化學(xué)反應(yīng)工程

化學(xué)反應(yīng)工程　　【分類】
　　化學(xué)反應(yīng)工程
　　chemical reaction engineering
　　化學(xué)工程的一個(gè)分支，以工業(yè)反應(yīng)過(guò)程為主要研究對(duì)象，以反應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)、反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化和反應(yīng)器設(shè)計(jì)為主要目的的一門(mén)新興工程學(xué)科。它是在化工熱力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、傳遞過(guò)程理論以及化工單元操作的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。其應(yīng)用遍及化學(xué)、石油化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)藥、冶金及輕工等許多工業(yè)部門(mén)。
　　【沿革】
　　這一學(xué)科是在1957年*屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程討論會(huì)上正式確立的。促成該學(xué)科建立的背景是：因化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，特別是石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)趨于大型化，對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)和反應(yīng)器的可靠設(shè)計(jì)提出迫切要求；化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和化工單元操作的理論和實(shí)踐有了深厚的基礎(chǔ)；數(shù)學(xué)模型方法和大型電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為反應(yīng)工程理論研究提拱有效的方法和工具。
　　【研究目標(biāo)】
　　的早期研究主要是針對(duì)流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響，如德國(guó)G.達(dá)姆科勒、美國(guó)O.霍根和K.M.華生以及蘇聯(lián)Α.Д.弗蘭克－卡曼涅斯基等人的工作。當(dāng)時(shí)曾取名化工動(dòng)力學(xué)或宏觀動(dòng)力學(xué),著眼于對(duì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)作出某些修正以應(yīng)用于工業(yè)反應(yīng)過(guò)程。1947年霍根與華生合著的《化工過(guò)程原理》第三分冊(cè)中論述了動(dòng)力學(xué)和催化過(guò)程。50年代，有一系列重要的研究論文發(fā)表于《化學(xué)工程科學(xué)》雜志，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部發(fā)生的若干種重要的、影響反應(yīng)結(jié)果的傳遞過(guò)程，如返混、停留時(shí)間分布、微觀混合、反應(yīng)器的穩(wěn)定性（見(jiàn)反應(yīng)器動(dòng)態(tài)特性）等進(jìn)行研究，獲得了豐碩的成果，從而促成了*屆歐洲討論會(huì)的召開(kāi)。
　　50年代末到60年代初，出版了一系列反應(yīng)工程的著作，如S.M.華拉斯的《化工動(dòng)力學(xué)》，O.列文斯比爾的《》等，使學(xué)科體系大體形成。此后，一方面繼續(xù)進(jìn)行理論研究，積累數(shù)據(jù)，并應(yīng)用于實(shí)踐；另一方面，把應(yīng)用范圍擴(kuò)展至較復(fù)雜的領(lǐng)域，形成了一系列新的分支。例如：應(yīng)用于石油煉制工業(yè)和石油化工中，處理含有成百上千個(gè)組分的復(fù)雜反應(yīng)體系，發(fā)展了一種新的處理方法，即集總方法（見(jiàn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)）；應(yīng)用于高分子化工中的聚合反應(yīng)過(guò)程,出現(xiàn)了聚合反應(yīng)工程;應(yīng)用于電化學(xué)過(guò)程，出現(xiàn)了電；應(yīng)用于生物化學(xué)工業(yè)中的生化反應(yīng)體系，出現(xiàn)了生化反應(yīng)工程；應(yīng)用于冶金工業(yè)的高溫快速反應(yīng)過(guò)程，出現(xiàn)了冶金等。
　　主要研究?jī)?nèi)容和方法 工業(yè)反應(yīng)過(guò)程中既有化學(xué)反應(yīng)，又有傳遞過(guò)程。傳遞過(guò)程的存在并不改變化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，但卻改變了反應(yīng)器內(nèi)各處的溫度和濃度，從而影響到反應(yīng)結(jié)果，例如影響到轉(zhuǎn)化率和選擇率（見(jiàn)化學(xué)計(jì)量學(xué)）。由于物系相態(tài)不同，反應(yīng)規(guī)律和傳遞規(guī)律也有顯著的差別，因此在研究中通常將反應(yīng)過(guò)程按相態(tài)進(jìn)行分類，如區(qū)分為單相反應(yīng)過(guò)程和多相反應(yīng)過(guò)程，后者又可區(qū)分為氣固相反應(yīng)過(guò)程、氣液相反應(yīng)過(guò)程以及氣液固相反應(yīng)過(guò)程等。
