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Hans Journal of Chemical Engineering and Technology
化学工程与技术
, 2011, 1, 1- 3
http://dx.doi.org/10.12677/hjcet.2011.11001
Published Online July 2011 (http://www.hanspub.org/journal/hjcet/)
Copyright © 2011 Hanspub
HJCET
Future Development of Chemical Reaction Engineering
Yezi Lv
1
, Yanjie Tong
1
, Yuanxin Wu
1
, Y ing Wu
2
, Shengdong Zhu
1*
1
Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education, Hubei Key Laboratory of Novel C hemical Reactor and Green
Chemical Technology, School of Chemical Engineering and Pharmacy, Wuhan Institute of Technology, Wuhan
2
Pipe Engineering Division, Wuhuan Engineering Co. Ltd., Wuhan
Email: zhusd2003@21cn.com
Received:
Apr. 18th, 2011; revised: May 26th, 2011; acc epted: Jun. 7th, 2011.
Abstract:
The chemical reaction engineering has become a relatively mature engineering discipline after its
more than 50-year development. The future development of chemical reaction engineering was discussed
from the following 3 aspects: the improvement of chemical reaction engineering theory, the personality in
developing novel reaction equipment and the expansion of application scope of chemical reaction engineer-
ing. It is shown that the chemical reactio n eng ineering is still full of vigor and it will play an importan t ro le in
solving the energy, resource and environmental problems for our society sustainable development.
Keywords:
Chemical Reaction Engineering; Future Development; Sustainable Development
化学反应工程的未来发展
吕椰子
1
,童彦杰
1
,吴元欣
1
,吴
迎
2
,朱圣东
1*
1
武汉工程大学化工与制药学院,湖北省新型反应器和绿色工艺重点实验室,绿色化工过程省部共建教育部重点实验室,武汉
2
中国五环科技股份有限公司管道工程室,武汉
Email: zhusd2003@21cn.com
收稿日期
:
2011
年
4
月
18
日;修回日期:
2011
年
5
月
26
日;录用日期:
2011
年
6
月
7
日
摘 要:
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。
关键词:
化学反应工程;未来发展;可持续发展
1.
前言
自
1957
年第一届国际反应工程会议正式命名化
学反应工程以来,化学反应工程经过
50
多年的发展,
已成为一门较为成熟的工程学科。化学反应工程的服
务对象已由最初的化学工业扩展到冶金、材料、能源、
环境、生物等诸多进行化学或是生物反应而实现物质
转化的过程工业
[1-4]
。化学反应工程的理论和方法在指
导包括化工过程在内的过程工程的开发和放大,工业
反应装置的选择,设计,优化和控制发挥着重要作用。
基于反应过程在过程工程中所处的核心地位这一客观
事实,化学反应工程的未来发展将对过程工业的未来
发展产生深刻影响,将在解决人类所面临的能源,资
源和环境问题发挥极其重要的作用,因此对于化学反
应工程的未来发展进行分析和讨论具有重要的现实意
义
[1-4]
。本文将从化学反应工程理论体系的进一步完
善,新型反应装置的开发,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
吕椰子 等 | 化学反应工程的来未发展
2
分析和讨论。
2.
化学反应工程理论体系的进一步完善
根据现有的不同尺度化学反应过程的内在规律,
从多尺度的角度已形成如下化学反应工程理论体系的
基本框架
[1]
:
1)
在微观尺度上化学反应过程的反应速率不受
传递影响,此时化学反应动力学为化学反应的本征动
力学;
2)
在颗粒
(
包括气泡和液滴
)
尺度上,传质过程
(
如
外扩散和内扩散
)
将对化学反应过程的影响,同时对于
强放热的催化反应,传热将对化学反应过程造成影响,
有时会出现热稳定性问题;
3)
在微团尺度上,对不同的混合状态将会对化学
反应过程造成影响;
4)
在反应装置尺度上,由于过程的连续化而出现
的返混将对对化学反应过程造成影响,同时对于强放
热反应,传热将对化学反应过程的造成影响,反应装
置会出现热稳定性问题;
5)
在工厂尺度上,反应装置物料的进出口浓度和
温度或是物料的流程改变将会对反应装置内的化学反
应过程和反应装置的热稳定性造成的影响。
上述基于多尺度的化学反应工程理论体系和化学
反应工程中富有特色的数学模型方法,已在包括化学
工业在内的过程工业的过程开发和放大中发挥了重要
作用,但同时应当注意到,运用现有的化学反应工程
的理论在解决有些工业反应过程的放大和优化控制会
遇到难以克服的困难,这说明现有的化学反应工程的
理论体系还有待进一步完善
[1-4]
。对于现有化学反应工
程的理论体系进行完善主要包括两个方面:一方面是
需要对于不同尺度的流体流动,传递和混合相互作用
规律进行准确的定量表述,现代测量技术和现代计算
技术的发展将为定量描述不同尺度的流体流动,传递
和混合相互作用规律提供强有力的技术支撑;另一方
面是随着化学反应工程应用范围进一步拓展,现有化
学反应工程的理论也应进行相应的调整和补充,以解
决其将会面临的实际问题。
3.
