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我们今天所知的现代生活的最显著特征是什么？也许电力、汽车、大规模生产和大规模消费将会在排行榜上高居前列。这些是发生在19世纪末与20世纪初的第二次工业革命的成果。 40 这里我们着重考察电气工业和化学工业，因为它们对现代社会的基础设施具有重大影响。它们从一开始就是科学密集型的产业，是开展工业研究的。作为新产业先锋的是一群新型工程师。学生们对工程学科情有独钟，特别是对化学工程和电气工程更是如此，因为他们意识到这门学科既满足了社会生产的实际需要，也使他们所从事的职业越来越有机遇。
不像土木工程和机械工程那样源远流长，可追溯到远古时代，化学工业和电气工程除了同前者一样都有一种坚定的实用姿态之外，鲜有前者那样的久远传统。它们源于化学与物理，并且充满了那些科学的见解。化学工程的先驱者大多是大学教授，他们强调科学及其基本原理的重要性。在自学成才的工程师兼企业家的初潮消退以后，美国电气工程的主导地位交到了诸如斯坦梅茨（Charles Steinmetz）和普平（Michael Pupin）等人的手里，他们精通数学和物理学，把这门职业带上了严格推理的道路。到20世纪30年代，电气工程师杰克逊（Dugald Jackson）注意到，“从物理学领域引入到我们领域的精确测量与受控实验，极大地促进了理性而准确的工程计算，也给电气工程教育留下了科学影响”。 41 电气工程师和化学工程师成了工程科学发展的领军人物。
化学、电磁学以及后来的量子力学，打开了通向以前还十分神秘的物理现象的大门。新开拓出来的一些领域庞大而复杂。为了探索和开拓这些领域，科学家与工程师联手了。但是，化学工程和电气工程不再是化学与物理学的附属物，就像一个人不是他的兄弟姐妹的附属物一样。它们具有不同的定位，并发展出了尽管有时重叠但有区别的基本内容。例如，在制药业上，化学家的工作更倾向于药物发现，而化学工程师则更关注药物生产的工艺流程的效率。在电信业中，物理学家更倾向于从事设备的研制，而电气工程师更多关注电力网的发展。化学工程自然而然地延伸到了生物化学工艺流程和生物技术领域。电气工程已经扩展到了覆盖微电子学和计算机科学的地步，而且支配了处于信息技术前沿的电信系统。
自从拉瓦锡（Antoine Lavoisier）的著作在18世纪80年代出版以来，化学结束了它过去的炼金术历史，变成了追求自身利益的科学，并最终通向原子科学。然而，化学在医学和其他领域中的实际应用，总是受到重视与追求。实用性增进了化学的普及性。从18世纪末开始，新的推动力来自蓬勃发展的纺织工业。衣料的漂白和印染迫切需要生物碱的化学替代品，因为当时生物碱是紧缺物资。制备硫酸的罗巴克（Roebuck）铅室法，以及制备烧碱与漂白粉的勒布朗（Leblanc）法和更高级的索尔韦（Solvay）法，正是适应了这种需求。英国一度在这些重化工产品的生产中领先，但是到了19世纪末期，它就渐渐被美国超越了。 42
有机化学在 1810 年问世。在珀金（William Perkin）于 1856 年发现第一种苯胺染料以后，全欧洲的所有化学家都竞相把苯胺和他们在实验中废弃的任何化学物质进行反应，以便创造出各种色彩。在凯库勒（August Kekulé）于 1865年发现苯的六边形环状结构以后，化学家们在探寻类似染料或药物那样有用的有机成分时得到了理论的帮助。德国的巴斯夫、霍斯特和拜耳等公司，都是由化学家和具备化学技术知识的人在 1863 年左右建立的，这些人深知科学知识在他们产业中的重要性。这些德国化学公司与大学和开发性的工业研究实验室建立了密切的联系，从而成了世界其他地方的样板。这种研究使他们能够开发出上百种染料，并以比竞争者更低的单位成本来生产，发展新颖的产品与流程，并且分化出像制药业那样的其他领域。德国人很快就在精细化工制品方面超过英国，并继续在合成染料方面独占鳌头。