　　【研究?jī)?nèi)容】
　　的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：
　?、傺芯炕瘜W(xué)反應(yīng)規(guī)律，建立反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型　亦即對(duì)所研究的化學(xué)反應(yīng)，以簡(jiǎn)化的或近似的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表述反應(yīng)速率和選擇率與溫度和濃度等的關(guān)系。這本來(lái)是物理化學(xué)的研究領(lǐng)域，但是工作者由于工業(yè)實(shí)踐的需要，在這方面也進(jìn)行了大量的工作。不同之處是，工作者著重于建立反應(yīng)速率的定量關(guān)系式，而且更多地依賴于實(shí)驗(yàn)測(cè)定和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。多年來(lái)，已發(fā)展了一整套動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究方法，其中包括各種實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)器的使用、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理方法和實(shí)驗(yàn)規(guī)劃方法等?！、谘芯糠磻?yīng)器的傳遞規(guī)律,建立反應(yīng)器傳遞模型　亦即對(duì)各類常用的反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)等過(guò)程進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，并力求以數(shù)學(xué)式予以表達(dá)。由于傳遞過(guò)程只是物理的,所以研究時(shí)可以避免化學(xué)反應(yīng),用廉價(jià)的模擬物系（如空氣、水、砂子等）代替實(shí)際反應(yīng)物系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)常稱為冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)稱冷模實(shí)驗(yàn)。傳遞過(guò)程的規(guī)律可能因設(shè)備尺寸而異，冷模實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備應(yīng)是一系列不同尺寸的裝置；為可靠起見(jiàn)，所用設(shè)備甚至還包括與工業(yè)規(guī)模相仿的大型實(shí)驗(yàn)裝置。各類反應(yīng)器內(nèi)的傳遞過(guò)程大都比較復(fù)雜，有待更深入地去研究。 ③研究反應(yīng)器內(nèi)傳遞過(guò)程對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響　對(duì)一個(gè)特定反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的特定的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，在其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和反應(yīng)器傳遞模型都已確定的條件下，將這些數(shù)學(xué)模型與物料衡算、熱量衡算等方程聯(lián)立求解，就可以預(yù)測(cè)反應(yīng)結(jié)果和反應(yīng)器操作性能。由于實(shí)際工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的復(fù)雜性，至今尚不能對(duì)所有工業(yè)反應(yīng)過(guò)程都建立可供實(shí)用的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和反應(yīng)器傳遞模型。因此，進(jìn)行的理論研究時(shí)，概括性地提出若干個(gè)典型的傳遞過(guò)程。例如：伴隨著流動(dòng)發(fā)生的各種不同的混合，如返混、微觀混合、滴際混合等；反應(yīng)過(guò)程中的傳質(zhì)和傳熱，包括反應(yīng)相外傳質(zhì)和傳熱（傳質(zhì)和反應(yīng)相繼發(fā)生）和反應(yīng)相內(nèi)傳質(zhì)和傳熱(反應(yīng)和傳質(zhì)同時(shí)進(jìn)行)。然后，對(duì)各個(gè)典型傳遞過(guò)程逐個(gè)地進(jìn)行研究，忽略其他因素，單獨(dú)地考察其對(duì)不同類型反應(yīng)結(jié)果的影響。例如，對(duì)反應(yīng)相外的傳質(zhì)，理論研究得出其判據(jù)為達(dá)姆科勒數(shù)Dα，并已導(dǎo)出當(dāng)Dα取不同值時(shí)外部傳質(zhì)對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響程度。同樣，對(duì)反應(yīng)相內(nèi)的傳質(zhì)，也得出了相應(yīng)的判據(jù)西勒模數(shù) φ。這些理論研究成果構(gòu)成了本學(xué)科內(nèi)容的重要組成部分。這些成果一般并不一定能夠直接用于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，但是對(duì)于分析判斷卻有重要的指導(dǎo)意義。
