化学反应工程历史及展望

化学反应工程发展历史及展望第一小组成员：2021/5/91

化学反应工程是化学工程的一个分支，以工业反应过程为主要研究对象，以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器设计为主要目的的一门新兴工程学科。它是在化工热力学、反应动力学、传递过程理论以及化工单元操作的基础上发展起来的。其应用遍及化学、石油化学、生物化学、医药、冶金及轻工等许多工业部门。化学反应工程定义学科定义：2021/5/92化学反应工程发展史第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前）

这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医药化学和冶金化学等时期。早期化学知识来源于人类的生产和生活实践。同时在人类对自然界万物的本原构成的探索中，诞生了古代朴素的元素观。古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成理论体系、是化学的萌芽时期；另一方面，尚未形成有规模的化学加工实践。2021/5/93第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始。

弗里茨·哈伯

以硫酸，硝酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至20世纪初，出现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。

20世纪初，英国的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化学工程”的概念，发展成为以“单元操作”（unitoperations）为基本研究内容的化学工程学。而规模的扩大要求人们对生产过程的规律有更为透彻的了解需要既懂工程又熟悉化学知识促使工程与化学相结合。化学反应工程发展史2021/5/94第三阶段：现代化学工业（二战前后）

在原料路线，技术和设备方面都有巨大的变化和进步，在以石油和天然气为主要原料的化学工业中，各种催化反应被广泛应用，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努力。尤其是在生产规模日益大型化的趋势下，其影响就更大了，促使化学工程学科形成了第二次理论综合，即：从动量传递、热量传递、质量传递的角度深入研究化工生产的物理变化过程，以及从“化学反应工程”的角度来研究化工生产的化学过程。从而使化学工程学科上升为一门具有完整理论体系的全面学科。三传一反。化学反应工程发展史2021/5/95化学反应工程学发展史化学反应工程发展史

２０世纪２０年代:合成氨———现代化工的起始：农业，炸药

２０世纪４０年代:石油催化裂化：汽车工业；核化工：原子能工业

２０世纪５０年代:深层发酵：抗生素制药业

２０世纪６０年代:烯烃，芳烃：三大合成材料

２０世纪７０年代:有机硅，高纯硅：硅材料工业

２０世纪８０年代:人工脏器，动植物细胞培养

２０世纪９０年代:纳米管，超分子组装纳米－亚微米材料，复合、多功能材料

２０００年至今:能源、资源、环境、生物、制药、材料……

2021/5/96￭30年代，石油化学工业刚刚兴起。提出了“单元操作”和“单元过程”等概念。

单元操作——流体输送，蒸馏，干燥等专管物理工序。

单元过程——磺化，水解，加氢等专管化学反应工序。1937年，丹克莱尔较系统的阐述了“扩散，流体流动和传热对化学反应收率的影响”，为化学反应工程的创立奠定了基础。(被认为是化学动力学发展到“工程技术”阶段的标志)。化学反应工程发展年代实况2021/5/97￭40年代，第二次世界大战，三个重要的过程开发研究工作：1.流化床催化裂化--汽油2.丁苯橡胶乳液聚合--（汽车）轮胎3.曼哈顿计划--原子弹（气体扩散提炼浓缩铀U238）￭1947年，出版了两本书:1.霍根（Hougen）和华生（waston）--《化学过程原理》2.法兰克--卡明涅斯基--《化学动力学中的扩散与传热》

总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探讨了反应器设计问题。为学科的形成起了一定的作用。化学反应工程发展年代实况2021/5/98￭50年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。对反应器的放大问题的研究，使人们认识到，任何一个化学反应在工业规模反应器中进行时不可避免地伴随着"三传"现象，必须将化学反应与"三传"同时结合起来加以考虑和分析。另外，又提出了一些重要的基本概念。如"返混"，"反应器稳定性"，"微观混合"，"伴有化学反应的传质"等。推动了学科的发展。1957年，在荷兰首都（阿姆斯特丹）举行了第一次欧洲化学反应工程会议。会上正式提出了"化学反应工程学"的概念。化学反应工程发展年代实况2021/5/991960年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以后，每四年举行一次。1970年，在美国首都(华盛顿)召开了第一次国际化学反应工程讨论会，以后每两年举行一次。70年代中期，《反应工程》向深度和广度发展，出现了关于g-l、g-l-s反应器、生化反应工程等方面的专著。化学反应工程发展年代实况2021/5/910￭1979年，我国派代表参加了国际化学反应工程会议。￭80年代以后，反应工程的理论与方法已日臻完善与丰富。随着高技术的发展与应用，如微电子器件的加工、光导纤维的生产、新材料与生物技术等，向我们提出了新的研究课题。

