延續第一篇 : http://swospam0418.pixnet.net/blog/post/153821834

本篇將介紹化工系的主要科目,

包括單元操作、化工熱力學、化學反應工程 (又有人稱「化工動力學」)、程序控制與設計

另外,將會介紹化工系的出路,

並以我在柏克萊大學材料系做研究的所見所聞,大致上介紹材料系與化工系的差異。

若你是通過學測第一階段,正準備第二階段筆試/面試的同學,也相當適用。

如果你還不想看化工系各大主科的內容,可以直接將文章往下翻,直到分隔線為止。

 

單元操作(簡稱單操),為化工系之核心,

俗稱「單單一科就很操」

一般分為三學期修習。(可見其重要)

再向各位強調一次,化工系的重點並不是在製備化學品時種種化學反應的內容

而是在整個製程中種種程序的現象,

像是反應塔、蒸餾塔、過濾、冷凝器等等,

把各個程序看做是「單元」,而單元操作就是在學習這些現象的原理。

在三個學期中,將會學到「流體力學」、「熱量與物質的傳遞」、化工常見(分離)程序的原理與運算

 

大二下之單操一,主要內容為介紹「管線」內的流體力學

  

所謂流體,包括氣體、液體等流動的系統,比方說,「風」就是一種氣體的流動系統。

上課會學到的,包括流態與現象 (層流、紊流、界面層現象等等)和各種物理量 (流量、流速等)之計算。

這些知識在生活中有什麼運用呢?

事實上,各位可以看看洗手間,洗手台的開關,也就是「閥」,就是一個例子。

另外,

各位是否曾做過飛機? 是否好奇飛機的空速究竟是如何得到的?

事實上飛機的空速正是由一種叫「皮托管」 (pitot cube) 的裝置,經由測量壓力差,

活用高中時就聽過的「白努力方程式」,便能得到機外空氣的流速,

雖然這只是在大學部的化工課程中再普通不過的儀器,但是萬一發生問題,會造成死傷慘重的墜機事件 ! 

(有興趣的可參考國家地理頻道的「空中浩劫」系列影片)

 

我在前文關於化工的基本概念中提到的 flux and driving force 的觀念,

從單操一正式開始運用。

也會介紹一些化工廠會使用的裝置,例如「流體化床」

和高中所學之流力基本上在學不同的東西,因此高中流力學得不太好也沒關係

重要的是要對物理有點基本概念

 

 

例題 : Obtain an expression for the mass flow rate "W" for an ideal gas in laminar flow in

a long circular tube. Presume that the flow is isothermal and the viscosity

is regarded as constant.

 

 

 

大三上之單操二,主要內容為熱量傳遞,包括傳導、對流、輻射,尤其是前兩者,特別重要。

若老師上課的進度較快,將會帶到一部分之質量傳遞 (mass transfer),例如物質的擴散、了解濃度分布。

實際的應用方面,例如工廠、伺服器機房等的冷卻系統,例用流體帶走熱量的方法,

便是單操一與單操二的綜合運用。

筆者曾經接觸過一項研究專案,目標是設計出能用於冷卻晶片的系統,如下圖所示。

在設計系統時,便運用到層流、紊流、熱傳遞係數、熱容量、潛熱等等變因的相關知識 !

Microfluidic (Full).png

 

例題 : A copper wire has a redius of 2mm and a length of 5m. For what voltage drop

would the temperature rise at the wire axis be 10oC, if the surface temperature of

the wire is 20oC

 

事實上,與其說單操一和單操二的內容是單元操作,還不如稱其為「輸送現象」 !!

根據呂維明教授編著之「大家來認識化工」,

在「化工聖經」Transport Phenomena

的作者之一 : Lightfoot

在1962年於台灣發表「輸送現象」之講習之後,

台灣大學率先在1960年代開設「輸送現象」課。

而以「單元操作」為主軸之化工系課程,則是從1950年代開始,取代所謂「工業化學」,

但是由於我國之學者較多為所謂「學院派」,所以在傳授「單元操作與輸送現象」時,

偏重輸送現象部分,較少真正在教單元操作。

 

台大化工系有另外開設「輸送現象1、2」,分別以流力與熱傳為主軸,進行更深入的講授

 

大三下之單操三,將真正進入化工系之本質,學習包括過濾、蒸餾、萃取、吸附分離程序,

分離程序的重要性在於: 以化學反應為例,

會涉及到反應率 (conversion)、副反應 (side reaction)等問題,

如果想要得到最純的產物 (比方說:石油成分的分離、酒精純化、抗生素的製造等),

勢必要運用物理或化學性質的相異,分離反應物、雜質等存在於反應系統的物質,

甚至於達到最高效率的副產物運用以創造更多利基,

因此前述的種種分離程序便應運而生,

這些程序需要應用到質量守恆、能量守恆、單一與單二的基礎,將會探討這些程序的原理、現象與計算。

下圖所示,就是最經典的決定「蒸餾塔」的「理論板數」與「總包效率」的圖形

例題 : A column 0.6m diameter and 4m high is , packed with 25mm ceramic Raschig

rings and used in a gas absorption process carried out at 101.3 kg/m3 and 283K.

