化學反應工程

化學反應工程　　【分類】
　　化學反應工程
　　chemical reaction engineering
　　化學工程的一個分支，以工業反應過程為主要研究對象，以反應技術的開發、反應過程的優化和反應器設計為主要目的的一門新興工程學科。它是在化工熱力學、反應動力學、傳遞過程理論以及化工單元操作的基礎上發展起來的。其應用遍及化學、石油化學、生物化學、醫藥、冶金及輕工等許多工業部門。
　　【沿革】
　　這一學科是在1957年*屆歐洲化學反應工程討論會上正式確立的。促成該學科建立的背景是：因化學工業的發展，特別是石油化學工業的發展，生產趨于大型化，對化學反應過程的開發和反應器的可靠設計提出迫切要求；化學反應動力學和化工單元操作的理論和實踐有了深厚的基礎；數學模型方法和大型電子計算機的應用為反應工程理論研究提拱有效的方法和工具。
　　【研究目標】
　　的早期研究主要是針對流動、傳熱和傳質對反應結果的影響，如德國G.達姆科勒、美國O.霍根和K.M.華生以及蘇聯Α.Д.弗蘭克－卡曼涅斯基等人的工作。當時曾取名化工動力學或宏觀動力學,著眼于對化學動力學作出某些修正以應用于工業反應過程。1947年霍根與華生合著的《化工過程原理》第三分冊中論述了動力學和催化過程。50年代，有一系列重要的研究論文發表于《化學工程科學》雜志，對反應器內部發生的若干種重要的、影響反應結果的傳遞過程，如返混、停留時間分布、微觀混合、反應器的穩定性（見反應器動態特性）等進行研究，獲得了豐碩的成果，從而促成了*屆歐洲討論會的召開。
　　50年代末到60年代初，出版了一系列反應工程的著作，如S.M.華拉斯的《化工動力學》，O.列文斯比爾的《》等，使學科體系大體形成。此后，一方面繼續進行理論研究，積累數據，并應用于實踐；另一方面，把應用范圍擴展至較復雜的領域，形成了一系列新的分支。例如：應用于石油煉制工業和石油化工中，處理含有成百上千個組分的復雜反應體系，發展了一種新的處理方法，即集總方法（見反應動力學）；應用于高分子化工中的聚合反應過程,出現了聚合反應工程;應用于電化學過程，出現了電；應用于生物化學工業中的生化反應體系，出現了生化反應工程；應用于冶金工業的高溫快速反應過程，出現了冶金等。
　　主要研究內容和方法 工業反應過程中既有化學反應，又有傳遞過程。傳遞過程的存在并不改變化學反應規律，但卻改變了反應器內各處的溫度和濃度，從而影響到反應結果，例如影響到轉化率和選擇率（見化學計量學）。由于物系相態不同，反應規律和傳遞規律也有顯著的差別，因此在研究中通常將反應過程按相態進行分類，如區分為單相反應過程和多相反應過程，后者又可區分為氣固相反應過程、氣液相反應過程以及氣液固相反應過程等。
　　【研究內容】
　　的研究內容主要包括以下幾個方面：
　　①研究化學反應規律，建立反應動力學模型　亦即對所研究的化學反應，以簡化的或近似的數學表達式來表述反應速率和選擇率與溫度和濃度等的關系。這本來是物理化學的研究領域，但是工作者由于工業實踐的需要，在這方面也進行了大量的工作。不同之處是，工作者著重于建立反應速率的定量關系式，而且更多地依賴于實驗測定和數據關聯。多年來，已發展了一整套動力學實驗研究方法，其中包括各種實驗用反應器的使用、實驗數據的統計處理方法和實驗規劃方法等。　②研究反應器的傳遞規律,建立反應器傳遞模型　亦即對各類常用的反應器內的流動、傳熱和傳質等過程進行理論和實驗研究，并力求以數學式予以表達。由于傳遞過程只是物理的,所以研究時可以避免化學反應,用廉價的模擬物系（如空氣、水、砂子等）代替實際反應物系進行實驗。這種實驗常稱為冷態模擬實驗，簡稱冷模實驗。