化学工程学科发展及战略研究

2.2
取得了基础研究方面的显著成绩和重要进展
2
我国化学工程学科发展现状分析
2.1 建立了水平高、素质好、能力强的学科研究 队伍
目前, 我国高等学校和科研院所建有化学工程学
1386
近些年来 , 我国化学工程学科在基础研究和应 用基础研究方面取得了显著成绩和重要进展 , 国际 学术影响力日益增加 . 中国科学院情报研究所专门 进行的文献检索和分析结果表明, 在 2002~2006 年间, 中国化工领域论文产出量世界排名第二 , 但产出量 6786 篇 仅 为 美 国 (12765 篇 ) 的 一 半 左 右 . 但 在 2007~2011 年化工领域论文数量急增到 16812 篇, 超 过了美国的 14413 篇, 位列世界首位. 中国化工领域 的 SCI 论文占世界的份额也从 9.29%增长到 16.6%, 详见表 1. 因此, 中国以 7.31%的前后两个 5 年的份额 增量, 位居世界化工领域论文产出增长最快的国家. SCI 检索研究表明, 中国化工领域论文的被引用 次数在 2002~2006 年与美国有较大的差距, 被引用次 数(66050 次)仅相当于美国(174818 次)的 38%. 而在 2007~2011 年中国论文的影响力取得了长足进步. 引 文 总 量 占 世 界 份 额 的 15.75%, 已 接 近 于 美 国 的 17.55%. 虽然两个 5 年间 , 中国都是排名世界第二 , 但中国在该领域论文质量的提升已经使得中国与美 国站在同一个水平线上(详见表 2). 表 3 给出了世界化工领域 2002~2011 年被引用次 数 TOP 20 机构. 其中, 中国机构占据了 9 个席位(包 括中国台湾的国立台湾大学 ), 在论文影响力方面十 分抢眼. 按照被引用次数排序, 有 3 所中国机构进入 前十名. 中国科学院雄踞榜首, 清华大学和天津大学 位列第 6 和第 10 名; 浙江大学、大连理工大学、华 东理工大学、北京化工大学和中国石油大学在 TOP 20 机构排行榜中, 分别排在 12、15、16、18 和 20 位.
*通讯作者, E-mail: xcm@cup. edu. cn 收稿日期: 2014-06-17; 接受日期: 2014-07-06; 网络版发表日期: 2014-09-01 doi: 10.1360/N032014-00175
摘要
化学工程学科经过百年发展, 经历了“单元操作”、“三传一反”两个里程碑, 进入“产
关键词 化学工程 学科体系 重点领域 措施建议
1
化学工程学科的发展历程
化学工程学科是运用自然或实验科学 ( 如化学、 物理)、生命科学(如生物学、生物化学)以及数学、经 济学知识, 实现化学品、原材料、能量的生产、转化、 输运和合理使用的一门工程科学和技术学科 . 其核 心内涵是揭示物质转化过程中质量传递、能量传递、 动量传递以及分离和反应之间的内在关系 , 创建高 效、清洁、节能、安全、经济的物质转化工艺和相关 系统. 其主要研究对象包括: 能源和资源、生物和制 药、新材料、物质合成与转化、环境污染治理等化学 工程与技术. 现代化学工程学科是 19 世纪末为适应化学品大 规模生产的需要 , 在工业化学的基础上逐步形成的
中国科学: 化学 SCIENTIA SINICA Chimica 评 述
2014 年
第 44 卷
第 9 期: 1385 ~ 1393
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
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中国科学院学部
科学与技术前沿论坛
化工学科发展与协同创新专刊
科的国家重点实验室 6 个、国家工程中心 7 个. 此外, 科技部在大型国企等还建有化学工程学科企业国家重 点实验室 6 个. 据不完全统计, 我国目前 40 余家高校 和科研单位建有化学工程学科省部级(含地方)重点实 验室 51 个. 与此同时, 也建立起了完善的化工高等教 育体系, 包括本科生和研究生的专业设置、培养方案、 课程体系和管理机制, 为国家培养了大批高水平的化 工专业人才. 迄今为止, 国家自然科学基金委员会化学工程学 科创新群体 2 个, 教育部“长江学者”创新团队 11 个. 化学工程学科国家杰出青年基金获得者 58 人. 另外, 国有大型企业也建有高水平的科研机构并拥有很强的 研究力量.
