化學(xué)反應(yīng)工程歷史及展望

化學(xué)反應(yīng)工程發(fā)展歷史及展望第一小組成員：2021/5/91

化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程的一個分支，以工業(yè)反應(yīng)過程為主要研究對象，以反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)、反應(yīng)過程的優(yōu)化和反應(yīng)器設(shè)計為主要目的的一門新興工程學(xué)科。它是在化工熱力學(xué)、反應(yīng)動力學(xué)、傳遞過程理論以及化工單元操作的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。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。化學(xué)反應(yīng)工程定義學(xué)科定義：2021/5/92化學(xué)反應(yīng)工程發(fā)展史第一階段：古代的化學(xué)生產(chǎn)（17世紀(jì)以前）

這一時期經(jīng)歷了實用化學(xué)、煉丹和煉金、醫(yī)藥化學(xué)和冶金化學(xué)等時期。早期化學(xué)知識來源于人類的生產(chǎn)和生活實踐。同時在人類對自然界萬物的本原構(gòu)成的探索中，誕生了古代樸素的元素觀。古代化學(xué)具有實用和經(jīng)驗的特點，尚未形成理論體系、是化學(xué)的萌芽時期；另一方面，尚未形成有規(guī)模的化學(xué)加工實踐。2021/5/93第二階段：近代化學(xué)工業(yè)從十八世紀(jì)末開始。

弗里茨·哈伯

以硫酸，硝酸，純堿的工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)過程為開端，至20世紀(jì)初，出現(xiàn)了載入化工發(fā)展史冊的合成氨的工業(yè)生產(chǎn)。

20世紀(jì)初，英國的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化學(xué)工程”的概念，發(fā)展成為以“單元操作”（unitoperations）為基本研究內(nèi)容的化學(xué)工程學(xué)。而規(guī)模的擴(kuò)大要求人們對生產(chǎn)過程的規(guī)律有更為透徹的了解需要既懂工程又熟悉化學(xué)知識促使工程與化學(xué)相結(jié)合。化學(xué)反應(yīng)工程發(fā)展史2021/5/94第三階段：現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)（二戰(zhàn)前后）

在原料路線，技術(shù)和設(shè)備方面都有巨大的變化和進(jìn)步，在以石油和天然氣為主要原料的化學(xué)工業(yè)中，各種催化反應(yīng)被廣泛應(yīng)用，這就要求在反應(yīng)技術(shù)和反應(yīng)器設(shè)計方面作出重大努力。尤其是在生產(chǎn)規(guī)模日益大型化的趨勢下，其影響就更大了，促使化學(xué)工程學(xué)科形成了第二次理論綜合，即：從動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞的角度深入研究化工生產(chǎn)的物理變化過程，以及從“化學(xué)反應(yīng)工程”的角度來研究化工生產(chǎn)的化學(xué)過程。從而使化學(xué)工程學(xué)科上升為一門具有完整理論體系的全面學(xué)科。三傳一反?；瘜W(xué)反應(yīng)工程發(fā)展史2021/5/95化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)發(fā)展史化學(xué)反應(yīng)工程發(fā)展史

２０世紀(jì)２０年代:合成氨———現(xiàn)代化工的起始：農(nóng)業(yè)，炸藥

２０世紀(jì)４０年代:石油催化裂化：汽車工業(yè)；核化工：原子能工業(yè)

２０世紀(jì)５０年代:深層發(fā)酵：抗生素制藥業(yè)

２０世紀(jì)６０年代:烯烴，芳烴：三大合成材料

２０世紀(jì)７０年代:有機(jī)硅，高純硅：硅材料工業(yè)

２０世紀(jì)８０年代:人工臟器，動植物細(xì)胞培養(yǎng)

２０世紀(jì)９０年代:納米管，超分子組裝納米－亞微米材料，復(fù)合、多功能材料

２０００年至今:能源、資源、環(huán)境、生物、制藥、材料……

2021/5/96?30年代，石油化學(xué)工業(yè)剛剛興起。提出了“單元操作”和“單元過程”等概念。

單元操作——流體輸送，蒸餾，干燥等專管物理工序。

單元過程——磺化，水解，加氫等專管化學(xué)反應(yīng)工序。1937年，丹克萊爾較系統(tǒng)的闡述了“擴(kuò)散，流體流動和傳熱對化學(xué)反應(yīng)收率的影響”，為化學(xué)反應(yīng)工程的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)。(被認(rèn)為是化學(xué)動力學(xué)發(fā)展到“工程技術(shù)”階段的標(biāo)志)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程發(fā)展年代實況2021/5/97?40年代，第二次世界大戰(zhàn)，三個重要的過程開發(fā)研究工作：1.流化床催化裂化--汽油2.丁苯橡膠乳液聚合--（汽車）輪胎3.曼哈頓計劃--原子彈（氣體擴(kuò)散提煉濃縮鈾U238）?1947年，出版了兩本書:1.霍根（Hougen）和華生（waston）--《化學(xué)過程原理》2.法蘭克--卡明涅斯基--《化學(xué)動力學(xué)中的擴(kuò)散與傳熱》

