化学产品工程的理论和技术

钱　宇　潘吉铮　江燕斌　章莉娟　纪红兵

(华南理工大学化工学院,广州510640)

摘　要　随着市场竞争的加剧,以产品需求为导向开发满足最终使用性能的化学品成为化学工程研究发展的一

个重要趋势。本文介绍了化学产品工程概念的产生和发展,论述了分子产品工程、配方产品工程、柔性制造过

程等化学产品工程各个子领域的关键技术、应用和研究进展。

关键词　化学产品工程,产品导向,结构性能关系,分子产品工程,配方产品工程,柔性制造过程,化学供应链

中图分类号　TQ 01　　　文献标识码　A　　　　文章编号　1000-6613(2003)03-0217-07

化学工业是利用自然资源通过化学反应和物理操作生产人类所需产品的工业,在20世纪得到了蓬勃发展,为人类提供了丰富多彩的产品。随着人类利用自然资源逐步深入,化学工业由初级加工向深度加工发展,由大批量、连续化的基础化学品生产逐步向小批量、多品种、个性化的专用化学品的生产发展。如何充分有效地利用原材料,生产出高质量、高性能的专用化学品,以顺应社会的进步、人类生活水准的提高和物质需求的多样化,成为化学工业持续发展的主要矛盾。

性能专门化、技术含量高的专用化学品的需求在不断增长。近10年来,发达国家致力于发展精细化工,化学品市场超过50%的市场由专用化学品组成[1]。ICI、DuPont、BASF等老牌化学品公司的产品结构也出现较大的转变,销售的产品中聚合体、结晶体或无定型固体达60%以上,新产品的开发更加关注于高度专门化材料、活性组分和特效化学品。随着传统化学工业日益饱和,化学工程学科的发展也趋于成熟。许多大学和科研机构化学工程专业的科研开始从面向过程转而面向产品[2]。化学工程的研究向微观层次不断延伸,注重高附加值专用化学品(如精细化学品、生物化工、医药等)

的设计和开发。

上述这些变化意味着未来的化学工程不能只关注制造过程,而更要考虑如何快速开发有市场前景的产品。具有复杂结构和组成的产品最初是通过不断的实验和尝试开发的,各公司都对产品配方和生产技术严格保密或通过专利加以保护。这种开发方式曾经取得很大的成功,然而往往耗费大量时间和人力物力。尽管如此,依据目前的理论研究和技术基础的积累,人们尚无法做到对产品设计和生产进行完整的、根本性的科学阐述。这对化学工程研究者提出了挑战:如何根据市场的需求,通过化学、工程和系统科学的方法设计和制造新产品;如何以最快的速度、最高的效率组织现有的资源,柔性地和敏捷性地进行生产。这些问题成为“化学产品工程”所要研究解决的关键问题。

1　化学产品工程的概念和知识体系

麻省理工学院(MIT)化学工程系前主任JamesWei[3]认为:化学工业发展的早期,产品生产以经验为主,没有系统的科学基础。20世纪初,化学工程确立了最初的研究范式(Paradigm),将单元操作作为化学工程技术研究的基础; 1960年,以Bird、Stewart和Lightfoot撰写的化工专业的教科书《传递现象》为标志,传递过程和反应工程为代表的工程科学成为化学工程发展的又一个跨越; 20世纪末至21世纪初,化学工程学科开始探索新的发展方向。产品工程有可能成为化学工程学科发展的一个新的研究范式,为化学工业提供技术推进和新的经济增长点。

1.1　化学产品工程

专用化学品面临着新技术和市场的挑战,如投入市场的时间、产品的特定功能和灵巧设计、通用设备的选择和适应、非专用的工厂。传统的单元操作(精馏、吸收、萃取)逐渐扩展到与配方产品生产相关的操作如乳化、挤出、涂层、结晶和颗粒加工。这些新的问题要求对化学工程理论在以产品为导向的开发框架中进行深入研究,寻求有效的方法,对产品的设计、生产和创新提供理论和技术支撑。

