在展望化学工程学科的未来趋势之前，我们先回顾一下20世纪化学工业的发展历程。
化学工程的研究对象是物质的化学、物理及生物转化过程，研究内容是物质的运动、传递、反应及其相互关系，主要任务是创建高效清洁的工艺、流程、设备和技术，解决实验室成果向产业化过渡中的关键瓶颈问题，为过程工业的可持续发展提供科学理论和技术支持。20世纪前半叶，从化学工业中抽提一些具有代表性的工艺过程，命名为“操作”。归纳众多工艺操作的学识基础成为“单元操作”。此后，出现了对单元操作的进一步归纳，将其有关的物理过程归纳为三种传递过程。传递过程的理论很快被化工界所接受，并逐步与化学反应工艺相结合，形成了“三传一反”（能量、动量和质量传递及化学反应）的理论，化学过程由此作为一门独立的学科从化学中分离出来。20世纪50年代至80年代，数学、物理和计算机的发展及应用大大促进了化学工业的设计和控制水平，使量化分析成为可能。进入20世纪90年代，伴随着全球产业结构的调整，呈现出研究、发现、创造及产业化高度集成的趋势，从分子水平的基础研究到大规模的工业过程之间呈现出高度的融合，一些交叉领域，如材料、制药、纳米技术和计算机模拟等成为多学科共同关注的热点，很难清晰地区分某一学科在这些领域里的作用。化学过程在经历了从设备角度归纳共性规律的“单元操作”阶段和以设备中的现象归纳共性规律的“传递原理”和“三传一反”阶段以后，最近出现了进一步向其他领域扩展，以过程中科学问题的内涵来归纳共性规律的新趋势，化学工程扩展为过程工程。
下面以石油化工和制药工业的发展历程为例，来简要说明基础理论和技术突破对工业技术进步的巨大推动力。
一、石油化工
石油化工是国民经济的支柱产业。世界化工总产值为1万亿美元左右，其中80%以上的产品均与石油化工有关。中国化学品2001年市场价值达到1088亿美元，仅次于美国、日本和德国，居世界第四位。我国石油炼制和加工的产值均占全国工业总产值的15%以上。
20世纪是石油化学工业蓬勃发展并取得辉煌成就的世纪。1921年热裂解技术的出现为石油化工的发展奠定了基础；1936年催化裂解技术的出现开创了石油化工的新时代；1938年流动床催化裂解技术的出现促使大规模工业化生产装置的建立。20世纪50年代，加氢裂变技术和铂催化重整技术的出现进一步推动了石油化工的快速发展，从石油制稀氢和芳香氢为石油化工的产业链形成提供了基本原料。与此同时，20世纪30年代至50年代期间，聚氯乙烯、尼龙、顺丁橡胶等合成材料的出现加速了石油化工的发展。20世纪60年代至80年代期间，各种新型的催化剂和工艺技术的进步为石油化工的发展不断注入新的活力，同时实现了从粗放经营向资本集约经营转变的结构调整。20世纪80年代，计算机技术的快速发展最终孕育了过程模拟商业化软件的诞生。20世纪90年代，开始了以资产重组、突出核心业务、从资本集约走向技术集约为主要特征的结构调整，掀起了兼并联合浪潮，造就了一批巨型跨国公司。这一时期催化剂和工艺技术的改进不断出现，如反应－精馏等过程强化技术，但随着石油化工技术的日益成熟，催化剂和工艺技术上的突破变得越来越困难。然而，计算机模拟优化技术的应用达到了空前的水平，不仅用于反应动力学、反应机理、传递现象、热力学分析、过程设计等方面，而且扩展到动态监控、生产计划安排和物质供应链管理方面，从原料供应、过程、操作、销售等全方位进行优化集成，以应对日益激烈的市场环境。进入21世纪，经济全球化和信息网络化进程的加快，石化企业一方面通过大规模的兼并、联合和重组形成巨型跨国集团公司，如Exxon－Mobil。另一方面通过加大科技投入进行大规模的产业结构调整，跨国公司的发展重点已逐渐从大宗产品市场转移到高附加值产品，如聚甲醛、环保产品等。伴随着产业结构的调整，以产品导向的过程过工程成为重要趋势，同时，绿色化学对未来石化技术的进步提出新挑战。