新型反应装置的开发
反应装置是发生化学
(
或是生物
)
反应的场所,是
整个过程工业的核心设备
[5]
。尽管反应装置在整个工
厂的投资和操作费用占得比例并不高
(
一般只有
10%
左右
)
,但反应装置的合理设计和选择却至关重要,因
为它一方面会通过影响反应速率,选择性和热力学平
衡,从而影响反应效果,另一方面对于前处理和后分
离设备的投资和操作费用有决定性影响。总的来说,
反应装置将对整个生产过程的经济效益和资源与能源
的利用效率有决定性的影响
[2,5]
。人们在新型反应装置
的开发方面已进行了大量的工作,开发了大量新型结
构的反应装置
[5]
,这些工作的目的是希望强化反应装
置内的反应过程,主要通过两种途径实现:一条途径
是通过强化反应装置内的传递和混合过程,改善反应
装置内的流体流动情况,如微反应装置和规整填料反
应装置;另一条途径是在反应装置内实现过程耦合,
即通常所讲的多功能反应装置,如反应精馏装置和膜
反应装置。这些新型反应装置确实具有很多优点,但
成功的工业应用的实例并不多见,如上面所提到的微
反应装置,这让我们不得不反思这种以反应装置型式
为导向的新型反应装置开发模式。由于反应装置的真
正作用在为化学
(
或是生物
)
反应提供一个适合的场
所,不同的反应过程对于反应装置内的传递,混合和
流体流动有不同的要求,因此新型反应装置的开发将
会向个性化方向发展,针对特定的化学
(
或是生物
)
反
应过程对传递和混合的要求,开发出结构合理的反应
装置,以实现反应过程和反应装置完美结合,在工厂
尺度实现反应过程的强化和过程耦合,从而提高整个
工厂的资源和能源利用效率。
4.
化学反应工程应用范围的进一步拓展
化学反应工程的应用范围远远超出最初服务的化
学工业,现已扩展到冶金、材料、能源、环境、生物
等诸多进行化学
(
或是生物
)
反应而实现物质转化的过
程工业。化学反应工程的应用范围还将进一步拓展,
从理论上讲,对于一切包括化学反应
(
或是生物
)
反应
所导致物质转化的的过程工业,化学反应工程将在其
过程开发和放大,工业反应装置的选择,设计,优化
和控制发挥着重要作用
[1-4]
。应该说,目前化学反应工
程在过程工业所发挥的重要作用还没有得到足够的重
视,具体体现在对于很多工业规模的物质转化过程的
资源和能源利用效率远低于化学反应工程应用较为成
Cop
yright © 2011 Hanspub
HJCET
吕椰子
等
|
化学反应工程的来未发展
Copyright © 2011 Hanspub
HJCET
3
熟的石油化学工业和基础化学工业的资源和能源利用
效率
[2]
。化学反应工程在过程工业节能减排,提高资
源和能源的利用率的作用还没有得到充分发挥。勿用
质疑,化学反应工程将在提高过程工业资源和能源的
利用率,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
[1-5]
。
5.
结语
随着现代测量技术和计算技术的不断发展和化学
反应工程应用范围进一步拓展,化学反应工程理论将
得到进一步的完善,特别是对于不同尺度化学
(
或是生
物
)
反应过程和反应装置内的流体流动,传递和混合情
况将有更准确的认识。新型反应装置的开发则将会向
个性化方向发展,针对特定的化学
(
或是生物
)
反应过
程对传递和混合的要求,开发出结构合理的反应装置,
实现反应过程和反应装置完美结合,在工厂尺度实现
反应过程的强化和过程耦合,以提高整个工厂的资源
和能源利用效率。化学反应工程的应用范围也将得到
进一步拓展,化学反应工程将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。
参考文献
(References)
[1]
M. P. Dudukovic. Frontiers in reactor engineering. Science, 2009,
325(5941): 698-701.
[2]
M. P. Dudukovic. Reaction engineering: status and future chal-
lenges. Chem. Eng. Sci., 2010, 65(1): 3-11.
[3]
M. P. Dudukovic. Challenges and innovations in reaction engi-
neering. Chem. Eng. Comm., 2008, 196(1-2): 252-266.
[4]
李洪钟
.
聚焦结构、
界面与多尺度问题
,
开辟化学工程的新里
程
[J].
过程工程学报
, 2006, 6(6): 991-996.
[5]
吴元欣
,
朱圣东
,
陈启明
.
新型反应器与反应器工程中的新
技术
[M].
北京
:
化学工业出版社
, 2007.