对产品的设计、生产和创新提供理论和技术支撑。化学产品工程是以产品为导向的化学工程科学,回答生产何种产品以及如何生产该种产品以满足性能、经济、环境和市场诸方面的要求。产品的结构和性质的关系是化学产品工程研究的中心内容[4],要求微观层次上的模拟和定量分析。要设计和控制产品质量,实现从分子尺度到过程尺度的跨越,化学工程师面临远远超出当今化学工程领域的知识的挑战。德国BASF公司的Wintermantel提出了一个产品工所需知识和技能列表,见表1。

表1　产品工程所必需的知识和技能[5]

项目              知识技能

基础知识     结构性质关系,表面现象,分子模拟,产品描述方法,流体力学,传递现象

产品设计         平衡,晶核形成,稳定性,添加剂,内部结构

过程集成      模拟和设计工具

过程控制      动力学模型,传感器

1.2　产品设计的特征

对于传统的过程设计而言,根据所要生产的产品和数量,开发成本最低、利润最大、效率最高的过程。基本目标是经济,同时考虑安全、控制和环境等因素。在过程设计中,比较反应和分离过程不同的替代方案,对系统进行热集成,并最终通过对设备、公用工程、原材料和产品进行估价完成经济评价。过程设计是对热力学、传递过程、单元操作等技术概念在深层次上的综合。

与过程工程的不同在于:产品工程不仅注重单元和过程的效率,更需以产品的功能符合用户需求为目标。产品工程注重小规模生产,产品生命周期短,要求新产品进入市场时间快,对市场反应敏捷。由于规模不大,所以能量消耗不是主要的因素;其次,使用的生产设备往往是间歇的,可以根据不同的产品配方对现有设备进行重组,以一种多用途、多功能的设备生产不同品种和系列的产品。

1.3　化学产品工程的研究策略

  新产品的设计开发一般包括以下几个部分:产品的需求和定义;产品的性质和指标;正确的化合物组分;产品配方和剂型的设计、测试;加工制造和投放市场等。为定义不同产品的设计和开发途径,要求一个能够用于处理该领域的技术和工程问题的总体框架。Cussler和Moggridge[6]提出了化学产品设计的开发策略,总结了产品设计所应遵循的基本步骤。

(1)产品的性能和目标　产品工程的首要任务

  是明确设计的目标。产品在市场竞争中成功与否不仅取决于产品的价格,同时也取决于为满足客户需求所带来的附加价值。消费者的需求往往是主观的、模糊的和多元的。因此必须将消费需求转化为定量的科学参数。化学品通常含有很多种组分,其中的每一组分都发挥特定的作用。而这些组分之间的相互作用和产品的结构、消费者导向的性质之间的关系是化学产品工程研究的难点和热点。大多情况下产品要满足多个不同的目标,因此产品设计是一个权衡的结果。可分解为目标函数和约束条件,并确定彼此之间的相对重要性。

(2)方案的选择和评价　对于可能的各种替代

  方案,需要有一定的准则评价它们多大程度上满足所期望的目标。例如缓释药片,要求服用后药物的活性组分在受药体内长期维持有效浓度,以提高药物的利用率和使用效果,同时降低毒副作用。目标是如何设计特定的控制释放体系满足该目的。一般情况下,可以使用热力学、速率相关的过程和简单的衡算对产品选择做近似计算。产品的评价通常可以采用模拟、原型化、专家咨询或其他途径。需要考虑在什么条件下进行多少次实验、测试是否费时并值得、是否能够以少量的计算来获得足够准确的信息。因此评价方案也是一个决策过程。另外包含客户意见、舆论反应、环境和成本以及风险管理等非传统化工学科的因素也必须加以考虑。

