化学反应工程的前世

发布时间：2016-12-21 21:38

本文关键词：化学反应工程的前世、今生与未来，由笔耕文化传播整理发布。

网络出版时间：2012-10-1117:09；网络出版地址：；化学反应工程的前世、今生与未来；金涌，程易，颜彬航；（清华大学化学工程系，北京100084）；摘要：回顾了化学反应工程学科和相关工业重要贡献的；关键词：化学反应工程；范式；多尺度方法论；极端条；中图分类号：TQ039+.3文献标志码：A文章编；JINYong，(，

网络出版时间：2012-10-11 17:09

网络出版地址：

化学反应工程的前世、今生与未来

金涌，程易，颜彬航

（清华大学化学工程系，北京100084）

摘要：回顾了化学反应工程学科和相关工业重要贡献的发展历史，提出以“物质的传递与转化”、“能量的传递与转化”和“信息的传递与转化”所组成的“三传三转”成为化学工程学科范式的新解读模式；强调了多尺度研究对于理解反应工程复杂问题的重要意义，计算技术的发展大大促进了反应工程理论的进步；从学科交叉和化工前沿角度探讨了反应工程新的发展方向，，尤其展望了大型化煤化工、大规模天然气（页岩气）利用等将为中国的反应工程发展带来更为优越的国际领先契机，也是未来反应工程的任务和挑战。

关键词：化学反应工程；范式；多尺度方法论；极端条件；清洁煤利用

中图分类号：TQ039+.3 文献标志码：A 文章编号

JIN Yong，(，Beijing100084，China)

Abstract contribution in The new paradigm of “transfer and engineering is acknowledged as the key to explore the complex engineering. The sophisticated computational reaction from the viewpoint of interdisciplinary research and that the industrial development of the coal chemical

Key words：Chemical reaction engineering; paradigm; multi-scale methodology; extreme conditions; clean coal utilization

2012-09-20收到初稿，2012-00-00收到修改稿。联系人：程易。第一作者：金涌（1935—），男，教授，中国工程院士。

基金项目：国家973计划（2012CB720301）;国家自然科学基金项目（20976091）.

Received date: 2012-09-20.

Corresponding author: Prof. CHENG Yi, yicheng@tsinghua.edu.cn

Foundation item: National 973 Project of China (No. 2012CB720301); National Natural Science Foundation of China (20976091);.

引言

泛化学工程直接关联于能源、资源、冶金、石化环境、材料、医药、生物等领域，是基础制造业中“机电产品工程”和“过程工程”两大重要的基础之一，在国民经济中占有重要的地位，约占全国GDP的16%以上。

图1 Fig. 1 [1]

-反应等单元串联组合而成，其中反应器是实现物质转化的核心设备。如图化学反应器性能紧密关、介观（催化建立反应动力学和传递现象之间的定图2概述了反实现过程经济性、安全性和环境友好要求。

图2 反应工程的基本任务：根据过程需要设计合理的反应器，实现过程经济性、安全性和环境友好要求 Fig. 2 Fundamentals of reaction engineering: a proper design of reactor upon the request of specific process to

fulfill the basic demand of economics, safety and environment

本文的目的是通过回顾反应工程发展的历史，探讨现今及未来反应工程的任务和挑战。

1 反应工程发展脉络/沿革

1.1 反应工程在工业发展中的重要地位

反应工程始于氨气和尿素的大规模合成技术的发明，其发展是以几大重要的物质转化过

1.2 反应工程学科发展

第一届国际反应工程会议于1957年在荷兰召开，这也预示着反应工程作为一门独立的学科日益受到工业界和学术界的重视，且逐渐形成了学科体系。如表2所示，国际反应工程会议（ISCRE）迄今已经召开了22届，最初主要在欧洲和北美之间轮流主办，自2002年由中国香港承办后在欧、亚、美三大洲轮流举行，形成了反应工程领域国际最高水平的研讨盛会（）。相关反应工程的其他国际性会议主要还包括在美国的AIChE和ACS年会的反应工程分会，以Fluidization和Circulating Fluidized Bed等流态化技术为主的国际性会议，以及多功能反应器、气-液反应工程会、新兴的微反应技术（IMRET）会议等等，大致反映了化学反应工程等的发展脉络。大量的反应工程相关的学术文章主要发表于化工类的顶级期刊，如AIChE Journal, Chemical Engineering Science, Industrial & Engineering Chemistry Research, Chemical Engineering Journal等等，其中有关停留时间分布理论的工作[2]