德国是化学与化学工业的世界领袖，但并不是德国人把化学工程发展为一门融科学概念与科学知识为一体的、富有特色的学科。化学工程是乔治·戴维斯（George Davis）在英国构想出来并通过美国人得以最终实现的，他们是麻省理工学院的沃克（William Walker）、刘易斯（Warren Lewis），以及他们得力的同事、工程顾问利特尔（Arthur Little）。这三个人，就像他们同时代的许多人一样，在德国从事研究。在 1888年，麻省理工学院设立了首个定名为化学工程的四年学制课程，它后来在 1920年成为一个独立的系。宾夕法尼亚大学在 1892年设立了第二个化学工程系。大多数化学工程系起源于大学的化学系。尽管有了这样的名称，但是课程的早期内容主要还是化学加上机械工程。
富有特色内容的化学工程是在20世纪早期发展起来的。沃克、刘易斯和利特尔勾勒了单元操作并将之系统化，其基本流程普适于许多其他类型的化学反应器，使得工程师在反应器设计中能够以单元形式进行组合与匹配。由于有了这类核心课程，化学工程吸引了越来越多的学生。
在1908年，戴维斯的构想是通过美国化学工程研究院的建立而实现的，但却并非没有遭到来自美国化学会（ACS）的很大阻力。当电气工程迅速建立起与物理学不同的特色学科时，化学工程与化学已经有了一条更牢固的纽带，即化学工程师斯克里文（L. E. Scriven）所谓的“有时爱恨交加的关系”。 43 化学较之物理学更倾向于应用与贸易，今天人们注意到的这一点差别，可以对美国化学会的《化学与工程新闻》和美国物理学会的《今日物理学》这两份刊物作比较看出来。为了使自己有别于化学，化学工程就必须显示出比实用效果更多的东西。通过整合化学、物理学和数学，化学工程师创立了一门奠定在门类广阔的工业化学流程基础之上的工程科学。凭借着它的科学能力，建立起来的不仅有兴旺发达的职业，而且还有基于新工艺流程的许多新兴产业。
德国曾经在化学与化学工业方面领先世界。为什么它没有发展出化学工程？这里我们注意到了 产品 与其 生产流程 的重要差别。产品不能从论文的设计中魔术般地物化。有时候，甚至连最简单的产品都要求有复杂的流程，尤其是在成本、产量与时间上还有待裁决的时候。铝只是一种元素，而且是地球上含量最丰富的金属，但是人们花了很长时间才开发出有商业价值的从矾土中提炼铝的电解工艺。只是为了叙述上的简洁起见，笔者在讨论土木工程和机械工程的时候，才重点关注桥梁和蒸汽机之类的成果。实际上，建筑的工艺流程与制造的工艺流程同样重要，并且经常对产品设计施加种种约束。斯蒂芬森不得不放弃他的不列颠大桥原有的拱形设计思路，因为造桥过程需要暂时阻塞海峡，而英国海军部禁止这样做。鉴于这类法令是规则而非例外，它几乎强制要求现代桥梁在建造过程的每一道工序中都必须自承责任。对一座桥梁建造过程施加的约束，强有力地影响着它的结构设计。 为制造 而设计 ，这是产品工程师的座右铭，充分表明了仔细考虑产品工艺流程的重要性。 44
