化学反应工程的未来发展 Future Development of Chemical Reaction Engineering

doi:10.12677/hjcet.2011.11001

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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/)

Future Development of Chemical Reaction Engineering

Yezi Lv1, Yanjie Tong1, Yuanxin Wu1, Y ing Wu2, Shengdong Zhu1*

1Key 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

2Pipe 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

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

吕椰子等｜化学反应工程的来未发展

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-

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[3] M. P. Dudukovic. Challenges and innovations in reaction engi-

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[5] 吴元欣, 朱圣东, 陈启明. 新型反应器与反应器工程中的新

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