《化工之歌》

化工的兩大基石是：反應與分離。反應與分離哪個更重要呢？都重要，說哪個不重要都有人跟你急，但分離比反應更花錢，大約三分之二在分離，三分之一在反應，比如煉油，就是把原油通過裂化（反應）和精餾（分離）手段分級成汽油、煤油、柴油和重油。

反應與分離各有三個基本問題：多遠？多快？怎么搞？在反應領域，首要問題是：反應有沒有可能？能走多遠？也就是，原料轉化成產(chǎn)物能有多徹底？比如說，塑料是碳氫化合物，金剛石也是碳，能不能把塑料垃圾燒成金剛石呢？能的話，收成幾何？這是個化學反應平衡問題，這方面的知識是從一門叫熱力學的課程里學到的，熱力學是門非常有趣的課，許多哲學思想，很是高大上，比如熱力學第一定律，能量可以從一種形式轉變到另一種形式，但數(shù)量不變，一度電和一度熱的能量相等。又比如熱力學第二定律，雖然數(shù)量一樣， 質量可不一樣，一度電比一度熱金貴，因為一度電很容易變成一度熱，而一度熱變回一度電就麻煩了。再比如，最低溫度是多少？不是在南極北極，極地的最低溫度好像沒低過零下100 攝氏度（℃），那太小兒科了，最低溫度叫絕對零度，0開氏度（K），即零下273.15攝氏度，想象一下那是個什么世界，冷得發(fā)抖？還能抖起來？一切都靜止了，還抖什么抖。熱力學還有個特點，就是不關心時間，熱力學里沒有時間概念，不在乎快慢，如果一個熱力學的教授老催著學生快交作業(yè)的話，好像不是個好的熱力學教授，熱力學只管可行不可行，管平衡，管多遠，不管多快。

化學反應有多快？總不能耗上一年半載生產(chǎn)幾公斤產(chǎn)品吧，喝西北風去？這個問題需要動力學來解答，動力學就是關于速率的一門課，單位時間單位體積里能出多少產(chǎn)品？請記住，不是越快越好的，太快了也會造成麻煩，比如爆炸，關鍵是可控，要多快就多快，要多慢就多慢，安全生產(chǎn)才是硬道理。

課本上的許多知識在日常生活中是可以活學活用的，比如泡綠茶，高手泡出來的綠茶，過了夜還是綠綠的，一股清香，訣竅就在掌握反應動力學，用開水泡上幾分鐘，把葉子濾掉，立即降溫，完美。因為綠茶沒有發(fā)酵過，含有碳水化合物，葉子繼續(xù)泡在水里就會發(fā)酵變黃變黑，又因為發(fā)酵是個氧化反應，反應速率跟溫度很有關系，溫度越高反應越快，只有濾掉葉子降低溫度才能保持綠茶的綠色和清香，不妨試試。

催化是有關動力學的一門課，催化就是加快或減慢化學反應，催化改變不了熱力學，但能改變動力學，可別小看催化，許多革命性的變化就是催化帶來的，比如，用乙烯做聚乙烯，二十世紀三十年代就做出來了，可是需要高溫高壓苛刻條件，很不容易，直到五十年代，齊格勒和納塔發(fā)現(xiàn)了四氯化鈦和三乙基鋁能在常溫常壓下催化乙烯聚合，還能制備聚丙烯，由此帶來了高分子材料工業(yè)革命。

解決了“多遠”和“多快”，就剩“怎么搞”了？也就是反應器工程，反應器的類型很多，壇壇罐罐，管管道道，立式、臥式，間歇、連續(xù)、半連續(xù)，模樣琳瑯滿目，但幾個基本東西還是一樣都要考慮的，停留時間分布，攪拌，加熱，冷卻，結垢等等。還有令人頭疼的放大問題，別以為實驗室燒瓶里做出來的東西都能大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，放大是一門很有講究的科學，因為太復雜，有時理論不太頂用，得靠經(jīng)驗一步一步地放大，這過程耗錢耗力又耗時，希望近些年如火如荼的人工智能理論對化工放大有所幫助，機器學習，工藝學習，結合工業(yè)大數(shù)據(jù)，藝高人膽大，繞過一些中試。

全憑經(jīng)驗毛估估的東西還不能算現(xiàn)代科學，應該是藝術，藝術和科學很不一樣，科學是從復雜的現(xiàn)象中找出簡單的原理，想想宇宙多復雜，看看愛因斯坦公式E=MC²吧，簡單得要死！不服不行，還必須五體投地。數(shù)學是最美的語言，能用數(shù)學表達的東西盡量用數(shù)學表達，一句頂一萬句。科學從復雜到簡單，而藝術恰恰相反，藝術家能從單調無聊的生活中，司空見慣的環(huán)境里，看到凡人看不到的，說不清道不明的美，從簡單到復雜，也是真功夫。看官有興趣的話可以上網(wǎng)看看塞·托姆布雷的《無題（紐約）》1968（Cy Twombly 'Untitled (New York City)' 1968），看似無序卻有序，道是有序又無序，曾經(jīng)無題難為題，除卻無語不是語。無即為有，有便是無，點到為止，無須深究，此畫妙不可言，切莫妄加評論，顯得無知無識，盡給理工丟臉。托老的這幾根線條，2015年11月在蘇富比拍出了七千萬美刀！也別羨慕嫉妒恨，這世界只能容納一個托姆布雷，想當二托？畫幾根線試試。有人愿拔七美刀就謝天謝地了。此處聲明一下，因為不知如何引用藝術品，未敢把這幅四億多人民幣的名畫拷貝到這篇文章里來，有勞看官自己動手上網(wǎng)找找。