产品与工艺流程的设计需要有相当的智力。这集中体现在表彰哈伯-博施（Haber-Bosch）法的两个诺贝尔化学奖。哈伯（Fritz Haber）因为发明一种合成氨的方法而获得 1919 年诺贝尔奖。博施（Carl Bosch）因为开发出制造合成氨的工艺流程而分享了 1931 年的诺贝尔奖。要不是工程师克服了巨大困难来实现大批量化肥生产从而造福于全人类，即使化学家有如此辉煌的发现，也只能滞留在实验室里。正是在生产的工艺流程中，化学工程才找到了它的合适位置。
工业上的化学工艺流程不是实验室化学反应的简单放大翻版。除受到成本、生产容量和环境影响等方面的约束外，还有很多障碍阻碍了化学反应从实验室试管水平成比例地放大到工业反应槽的水平。一个化学家可以在火焰上摇动一个烧瓶来加热、混合反应物以达到所要求的反应，但是要把相似的方法应用于一个有上千加仑体积的工业反应槽时，到头来很可能会以一场致命的爆炸而告终。具有较小表面和体积之比的大容器，对于热量的分布更为不利。为了加热容器里面的内容物，必须更细心地关注流体运动和热传递的过程，以确保化学反应所必需的适度加热与混合。与工业化学反应器相关的物理过程能够被系统地发现，而且它们的一般原理能得到研究。因此，它们能够很顺利地将种类繁多的化学反应按比例放大为有效的工业生产。正是在实施这些任务的过程中，化学工程将自身与化学区分开了。
由于技术和经济两方面的原因，工艺流程在化学工业中较之在其他产业中更为重要。从技术上来看，产品与流程的联系对于化学品来说牢不可破。很多化学产品，诸如聚合物之类，没有一成不变的工艺流程。虽然它们的分子结构是特定的，但它们最后的性质随着生产方法而变化。生产工艺对于产品性能的影响作用，在高级的与特殊的材料中甚至更大，而这些材料在未来会变得日益重要。鉴于这些情况，为了确保产品有令人满意的特性，工艺工程师的及早介入是完全必要的。
从经济上看，化学工业是资本与原材料密集型产业，而非劳动密集型产业。很多化学品是被大量消耗的日用工业品。因为大量生产，化学设备和其他方面资本投入的成本消耗可占产品销售价格的50%。很少有人能承担得起如此昂贵的设备，并用它们做实验来找到合适的生产工艺。因此，甚至在计划阶段，首先就必须把工艺看成头等大事，并以此来预测设备的运行性能。
化学更多地涉及产品的设计——化学分子与化学反应的设计；而化学工程，则是关于有效的制造工艺的设计。在初期的化学工业中，将化学反应从实验室按比例扩大到工业生产的工作是由与机械工程师合作的化学家完成的。这种跨学科的合作对于德国人来说是满意的，部分原因在于他们精通复杂产品：有机的与精细的化学品，诸如染料和药剂等。这些复杂的、专业化的和高价值的产品，需要复杂的化学知识而不是更多的工程技术。并不需要按比例扩大，因为它们的产量小，而它们昂贵的市场价格能够补偿相对昂贵的制造成本。在1913年，德国生产了 13.7 万吨染料，包括上千个品种；而美国仅硫酸就生产了 225 万吨。美国与英国的工业集中在化工品的大规模生产，诸如酸和碱等。这些简单而又价廉的产品只需要很少的化学知识，但是需要更多的工程技术来按比例扩大到巨大容量的生产。它们的微薄利润率鞭策着企业想方设法降低生产成本。所以并不令人惊奇的是，英国人和美国人要比德国人更有兴趣发展大规模生产工艺的科学技术——化学工程。
早在 19 世纪，许多化学方法已经在工业上获得了应用，为了解释它们，一门化学的分支发展起来。工业化学家把每一种生产工艺都看作是一套单元，而不是把它们解析为各种构成部分，并根据它们的效用概括出一般性的结论。他们编写的教科书犹如烹饪大全，其中罗列的工艺足有上百种，各种方法相互独立而又有重复之处。每一种工艺（例如制备硫酸），都列出了一份所需要的装置和步骤的清单，而没有提示其中的某些步骤也可以移用于生产其他产品（例如苏打）。对它们的制法所作说明的这种独特性，阻碍了同样的方法移用于其他工艺，因此大多要依靠耗费时日的试错法试验，才能打开新的局面。于是化学工程师被归类于“非科学”的科学家。