If the liquid and gas approximate to those of water and air respectively and their flowrates

are 2.5 and 0.6kg/m3, what is the pressure drop across the column?

By how much may the liquid flow rate be increased before the column floods ?

 

 

值得注意的是,除了單操三以外,單操一和單操二,都機械系的有所重疉

甚至於台大化工的單操二指定課本,是由外國機械系教授所編著的熱傳學原文書

所以與其說化工系和化學系很像,不如說和機械系很像

http://www.me.ntu.edu.tw/main.php?mod=custom_page&site_id=0&page_id=28 貼網址給大家,讓你們知道我沒在唬爛

不過當然了,雖然一樣是流力、熱傳、熱力(後述),探討面相是有差異的。

比方說,相較於機械工程師,化學工程師對於有機物的認識是遠遠超過,

因此牽涉到化學物質的傳遞問題,便是化工人的強項。

筆者在這裡提及這件事,是為了提醒大家,化工系的訓練,比較像是讓大家成為「懂化學的工程師」,

在課程的訓練方面,我們的重點是在於「製造端」問題的解決

希望大家能更清楚辨明化工系和化學系在訓練學生方式上的差別

 

化工系還有二門核心科目,就是化工熱力學」和「化學反應工程

前者又被稱為是一種「信仰」,常被同學認為是「玄之又玄」

會從熱力學三大運動定律開始,然後探討馬達作功、相傳遞等。

由於較為抽象,因此一般被認為是化工系最難的科目。

和「物理化學」所到的熱力學不同之處在於,

物理化學中的熱力學是探討大自然中各種系統最傾向的狀態

但是化工熱力學是著重探討實際運用上需要解決的熱力學問題。

 

例題 : When 1mole of liquid water is coiled to ice at -10。C, calculate the change of enthalpy and entropy

of the system and those of the surroundings respectively by taking the heat capacities as constant

to be 18cal/K mole for water and 9cal/K mole for ice.

 

 

而後者,筆者認為難度較前者來得低很多。

主要是在介紹各式反應器(batch、CSTR、PFR)、設計、調控。(會教到和高中內容很像的反應速率式唷)化反.png

目的就是要利用各式反應器不同的特性、調控反應條件,

讓反應器中的化學藥品可以在特定的反應機制下,產生各式的產物。

搭配不同上課老師的專業背景,可能會沿伸到觸媒在反應器中的情況 等等延伸內容

雖然在考題中常常會出現化學藥品,但是解題時和化學完全無關!!(呃…除了反應速率式以外)

我所謂的和化學無關,是說不用背化學式、反應機制等

 

例題 : 考題型式常常是一個用A、B代稱的化學反應式,偶爾會用化學藥品來修飾。指定反應級數、溫度等條件,

求出反應器大小、轉化率等等。

 

 

 

最後,大四上學期的兩個主科 : 程序控制程序設計

 

 

簡單來說,就是學習程序的調控方式,上圖所示為「PID 比例-積分-微分控制器PID control。

比方說,如果化工廠的管線發生了偏差,像是漏氣,

或是原料品質的差異造成反應條件的改變、意外的反應發生造成瞬間的放熱或壓力變化等,

針對這一些變動進行監控、偵測,收集誤差值後決定處理方式,

例如安全措施的作動(bypass、冷卻水的控制、進料量)等等,就是程度控制的範疇

像2014年7月發生在高雄的李長榮化工管線外洩導致氣爆事件,就和程序控制大有關連,

比方說: 工程師要如何偵側到丙烯在漏氣? 發現漏氣後採取什麼安全措施? 