(3)产品的设计和制造　Favre[7]提出了一个

  用于新产品设计开发的基础和应用两方面的系统框架。第一个阶段是选择制造产品的化学物质。该任务通常涉及到化学和物理化学的知识,是配方设计的一部分,包括生产和准备产品专门用途的化学组分如活性组分、辅助组分和溶剂、添加剂等。其中活性组分可通过自然产品的筛选、分子的设计、组装以及组合化学等手段进行选择。第二个阶段是选择和优化制造过程,需要集成胶体化学和化学工程技能的研究。过程的操作参数和加工途径对于产品的微观结构的控制扮演着关键的作用,从而决定最终的产品性能。

产品工程要解决的问题应该最终满足产品和过程工程的集成。图1显示了这种多层次的系统化框架。在分子尺度上,产品性质由分子和胶体/界面相互作用决定;在微观尺度上,产品结构取决于分散的颗粒和液滴。在这两个层次上的理解对产品工 程是至关重要的。

 

图1　复杂多尺度的系统组织层次

2　化学产品工程的研究领域

2.1　分子产品工程

按产品的分子结构、产品性能和加工行为之间的内在规律设计市场急需的专用化学品,是现代开发设计的趋势。要正确合理地解释和阐明其中的机理,试验是一个重要的方面,然而产品工程人员必须具备关于分子结构对产品性质影响的预测能力,从而寻找和设计满足期望性质的目标分子或混合物,或为已有的物质找到新的性质或用途。

2.1.1　结构与性能关系

分子产品工程研究的主要对象是具有复杂分子结构的活性、特效化学物质,如药物、高分子、生物分子等。其核心是分子结构、分子间的相互作用与性质的关系[8]。现有的研究可归结为以下几类:首先是计算化学领域的理论和方法。量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门科学,可用薛定谔方程等计算出分子轨道、电子自旋能、偶极矩等结构参数。分子动力学从体系组成粒子的作用直接得出体系的微观状态,进而利用统计物理学的原理求出体系的宏观性质。量子化学和分子动力学方法在药物和材料设计中正崭露头角,为从分子-原子水平进行研究提供了强有力的手段。

其次是半经验的分析方法。例如基团贡献法是在原子加合性和键的加合性基础上发展起来的,不同性质的基团参数由实验数据回归得到。该类方法简化了分子的三维结构信息,提供了无需大量计算而进行快速的性质估算的途径。基团贡献法的缺点是难以区分各类同分异构体,对复杂、多官能团、杂环物质的性质不能提供精确的估计,另外难以外推。连接性指数[9]在考虑了基团贡献的同时,也考虑了分子连接和分子内部电子结构。它将分子的几何结构用连接指数表达。然后将热力学性质和其他性质表达为连接指数的函数,这样分子的性质就等于基团的贡献和连接指数贡献的加合。

还可以利用历史数据库或实验数据的统计分析来挖掘有用的信息,建立产品的线性或非线性模型。这些模型通常用于对机理还没有很清楚的理论认识的情况。对连续过程,稳态操作条件对应着不同的产品等级或系列;而对间歇过程,所关心的变量是配方、不同组分的变化曲线、过程变量的操作曲线等。基于数据分析的方法有主元分析法

(PCA)、主元回归法(PCR)、偏最小二乘法(PLS)、

人工神经网络(ANN)、遗传规划(GP)等[10]。

2.1.2　分子设计

计算机辅助分子设计( Computer - AidMolecular Design, CAMD)在溶剂、聚合体、制冷剂和药物等的设计中得到了很广泛的应用,大大缩减了产品的开发周期和资源消耗。CAMD的最目的是选择满足特定性质要求的分子、分子混合物,它需要在大量可能的候选分子中用合理时间筛选出最佳产品。一般通过正反两个方面来进行。一方面建立反映分子结构/混合物结构以及分子交互作用与性质之间的关系模型,通常称为正问题;另一方面在所建立的构性关系模型的基础上优化满足性质要求的分子结构,称为反问题。后者是一个数学规划寻优问题———混合整数非线性规划MINLP。