苹果熟落，月出月没。铁会生锈，煤可燃烧。成千上万诸如此类的自然现象被人们悉心记录并加以分类，这在系统性的观察中可能是一种良好的开端，但还算不上是科学。牛顿发现同样的物理定律支配着苹果下落和行星运动这些截然不同的现象。拉瓦锡发现同样的氧化反应发生于燃烧和呼吸这些截然不同的现象之中。更为重要的是，这些科学家都阐明了潜在的自然定律和过程，并精确地表述它们——有时采用数学方法——以致其他人可以预测前所未见的现象。对细枝末节加以抽象，从形态各异的现象中洞察隐含的重要模式，揭示它们的普遍原理，并用以诠释和预言新的现象，这些都是自然科学的核心能力。在工程学中同样用到了这些自然科学的方法，所不同的是，作为目标的现象通常都是人为的。
同工业化学相比较，化学工程学却从整体论转向分析法，从个别转向类型。它解析每一种工艺流程，关注点不是个别的实例，而是对许多工艺流程通用的操作类型。着重于类型，能确保这种解析不是主观武断的，因为同一类型的操作也见之于不同的工艺流程。组分操作遵从一般的原理，这些原理构成了化学工程学的统一基础。
戴维斯第一个看透了笼罩在化工工艺上的多样性的面纱。作为一个工业顾问和污染稽查员，他走访了多家各式各样的工厂，察觉到它们中存在着共同要素。在他撰写的《化学工程学手册》（ A Handbook of Chemical Engineering ）中，包含有讨论如下主题的篇章，例如加热和冷却、离析、蒸发、蒸馏等的运用。刘易斯评论说：“戴维斯的第一大贡献在于，他正确地指明了如下事实，即基本的科学原理普遍隐含于形形色色的化学工业中，它们的操作从根本上说是相同的。……早在 单元操作 （unit operations）这一术语创设前30年，［他在讲稿中］已经提出了它的实质性概念。” 45
化学反应诚然是化学加工的关键所在，但是必须辅以许多其他的操作方式，例如让反应物得以适当地接触。工程师把一般工艺分解为若干个主要步骤，其中包括准备原材料，控制反应条件，提取最终产品等。对每一步骤的进一步分解又显示为若干单元操作的组合，其中含有的类型数目是有限的。反应物可能通过研碎、搅拌或其他方式来制备。某种化学反应可能需要加热或降温。反应物也可能是混合物，会在气态、液态和固态之间发生相变。在这种情况下，其操作就要确保各种相的适当接触。化学反应中也可能要采用催化剂以提高反应速率，因此还必须实施能够有效地运用和再生催化剂的各种操作。无论如何，反应器的温度、压力、液位以及其他参数都必须适当地加以控制；因此务必让溶液得以畅通无阻地流经反应器。反应结束后，生成物往往以某种混合物的形态存在于反应器中。除了目标产品外，可能还会有一些有用的副产品、尚未用完的可回收利用的原料，以及必须适当地除去的废物。要将它们一一加以分离，其操作方法包括蒸馏、蒸发、吸收、萃取和过滤等（参见图2.4）。
许多单元操作，例如增压和蒸馏之类，并非属于严格意义上的化学领域。但化学工程师对此并不在乎，仍然坚持认为它们值得科学界的关注，因为这些单元操作是化学反应从实验室规模跃升至工业水平的主要难关。作为最初一级近似，它们可以从特殊的反应中抽象出来，独立地加以发展，在理论上建立模型，准备应用于一系列范围广泛的新工艺。
图 2.4每一种化工工艺都可分为三个阶段，而每一阶段都拥有各种各样的单元操作
