化学反应工程

[拼音]：huaxue fanying gongcheng

[外文]：chemical reaction engineering

化学工程的一个分支，以工业反应过程为主要研究对象，以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器设计为主要目的的一门新兴工程学科。它是在化工热力学、反应动力学、传递过程理论以及化工单元操作的基础上发展起来的。其应用遍及化学、石油化学、生物化学、医药、冶金及轻工等许多工业部门。

沿革

这一学科是在1957年第一届欧洲化学反应工程讨论会上正式确立的。促成该学科建立的背景是：因化学工业的发展，特别是石油化学工业的发展，生产趋于大型化，对化学反应过程的开发和反应器的可靠设计提出迫切要求；化学反应动力学和化工单元操作的理论和实践有了深厚的基础；数学模型方法和大型电子计算机的应用为反应工程理论研究提拱有效的方法和工具。

化学反应工程的早期研究主要是针对流动、传热和传质对反应结果的影响，如德国G.达姆科勒、美国O.霍根和K.M.华生以及苏联Α.Д.弗兰克－卡曼涅斯基等人的工作。当时曾取名化工动力学或宏观动力学，着眼于对化学动力学作出某些修正以应用于工业反应过程。1947年霍根与华生合著的《化工过程原理》第三分册中论述了动力学和催化过程。50年代，有一系列重要的研究论文发表于《化学工程科学》杂志，对反应器内部发生的若干种重要的、影响反应结果的传递过程，如返混、停留时间分布、微观混合、反应器的稳定性（见反应器动态特性）等进行研究，获得了丰硕的成果，从而促成了第一届欧洲化学反应工程讨论会的召开。

50年代末到60年代初，出版了一系列反应工程的著作，如S.M.华拉斯的《化工动力学》，O.列文斯比尔的《化学反应工程》等，使学科体系大体形成。此后，一方面继续进行理论研究，积累数据，并应用于实践；另一方面，把应用范围扩展至较复杂的领域，形成了一系列新的分支。例如：应用于石油炼制工业和石油化工中，处理含有成百上千个组分的复杂反应体系，发展了一种新的处理方法，即集总方法（见反应动力学）；应用于高分子化工中的聚合反应过程，出现了聚合反应工程;应用于电化学过程，出现了电化学反应工程；应用于生物化学工业中的生化反应体系，出现了生化反应工程；应用于冶金工业的高温快速反应过程，出现了冶金化学反应工程等。

主要研究内容和方法

工业反应过程中既有化学反应，又有传递过程。传递过程的存在并不改变化学反应规律，但却改变了反应器内各处的温度和浓度，从而影响到反应结果，例如影响到转化率和选择率（见化学计量学）。由于物系相态不同，反应规律和传递规律也有显著的差别，因此在化学反应工程研究中通常将反应过程按相态进行分类，如区分为单相反应过程和多相反应过程，后者又可区分为气固相反应过程、气液相反应过程以及气液固相反应过程等。

化学反应工程的研究内容主要包括以下几个方面：

（1）研究化学反应规律，建立反应动力学模型　亦即对所研究的化学反应，以简化的或近似的数学表达式来表述反应速率和选择率与温度和浓度等的关系。这本来是物理化学的研究领域，但是化学反应工程工作者由于工业实践的需要，在这方面也进行了大量的工作。不同之处是，化学反应工程工作者着重于建立反应速率的定量关系式，而且更多地依赖于实验测定和数据关联。多年来，已发展了一整套动力学实验研究方法，其中包括各种实验用反应器的使用、实验数据的统计处理方法和实验规划方法等。　 ②研究反应器的传递规律，建立反应器传递模型　亦即对各类常用的反应器内的流动、传热和传质等过程进行理论和实验研究，并力求以数学式予以表达。由于传递过程只是物理的，所以研究时可以避免化学反应，用廉价的模拟物系（如空气、水、砂子等）代替实际反应物系进行实验。这种实验常称为冷态模拟实验，简称冷模实验。传递过程的规律可能因设备尺寸而异，冷模实验所采用的设备应是一系列不同尺寸的装置；为可靠起见，所用设备甚至还包括与工业规模相仿的大型实验装置。各类反应器内的传递过程大都比较复杂，有待更深入地去研究。