傳遞過程的規律可能因設備尺寸而異，冷模實驗所采用的設備應是一系列不同尺寸的裝置；為可靠起見，所用設備甚至還包括與工業規模相仿的大型實驗裝置。各類反應器內的傳遞過程大都比較復雜，有待更深入地去研究。 ③研究反應器內傳遞過程對反應結果的影響　對一個特定反應器內進行的特定的化學反應過程，在其反應動力學模型和反應器傳遞模型都已確定的條件下，將這些數學模型與物料衡算、熱量衡算等方程聯立求解，就可以預測反應結果和反應器操作性能。由于實際工業反應過程的復雜性，至今尚不能對所有工業反應過程都建立可供實用的反應動力學模型和反應器傳遞模型。因此，進行的理論研究時，概括性地提出若干個典型的傳遞過程。例如：伴隨著流動發生的各種不同的混合，如返混、微觀混合、滴際混合等；反應過程中的傳質和傳熱，包括反應相外傳質和傳熱（傳質和反應相繼發生）和反應相內傳質和傳熱(反應和傳質同時進行)。然后，對各個典型傳遞過程逐個地進行研究，忽略其他因素，單獨地考察其對不同類型反應結果的影響。例如，對反應相外的傳質，理論研究得出其判據為達姆科勒數Dα，并已導出當Dα取不同值時外部傳質對反應結果的影響程度。同樣，對反應相內的傳質，也得出了相應的判據西勒模數 φ。這些理論研究成果構成了本學科內容的重要組成部分。這些成果一般并不一定能夠直接用于反應器的設計，但是對于分析判斷卻有重要的指導意義。
　　【應用】
　　主要用于進行工業反應過程的開發、放大和操作優化以及新型反應器和反應技術的開發。
　　①工業反應過程的開發和放大　在學科建立以前，工業界廣泛采用的方法是逐級經驗放大的方法。其步驟是，首先在小型試驗中進行反應器的選型和確定*的工藝條件（溫度、壓力、濃度、流速和反應時間度），然后自小至大進行多次中間試驗，直至工業規模。由于全部實驗帶有經驗性質，而且試驗所用設備的尺寸逐級增大，因而取名為逐級經驗放大。中間試驗往往耗資大而歷時久。學科建立以后，逐步形成一套新的數學模型方法。這種方法是首先在小型試驗中確定動力學模型；然后在冷模試驗中確定各類候選反應器的傳遞模型；進而在計算機上進行各候選反應器內反應過程的模擬研究，即在各種不同的工藝條件下對反應器數學模型進行數值求解,預測反應結果,并據此進行反應器的選型，優選工藝條件并設計反應器。采用這種方法時,往往也需要進行適當規模的中間試驗,目的是為了“檢驗”和“修正”模型，以及考察模型中難以包括的因素（如微量雜質的積累，焦油的生成，材質的腐蝕，顆粒粉碎，等等）可能產生影響。而不是為了自小至大進行逐級放大。目前，逐級經驗放大和數學模型兩種方法同時并存，各有適用范圍。但是，即使是逐經級驗放大方法，也常是以的理論為指導，而不再是純經驗性的了。
　　②工業反應過程的操作優化　實際工業反應過程未必在*的條件下操作。即使設計是優化的，在實施時往往有許多難以預料的因素，使原定的優化設計條件對實際操作未必是優化的。運用理論對現行的工業反應過程進行分析，結合模擬研究，可找出薄弱環節之所在和進一步調優的方向，通過調節和改造以獲得較大的經濟效益。
　　③新型反應器和反應技術的開發　反應工程的理論為新反應器和新反應技術的開發指明了方向，研究者可以據此尋找合理的設備結構和操作方法。例如近年來出現的新的石油化工裂解技術和各種新型流化床反應器，都得益于反應工程理論的指導。
　　【發展】
　　學科體系已大體形成，理論研究也漸趨*。在工業應用中，在定性的指導方面已經發揮了很大的作用。但是，與理論研究相比較，反應器內傳遞過程的實驗研究和數據的積累還很薄弱，特別是對于化工生產中經常遇到的多相流動體系研究得還很不夠。因此，反應工程的研究需要與多相流體力學和多相傳遞過程的研究相結合，以便相輔相成。同時，向生化、冶金等領域擴展時還會出現新的理論問題，需要進一步的研究。