本文關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程的前世、今生與未來，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2012-10-1117:09；網(wǎng)絡(luò)出版地址：；化學(xué)反應(yīng)工程的前世、今生與未來；金涌，程易，顏彬航；（清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京100084）；摘要：回顧了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科和相關(guān)工業(yè)重要貢獻(xiàn)的；關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程；范式；多尺度方法論；極端條；中圖分類號：TQ039+.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編；JINYong，(，

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2012-10-11 17:09

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化學(xué)反應(yīng)工程的前世、今生與未來

金涌，程易，顏彬航

（清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京100084）

摘要：回顧了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科和相關(guān)工業(yè)重要貢獻(xiàn)的發(fā)展歷史，提出以“物質(zhì)的傳遞與轉(zhuǎn)化”、“能量的傳遞與轉(zhuǎn)化”和“信息的傳遞與轉(zhuǎn)化”所組成的“三傳三轉(zhuǎn)”成為化學(xué)工程學(xué)科范式的新解讀模式；強(qiáng)調(diào)了多尺度研究對于理解反應(yīng)工程復(fù)雜問題的重要意義，計(jì)算技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了反應(yīng)工程理論的進(jìn)步；從學(xué)科交叉和化工前沿角度探討了反應(yīng)工程新的發(fā)展方向，，尤其展望了大型化煤化工、大規(guī)模天然氣（頁巖氣）利用等將為中國的反應(yīng)工程發(fā)展帶來更為優(yōu)越的國際領(lǐng)先契機(jī)，也是未來反應(yīng)工程的任務(wù)和挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程；范式；多尺度方法論；極端條件；清潔煤利用

中圖分類號：TQ039+.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號

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。 聯(lián)系人：程易。第一作者：金涌（1935—），男，教授，中國工程院士。

基金項(xiàng)目：國家973計(jì)劃（2012CB720301）;國家自然科學(xué)基金項(xiàng)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);.

1

引 言

泛化學(xué)工程直接關(guān)聯(lián)于能源、資源、冶金、石化環(huán)境、材料、醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域，是基礎(chǔ)制造業(yè)中“機(jī)電產(chǎn)品工程”和“過程工程”兩大重要的基礎(chǔ)之一，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，約占全國GDP的16%以上。

圖1 Fig. 1 [1]

-反應(yīng)等單元串聯(lián)組合而成，其中反應(yīng)器是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的核心設(shè)備。如圖化學(xué)反應(yīng)器性能緊密關(guān)、介觀（催化建立反應(yīng)動力學(xué)和傳遞現(xiàn)象之間的定圖2概述了反實(shí)現(xiàn)過程經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)境友好要求。

圖2 反應(yīng)工程的基本任務(wù)：根據(jù)過程需要設(shè)計(jì)合理的反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)過程經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)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

本文的目的是通過回顧反應(yīng)工程發(fā)展的歷史，探討現(xiàn)今及未來反應(yīng)工程的任務(wù)和挑戰(zhàn)。

1 反應(yīng)工程發(fā)展脈絡(luò)/沿革

1.1 反應(yīng)工程在工業(yè)發(fā)展中的重要地位

反應(yīng)工程始于氨氣和尿素的大規(guī)模合成技術(shù)的發(fā)明，其發(fā)展是以幾大重要的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過

1.2 反應(yīng)工程學(xué)科發(fā)展

第一屆國際反應(yīng)工程會議于1957年在荷蘭召開，這也預(yù)示著反應(yīng)工程作為一門獨(dú)立的學(xué)科日益受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視，且逐漸形成了學(xué)科體系。如表2所示，國際反應(yīng)工程會議（ISCRE）迄今已經(jīng)召開了22屆，最初主要在歐洲和北美之間輪流主辦，自2002年由中國香港承辦后在歐、亞、美三大洲輪流舉行，形成了反應(yīng)工程領(lǐng)域國際最高水平的研討盛會（）。相關(guān)反應(yīng)工程的其他國際性會議主要還包括在美國的AIChE和ACS年會的反應(yīng)工程分會，以Fluidization和Circulating Fluidized Bed等流態(tài)化技術(shù)為主的國際性會議，以及多功能反應(yīng)器、氣-液反應(yīng)工程會、新興的微反應(yīng)技術(shù)（IMRET）會議等等，大致反映了化學(xué)反應(yīng)工程等的發(fā)展脈絡(luò)。大量的反應(yīng)工程相關(guān)的學(xué)術(shù)文章主要發(fā)表于化工類的頂級期刊，如AIChE Journal, Chemical Engineering Science, Industrial & Engineering Chemistry Research, Chemical Engineering Journal等等，其中有關(guān)停留時(shí)間分布理論的工作[2]

