化學反應工程歷史及展望

化學反應工程發(fā)展歷史及展望第一小組成員：2021/5/91

化學反應工程是化學工程的一個分支，以工業(yè)反應過程為主要研究對象，以反應技術的開發(fā)、反應過程的優(yōu)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(fā)展起來的。其應用遍及化學、石油化學、生物化學、醫(yī)藥、冶金及輕工等許多工業(yè)部門?；瘜W反應工程定義學科定義：2021/5/92化學反應工程發(fā)展史第一階段：古代的化學生產（17世紀以前）

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

弗里茨·哈伯

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

20世紀初，英國的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化學工程”的概念，發(fā)展成為以“單元操作”（unitoperations）為基本研究內容的化學工程學。而規(guī)模的擴大要求人們對生產過程的規(guī)律有更為透徹的了解需要既懂工程又熟悉化學知識促使工程與化學相結合?；瘜W反應工程發(fā)展史2021/5/94第三階段：現代化學工業(yè)（二戰(zhàn)前后）

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

２０世紀２０年代:合成氨———現代化工的起始：農業(yè)，炸藥

２０世紀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５０年代:深層發(fā)酵：抗生素制藥業(yè)

２０世紀６０年代:烯烴，芳烴：三大合成材料

２０世紀７０年代:有機硅，高純硅：硅材料工業(yè)

２０世紀８０年代:人工臟器，動植物細胞培養(yǎng)

２０世紀９０年代:納米管，超分子組裝納米－亞微米材料，復合、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，加氫等專管化學反應工序。1937年，丹克萊爾較系統(tǒng)的闡述了“擴散，流體流動和傳熱對化學反應收率的影響”，為化學反應工程的創(chuàng)立奠定了基礎。(被認為是化學動力學發(fā)展到“工程技術”階段的標志)?；瘜W反應工程發(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）--《化學過程原理》2.法蘭克--卡明涅斯基--《化學動力學中的擴散與傳熱》

總結了化學反應與傳遞現象之間的相互關系。探討了反應器設計問題。為學科的形成起了一定的作用?；瘜W反應工程發(fā)展年代實況2021/5/98?50年代，石油化工迅猛發(fā)展，反應器規(guī)模不斷擴大。對反應器的放大問題的研究，使人們認識到，任何一個化學反應在工業(yè)規(guī)模反應器中進行時不可避免地伴隨著"三傳"現象，必須將化學反應與"三傳"同時結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"，"反應器穩(wěn)定性"，"微觀混合"，"伴有化學反應的傳質"等。推動了學科的發(fā)展。1957年，在荷蘭首都（阿姆斯特丹）舉行了第一次歐洲化學反應工程會議。會上正式提出了"化學反應工程學"的概念?；瘜W反應工程發(fā)展年代實況2021/5/991960年，召開了第二次歐洲化學反應工程會議。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反應工程討論會，以后每兩年舉行一次。70年代中期，《反應工程》向深度和廣度發(fā)展，出現了關于g-l、g-l-s反應器、生化反應工程等方面的專著。化學反應工程發(fā)展年代實況2021/5/910?1979年，我國派代表參加了國際化學反應工程會議。?80年代以后，反應工程的理論與方法已日臻完善與豐富。隨著高技術的發(fā)展與應用，如微電子器件的加工、光導纖維的生產、新材料與生物技術等，向我們提出了新的研究課題。

反應工程的研究進入了一個新的階段。化學反應工程發(fā)展年代實況2021/5/911研究背景我國學術發(fā)展：７０年代末，反應工程的研究成果才開始大量地介紹到國內。華東理工大學的陳敏恒教授，天津大學的李紹芬教授，浙江大學的陳甘棠教授，四川大學的王建華教授等是國內最早從事反應工程教學的學者。８０年代以后，國內從事反應工程學科研究的隊伍迅速壯大，對反應工程的研究已經滲透到各個化工領域，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。反應工程成為我國化工學生一門非常重要的專業(yè)課程。2021/5/912化工行業(yè)前景