分子结构优化的基本过程一般为:选定一组与性能相关的基团,通过基团的组合或拓扑产生分子结构,同时考虑结构的约束(基团连接的可行性)以避免组合爆炸问题。对产生的分子预测其性质,然后与期望值之间的比较来进行判断,根据一定的准则对分子结构进行优化,包括添加或替代基团、分子结构的重排或异构化、分子的交联等。

已发表的CAMD技术的研究成果有随机搜索、启发式枚举、数学规划和图解重构等方法[11~13]。

在分子设计过程中结合了深层次的化学知识或专家系统,采用多层次的设计模式,以寻求化学上能实际存在和稳定的结构,同时缩减搜索范围。针对环境友好的、绿色化产品的设计成为当前的一个趋势。分子设计的另一个研究热点是与过程设计的集成。结合产品设计与反应/分离合成技术进行产品和过程的同时设计,其本质是对过程单元模型和分子结构性质两种模型作综合考虑的优化设计。

2.1.3　分子模拟技术及其应用

分子模拟是在20世纪80年代末发展起来的新兴技术。分子模拟将计算机图形处理技术和科学的模拟计算工具相结合,利用分子模型来描述现实世界的物理和化学过程。分子模拟技术现已成为产品设计的有力工具和手段[14]。

分子模拟技术综合运用了量子化学、分子力学、分子动力学、数据库技术、三维结构匹配、数值算法等一系列领域的成就。例如分子动力学法(MD)采用从体系中粒子的作用位能出发求解运动方程的方法,从而解释化合物的宏观性能。

应用分子模拟技术不仅能够提供分子静态结构的直观了解,而且还能给出分子结构与宏观性能之间的定量结果。对于现代实验手段尚难以考察的物理现象或过程,也可以运用分子模拟加以分析和再现。目前应用分子模拟的研究领域涉及到:流体流动、相平衡、化学反应机理、传递性质、临界现象、复杂流体、膜、界面现象、高分子构型、晶体构造等等。

2.2　配方产品工程

化学工业不仅向市场提供符合技术规定的化合物,更重要的是提供满足最终使用性能的产品。消费者所关心的产品必须满足特定的性能要求。如颜料的覆盖能力、颜色和光泽度;颗粒的流动性和再分散性;悬浮液的稳定性和流变性;催化剂载体的孔率和抗磨损性;药片的分解、控制释放和生物利用能力等。

化学品市场对于具备特定功能和性质的复合组分配方产品的需求不断增长。如各种新的表面活性剂、化妆品、洗涤剂、包覆材料、药物、农用化学品等。为满足期望的性能,这些产品被设计成结构化固体、颗粒固液分散体系、溶胶、凝胶、乳状液、泡沫制品、水溶性聚合体、超临界流体等体系。与基础化学品相比,该类产品的分子结构更加复杂,质量和性质也不仅仅取决于分离操作所达到的浓度或纯度,更取决于产品的结构和物理性质,如颗粒形状、内部结构、组成分布、尺寸分布、孔率、吸湿能力等。这些体系通常有如下特征:多组分,复杂和非连续的结构,界面结构起着主导作用;除了活性组分和一些溶剂,产品中的大多组分、辅助成分都用于产生胶体的性质;产品具有特定的流变和动力学特性。

产品的设计加工可以看做是产品结构的创造、保持、改变和解构的控制。就固体颗粒产品而言,颗粒尺寸分布和形态的控制是沉淀、结晶、颗粒加工、气溶胶和纳米颗粒制备等操作的重要研究内容,最终产品的加工如凝聚、成粒、煅烧和挤压是极为重要的因素[15,16]。

对于复杂配方产品来说,过去一般是应用物理学原理和化学工程规则,在宏观上把握产品的性能和指导加工过程。这种方法回避了产品的复杂性、小尺度的分析。为进一步理解产品的性质,需要细化分析和研究的尺度。配方产品工程就是在微观层次上对产品质量和相应结构进行研究。最终的模型有助于研究不同参数对产品性质的影响,获知如何从生产和配方的角度去控制产品行为[17],减少了产品在不同条件下的行为状态预测所需的实验工作。复杂配方产品的模型仍需结合状态平衡、传递过程和动力学等理论方法。