由於數據的收集與反饋都是以數值的形式進行,因此這門課將會需要工程數學的基礎,

這呼應了我在前篇所說的: 如果你唸化工系,微積分將會貫穿你的大學四年學習歷程。

 

程序設計並不是傳統的授課-聽講模式,

而是會要求學生結合過去三年多的所學,在設定目標後,透過不同程序的運用以達成之。

在台大化工的課程設計中,會透過小組project的形式,由許多老師開設「程設小班」,

達成老師所提出的程序設計目標。

 

上面說了這麼多,其實就是要表現出 : 化工系雖然會教到化學,但真正的重點其實是在物理。

各位看官瞧瞧,大二下到大四上的這些東西,有多少是和化學有關 ?!!

畢竟,化工系的重點在於「製造」。

不過化工系的課程實在很多元,雖然是以物理為主科,但是選修課程會跨到很多領域

包括生物、材料、環工、能源等等,讓你有機會往自己有興趣的領域進修,

這事實上也是國際的趨勢

在國外,有很多學校(美國化工領域前50名的學校)也是這樣,甚至是直接更改系名

比方說,柏克萊加州大學 (美國化工研究所排名第2),為Chemical and Biomolecular Engineering

如果進來了化工系,對化工主科沒有興趣,放心,天無絕人之路的

台大化工近年來有許多新近的教授也是以生物相關領域為研究路線 !!

 

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出路方面,化工系與化學系比較起來,

除非真的是到很需要專業知識的部分,像是「程序控制」這種化工系才會學到的科目,

以及化工本科專業領域,像是石化廠、化工廠的製造端、工廠管控等等,

以上是化學系比較難跨越的鴻溝,

不然基本上兩個科系的出路都很類似,無論是電子業還是傳統產業,都可以跨足,

事實上,國內半導體第一大公司: 台灣積體電路 (台積電)

其製程研發部門或是現場製程部門,化工系、化學相關的畢業生均不少,

公司一般而言在意的並不是你的科系,甚至不是研究內容,

而是你有多少的可塑性學習能力畢竟在學校學到的東西本來就很少是真的和業界接軌的。

要注意的是,如果你志在擔任助理工程師以上的職位,最好至少要有碩士學位,

學士學位的職位選擇是大大受限的,

通常化工系大學部的畢業生如果選擇繼續在化工領域就業,

通常是擔任化工公司的業務員,至少我身邊的例子大多是這樣。

 

我目前在美國,包括杜邦、3M,甚至是半導體界的Intel

在招募人才時也是把化工、化學、材料,甚至物理、機械等專業均一起納入範圍。

我在這裡便附上某極為知名的跨國企業張貼的徵才訊息。

未命名.png

 

至於有什麼是化學系可以做、化工系做不來的呢?

我個人的體驗就是真的在做化學相關的研究時,就會是化學系無可取代的優勢了,

例如,藥物的研發,需要有紮實的合成化學底子,化工系的學生因為訓練不足,通常無法勝任。

普遍來說,化工系的學生對化學的感覺會比較差,種種反應原理在大二上修完課後,就逐漸忘記了

這就是化學人的優勢。

可惜的是,台灣的產業似乎很少提供這樣的環境…

 

 那有人會問,那材料系又是在幹嘛呢?

  