把化工工艺解析为单元操作还只是第一步。在开发新工艺时，为了选择合适的操作并将其综合起来，工程师必须理解在一定条件下操作如何进行，以及为什么要这样进行。为此，他们需要把握其中潜在的数学关系。自从19世纪80年代后期以来，物理化学家们一直在对这些操作方法进行调查研究。沃克、刘易斯和麦克亚当斯（W. H. McAdams）把物理化学和热力学两者结合起来。他们解释了无数的单元操作是如何运用一些普遍原理的，例如流体运动与热传递等。1923年，他们在著作《化学工程学原理》（ Principles of Chemical Engineering ）的序言中写道：“所有重要的单元操作都有许多共通之处，如果领会了理性设计和操作基本类型的工程设备所取决的内在原理，那么它们能成功地应用于制造的工艺流程，就不再是碰运气的事了，而只需良好的管理。”有效地进行预言是科学的特长。牛顿力学使物理学家能够预测彗星的回归。类似地，工程师们在他们的设计作业中预测产品的性能。正如麦克亚当斯所解释的：“工程设计的终极问题是充分发展基本而可靠的计算方法，以使人们能够从化学品的物理和化学特性中，预言新型设备的性能所具有的精密性和可靠性。” 46 在这里，与自然科学所不同的只是工程科学所强调的实践性。
早期实施的单元操作，往往倾向于侧重显而易见的自然特性，其数学表述却十分粗陋。它所涉及的诸如热传递系数之类的各种参量，对于工艺设计和效率评估都很重要，这些参量都是凭借经验估算出来的。工程师们逐渐地做到在数学上使经验数据相互关联，深入研究了单元操作，以便在科学上探明它们内在的机理。搅拌、过滤、沉淀以及许多其他的操作，往往涉及流体的流动。流体动力学研究流体的黏滞性、摩擦力，以及密度、动量和温度分布等因素所引起的各种效应，自从牛顿以来，它一直受到科学界的关注。由于这些问题极为复杂，除了一些最简单的理想化案例之外，流体动力学的各种非线性方程至今仍然无法采用解析法。于是物理学家们知难而退，移情别恋。但是工程师们却不屈不挠地坚持下来了，因为流体的运动在许多实际应用中至关重要，其范围涉及从航空学到涡轮设计的广大领域。对于化学工程师来说，流体动力学的难度特别大，因为他们所要处理的不仅仅是一般的空气和水，而是一切种类的流体：黏性的聚合物；具有微观结构的泡沫和乳浊液；以及气态、液态和固态的混合物等。即使是运用今天威力十分强大的计算机，有关复杂流动的动力学中的许多问题仍然有待解决。回顾工程学的早期岁月，它所取得的进展不是建立在猜测性的解法上，而是引入了富有成效的概念以从经验数据中获得本质结构，并且构想出易于概括的实际近似解。 47
学术界和产业界两头皆热。1929 年，杜邦公司组建了由奇尔顿（Thomas Chilton）主持的基础化学工程研究组。小组里拥有数个具备理论头脑的杰出工程师，其中就有科尔伯恩（Allan Colburn）。以德国工程师的研究成果为基础，他们确定了重要的无量纲数群，在流体摩擦力、热传导和质量转移等参量之间建立了类推关系。一旦已知其中的一个比率，人们根据类推法就可以估算出其他的比率。科尔伯恩不厌其烦地探究工程学的一般概念，阐明它们对设备设计的重要意义。皮格福特（Robert Pigford）曾是杜邦公司的一位研究员，他在描述科尔伯恩的研究态度时说道：“如此明确地致力于在领会理论意义的基础上 使用 研究成果，堪称早期工程学研究的典范。” 48