由于产品所具有的分布式性质以及制造过程中的非稳态性质,质量和能量衡算存在着一些困难。多分散体系需要恰当的分析和跟踪技术,以便建立和验证分散结构的质量平衡。例如,聚合体或粉末固体的质量平衡必须详细考虑分子量或颗粒尺寸分布的问题。这方面的研究主要有结晶、聚合等领域的粒数平衡和统计分布等理论。

配方产品通常是多组分体系,并且每种组分可能包含一簇组分,因此它们的特征值分散于均值(如聚合体的分子量、颗粒加工的颗粒尺寸)周围。因此,相平衡将变得更为复杂。已提出的处理分布式参数的热力学理论有连续分布热力学、孔道中相分离、共聚物相平衡性质的分布概率。另外,配方产品中的结构经常偏离它们的平衡状态而处于亚稳态,如绝大多数的乳化液、悬浮液、颗粒固体和凝胶。相平衡的改变,如乳化的沉淀结层、分散的沉淀、溶胶凝胶转变、凝胶的脱水收缩、玻璃体的结晶等的动力学过程将是研究的热点问题。传递过程对产品构成和某些重要的性质如控制释放、润湿动力学、缓发反应性、速溶等影响很大。目前多组分质量传递分析在处理高度非理想杂

乱介质中获得了应用。另外,产品的许多操作要求耦合的传递过程。结合热量和质量传递的干燥是典型的例子,如喷雾干燥和药物工业中的冷冻干燥。复杂混合物的干燥,能够依据过程的变量如温度和加工时间调整结构。

溶胶-凝胶的相过渡也发生多重传递过程,干燥区域理论阐述了组分、温度或凝胶动力学的微小变化对总的过程和产品特征(无缺陷均相结层,结皮,松散沉淀)的影响[18]。

流动行为是配方产品一个重要性质。流动性对加工过程具有重要的影响,同时产品使用时的流动特性影响着消费者的感知。与理想牛顿流体的偏离均可以归结到溶剂中的分散元素(例如大分子、液滴或颗粒)以及它们之间的交互作用,其瞬时和局部的结构决定了其黏度和滞流性。微观结构的参数与流变数据关联可导出产品性质模型。这些模型方法将会对产品开发、产品改型以及配方和组分替代物方面产生影响。

配方产品中,分子聚集成的微相区介于微观和宏观之间(10~1 000 nm),统称为介观体系。介观模拟是联系微观和宏观的桥梁。由于合成和加工过程中,介观相分离的时间都非常短暂,要从实验上准确地把握其机制是不可能的。而介观模拟技术可以模拟真实试验条件(压力、温度、处理时间等)下聚合物或胶体溶液的化学形态、微观形貌、相分离以及流变性等,有助于解决配方化学、高分子科学和化学工程所涉及到的复杂问题,包括胶束形成、胶体絮状物构造、乳化、流变学、共聚物及高分子共混形态以及通过多孔介质的流动等研究。

介观尺度上的计算机模拟发展很快,是目前计算化学的前沿研究领域。现在比较成熟的模拟方法有介观动力学(Meso Dyn)和耗散颗粒动力学(dissipative particle dynamics, DPD),两者都是基于平均场密度泛函理论。成功的应用有共聚物相分离、油-水-表面活性剂体系、逆变胶束、乳胶种子形成、高分子混合增溶剂等[19]。

2.3　以产品为导向的制造过程

当前化学品生产由大规模http://s16/middle/a2becc1dtc09c59cd396f&690连续生产向小批量个性化定制模式发展,制造过程也由单一产品的专用过程拓展为多产品的柔性制造过程。因此必须加强适应专用化学品特点的制造过程的研究。包括计划层次上的生产柔性要求、排产调度层次上的生产时间要求以及过程操作层次上的产品质量要求。这些方面的研究已形成过程系统工程领域的重要分支。