是反应工程领域被最广泛地引用的文章。除了化工类期刊，近代反应工程相关的科研工作越来越多地在高影响因子期刊发表，尤其是一些领先的反应工程前沿技术，如60年代的等离子体煤裂解技术[3]、80年代的快床技术[4]、煤催化气化技术[5]、90年代毫秒级反应过程[6]、2000年前后的微反应器技术[7]以及气泡运动的流体力学动态模拟[8]等等，均发表在Nature或Science的顶级学术期刊上。除学术成就外，化学反应工程技术深入发展已成为当今各种化工产品技术秘密和专利转让的核心内容。

在上世纪60年代前后，涌现了几部优秀的《化学反应工程》教材，其中，以Octave Levenspiel的经典教材为全世界高校广泛采用[9]。80年代以后，H. Scott Fogler的反应工程基础教材受到越来越多的青睐[10]。

表2 国际反应工程会议

ISCRE 12 ISCRE 13 ISCRE 14 ISCRE 15 ISCRE 16 ISCRE 17 ISCRE 18 ISCRE 19 ISCRE 20

Torino Baltimore Brugge Newport Cracow Hong Kong Chicago Potsdam/Berlin

Kyoto

Italy USA Belgium USA Poland China USA Germany Japan

1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

ISCRE 21 ISCRE 22

Philadelphia Maastricht

USA Netherlands

2010 2012

2 化学工程学的范式（Paradigm）与反应工程学的定位：三传三转

学科范式是指对一个学科基本内涵最精确的把握和表述。化学工程学已历经一百年的发展演变，对其学科内涵的解读也在不断深入[11]。首先是1915把相关物理操作总结归纳提出的单元操作概念，被公认为化学工程学科的第一阶段范式，当时反应工程学科尚处于孕育期。1957年，在荷兰召开的第一届化学反应工程学术会议对该学科的范畴、研究方法论及与相邻学科的领域界定做出了明确的说明，使化学反应实现了由“技艺”向“科学”的跃升，至此完成了向第二阶段“三传一反”范式的转变，即动量传递、热量传递、质量传递和化学反应。20程”相结合，是对第三阶段范式的另一种解读。进入21的三元相互作用在化工学科中得到了充分的展示，的优化问题，信息的在线采集、判伪、因此以“物质的传递与转化”、学以及科研中有最完美的体现，遍意义[12]

使过去基于整体论的研究方法只能再通过计算机把上述研究所获的基本方程式加

对于理解反应器内的相间接触和/压降），到反应器局部行为探；进一步随着科技的发展，非接触式、无干扰流场的场测量技术越来越受到重视[13]，如基于激光的粒子图像测速（PIV）和激光诱导荧光（LIF）系列技术，电容、电阻以及基于射线的过程层析成像等等。这些先进的测试技术帮助研究人员更准确地理解反应器内复杂的流体力学行为以及尺度依赖关系，获得对被研究体系最直接、可靠的认识。

上世纪90年代以来，计算机技术的快速发展为计算流体力学、分子模拟等先进的模型方法在反应工程中应用带来了巨大的推动。反应工程从最初的基于实验数据的经验关联，逐步发展到多相流体力学的大规模模拟，用于诊断反应器的问题甚至直接指导反应器的设计。在普遍的多相反应工程模型方面，其流体力学模型从基于N-S方程的连续介质流动方程，进一步考虑连续相湍流的准确描述以及离散相的真实物理本质，也就是欧拉-欧拉模型框架过渡到欧拉-拉格朗日模型，其中，充分考虑离散相尺度的相互作用并与连续相流体产生相

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