霍根（Olaf Hougen）和肯尼思·沃森（Kenneth Watson）在1943—1947年间出版的著作《化学过程原理》（ Chemical Process Principles ），运用热力学和化学动力学去处理化学工程学问题。伯德（Byron Bird）、斯图尔特（Warren Stewart）和莱特富特（Edwin Lightfoot）所著的《传递现象》（ Transport Phenomena ）一书，出版于 1960年，该书提出了一个使人容易理解的数学框架，各种变量分布式地而不是成团地充塞着，从而覆盖了从方程变换到动力传递系数的一切。他们都呼吁工程师要更多地重视理解基本的物理定律，这对该学科后来的发展产生了意义深远的影响。
化学工程学的科学基础建立在如下几个领域之上：热力学，传递理论和流体动力学，反应动力学和催化作用。此外工艺流程设计还获得控制理论和计算技术的辅助。博大精深的科学原理和威力巨大的工具使得化学工程师能够去创新、构思、设计、扩大规模、建造、操作化学加工设备，以及尽快地转入新的研究领域。
青霉素的战时生产充分体现了工程科学的快速适应能力，也有力显示了工程科学在产生实际成果方面补充自然科学的必要性。弗莱明（Alexander Fleming）在 1928 年发现青霉素之后，人们企盼利用其潜在作用的激奋心情很快便消退了，因为当时尚无人能够找到一条能生产足够数量的青霉素以供临床试验所用的途径。密布的战云提醒人们，伤口感染和炮弹爆炸同样致命，于是一个由弗洛里（Howard Florey）率领的英国科学家研究团队应运而生，他们决心研制出更多的青霉素而不只是为了满足实验室的好奇心。在使用上百个反应罐培养青霉菌一年以后，他们提取了足以在一个病人身上试验的药剂量。为了保留这种极其昂贵的药物，他们收集了这位病人打针后的每一滴尿液，以便提取其中所含的药分，并且重新注射回病人的体内。尽管如此竭尽全力地循环使用，可是到了第五天，当病人出现了明显的痊愈迹象时，青霉素还是耗费殆尽了。由于药物不足，这位第一个接受青霉素治疗的病人旧病复发，在1941年3月15日不幸去世。 49
1944年 6月 6日，盟军强攻诺曼底海滩，事前已为这次盟军士兵准备了充足的青霉素供应。早在 3 个月之前，第一个生产青霉素的商业厂家开始运营。时至D日反攻
前夕，该厂每月的生产量已超过 10 万份剂量。受伤的士兵注射青霉素以预防细菌感染，其中 95％得以痊愈康复。从此，那些传染性细菌再也不能肆虐战场和医院了。
如果一种有效的药物比精美的钻石还要昂贵，那它就没有什么影响了。生产规模按比例增长，药品产量和痊愈人数都在与日俱增，使青霉素成了人类的救生员，这是化学工程的一大成就。1941年6月，弗洛里携带他的研究成果来到了美国。在地处伊利诺伊州皮奥里亚的美国国家实验室的科格希尔（Robert Coghill）的主持下，一个项目迅速地确立起来并持续推进。这是在研究、开发和生产上最宏大的国际合作项目之一，其中政界、产业界和大学之间的信息流通畅通无阻。科学研究大大改进了菌种丝体、培养媒质以及化学工艺流程。然而，尽管产量有所提高，科学家们还得花上 18个月时间才生产出足够供 200个病人做试验的青霉素剂量。于是，工程师们积极行动起来，竭尽全力施展他们关于化学加工的知识。在微生物学家的紧密配合下，美国辉瑞制药公司的工程师们在容量 1000加仑（约 3780升）的反应罐中引进了深浸发酵法。美国默克制药公司的工程师们发明了氧气输送的激式循环工艺，后者成了适于培养好氧微生物的搅拌釜反应器的核心技术。为了同时间赛跑，该项目实施了现在称为 并行工程 的方式，尽管当时还没有这种叫法。在D日反攻之前9个月，青霉素的研制已经完成了中间试验阶段，一些公司请了工程队来建造厂房，另一些公司则为这些厂家忙着开发发酵和回收工艺。美国辉瑞制药公司在纽约布鲁克林开设的第一家工厂，从设计到投产前后只用了短短5个月的时间。