2.3.1　产品制造过程的设计

目前,以产品为导向的过程合成从单一经济目标发展为考虑产品性能、安全、环境等多目标方案规划和决策。针对专用化学品的过程优化,提高产品质量,降低产品整个生命周期中的时间和资源消耗是今后过程合成研究的一个重要方向。设备设计在决定产品性质上扮演什么样的角色?操作条件如何影响产品的结构和性能?如何实现实验室到工厂的放大?在工厂的规模下是否能得到同样的产品和性质?要解决这些问题,需要将性能指标同产品组分、微结构相关联,然后关联到过程流程和操作条件,分别建立产品模型和过程模型。而研究的关键就在于这两类模型的集成。

目前针对复杂结构配方产品的过程设计的研究还比较少。Meeuse[20]在Douglas的分层次概念设计的基础上提出了用于结构产品的过程概念设计方法。Widowo[21,22]等针对不同体系的化学产品提出了制造过程合成和开发的系统化方法。该方法包括以下步骤:识别决定产品性能的因素,即质量指标;选择需要的组分和正确的产品类型,确定辅助组分以及产品结构;合成过程的流程结构,其中包括设备单元的选择以及确定设备的操作条件;最后是对提出的产品和过程通过实验测试进行评价,包括对放大的考虑。分层次的开发策略提供了时间度上的完整描述,直观规则和描述相关现象的物理模型相结合用以过程的每一步决策。这种多尺度观点将会成为今后基础科学和工程科学研究的重要方向,为探索新的理论和方法提供机会。

2.3.2　间歇过程排产优化

随着产品个性化的日益加强,间歇过程的研究得到了更多的重视。然而在该领域中相关的系统工程研究还相对薄弱。间歇过程最突出的特点是产品的多样性,能够使用一套设备通过不同的组合生产多种产品,操作条件也随配方的不同而变化。间歇过程的成本和效益更大程度上依赖于生产的计划和调度。

间歇过程一般按期限方式组织生产,即把总的生产时间分为几个时间段,每个时间段内设备可能组合成不同的生产线,生产一种或几种产品。间歇过程的生产进度安排问题是在给定设备配置和产品的需求量的情况下,制定一个最佳的生产策略,使生产所有产品的总时间跨度最短,总的平均拖期最短。包括确定产品的加工顺序,各加工步骤的起始时间和完成时间。目前的研究主要分为设备相关模

型和顺序相关模型。后者考虑转换时间不仅和设备有关,还和其处理的相继任务的物料顺序、种类有关。

间歇过程优化的主要困难在于算法上的局部最优解以及组合优化,与其对应的是MINLP问题。解决这类问题的经典优化方法有分支界定法、广义分解法和外部近似法,但往往效率不高。非确定性方法如遗传算法、模拟退火法等在搜索过程中引入了随机因素,可在大量方案中按特定策略随机搜索,对于大规模组合优化的复杂问题具有较好的性能和广泛的适用性。

3　化学产品工程的前景和挑战

化学工业逐渐向精细化工、生物医药化工、高新材料、资源与环境工程等新领域扩展。不断地开发新产品、新配方及提高新品种开发的创新能力成为当今世界各国技术发展的重要课题。新领域所涉及的物质体系和形态的复杂性远远超过了以往连续介质的范畴。要解决以上问题,产品工程需要模型化、系统化,分子尺度和介观尺度的模型化和模拟、过程单元的模型、现象模型和产品模型、过程设备参数与操作状态的关系将是主要研究内容和手段。