（3）研究反应器内传递过程对反应结果的影响　对一个特定反应器内进行的特定的化学反应过程，在其反应动力学模型和反应器传递模型都已确定的条件下，将这些数学模型与物料衡算、热量衡算等方程联立求解，就可以预测反应结果和反应器操作性能。由于实际工业反应过程的复杂性，至今尚不能对所有工业反应过程都建立可供实用的反应动力学模型和反应器传递模型。因此，进行化学反应工程的理论研究时，概括性地提出若干个典型的传递过程。例如：伴随着流动发生的各种不同的混合，如返混、微观混合、滴际混合等；反应过程中的传质和传热，包括反应相外传质和传热（传质和反应相继发生）和反应相内传质和传热(反应和传质同时进行)。然后，对各个典型传递过程逐个地进行研究，忽略其他因素，单独地考察其对不同类型反应结果的影响。例如，对反应相外的传质，理论研究得出其判据为达姆科勒数Dα，并已导出当Dα取不同值时外部传质对反应结果的影响程度。同样，对反应相内的传质，也得出了相应的判据西勒模数 φ。这些理论研究成果构成了本学科内容的重要组成部分。这些成果一般并不一定能够直接用于反应器的设计，但是对于分析判断却有重要的指导意义。

应用

主要用于进行工业反应过程的开发、放大和操作优化以及新型反应器和反应技术的开发。

（1）工业反应过程的开发和放大　在化学反应工程学科建立以前，工业界广泛采用的方法是逐级经验放大的方法。其步骤是，首先在小型试验中进行反应器的选型和确定优越的工艺条件（温度、压力、浓度、流速和反应时间度），然后自小至大进行多次中间试验，直至工业规模。由于全部实验带有经验性质，而且试验所用设备的尺寸逐级增大，因而取名为逐级经验放大。中间试验往往耗资大而历时久。化学反应工程学科建立以后，逐步形成一套新的数学模型方法。这种方法是首先在小型试验中确定动力学模型；然后在冷模试验中确定各类候选反应器的传递模型；进而在计算机上进行各候选反应器内反应过程的模拟研究，即在各种不同的工艺条件下对反应器数学模型进行数值求解，预测反应结果，并据此进行反应器的选型，优选工艺条件并设计反应器。采用这种方法时，往往也需要进行适当规模的中间试验，目的是为了“检验”和“修正”模型，以及考察模型中难以包括的因素（如微量杂质的积累，焦油的生成，材质的腐蚀，颗粒粉碎，等等）可能产生影响。而不是为了自小至大进行逐级放大。目前，逐级经验放大和数学模型两种方法同时并存，各有适用范围。但是，即使是逐经级验放大方法，也常是以化学反应工程的理论为指导，而不再是纯经验性的了。

（2）工业反应过程的操作优化　实际工业反应过程未必在最优的条件下操作。即使设计是优化的，在实施时往往有许多难以预料的因素，使原定的优化设计条件对实际操作未必是优化的。运用化学反应工程理论对现行的工业反应过程进行分析，结合模拟研究，可找出薄弱环节之所在和进一步调优的方向，通过调节和改造以获得较大的经济效益。

（3）新型反应器和反应技术的开发　反应工程的理论为新反应器和新反应技术的开发指明了方向，研究者可以据此寻找合理的设备结构和操作方法。例如近年来出现的新的石油化工裂解技术和各种新型流化床反应器，都得益于反应工程理论的指导。

发展

化学反应工程学科体系已大体形成，理论研究也渐趋完善。在工业应用中，在定性的指导方面已经发挥了很大的作用。但是，与理论研究相比较，反应器内传递过程的实验研究和数据的积累还很薄弱，特别是对于化工生产中经常遇到的多相流动体系研究得还很不够。因此，反应工程的研究需要与多相流体力学和多相传递过程的研究相结合，以便相辅相成。同时，化学反应工程向生化、冶金等领域扩展时还会出现新的理论问题，需要进一步的研究。

参考书目

J.M.Smith， Chemical　Engineering Kinetics，3rd ed.，McGraw-Hill，New York，1980.O.Levenspiel，Chemical　Reaction　Engineering，2nd ed.，John Wiley & Sons，New York，1972.