是反應(yīng)工程領(lǐng)域被最廣泛地引用的文章。除了化工類期刊，近代反應(yīng)工程相關(guān)的科研工作越來越多地在高影響因子期刊發(fā)表，尤其是一些領(lǐng)先的反應(yīng)工程前沿技術(shù)，如60年代的等離子體煤裂解技術(shù)[3]、80年代的快床技術(shù)[4]、煤催化氣化技術(shù)[5]、90年代毫秒級反應(yīng)過程[6]、2000年前后的微反應(yīng)器技術(shù)[7]以及氣泡運(yùn)動的流體力學(xué)動態(tài)模擬[8]等等，均發(fā)表在Nature或Science的頂級學(xué)術(shù)期刊上。除學(xué)術(shù)成就外，化學(xué)反應(yīng)工程技術(shù)深入發(fā)展已成為當(dāng)今各種化工產(chǎn)品技術(shù)秘密和專利轉(zhuǎn)讓的核心內(nèi)容。

在上世紀(jì)60年代前后，涌現(xiàn)了幾部優(yōu)秀的《化學(xué)反應(yīng)工程》教材，其中，以O(shè)ctave Levenspiel的經(jīng)典教材為全世界高校廣泛采用[9]。80年代以后，H. Scott Fogler的反應(yīng)工程基礎(chǔ)教材受到越來越多的青睞[10]。

表2 國際反應(yīng)工程會議

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 化學(xué)工程學(xué)的范式（Paradigm）與反應(yīng)工程學(xué)的定位：三傳三轉(zhuǎn)

學(xué)科范式是指對一個(gè)學(xué)科基本內(nèi)涵最精確的把握和表述�；瘜W(xué)工程學(xué)已歷經(jīng)一百年的發(fā)展演變，對其學(xué)科內(nèi)涵的解讀也在不斷深入[11]。首先是1915把相關(guān)物理操作總結(jié)歸納提出的單元操作概念，被公認(rèn)為化學(xué)工程學(xué)科的第一階段范式，當(dāng)時(shí)反應(yīng)工程學(xué)科尚處于孕育期。1957年，在荷蘭召開的第一屆化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)術(shù)會議對該學(xué)科的范疇、研究方法論及與相鄰學(xué)科的領(lǐng)域界定做出了明確的說明，使化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了由“技藝”向“科學(xué)”的躍升，至此完成了向第二階段“三傳一反”范式的轉(zhuǎn)變，即動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)。20程”相結(jié)合，是對第三階段范式的另一種解讀。進(jìn)入21的三元相互作用在化工學(xué)科中得到了充分的展示，的優(yōu)化問題，信息的在線采集、判偽、因此以“物質(zhì)的傳遞與轉(zhuǎn)化”、學(xué)以及科研中有最完美的體現(xiàn)，遍意義[12]

3

使過去基于整體論的研究方法只能再通過計(jì)算機(jī)把上述研究所獲的基本方程式加

對于理解反應(yīng)器內(nèi)的相間接觸和/壓降），到反應(yīng)器局部行為探；進(jìn)一步隨著科技的發(fā)展，非接觸式、無干擾流場的場測量技術(shù)越來越受到重視[13]，如基于激光的粒子圖像測速（PIV）和激光誘導(dǎo)熒光（LIF）系列技術(shù)，電容、電阻以及基于射線的過程層析成像等等。這些先進(jìn)的測試技術(shù)幫助研究人員更準(zhǔn)確地理解反應(yīng)器內(nèi)復(fù)雜的流體力學(xué)行為以及尺度依賴關(guān)系，獲得對被研究體系最直接、可靠的認(rèn)識。

上世紀(jì)90年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為計(jì)算流體力學(xué)、分子模擬等先進(jìn)的模型方法在反應(yīng)工程中應(yīng)用帶來了巨大的推動。反應(yīng)工程從最初的基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)，逐步發(fā)展到多相流體力學(xué)的大規(guī)模模擬，用于診斷反應(yīng)器的問題甚至直接指導(dǎo)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。在普遍的多相反應(yīng)工程模型方面，其流體力學(xué)模型從基于N-S方程的連續(xù)介質(zhì)流動方程，進(jìn)一步考慮連續(xù)相湍流的準(zhǔn)確描述以及離散相的真實(shí)物理本質(zhì)，也就是歐拉-歐拉模型框架過渡到歐拉-拉格朗日模型，其中，充分考慮離散相尺度的相互作用并與連續(xù)相流體產(chǎn)生相

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