产品工程的成功有赖于现代的测量分析仪器、

先进的计算技术、物理化学数据库、多尺度的模拟。测量仪器(表面力仪器,动态表面张力仪器)和可视化(原子力显微镜,核磁共振,光散射仪)技术的快速发展使对分子、微观到介观尺度的观察和操纵成为现实。计算机技术的高速发展通过先进的软件、并行分布计算和更大的内存开辟了在微观尺度上模拟分子和物理化学性质的途径。量子力学和统计力学的模拟计算成为一个化学工程人员寻求解决问题途径的新领域。计算流体动力学(CFD)可以很精确地描述设备的局部流体力学,对实验设备和大型设备的混合和反应行为得到很有价值的结论。这些既是化学工程研究发展的必需,又是利用基础科学新成就提升化学工程科学研究水平的核心内容之一,具有重要的意义和广阔的前景。

目前化学工程从基于单元操作的工程规则发展为基于过程科学和数学,并且与自然科学相联系。需要综合化学产品工程的知识和技能以完善学科体系。Grossmann和Westerberg[23]提出的化学供应链(chemical supply chain)概念,拓宽了过程系统工程的定义———对化学供应链的创造和操作的决策过程的改进。涵盖从分子、聚集体、界面、单相和多相系统、工厂车间和工业园的全过程,研究在多种目标制约下的化学产品的发现、设计、制造以及配送。图2是对化学供应链的形象描述。 图2　化学供应链

系统集成是化工学科研究的焦点之一。改进化学供应链和操作的途径涉及多尺度、多态、多目标、非连续的系统模型的集成。主要解决与化学供应链的过程工程和产品工程相关的创造、合成、优化、分析、设计及控制等多元复杂问题。这是化学工业由工程基础向科学基础、由过程工程向产品工程和以产品为中心的过程工程转变的必然要求。探索化学供应链从分子尺度、介观尺度模型、现象模型和产品模型、过程单元模型、运行模型的集成,建立从产品工程到过程工程的联系和跨越,将分子水平或微观层次上的基础科学创造性发现与工业需要或工程研究开发直接联系起来,代表了21世纪化学工程发展的一个重要方向和趋势。

4　结　语

化学工程研究面对化学工业的需求和挑战,通过新的科学概念和知识体系来维持强劲的发展动力。化学产品工程的研究是在化学工程以产品为导向的变迁中发展起来的,可以归结为复杂化学产品的设计以及生产这些产品的过程中所需要的过程和产品的专业技术和知识。目的在于提高产品设计的水平,缩短新产品的开发周期,提升产品性能。化学产品工程研究和解决两个基本问题:首先是研究产品的期望性能指标和物理参数之间的关系;其次,这种关系如何转换为生产技术。化学产品工程的研究是充满创造性的工作。

化工界对掌握产品设计技能的化学工程师的需求在日益增长,所需的知识背景与以往的过程工程师有着很大的不同。为设计出可持续满足消费质量

需求的产品,需要以科学的基础原理描述产品的状态及其改变,作用于分子层次和微观层次上的知识显得越发重要。另外市场人员、物理、化学和工程的科学家与过程工程师之间的交流和合作是至关重要的。化学产品工程将成为结合不同领域研究成果的一种产品导向的科学和知识体系,成为化学工程研究中具有广阔前景的发展方向之一。

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Chemical Product Engineering Theories and Technologies

Qian Yu, Pan Jizheng, Jiang Yanbin, Zhang Lijuan, JiHongbing

(School of Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640)

Abstract　Chemical process industries are increasingly involved in the production of specialty chemicalsnowadays. Chemical engineering calls for new methodologies within a product-oriented framework. In thispaper, an overview of the development of chemical product engineering conception is presented first. Then,Methodology, technology and application in some sub areas of chemical product engineering are discussed indetail, including main research advances in molecular product engineering, formulation engineering and flexiblemanufacture process. Future challenges on chemical product engineering are presented at the end of this article.

Keywords　chemical product engineering, product-oriented, structure-property relationships, molecularproduct engineering, formulation engineering, flexible manufacture process, chemical supply chain

(编辑　黄丽娟)