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化学反应工程研究内容与应用作者：班级：系别：专业：指导老师：2011/12/27化学反应工程研究内容与应用摘要：化学反应工程（chemicalreactionengineering）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。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。关键词：化学相态反应工程反应规律传递规律1.前言化学反应工程是化学工程与技术学科的一个分支，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。如今，化学反应工程学已进入到有关的各个行业中，并正在发挥其重要作用，如石油化工、精细化工、无机化工、生物化工、环境化工、煤化工等领域。化学反应工程是采用应用理论推演、结合工程实践的研究方法，研究化学工业及过程工业中普遍存在的物理一化学现象的工程性基础科学，给出可用于工程设计及放大的宏观规律与数学模型。2.研究目标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.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。3.研究方法由于化学工程对象的这些特点，使得解析方法在化学工程研究中往往失效。也从而形成了自己的研究方法（化学工程研究方法），其中有些方法并非首创，而由别的领域移植而来。早期的研究方法化学工程初期的主要方法是经验放大，通过多层次的、逐级扩大的试验，探索放大的规律。这种经验方法耗资大、费时长、效果差，人们一直努力试图摆脱这种处境。但是时至今日，对于一些特别复杂，人们迄今尚知之甚少的过程，还不得不求助于或部分求助于此法。20世纪初的研究方法相当盛行的是相似论和因次分析，其特点是将影响过程的众多变量通过相似变换或因次分析归纳成为数较少的无因次数群形式，然后设计模型试验，求得这些数群的关系。用这两种方法归纳实验结果，甚为有效。对于反应过程，逐级的经验方法沿用了很长时间。由于不可能在满足几何相似和物理量相似的同时满足化学相似条件，用无因次数群关联实验结果以获得反应过程规律的思路归于无效。50年代以后的研究方法直至50年代，才在化学反应工程领域中广泛应用数学模型方法。这一方法的影响波及到化学工程的其他分支，使研究方法出现了一个革新。但即使采用了这个方法,实验工作仍占重要地位,基础数据要依靠实验测定，模型要通过实验得到鉴别，模型参数要由实验求取，模型可靠性要由实验验证。各种化学工程研究方法的基础是实验工作，不论采用哪一种研究方法，都应力求使实验工作有效、可靠和简易可行。各种理论、各种方法以及计算机的应用，目的都是为使实验工作更能揭示事物的规律，更为节省时间、人力和费用。在上述方法的应用中，多方面体现了过程分解（将一个复杂过程分解为两个或几个较简单过程），过程简化（较复杂过程忽略次要因素而以较简单过程简化处理）和过程综合（在分别处理分解了的过程后，再将这些过程综合为一）的思想。4.研究内容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。2.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。5.应用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。6.未来发展化学反应工程经过50多年的发展，已成为一门相对较为成熟的工程学科。本文将从化学反应工程理论体系的进一步完善,新型反应装置开发的个性化，化学反应工程应用范围的进一步拓展3个方面对化学反应工程的未来发展进行分析和讨论，可以看出化学反应工程学科仍具有旺盛的生命力，在解决人类所面临的能源，资源和环境问题，保持社会可持续发展发挥极其重要的作用。向新领域的渗透这是客观需要，也是学科发展的动力。在历史上，化学工程就在各种新过程的开发和优化，在无机化工和石油化工等装置大型化的推动下得到发展，如大型径向固定床反应器和催化裂化用流化床反应器的开发技术。在解决石油加工中多组分反应物系处理方法时，发展了集总动力学处理方法，这一方法反过来又可用于处理生物反应过程。在向材料工业渗透过程中，出现了将化学反应工程原理用于聚合过程的聚合反应工程，对于高粘物系传递特性的研究则有了实际应用的课题。随着生物技术的进展,出现了生物化学工程,以解决生物反应器和生物制剂分离等问题，如超过滤技术等。能源短缺的情况，使人们重视低温热源的利用，出现了新型换热器。为了保护环境，也为了开发海洋资源，要求研究低浓度混合物的分离技术，于是出现了新的分离技术，如膜分离、泡沫分离等。用化学工程的观点和方法，研究人体内的生理过程，如药物在人体中的扩散，以及研究人工脏器等，形成了生物医学工程这一新的研究领域。为了探索在离心力场、电场、磁场等作用下的过程规律，出现了场致化学工程。化学工程的原理甚至被应用于研究高纯电子器件的制备，喷气技术等等方面。也就是说，在化工生产领域之外，凡是存在反应过程或传递过程并值得重视的场合，几乎都可以找到化学工程的用武之地。这一认识反映了当今化学工程的概貌。参考文献[1].刘军化学反应工程化学工业出版社2009[2].辛忠科学出版社化学工程化学反应技术应用科学出版社2010[3].靳海波译施密特（SchmidtL.D.），臧福禄编化学反应工程（第2版中国石化出版社2011[4].吕椰子,童彦杰,吴元欣,吴迎,朱圣东化学工程与技术