青霉素生产完全是一种崭新的工艺。化学工程师归纳出他们所掌握的反应器原理，以解决反应中的各种问题，用前所未有的速度将菌种从小小的实验室盘子转移到巨大的工业反应罐中。而且，这种从反应过程中概括出来的知识，进一步又萌发了生物化学工程学这一门新学科，这是生物工程学迈出的第一步，有关内容将在本书第6.5节阐述。
在2000年的美国国内生产总值（GDP）中，化学品及其相关产品所占比例达到2％左右。这一数值中的1/4是医药制品，1/3是基础工业化学品，余下部分涉及一系列范围广泛的各种制品，从肥皂与化妆品到塑料、树脂、颜料、肥料，以及合成纤维等。化学工业构成了化学工程师活动的主要场所，但是在 1990 年，它们就已经吸引了将近一半大学毕业生的注意，然而从那时以来这一比例在持续缩减。除石油炼制和燃料生产外，化学工程师也在为其他产业工作。食品、饮料、纸张以及纺织品等行业，都要依靠许多化学工艺和生物化学工艺；一些生产照片胶卷的厂家也是如此；还有皮革、橡胶和塑料制品，木材和木制品，石料、陶土、玻璃和陶瓷制品，金属制品和冶金产品，半导体和微电子产品，等等。以上所有这些，连同各种化学品生产行业一起，形成了 化学加工 业 ，它在美国约占制造业和航运业产值的1/4左右。尽管这些形形色色的产品令人目不暇接，但是它们的生产工艺却具有一定的共通性，这使后者成了化学工程师们赖以安身立命的大本营。 50
自从两次世界大战以来，美国的化学加工业已有许多成功的经历。新兴产业几乎是一夜东风，万紫千红，把塑料和其他合成材料从新奇之物变为现代生活的必需品。它们在全球性竞争中一直表现出色，即使在 20世纪 80年代，当美国其他大多数产业都跌进了贸易逆差时，化学加工业却仍然保持着贸易顺差的势头。它们正在积极回应和努力适应环境问题，不过在这个领域它们还有许多的事情要做。经济学家一直在细致地分析它们的兴起和业绩，把成功部分地归结于产业界和学术界的紧密合作，即科学、技术和商业的一体化。化学加工业提供了一个很好的例子，揭示了如下三边关系：一门工程学科的知识结构，该学科所理解和利用的自然现象的结构，以及该学科符合工业需求的结构。
例如，由于化学工程师在炼油工业和石化工业中都发挥着核心作用，这两个产业也一并发展起来了。从地下抽取出来的原油中，含有各种饱和烃（即由碳和氢构成的化合物）的混合物。烃类大分子必须裂解为小分子，才能制造出更适用的发动机燃油。随着20世纪初期汽车的迅速推广，对燃油的需求也跟着看涨。现代炼油生产始于 1936 年，其时采用了法国工程师乌德里（Eugene Houdry）发明的催化裂解法。乌德里的方法需要配备复杂的装置，还要把催化剂放在固定的反应床上。几个石油公司组成了一个研究开发联盟，决定对此进行改造，联盟中拥有各个不同领域专门技能的工程师和科学家们合作攻关。刘易斯带领一个团队开发 流态化 工艺，这是一种高效而又复杂的单元操作。利用麻省理工学院化学工程实践学院的有利条件，他把校园教育带进了产业界，让学生在工业研究人员的指导下进行工作，为新泽西标准石油公司（今埃克森美孚公司）设计一种试验性的催化裂化装置。这个举措对于教育界和工业界双方来说，都是一次成功。流化式催化裂化法，能使细小的催化剂微粒悬浮在升腾的反应液流中，可以使用简便的装置来连续操作。自从1945年以来，这种方法一直是石油精炼中占统治地位的工艺流程。当人们回首它的来源时，标准石油公司的一位工程师说：“刘易斯博士传授给我们的经验之一，也传授给了一整代一整代的化学工程师，它就是让我们去寻求基本规律，去理解你正在做的究竟是什么，并把它构筑在一个坚固的基础之上——但并非等你了解了所有情况后才想到去做决定。” 51 对于今天的所有工程师来说，刘易斯的经验仍然不无价值。
