的时候是弊大于利的,有的时候却又是利大于弊的。化工里的过程强化,比如强化系统的散热,抽象地来看,就是利用了这种非线性规律,去达到一些工业生产上的目的;像微反应器,也是因为放大效应,传递效果变差,所以才反过来,做成精致的“微”反应器( 逆向思维,反过来利用放大效应)。



一百年前,西方想进行工业化、规模化生产时,发现了实验室的实验,规模一旦扩大,就变得难以预测,时间、浓度、收率、放热,方方面面都会随着放大,而发生急剧改变从化学到化工,从实验室到工业,也并不是简单的产量变大而已这些问题有的时候会非常重要,直接影响到化工生产过程的方方面面。上面的那个5次方的例子中,就可以看到搅拌、换热变得十分困难的例子,如果不能很好解决,温度的控制和能量消耗就会变成问题。当时古典的化学知识,是不能用来解决这些问题的。为了应对这些问题,一部分化学家开始了早期的化工的研究,他们也使得化工从化学中独立,成为工程学新的分支。刚开始时,工程师尝试用一些经验公式去总结规律(rule of thumbs)。后来受到机械等其他工科的影响,化工也开始尝试用一些无因次准数的关联式、关联图去解决早期的无机化工、石油化工的问题。到再后来,随着对化工过程的深入了解,人们逐渐意识到,化工过程的非线性,根本上可以归咎于质量传递、能量传递、动量传递、反应的非线性(也就是我们常说的三传一反),化学工程学从而逐渐形成了今天的体系。大学的课程中,化工原理、反应工程两门核心课程,是对人类经典化工知识的总结。表面上看,我们会觉得,化学的大多数领域好像不需要多少计算(当然现在前沿的化学除外),但是化工却跟其他工科一样有大量的复杂的数学公式,需要去进行各种复杂的计算。从而设计、运行、控制、优化相应的化工过程。对于同样一个反应,工业化学家只是告诉工程师,小试时,80度收率最高。但是到了化学工程师这里,我们就要去计算,对于给定的产量,会产生多少热量。从而知道单位时间内,要用换热器,去移走都少热量,从而使温度控制在一个理想的范围内。所有的问题都是基于计算的。

虽然到了今天,人类的化工知识有了极大的丰富,但是化工中真正能够,比较好地总结规律的却还是集中在无机化工、石油化工中,所以化工原理和反应工程中的经典化工的公式,往往来自早期的无机化工、石油化工。石油化工,这些已经形成了一系列非常成熟的设计、计算、控制、优化、操作的知识总结。而在精细化工等领域,就会发现,工程师很少关注怎么去计算、过程控制,这些问题;工程师更多关注的是工艺本身,或者说合成、分离路线。这背后的底层原因就是,人类尚无法像石油化工一样,总结这些化工领域的比较一般化的规律。下图给出了,不同化工过程的非线性程度,虚线左边的是已经可以应用MPC(模型预测控制)的流程工业,可以侧面理解成虚线左边的是技术比较成熟和完善的。可以看到精细化学品、制药、高分子、微电子、生物化工,非线性非常强,过程十分复杂。因为非线性,这些领域也是最难建立一般化的数学模型的领域。所以,成熟的控制、优化都无从谈起。也是如此,学这些领域的朋友,可能会和楼主有相似的感受,觉得化工和化学很像,因为不成熟,很多东西没有数学模型,无法预测,依赖实验。像在精细化工,这些领域,很少基于计算去考虑问题。核心原因,就是目前很多关键工艺指标难去预测,很多时候没有这必要。这些过程的放大,最后还是要回归到实验室,去做实验,依赖于实验去克服非线性。经验比公式更有价值。但长远看,这些非线性比较强的化工过程,未来也会像今天的石油化工一样那么成熟。

过去十年,计算机性能大幅提高,直接促成了数据驱动模型、数据驱动优化,得以在线上实现。人工智能、大数据,就是这样的例子。这些数据驱动的技术,可能会在未来二十年类,带动这些强非线性的化工领域形成新的技术和行业。不过总体而言,化工的数据成本还是非常高,数据可能也不具有代表性,暂时无法很好去应用。


不过,化学、材料领域的论文相对比较好发,化工论文不好发。所以包括国外在内的,绝大多数化工系,相当比例的教授,都其实在做材料和化学领域的东西,相反做传统化工领域的教授其实比较少的。化学和材料领域属于论文周期短产量高影响因子高,所以很多化工系的学生跟着教授做化学、材料的问题,自然以为化工和化学很像。此外,在化工的一些领域,如精细化工、制药、生物化工,由于不像石油化工、无机化工那么成熟,数学模型不成功,产品非常新,行业研究不够透彻;而且它的放大倍数跟石油化工比也小,非线性的影响可以通过实验克服,这些领域就依然高度依赖于实验(尤其是中试)。这些领域因为实验为主,也会让人产生化工、化学很像的感觉,但底层逻辑不一样化工历史上,深受机械工程专业的影响热力学、传热学、流体力学都在化工学科的发展中,产生了巨大影响放大效应一词,最早就来自于机械工程学如果跟高中的物理和化学做一个对比,其实化工像高中的物理,而不是化学。就前景和待遇这些,化工和化学情况真的非常相似,网上流传很广的顺口溜说,“读化工,穷三代”的说法,真的不是开玩笑,我绝大多数同学工作后都后悔选择化工与制药类专业,极少数不过是幸存者偏差罢了。大多数人都是工作环境有毒有害高危,需要熬夜倒班,工作地区远离城市,但资收入只是勉强温饱。其实国外化工工程师收入是工程师中不错的,国内这么惨的原因归根到底,是我国的化工处于世界产业链的低端,只有极其个别像万华这样掌握了核心技术,变成某个细分领域的翘楚。


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