化學工業(yè)是屬于知識和資金密集型的行業(yè)。隨著科學技術的發(fā)展，它由最初只生產純堿、硫酸等少數幾種無機產品和主要從植物中提取茜（qiàn）素制成染料的有機產品，逐步發(fā)展為一個多行業(yè)、多品種的生產部門，出現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，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、生命科學等為代表,這些技術上的發(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,化學的發(fā)展迎來了新的機遇,出現了多學科交叉的特點。但是環(huán)境與資源的雙重約束,使得轉變經濟發(fā)展方式、調整經濟結構已經成為經濟持續(xù)發(fā)展的關鍵。要求化工行業(yè)適應我們當代和諧發(fā)展模式，為低碳經濟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化學反應工程未來展望

在２０世紀，反應工程的存在和發(fā)展，很大程度上服務于大型的石油化工過程和基礎原材料的生產。進入２１世紀，石油化工的新技術發(fā)展逐漸停滯，而由于石油危機帶來的新的能源戰(zhàn)略和發(fā)展契機，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化再度帶來熱點。由于我國石油資源短缺使大型現代煤化工技術首先向中國聚集，為中國在煤化工領域帶來更優(yōu)越的領先契機。我國國情：2021/5/915國內發(fā)展趨勢

我國是世界鋼鐵產量大國，產量超過６億噸/年，這需要生產大量的煤炭焦炭(產量約３～４億噸／年)。同時，煤化工產品將從傳統(tǒng)煤化工(以合成氨、焦化產品為代表)，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反應工程未來展望2021/5/916化學反應工程未來展望

而由于煤是碳含量高的化石能源，為了適應全球ＣＯ２減排的潮流和應對國家可持續(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)保的生產方式，在提高原料利用率的同時，提高產能。2021/5/917反應工程生物學：如今反應工程的方法論越來越多地滲透到生物、材料、新能源等新興領域。歷史上，青霉素的深層發(fā)酵技術首先為反應工程應用于生物化工開辟了新的篇章，而反應器的不斷改進也為傳統(tǒng)生物化工過程的節(jié)能減排做出了重要的貢獻。利用生物體系的獨特優(yōu)勢，如分子尺度上的結構識別、特異性結合以及精確自組裝等優(yōu)點，構建生物模板進行納米材料的合成，就衍生為化學、化工前沿的生物納米技術。化學反應工程的新領域2021/5/918

例如，病毒（噬菌體）分子由于具有合適的大小、明確的結構、可以進行基因工程操作、能夠實現自我復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。據報道，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，新型催化劑可以使催化反應溫度從６５０℃下降至３００℃。因此，反應工程與新領域、新學科的結合和拓展，帶來更多的發(fā)展契機。納米碳管化學反應工程的新領域2021/5/919化學反應工程的新領域計算反應工程：

進入21世紀，化工領域相關基礎研究的飛速發(fā)展，尤其是量子力學、流體力學理論的發(fā)展與完善，進一步推動了計算模擬技術在反應工程領域的應用。數學方法與計算機技術相結合，在計算分子科學、過程模型與模擬、操作模型與模擬和計算流體力學等幾個重要領域發(fā)揮著重大作用。從微觀分子到宏觀設備、過程和工廠的范圍內多尺度刻劃真實的化工反應過程，使得過程的開發(fā)與設計更加方便、快捷和準確。2021/5/920化學反應工程的新領域

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

MIP工業(yè)反應器是由中國石油化工科學研究院研制，突破了現有FCC工藝對二次反應的限制，實現了可控性和選擇性地進行裂化反應、氫轉移反應和異構化反應，使產品的性質和產品的分布得到改善。利用多尺度的思想，首先根據設備操作條件，由宏觀尺度模型給出整個設備內部的顆粒分布，再按此分布分配到設備的各個局部，該分布可在數