總結(jié)了化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象之間的相互關(guān)系。探討了反應(yīng)器設(shè)計問題。為學(xué)科的形成起了一定的作用?；瘜W(xué)反應(yīng)工程發(fā)展年代實況2021/5/98?50年代，石油化工迅猛發(fā)展，反應(yīng)器規(guī)模不斷擴(kuò)大。對反應(yīng)器的放大問題的研究，使人們認(rèn)識到，任何一個化學(xué)反應(yīng)在工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器中進(jìn)行時不可避免地伴隨著"三傳"現(xiàn)象，必須將化學(xué)反應(yīng)與"三傳"同時結(jié)合起來加以考慮和分析。另外，又提出了一些重要的基本概念。如"返混"，"反應(yīng)器穩(wěn)定性"，"微觀混合"，"伴有化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)"等。推動了學(xué)科的發(fā)展。1957年，在荷蘭首都（阿姆斯特丹）舉行了第一次歐洲化學(xué)反應(yīng)工程會議。會上正式提出了"化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)"的概念?；瘜W(xué)反應(yīng)工程發(fā)展年代實況2021/5/991960年，召開了第二次歐洲化學(xué)反應(yīng)工程會議。從那以后，每四年舉行一次。1970年，在美國首都(華盛頓)召開了第一次國際化學(xué)反應(yīng)工程討論會，以后每兩年舉行一次。70年代中期，《反應(yīng)工程》向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了關(guān)于g-l、g-l-s反應(yīng)器、生化反應(yīng)工程等方面的專著?；瘜W(xué)反應(yīng)工程發(fā)展年代實況2021/5/910?1979年，我國派代表參加了國際化學(xué)反應(yīng)工程會議。?80年代以后，反應(yīng)工程的理論與方法已日臻完善與豐富。隨著高技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，如微電子器件的加工、光導(dǎo)纖維的生產(chǎn)、新材料與生物技術(shù)等，向我們提出了新的研究課題。

反應(yīng)工程的研究進(jìn)入了一個新的階段?；瘜W(xué)反應(yīng)工程發(fā)展年代實況2021/5/911研究背景我國學(xué)術(shù)發(fā)展：７０年代末，反應(yīng)工程的研究成果才開始大量地介紹到國內(nèi)。華東理工大學(xué)的陳敏恒教授，天津大學(xué)的李紹芬教授，浙江大學(xué)的陳甘棠教授，四川大學(xué)的王建華教授等是國內(nèi)最早從事反應(yīng)工程教學(xué)的學(xué)者。８０年代以后，國內(nèi)從事反應(yīng)工程學(xué)科研究的隊伍迅速壯大，對反應(yīng)工程的研究已經(jīng)滲透到各個化工領(lǐng)域，與世界研究水平之間的距離也逐漸縮小，不同版本的教科書和各種各樣的專著不斷出版。反應(yīng)工程成為我國化工學(xué)生一門非常重要的專業(yè)課程。2021/5/912化工行業(yè)前景

化學(xué)工業(yè)是屬于知識和資金密集型的行業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它由最初只生產(chǎn)純堿、硫酸等少數(shù)幾種無機(jī)產(chǎn)品和主要從植物中提取茜（qiàn）素制成染料的有機(jī)產(chǎn)品，逐步發(fā)展為一個多行業(yè)、多品種的生產(chǎn)部門，出現(xiàn)了一大批綜合利用資源和規(guī)模大型化的化工企業(yè)。2021/5/913化工行業(yè)前景

如今的二十一世紀(jì)，是以可繼續(xù)發(fā)展為特點的時代,以新能源、新材料、環(huán)保、生命科學(xué)等為代表,這些技術(shù)上的發(fā)展很好的改變了我們的生活模式,是我們的社會更加趨于文明。在新的歷史時期,化學(xué)的發(fā)展迎來了新的機(jī)遇,出現(xiàn)了多學(xué)科交叉的特點。但是環(huán)境與資源的雙重約束,使得轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。要求化工行業(yè)適應(yīng)我們當(dāng)代和諧發(fā)展模式，為低碳經(jīng)濟(jì)鎖具的代表性的低碳發(fā)展模式是和諧、循環(huán)發(fā)展的必然要求。2021/5/914化學(xué)反應(yīng)工程未來展望

在２０世紀(jì)，反應(yīng)工程的存在和發(fā)展，很大程度上服務(wù)于大型的石油化工過程和基礎(chǔ)原材料的生產(chǎn)。進(jìn)入２１世紀(jì)，石油化工的新技術(shù)發(fā)展逐漸停滯，而由于石油危機(jī)帶來的新的能源戰(zhàn)略和發(fā)展契機(jī)，給大型化煤化工帶來了新的浪潮，尤其頁巖氣的開發(fā)和已探明儲量為天然氣轉(zhuǎn)化再度帶來熱點。由于我國石油資源短缺使大型現(xiàn)代煤化工技術(shù)首先向中國聚集，為中國在煤化工領(lǐng)域帶來更優(yōu)越的領(lǐng)先契機(jī)。我國國情：2021/5/915國內(nèi)發(fā)展趨勢