此時此刻，想起了北島那首只有一個字的詩，《生活》：網(wǎng)。沒讀懂？太無知！讀懂啦？真無知！

科學和藝術是相通的，但不是簡單的學幾門課就能通的，就訓練而言，科學從復雜到簡單，藝術從簡單到復雜，是相反的，孩子究竟適合文科還是理科，父母是可以判斷的，實驗很簡單，找?guī)准軓碗s的東西，讓孩子講講，如能三言兩語說得清清楚楚明明白白，絕對是理工的料，再找?guī)准唵蔚臇|西，如能繪聲繪色頭頭是道，應該是文科的料，實驗要多做，因為有誤差 。文理相融，是人們的追求，不是低層次的一加一等于二，而是高層次一加一大于二的一種協(xié)同效應。

反應與分離是化工的兩大基石，各有三個相同的基本問題：多遠？多快？怎么搞？反應產(chǎn)物是個混合物，里面有產(chǎn)品、副產(chǎn)品和沒有轉化掉的原料，要分離，要提純。

混合物中的各組分容不容易分離也是熱力學決定的，有些組分不喜歡混在一起，很容易分離，如油和水，也有些組分特別喜歡混在一起，如酒精和水，熱力學決定了組分能分得多開。至于分得多快，就是傳遞過程了，傳質、傳熱、流體力學，也就是令化工人十二分自豪的“三傳”。傳質的快慢跟濃度梯度成正比，叫菲克定律，菲老1855年就提出來了。傳熱的快慢跟溫度梯度成正比，叫傅立葉定律，傅老提得更早，1822年。同一時期，納維爾和斯托克斯提出了一個流體力學方程，就叫納維爾-斯托克斯方程，是個非常牛的方程，飛機在天空中飛行、輪船在大海里航行，都得靠這方程，可這方程實在是太難解了，有不知天高地厚的數(shù)學發(fā)燒友不妨試試。

分離的最后一個問題也是“怎么搞”，需要單元操作，化工人的拿手好戲，最著名的單元操作要數(shù)蒸餾，利用各組分的揮發(fā)度不同，把輕組分汽化、分開、再冷凝，原油就是靠一次次蒸餾制成各種油類的，多次蒸餾也叫精餾，燒酒也靠蒸餾提高酒精度。除了蒸餾外，還有萃取、吸附、吸收、結晶、過濾、沉淀、膜分離等等單元操作，懂得單元操作的人，日常生活中可有不少樂趣，比如想把啤酒搞可口一點，就是件容易的事，把啤酒瓶塞進冰柜，等有一半結冰后，取出來，把液體倒給自個喝，把冰化了給老爸，立馬贏得名副其實的坑爹美名。需要提一句的是，分離和混合基本原理是相同的，理論是共享的，只是方向相反而已。

以上這些內容可以總結成“化工一頁紙”：

不得不承認，這化工一頁紙是極其簡單粗暴的，專家一看都會暈過去，沒暈的，一定瘋狂拍磚，一問題一磚，磚磚精準狠，比如：反應器里的三傳，太重要啦，怎么沒關心呢？正是由于怕被拍磚，這些自娛自樂文字十幾年未敢成文示人。

理工語言的確貧乏，難怪理工男成了不堪的貶義詞，為了化工，就豁出去了，來一瓶重口味的“朱氏醬油”：學術版《化工之歌》打油詩，看看合不合各位看官的口味？深知眾口難調，請多多包涵。

熵焓是熱力學的重要概念，熵就是任性、隨意、自由度，喝酒不開車，開車不喝酒已是常識，深入人心。其實每個人的酒量不一樣，能喝的人，一兩杯不礙事，國外警察路查是這樣的，警察：“有沒有喝酒？”司機：“有。”警察：“下來走直線。”如果司機能用模特兒的貓步走出一條直線，警察立馬說：“可以走了。”其實，警察就是在測司機的熵值，喝暈了，搖搖晃晃轉圈子，熵高了，罰款，吊銷駕照，進局子。看官別誤解，駕車禁酒利國利民，是“普大喜奔”的英明政策，本人堅決擁護，也省下了不少酒錢。

活化能是動力學的一個重要概念，活化能的高低決定反應快慢，就像爬山一樣，山高了，爬得慢，要加快的話，就得加熱加溫加能量，山兩邊的高低決定了化學反應是吸熱還是放熱，這邊比那邊高，爬過去了，就放熱，反之這邊比那邊低，就吸熱。放熱吸熱是熱力學問題，活化能把動力學和熱力學扯在了一起。