二、制药工业
目前世界药物市场的年销售额约为3000亿美元左右，是世界贸易增长最快的朝阳产业之一。世界制药工业产值年均增长在7%左右，我国制药产值年均增长率在16.6%左右。2001年我国制药工业总产值为2041亿元，占我国工业总产值的2.14%。
制药工业的发展史也是一部制药新技术的发展史。1897年霍夫曼发明了阿司匹林，标志着化学合成制药工业的诞生。1932年德国科学家发现了磺胺类的抗菌药，标志着化学制药的一大突破。1929年英国科学家发现了第一种抗生素——盘尼西林，开创了一系列抗生素药物开发的先河。但由于培养液不够稳定及分离纯化技术的限制，当时并没有能够获得广泛的应用，直到1944年才正式投产。随后诱发了如四环素、红霉素、氯霉素、头孢菌素等一系列抗生素的诞生。20世纪50年代，药物化学的研究逐渐转移到官能性疾病，如降血压药物。20世纪60年代至70年代，FDA、世界卫生组织、各主要工业国和大型制药企业陆续推出各自的GMP规程，与此同时制药工业有了迅猛发展。20世纪80年代以来，新药的研究逐步从随机筛选发展到合理药物设计，其后则更多地注意以结构－效能关系为基础的药物设计。在分子层次上对生物大分子的结构和功能的研究取得重大进展之后，现代的新药设计已由经典的化学结构和分子基团修饰及药理筛选进一步向计算机辅助设计及运用组合化学技术和机器人自动快速筛选的方向发展。现代生物技术包括基因重组技术、细胞融合技术、酶技术等引发了制药工业的一场革命，生物工程药物的研究成为世界制药工业的竞争焦点。专属性催化和手性合成及拆分技术成为医药工业的研究热点。新一代的化工分离技术如膜分离、超临界CO2萃取等化学制药、生物制药和天然制药制备中显示出巨大的应用前景。颗粒技术包括结晶过程、晶型预测及控制、颗粒制剂等是制药工业中亟待深入研究的关键技术之一，纳米技术在耗子药工业中具有广阔的应用前景，但真正的纳米药物应以能否产生新的物性和疗效为基准。计算机技术在制药过程设计、自动控制和药物制剂中的应用为GMP规程的高水平实施提供了技术集成平台。制药过程的绿色化和环境保护成为国际社会共同关注的问题，经济效益、社会效益和环境效益的协调优化为21世纪的制药工业提供了新机遇和新挑战，这些问题更大程度上也是化学工程学科亟待解决的共性问题。
新药的研究开发需要大量经费。开发一种新药，一般需要10年左右的时间，在西方发达国家耗资约5亿~10亿美元，在我国至少要2亿~5亿人民币。除药物筛选、药物毒理和药物制剂外，制药工业实际上是一个化工过程，化学工程为制药工业的发展做出了重要贡献。然而，长期以来，由于制药工业流程长、工艺复杂，过程放大几乎完全依赖于实验，有时仅仅是简单地放大实验室里的制备过程，化学工程只有在药物研发的后期才介入，这在很大程度上限制化学工程在药物开发中的作用。如果化学工程不是等到实验室的研究完成后才介入，制药工艺过程如固体分离也许可开发出更好的工艺。进入21世纪，制药过程的研究开发需要采用一种新的模式，以减少实验工作量、提高精度、缩短开发周期。化学工程的理论和方法在化学制药、生物制药和天然药物中的作用获得各国大型制药企业的普遍认同，制药工业进入了一个融合化学、生物、药学、化学工程、计算机模拟等多学科的定量的、系统化研究的新时代。