我國是世界鋼鐵產(chǎn)量大國，產(chǎn)量超過６億噸/年，這需要生產(chǎn)大量的煤炭焦炭(產(chǎn)量約３～４億噸／年)。同時，煤化工產(chǎn)品將從傳統(tǒng)煤化工(以合成氨、焦化產(chǎn)品為代表)，向新一代煤化工(以合成甲醇等為代表)方向快速發(fā)展?；瘜W(xué)反應(yīng)工程未來展望2021/5/916化學(xué)反應(yīng)工程未來展望

而由于煤是碳含量高的化石能源，為了適應(yīng)全球ＣＯ２減排的潮流和應(yīng)對國家可持續(xù)發(fā)展面臨的能源瓶頸，我國未來在石油化工方向的發(fā)展趨勢將以高效、清潔、高附加值為特點，選擇更多綠色環(huán)保的生產(chǎn)方式，在提高原料利用率的同時，提高產(chǎn)能。2021/5/917反應(yīng)工程生物學(xué)：如今反應(yīng)工程的方法論越來越多地滲透到生物、材料、新能源等新興領(lǐng)域。歷史上，青霉素的深層發(fā)酵技術(shù)首先為反應(yīng)工程應(yīng)用于生物化工開辟了新的篇章，而反應(yīng)器的不斷改進(jìn)也為傳統(tǒng)生物化工過程的節(jié)能減排做出了重要的貢獻(xiàn)。利用生物體系的獨特優(yōu)勢，如分子尺度上的結(jié)構(gòu)識別、特異性結(jié)合以及精確自組裝等優(yōu)點，構(gòu)建生物模板進(jìn)行納米材料的合成，就衍生為化學(xué)、化工前沿的生物納米技術(shù)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程的新領(lǐng)域2021/5/918

例如，病毒（噬菌體）分子由于具有合適的大小、明確的結(jié)構(gòu)、可以進(jìn)行基因工程操作、能夠?qū)崿F(xiàn)自我復(fù)制增殖和自組裝等特性，被廣泛用于納米線、納米薄膜以及多層納米材料的合成，尤其可成為精確制造催化劑的一種特殊技術(shù)。據(jù)報道，利用噬菌體耦合的納米鎳－銠－鈰催化劑，用于乙醇重整制氫反應(yīng)，新型催化劑可以使催化反應(yīng)溫度從６５０℃下降至３００℃。因此，反應(yīng)工程與新領(lǐng)域、新學(xué)科的結(jié)合和拓展，帶來更多的發(fā)展契機(jī)。納米碳管化學(xué)反應(yīng)工程的新領(lǐng)域2021/5/919化學(xué)反應(yīng)工程的新領(lǐng)域計算反應(yīng)工程：

進(jìn)入21世紀(jì)，化工領(lǐng)域相關(guān)基礎(chǔ)研究的飛速發(fā)展，尤其是量子力學(xué)、流體力學(xué)理論的發(fā)展與完善，進(jìn)一步推動了計算模擬技術(shù)在反應(yīng)工程領(lǐng)域的應(yīng)用。數(shù)學(xué)方法與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，在計算分子科學(xué)、過程模型與模擬、操作模型與模擬和計算流體力學(xué)等幾個重要領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用。從微觀分子到宏觀設(shè)備、過程和工廠的范圍內(nèi)多尺度刻劃真實的化工反應(yīng)過程，使得過程的開發(fā)與設(shè)計更加方便、快捷和準(zhǔn)確。2021/5/920化學(xué)反應(yīng)工程的新領(lǐng)域

以工業(yè)規(guī)模的石油催化裂化MIP工業(yè)反應(yīng)器為例：石油催化裂化是國民經(jīng)濟(jì)中有重大影響的工業(yè)過程之一。重質(zhì)油品或渣油等通過在催化劑存在下的加熱反應(yīng)，使長鏈產(chǎn)品斷鍵，生成汽油、煤油及輕烯烴類有價值的產(chǎn)品。

MIP工業(yè)反應(yīng)器是由中國石油化工科學(xué)研究院研制，突破了現(xiàn)有FCC工藝對二次反應(yīng)的限制，實現(xiàn)了可控性和選擇性地進(jìn)行裂化反應(yīng)、氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)和異構(gòu)化反應(yīng)，使產(chǎn)品的性質(zhì)和產(chǎn)品的分布得到改善。利用多尺度的思想，首先根據(jù)設(shè)備操作條件，由宏觀尺度模型給出整個設(shè)備內(nèi)部的顆粒分布，再按此分布分配到設(shè)備的各個局部，該分布可在數(shù)