筆者目前是加州大學柏克萊分校材料系的碩士生,

首先是「領域」的差別,這和材料系發展的歷史有很大的關聯。

基本上,化工系所研究之材料,是集中在「有機材料」與「高分子材料」上,

像是高中生會學到的塑膠類製品(PP PET)或是橡膠製品。

還有「有機」的能源材料與半導體材料,像是有機的太陽能電池、OLED等。

另外,生醫材料大部分也會被歸在化工系甚至是醫工系。

而材料系主要在研究的,就領域而言,較注重無機材料

傳統上「金屬材料為主,

事實上,「材料科學與工程」是在上世紀60年代,

由美國的西北大學首創將原本散落在各系(化學、化工、機械)的材料相關學門綜合成一個專門的材料系,

在此之前,包括麻省理工、柏克萊加大等理工名校,其實只有「冶金系Metallurgy Engineering

電子或光電材料」為新興的領域,以上是國內外材料系的主流發展方向。

其它種類包括「陶瓷材料」、「超導材料」、「磁性材料」等等

另一方面,「研究方法」也會有所差別,

而且化工系的材料研究一般而言著重在應用上,先是有一個目標 (比方說,我要做出超疏水材料),

然後再想辦法找到合適的化學物質和反應條件來做出材料 (利用化學系的研究成果),

進一步測試/鑑定其各項性質 (晶體結構、力學性質、破壞測試等)並分析結果 (利用材料系的研究成果)。

材料系在材料的探討上比較在意/偏向材料的本質

和化工系的材料研究室比較起來,

材料系對於材料的理解是更加偏向材料種種性能: 材料結構、機械性質、熱力學行為,

材料的性質,是受到材料成分 (composition)和微結構 (microstructure)的影響,

微結構會受到組成與加工方式的影響,

「成分」顧明思義就是構成材料的原子或分子,「微結構」則是這些原子或分子在材料中的位置。

微結構對材料的性能有很大的影響,

所以材料系的課程很大一部分是在探討形成微結構的各種條件、微結構的種類與分析、微結構對性能的影響等,

比方說探討各種晶體結構與他們的形成條件,便涉及熱力學因素和動力學因素的交互影響,

另外材料的性質/晶體造成光電效應或散射圖形的變化,背後的原理與適於用何種儀器進行分析,

如果你有聽過電子顯微鏡,像是SEM、TEM這些是材料系比較會碰觸的領域。

下圖所示,即為「鋁」的晶體和「晶界」 (grain boundary),圖片來自勞倫斯國家實驗室 LBNL

  

 

 

整體而言,假設有一種新的材料,

化工系是利用材料系的各種研究,總結出這塊材料的特性,並進而探討這材料的用途和運用過程中的現象 (如界面現象),

材料系則是著重在是什麼原因造成這個材料能有這樣的性能? 這些熱力學性質、機械性質、光電性質背後的原理是什麼?

很妙的是,進入研究所階段後,發現有機材料和無機材料的分野,變得模糊了,

(也就是混成材料: hybrid 或是複合材料 composites)

這當然和科學的發展有關。

 

筆者曾經在網路上看到有人以為材料系與化學系的關聯性高,這其實基本上是錯誤的,

絕大多數的材料研究所,還是以偏向物理的發展為主,比方我目前所在的柏克萊加大材料研究所。

事實上,我兩個星期前才聽到清大材料系的學妹向我諮詢,因為她的興趣在於生醫材料,

但是系上給予的修課資源不足 (沒有開設有機化學),因此她很擔心是否該去化工/化學系修課。

 

 

最後恐嚇大家

化工系能夠擁有這麼廣的延伸領域(被稱為「全能工程師」),是要付出代價的。

(台大)化工系的課業非常非常重,必修非常非常多(104學分)

沒有一個學期(大四下除外)是少於3個必修的,

更不用說是號稱1學分,實則佔用一個下午的實驗課。

化工系一直到大四上還有3個必修(程設、程控、化工實驗二),在四年制科系中,簡直獨一無二

有人提出土木系的必修學分比化工系更多

可是人家可沒有一大堆「一學分佔一個下午」的實驗課呀 

 

在上一篇的化工系必修列表,各位可以看到「材料力學」「電工學」這種和化工本科完全無關的東西

而且「化工實驗」雖然只有一學分,但是實驗要求高(不可能打混)

需要做結報、正報(一個用全英文撰寫、格式有嚴格規定的東西)

總而言之,就是用「紮實」兩個字來形容

但是這麼刻苦的訓練,就是為了成為最好的工程師,不是嗎?

 

 

ps 1 : 個人認為化工系其實有一個好處,就是數學沒那麼複雜。除了單操一比較麻煩一些以外,

      單操二和單操三「通常」比較重視現象的理解。

      筆者曾看過物理系的上課筆記,只能用「暈頭轉向」來形容

      完全看不懂(筆者是受到理工催眠的文組腦,並不擅長於抽象概念之理解)。

 

ps 2 : 有些人會擔心化工系會接觸到許多毒物。 

       首先,有毒的化學品基本上是受到管制,你想找也不一定找得到

       在購買和使用時都需要申報,說真的是頗為麻煩

       為了省麻煩,會盡量避免在大學實驗課程時用毒化物 :p

       真正會用到毒化物的,大概是研究生比較有機會。

       再者,大學部學生所進行的實驗是經過設計的,安全性高、複雜性低

       此外,化工系有些實驗室是進行熱力學的分析與研究的,只有電腦(跑程式)進行程序模擬和計算

             不用做化學實驗。如果真的很害怕化學藥品(媽咪我不想禿頭),可以走這個領域。

 

ps 3 : 套一句系上教授說的 : 所以化工,就是以「質能平衡」為房子的基底

       再用「物理化學」「有機化學」等築起「化學」相關的梁柱,

       「化工熱力學」、「單元操作」等築起「物理」相關的梁柱,

        最後用「process design」和「process control」蓋上屋頂,

        成為一位化學工程師。

 

先寫到這樣了,有想到會再補充

如果有什麼問題,歡迎各位留言討論。

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