品工程”、“三传一反+X”、“多(介)尺度理论与方法”等新阶段, 初步形成了以化学、物理学、 数学和生物学基本原理和方法为基础, 以传递过程原理与化学反应工程为核心的学科知识 体系. 我国在化学工程学科建成了良好的学科研究平台和队伍. 应用基础研究进展显著, 论 文发表数量及引用评价影响等方面已与美国并列站在最高水平线上. 对国民经济支柱产业 发展也做出了重要贡献. 通过分析美国基金委员会近 10 年资助的化工重点领域，以及对 AIChE Journal、Chemical Engineering Science、Industrial & Engineering Chemistry Research 三大化工主流刊物关键词索引汇聚研究, 并结合国家自然科学基金委员会“十二五”化工学 科发展规划, 归纳出了化学工程学科发展的三个层次: 学科基础、交叉前沿领域、重大需求, 共计 15 个重点领域方向. 建议化学工程学科应优化自身理论体系、完善学科评价体系、争 取“工程转化”环节的多方支持.
中国科学: 化学
2014 年
第 44 卷
第9期
表1
化工领域 2002~2011 年论文数 TOP 20 国家(地区)a)
2002~2011 27178 23598 11192 10729 9080 8631 8601 8062 7795 7481 5691 5458 4426 4405 4277 4223 4134 3861 3346 3046 2002~2006 论文数 12765 6786 5649 5253 3441 3781 4227 3361 3036 3282 2628 2409 1741 2073 1774 1772 897 1511 1631 1302 世界份额(%) 17.5 9.3 7.7 7.2 4.7 5.2 5.8 4.6 4.2 4.5 3.6 3.3 2.4 2.8 2.4 2.4 1. 2 2.1 2.2 1.8 世界排名 1 2 3 4 7 6 5 8 10 9 11 12 16 13 14 15 20 18 17 19 论文数 14413 16812 5543 5476 5639 4850 4374 4701 4759 4199 3063 3049 2685 2332 2503 2451 3237 2350 1715 1744 2007~2011 世界份额 (%) 14.2 16.6 5.5 5.4 5.6 4.8 4.3 4.6 4.7 4.1 3.0 3.0 2.7 2.3 2.5 2.4 3.2 2.3 1.7 1.7 世界排名 2 1 4 5 3 6 9 8 7 10 12 13 14 18 15 16 11 17 20 19 份额 增量 (%) 3.2 7.3 2.3 1.8 0.9 0.4 1.5 0.0 0.5 0.3 0.6 0.3 0.3 0.5 0.0 0.0 2.0 0.3 -0.5 -0.1 排名 变化 1 1 1 1 ＋4 0 4 0 +3 1 1 1 +2 5 1 1 +9 +1 3 0
化学工程学科发展及战略研究
高金森 , 徐春明 *wk.baidu.com 何静 , 段雪 , 何鸣元
① ① ② ② ③④
① ② ③ ④
中国石油大学(北京 )重质油国家重点实验室, 北京 102249 北京化工大学化工资源利用国家重点实验室, 北京 100029 中国石化石油化工科学研究院, 北京 100083 华东师范大学化学系, 上海 200241
表2
化工领域 2002~2011 年被引用次数 TOP 20 国家(地区)a)
2002~2011 239261 123865 72784 72728 71694 70113 67324 61515 48108 47083 44026 38279 33733 31864 26583 22975 20364 19970 19601 18164 2002~2006 被引用次数 世界份额(%) 174818 66050 54957 53145 46804 49743 48589 42613 32370 32497 29884 26149 25032 21216 17780 14804 14080 14697 13874 11504 21.8 8.2 6.9 6.6 5.8 6.2 6.1 5.3 4.0 4.1 3.7 3.3 3.1 2.6 2.2 1.8 1.8 1.8 1.7 1.4 排名 1 2 3 4 7 5 6 8 10 9 11 12 13 14 15 16 18 17 19 21 64443 57815 17827 19583 24890 