反应工程的研究进入了一个新的阶段。化学反应工程发展年代实况2021/5/911研究背景我国学术发展：７０年代末，反应工程的研究成果才开始大量地介绍到国内。华东理工大学的陈敏恒教授，天津大学的李绍芬教授，浙江大学的陈甘棠教授，四川大学的王建华教授等是国内最早从事反应工程教学的学者。８０年代以后，国内从事反应工程学科研究的队伍迅速壮大，对反应工程的研究已经渗透到各个化工领域，与世界研究水平之间的距离也逐渐缩小，不同版本的教科书和各种各样的专著不断出版。反应工程成为我国化工学生一门非常重要的专业课程。2021/5/912化工行业前景

化学工业是属于知识和资金密集型的行业。随着科学技术的发展，它由最初只生产纯碱、硫酸等少数几种无机产品和主要从植物中提取茜（qiàn）素制成染料的有机产品，逐步发展为一个多行业、多品种的生产部门，出现了一大批综合利用资源和规模大型化的化工企业。2021/5/913化工行业前景

如今的二十一世纪，是以可继续发展为特点的时代,以新能源、新材料、环保、生命科学等为代表,这些技术上的发展很好的改变了我们的生活模式,是我们的社会更加趋于文明。在新的历史时期,化学的发展迎来了新的机遇,出现了多学科交叉的特点。但是环境与资源的双重约束,使得转变经济发展方式、调整经济结构已经成为经济持续发展的关键。要求化工行业适应我们当代和谐发展模式，为低碳经济锁具的代表性的低碳发展模式是和谐、循环发展的必然要求。2021/5/914化学反应工程未来展望

在２０世纪，反应工程的存在和发展，很大程度上服务于大型的石油化工过程和基础原材料的生产。进入２１世纪，石油化工的新技术发展逐渐停滞，而由于石油危机带来的新的能源战略和发展契机，给大型化煤化工带来了新的浪潮，尤其页岩气的开发和已探明储量为天然气转化再度带来热点。由于我国石油资源短缺使大型现代煤化工技术首先向中国聚集，为中国在煤化工领域带来更优越的领先契机。我国国情：2021/5/915国内发展趋势

我国是世界钢铁产量大国，产量超过６亿吨/年，这需要生产大量的煤炭焦炭(产量约３～４亿吨／年)。同时，煤化工产品将从传统煤化工(以合成氨、焦化产品为代表)，向新一代煤化工(以合成甲醇等为代表)方向快速发展。化学反应工程未来展望2021/5/916化学反应工程未来展望

而由于煤是碳含量高的化石能源，为了适应全球ＣＯ２减排的潮流和应对国家可持续发展面临的能源瓶颈，我国未来在石油化工方向的发展趋势将以高效、清洁、高附加值为特点，选择更多绿色环保的生产方式，在提高原料利用率的同时，提高产能。2021/5/917反应工程生物学：如今反应工程的方法论越来越多地渗透到生物、材料、新能源等新兴领域。历史上，青霉素的深层发酵技术首先为反应工程应用于生物化工开辟了新的篇章，而反应器的不断改进也为传统生物化工过程的节能减排做出了重要的贡献。利用生物体系的独特优势，如分子尺度上的结构识别、特异性结合以及精确自组装等优点，构建生物模板进行纳米材料的合成，就衍生为化学、化工前沿的生物纳米技术。化学反应工程的新领域2021/5/918

例如，病毒（噬菌体）分子由于具有合适的大小、明确的结构、可以进行基因工程操作、能够实现自我复制增殖和自组装等特性，被广泛用于纳米线、纳米薄膜以及多层纳米材料的合成，尤其可成为精确制造催化剂的一种特殊技术。据报道，利用噬菌体耦合的纳米镍－铑－铈催化剂，用于乙醇重整制氢反应，新型催化剂可以使催化反应温度从６５０℃下降至３００℃。因此，反应工程与新领域、新学科的结合和拓展，带来更多的发展契机。纳米碳管化学反应工程的新领域2021/5/919化学反应工程的新领域计算反应工程：

进入21世纪，化工领域相关基础研究的飞速发展，尤其是量子力学、流体力学理论的发展与完善，进一步推动了计算模拟技术在反应工程领域的应用。数学方法与计算机技术相结合，在计算分子科学、过程模型与模拟、操作模型与模拟和计算流体力学等几个重要领域发挥着重大作用。从微观分子到宏观设备、过程和工厂的范围内多尺度刻划真实的化工反应过程，使得过程的开发与设计更加方便、快捷和准确。2021/5/920化学反应工程的新领域

以工业规模的石油催化裂化MIP工业反应器为例：石油催化裂化是国民经济中有重大影响的工业过程之一。重质油品或渣油等通过在催化剂存在下的加热反应，使长链产品断键，生成汽油、煤油及轻烯烃类有价值的产品。

MIP工业反应器是由中国石油化工科学研究院研制，突破了现有FCC工艺对二次反应的限制，实现了可控性和选择性地进行裂化反应、氢转移反应和异构化反应，使产品的性质和产品的分布得到改善。利用多尺度的思想，首先根据设备操作条件，由宏观尺度模型给出整个设备内部的颗粒分布，再按此分布分配到设备的各个局部，该分布可在数