菲克定律管傳質，傅立葉定律管傳熱，所以啟迪了品質的飛躍和溫暖的傳遞，兩個定律都是微分方程，給個邊界條件：無邊無際。納維爾-斯托克斯方程解釋氣體和液體的流動行為，用來表述澎湃的心濤和燃燒的激情正合適，給個起始條件：奔騰不息。

反應釜中知冷知熱，分離塔里經(jīng)風歷雨，化工為人類作出了偉大的貢獻。看官有所不知，化學工業(yè)占比中國GDP 20%以上，化學工業(yè)是基礎工業(yè)，關系到國家富強和人民幸福，化工與日常生活息息相關，一睜一閉之間的梳洗打扮吃喝拉撒，哪樣離得開化工產(chǎn)品？沒有化工，這日子一天都過不下去。正是因為太實用，機會多多，過去三十年，什么掙錢最容易？化工！只要村頭有塊地，招商引資門檻低，搗鼓搗鼓出配方，管它專利不專利，管管道道鋪開來，壇壇罐罐湊個齊，取個名字要拗口，西當中來中作西，三傳一反沒關系，安全生產(chǎn)誰在意，百噸千噸萬噸級，腰包才是硬道理。競爭越來越烈，規(guī)模越來越大，裝置越來越衰，直逼一個臨界點。出來混，遲早是要還的，結果就是幾十年后今天的另一方景象，爆炸聲聲刺耳，火光熊熊灼眼，形勢告急傷心，談化變色絕情，一聲令下：關，關，關！搞得化工人灰頭灰臉，念行業(yè)之悠悠，憂后不見來者，空前絕后。這，本來是可以避免的。是教訓，也是新的開始。

人們常有誤解，以為化工就是化工廠，化工廠當然是化工的，但化工絕不僅僅是化工廠，凡是涉及反應與分離的，凡是用到三傳一反熱力學知識的，就是化工，比如能源，由于歷史原因，能源學科多半是從機械學科發(fā)展過來的，因為有了機械，需要驅動，需要驅動，就得有能源。能源種類繁多，目前主要能源還是煤炭、石油、天然氣、核燃料等，都涉及反應與分離，都用到三傳一反熱力學，主要還是化工的東西。又如環(huán)境，雖然作為學科，有些從土木發(fā)展過來，但歸根結底還是反應與分離，還是化工。再如材料，材料的生產(chǎn)與加工就是化工，材料作為一個學科研究材料結構與性能關系，是從化工發(fā)展過來的。還有煮飯炒菜，其實也是個化工過程，有反應、有分離，三傳、一反、熱力學，掌握火候，做到色香味俱佳。做不好一桌飯菜的人，搞不好化工，我算個例外。請記住，化工是工學四大祖宗學科之一，長者有長者的尊貴和風范，長者有長者的智慧和力量，化工大牛常常自喻為老母雞，老當益壯，勇于下蛋 。

有學生申研時，上網(wǎng)幾晝夜，查了化工學術界牛人張三李四王五，發(fā)現(xiàn)少有號稱“三傳一反”磚家的，也沒人做“化工一頁紙”里的科研。誤會誤會，牛人們學富五車、才高八斗，“化工一頁紙”里的那點兒基礎知識，早在牛人們血液里，水滿無聲。牛人們什么都敢做，什么都能做，什么材料、能源、環(huán)境、生物、納米、食品、藥物、安全，you name it，不在話下，只要涉及反應與分離，只要用到三傳一反熱力學，舍化工其誰？再說象牙塔里也不都是不食人間煙火的圣人，圣人的一半是俗人，也得養(yǎng)家糊口，藝不壓身的教授們，響應號召，開個公司，做個咨詢，情有可原。

化學工程是個系統(tǒng)工程，非常講究大視野、大格局，具有非凡的領導力和執(zhí)行力。人類面臨的挑戰(zhàn)有哪些？能源、資源、材料、環(huán)境、健康、食品、安全、反恐等等。挑戰(zhàn)即是機會！如能舉出一個學科跟所有這些挑戰(zhàn)都有關系，都能作出貢獻的，也只有化工，解決這些挑戰(zhàn)都涉及到反應與分離，都得用上三傳一反熱力學。從這個意義上講，二十一世紀就是個化工世紀。緊接著學術版《化工之歌》，再編了個口味更重的賣萌版《化工之歌》，也曾試著寫過一首相應的英文打油詩，實在是拿不出手，但有一句，千真萬確，化工人 deserve a cool career and a hot life。

大凡科普，多半是忽悠外行的，無非是想得到大眾對本學科本行業(yè)的認可，后繼有人，可本文作者更希望同行能讀讀，有話想說，憋著難受，靠不靠譜，也就管不了了。這篇文章是根據(jù)講稿整理而成，得到了許多前輩和同仁的鼓勵與幫助，在此一并感謝。

謹以此文，獻給所有為化工事業(yè)忍辱負重、為民富國強默默奉獻的人們（本文刊于《化工學報》2019年9期）。