20370 18735 18902 15738 14586 14142 12130 8701 10648 8803 8171 6284 5273 5727 6660 2007~2011 被引用次数 世界份额 (%) 17.6 15.7 4.9 5.3 6.8 5.5 5.1 5.1 4.3 4.0 3.9 3.3 2.4 2.9 2.4 2.2 1.7 1.4 1.6 1.8 排名 1 2 8 5 3 4 7 6 9 10 11 12 15 13 14 16 20 22 21 18 份额 增量(%) 4.3 7.5 2.0 1.3 0.9 0.7 1.0 0.2 0.2 0.1 0.1 0.0 0.8 0.3 0.2 0.4 0.0 -0.4 -0.2 0.4 排名 变化 0 0 5 1 ＋4 ＋1 1 ＋2 ＋1 1 0 0 2 +1 +1 0 2 5 2 +3
国家 (地区 ) 美国 中国 德国 日本 印度 法国 英国 韩国 西班牙 加拿大 波兰 土耳其 澳大利亚 俄罗斯 意大利 中国台湾 伊朗 巴西 荷兰 罗马尼亚
a) 按 2002~2011 年论文数量排序, 数据来自 Incites 2012. 位次变化是指 2007~2011 年与 2002~2006 年两个时间段相比的变动情况. 正数表示位次上升, 负数表示位次下降, “0”表示位次无变化
一门工程技术学科 . 美国 Purdue 大学的 Phillip C. Wankat 对化学工程发展历史做了总结[1]. 1880 年 , “ 化 学 工 程 ” 概 念 首 次 被 英 国 学 者 George E. Davis 正式提出[2]. 1888 年, 美国学者 Lewis M. Norton 在美国麻省理工学院 (MIT)开设了第一个 以 “ 化学工程 ” 命名的学士学位课程 , 标志着化学工 程学科的诞生[3~5]. 1915 年, 美国学者 Arthur D. Little 正式提出了 “ 单元操作 ” 概念 , 将各种化学品的工业 生产工艺分解为若干独立的物理操作 “ 单元 ”, 并阐 明了不同工艺相同操作 “ 单元 ” 所遵循的相同原理 , 实现了化学工程学科发展的第一次质的飞跃[3]. 1921 年 MIT 组建了世界第一个化工系, 决定把机械系的 流体力学、 传热学和化学系的热力学、 动力学、 扩散、
高金森等: 化学工程学科发展及战略研究
混合等核心内容加合 , 确立了 “ 化工单元操作 ” 课程 的理论体系
[6, 7]
.
20 世纪 50 年代后期, 美国学者 R. B. Bird 等把 相关物理和数学理论引入 “ 单元操作 ”, 将所有单元 操作归纳为质量、热量和动量的传递过程, 并阐明了 传递过程基本原理. 随后, 传递过程原理与化学反应 相结合, 于 1957 年欧洲第一届化学反应工程学会议 界定了化学反应工程学的学科范畴、研究方法等, 推 动了传递过程原理和化学反应工程(“三传一反”)理论 的发展 , 完成了化学工程科学由 “单元操作 ”向 “ 三传 一反”过渡的第二次飞跃[8]. 世纪之交前后, 化学工业规模迅速扩大, 计算机 技术的融入使多变量、 强耦合的大系统分析在化工中 大量使用, 分子热力学、生物化工等学科边界不断扩 展, 孕育出多种具有突破意义的化学工程学范式. 比 如 James Wei 教授等[9, 10]提出的 “产品工程”范式, 以 产品性能和物质结构的关系及其产品设计和制造作 为主要特征; 郭慕孙教授等[11]提出的“三传一反+X”范 式(其中 X 是待定的、可变的和形成中的要素), 很好 地保留了与第一阶段、第二阶段范式概念的延续性 ; 李静海院士等 [12, 13] 提出的 “ 多尺度理论与方法 ”, 以 及近期在国际上首次提出的不同尺度间的共性行为的 “介尺度理论与方法” [14, 15], 为解决学科复杂工程问题 奠定了坚实的理论基础. 化学工程学科的贡献也从传统的化学工业扩展 到能源、材料、冶金、环境、生物、医药、食品等诸 多进行物质与能量转化的过程工业 , 并不断与其他 学科进行交叉融合 , 在满足国民经济发展的重大需 求方面, 占据了不可替代的地位. 如经过近 30 年的 持续高速发展, 我国化学工业产值占 GDP 的 16. 6%. 化肥产量居世界第一 , 石油化工产业生产能力居世 界第二, 石油产量居世界第四[16, 17]. 当然, 化学工业 在为人们生活带来巨大利益的同时, 也产生了污染、 排放 , 消耗了大量能源与资源 . 正因为如此 , 化学工 程学科还将在未来“绿色环保、 低碳节能”中发挥不可 替代的作用.