　　【應(yīng)用】
　　主要用于進(jìn)行工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)、放大和操作優(yōu)化以及新型反應(yīng)器和反應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)。
　　①工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)和放大　在學(xué)科建立以前，工業(yè)界廣泛采用的方法是逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的方法。其步驟是，首先在小型試驗(yàn)中進(jìn)行反應(yīng)器的選型和確定*的工藝條件（溫度、壓力、濃度、流速和反應(yīng)時(shí)間度），然后自小至大進(jìn)行多次中間試驗(yàn)，直至工業(yè)規(guī)模。由于全部實(shí)驗(yàn)帶有經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，而且試驗(yàn)所用設(shè)備的尺寸逐級(jí)增大，因而取名為逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大。中間試驗(yàn)往往耗資大而歷時(shí)久。學(xué)科建立以后，逐步形成一套新的數(shù)學(xué)模型方法。這種方法是首先在小型試驗(yàn)中確定動(dòng)力學(xué)模型；然后在冷模試驗(yàn)中確定各類候選反應(yīng)器的傳遞模型；進(jìn)而在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行各候選反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)過(guò)程的模擬研究，即在各種不同的工藝條件下對(duì)反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值求解,預(yù)測(cè)反應(yīng)結(jié)果,并據(jù)此進(jìn)行反應(yīng)器的選型，優(yōu)選工藝條件并設(shè)計(jì)反應(yīng)器。采用這種方法時(shí),往往也需要進(jìn)行適當(dāng)規(guī)模的中間試驗(yàn),目的是為了“檢驗(yàn)”和“修正”模型，以及考察模型中難以包括的因素（如微量雜質(zhì)的積累，焦油的生成，材質(zhì)的腐蝕，顆粒粉碎，等等）可能產(chǎn)生影響。而不是為了自小至大進(jìn)行逐級(jí)放大。目前，逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大和數(shù)學(xué)模型兩種方法同時(shí)并存，各有適用范圍。但是，即使是逐經(jīng)級(jí)驗(yàn)放大方法，也常是以的理論為指導(dǎo)，而不再是純經(jīng)驗(yàn)性的了。
　?、诠I(yè)反應(yīng)過(guò)程的操作優(yōu)化　實(shí)際工業(yè)反應(yīng)過(guò)程未必在*的條件下操作。即使設(shè)計(jì)是優(yōu)化的，在實(shí)施時(shí)往往有許多難以預(yù)料的因素，使原定的優(yōu)化設(shè)計(jì)條件對(duì)實(shí)際操作未必是優(yōu)化的。運(yùn)用理論對(duì)現(xiàn)行的工業(yè)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)合模擬研究，可找出薄弱環(huán)節(jié)之所在和進(jìn)一步調(diào)優(yōu)的方向，通過(guò)調(diào)節(jié)和改造以獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。
　?、坌滦头磻?yīng)器和反應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)　反應(yīng)工程的理論為新反應(yīng)器和新反應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)指明了方向，研究者可以據(jù)此尋找合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作方法。例如近年來(lái)出現(xiàn)的新的石油化工裂解技術(shù)和各種新型流化床反應(yīng)器，都得益于反應(yīng)工程理論的指導(dǎo)。
　　【發(fā)展】
　　學(xué)科體系已大體形成，理論研究也漸趨完善。在工業(yè)應(yīng)用中，在定性的指導(dǎo)方面已經(jīng)發(fā)揮了很大的作用。但是，與理論研究相比較，反應(yīng)器內(nèi)傳遞過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)的積累還很薄弱，特別是對(duì)于化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的多相流動(dòng)體系研究得還很不夠。因此，反應(yīng)工程的研究需要與多相流體力學(xué)和多相傳遞過(guò)程的研究相結(jié)合，以便相輔相成。同時(shí)，向生化、冶金等領(lǐng)域擴(kuò)展時(shí)還會(huì)出現(xiàn)新的理論問(wèn)題，需要進(jìn)一步的研究。