在原油中含有的各种烃类，以及氮和硫等化合物，都是构成化学制品的宝贵基础材料。时至今日，绝大多数的塑料、树脂、合成纤维、氨气、甲醇和有机化学物等，都是以石油或天然气作为最基本的原料制造出来的。它们被通称为 石油化学品 ，尽管这些东西也可以源自煤炭或者诸如玉米之类的生物质料。一些基本的碳氢原子团是石油精炼过程的副产品，从它们中可以衍生出1.4万种以上的石油化学品。如果生产每样东西的工艺都必须从头开始设计，就像在工业化学中有过的那样，那么石化工业很可能要花费很长的时间才能建立起来。所幸的是，化学工程学已为这一任务做好了准备。许多经济分析发现，正是生产手段的快速商品化，才使美国的化学加工业获得如此的成功。
又如在合成橡胶工业方面，从一无所有到大规模生产仅仅花了两年时间，其中还包括开发出许多新技术。霍华德（Frank Howard）原是一位专利诉讼律师，后被任命为新泽西标准石油公司研究开发部主管，在开发石油化学品中发挥了积极作用。他说：“美国的合成橡胶工业主要是化学工程师们的创造。正是化学工程师给现代石油工业和化学工业提供了大规模生产的技术，其水平和我们的机械工业不相上下。”霍华德在有关该产业的书中，恰如其分地作了如下题记：“谨以本书献给化学工程师们，正是他们把化学科学的长足进步转化为新兴产业。” 52
专门的化工工艺可以拥有专利权，而一般原理却不能。开放性是科学（包括工程科学）的特征标记。通过强调构成适用于许多工艺流程、甚或许多产业的科学原理和一般操作的工程职业，它也把这种印记留在了石化工业的结构上。工程师们组建独立自主的公司，在那里，他们把石油精炼中获得的知识推广和发展到更为复杂而多样的石油化工生产中去。这些咨询公司在化学加工设计和开发制造设备方面相当专业化。某些公司进而去研究和开发那些可出售许可证的通用型工艺流程。在论证各种催化剂、工艺设计以及其他领域的创新性和可行性方面，这些公司充当了专门技能情报交换所的角色，在技术扩展过程中起到了至关重要的作用。
某些工程技术公司投资于设计成套工厂，这些采用预制构件和带有一定标准特征的、可修改的模块，而这些模块可用各种不同方式组装起来，以便适应范围广泛的需求。它们的成套服务包罗了从工艺许可证、设计、建造、操作培训和人力资源管理直至生产启动等环节，并往往提供相关费用和实施的担保书。虽然这些总承包的工厂成本较低，但是使用的都是一些最新的技术。有时候，一家工程技术公司利用营业公司的经验优势，为一家刚创建的大型公司开发某种新设计，或者按比例放大某种工艺流程。于是，别的公司因此也会雇请它建造同类型的工厂。以这样的方式，前沿技术能够逐步推广应用于整个产业，而产业界的技术壁垒大大地减少。没有昂贵的研究开发支出，小公司照样也能进入产业界。石油公司可以很快地整合到石油化工业，化学公司也可以在其他行业进行多样化的投资，从而充分抓住赚钱的机会。其结果是，在一个具有高度竞争性的产业中，每一种重要的石油化学产品都有许多生产厂家。早在20世纪60年代，如此专业化的工程技术公司的影响已经呈现，当时它们占所有化工工艺流程许可证总数的约30％，建造了近乎3/4的新建化工厂。在其他产业中，类似的工程技术公司也在广为扩展。