化學(xué)反應(yīng)工程的前沿

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1、化學(xué)反應(yīng)工程的前沿化學(xué)反應(yīng)工程所面臨的重要挑戰(zhàn)是開發(fā)一個(gè)科學(xué)的、可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)以滿足未來世界能源、環(huán)境和材料的需求。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要我們完善對(duì)多尺度動(dòng)力學(xué)傳遞的理解以選擇最佳的反應(yīng)器，從而提高的反應(yīng)器和反應(yīng)過程效率。反應(yīng)器技術(shù)涉及到所有可再生資源，不可再生資源以及從中提取的中間介質(zhì)等原材料經(jīng)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為燃料、通用及專用化學(xué)品、建筑和通信材料、衣物纖維、化肥和藥品等生活消費(fèi)品的過程。對(duì)于具體化學(xué)反應(yīng)類型以及相關(guān)反應(yīng)器的選擇，決定了過程中的能源和物質(zhì)利用效率以及對(duì)環(huán)境所造成的影響?；瘜W(xué)反應(yīng)工程這門學(xué)科的形成即通過

2、引入科學(xué)的原理來量化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱量、動(dòng)量、質(zhì)量傳遞之間的相互作用。多尺度方法論通過定量的評(píng)定，例如產(chǎn)率、收率、選擇性、能效、以及對(duì)環(huán)境影響率來比較不同類型的反應(yīng)器。不同尺度所利用的動(dòng)力學(xué)分析模型是不同的，在分子尺度，使用的是分子動(dòng)力學(xué)和MD模擬法，以及密度泛函理論和過渡態(tài)理論；在粒子尺度，使用的是計(jì)算流體力學(xué)和直接數(shù)值分析；在反應(yīng)器尺度，使用的是微觀混合模型計(jì)算流體力學(xué)；在大規(guī)模生產(chǎn)尺度，運(yùn)用的是動(dòng)力學(xué)模型。在化學(xué)反應(yīng)工程中應(yīng)用的科學(xué)理論常常是很初步的，并沒有很大的發(fā)展，例如對(duì)理想流動(dòng)模型（活塞流或完全混合

3、）的假設(shè)，顆粒尺度下球形催化劑催化效率的定量化等。反應(yīng)工程一直將科學(xué)和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，研究者既沒有制造出一種最佳的理想反應(yīng)器來最大滿足化學(xué)反應(yīng)的需求，也沒有完全憑借生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)制造一種反應(yīng)器。反應(yīng)器類型的選用常常是直接再利用工廠中已存的基礎(chǔ)設(shè)備，或者直接將實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備按比例放大。其中平行放大這一方法應(yīng)用較多，即反應(yīng)器是由多個(gè)相同的小規(guī)模反應(yīng)器組成，這在一定程度上降低了完全按比例放大小規(guī)模反應(yīng)器所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，但是這種技術(shù)對(duì)于生產(chǎn)而言并不是最佳的。資源的有限與可持續(xù)發(fā)展的迫切，需要我們研究一種高效能并且環(huán)境破壞率低的反應(yīng)器，因

4、此應(yīng)加深對(duì)中等規(guī)模和大規(guī)模尺度動(dòng)力學(xué)傳遞作用的研究水平，創(chuàng)造新一代的環(huán)境友好型反應(yīng)器，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的和諧發(fā)展。這就意味著在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)應(yīng)把降低產(chǎn)物對(duì)環(huán)境的破壞性這一原則放在首位，然后優(yōu)化反應(yīng)過程以提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)綠色化工生產(chǎn)。為降低新技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該加強(qiáng)研究不同尺度下反應(yīng)本質(zhì)。例如在分子尺度，量子和分子的動(dòng)力學(xué)計(jì)算應(yīng)該與微觀動(dòng)力學(xué)概念相結(jié)合，這將有助對(duì)表面化學(xué)和催化過程的微觀理解，改進(jìn)對(duì)反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率的描述；在微觀至中等尺度，湍流混合與多組分、多相系統(tǒng)中的動(dòng)力學(xué)、質(zhì)量和

5、熱量傳遞的相互影響應(yīng)該進(jìn)一步被認(rèn)識(shí)；在反應(yīng)器尺度，計(jì)算流體力學(xué)正在取代理想流動(dòng)模型。其中，多相系統(tǒng)模擬相分散和流體流動(dòng)為計(jì)算流體力學(xué)提供了依據(jù)；基于第一原則的中等尺度領(lǐng)域的量化可以促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)部更優(yōu)的設(shè)計(jì)，例如流化床的薄膜結(jié)構(gòu)或規(guī)整填料的反應(yīng)器。這些措施都是為了獲得較高的體積反應(yīng)速率和在較高的質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)化效率下實(shí)現(xiàn)最佳選擇性。當(dāng)前，一系列的反應(yīng)器強(qiáng)化設(shè)計(jì)方案出爐，例如：將反應(yīng)單元與分離單元合并為一個(gè)操作單元以克服平衡反應(yīng)的限制；引入反應(yīng)器運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)模型以提高產(chǎn)率和選擇性；反應(yīng)器微型化以提高傳質(zhì)傳熱速率；超臨界

6、條件下反應(yīng)以提高反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散速率。所有的這些方法都能夠降低廢棄物的產(chǎn)生并減少對(duì)環(huán)境的破壞。但是有利必然有弊，就微反應(yīng)器來說，它可以增加體積產(chǎn)率，降低生產(chǎn)和運(yùn)行成本，提高生產(chǎn)安全性，并且在實(shí)驗(yàn)室中取得一系列實(shí)驗(yàn)的成功。但是在大規(guī)模的應(yīng)用上受到了限制，這是由于其需要一種活性高但又十分穩(wěn)定的催化劑，并且這種反應(yīng)器容易阻塞和泄露，可靠性是未知的。所以，雖然這些新的設(shè)計(jì)方案存在巨大發(fā)展?jié)摿?，但由于他們潛在風(fēng)險(xiǎn)，仍不能取代現(xiàn)存的大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備，需要進(jìn)一步研究。循環(huán)流化床存在巨大的發(fā)展?jié)摿颓熬?，它可以減少反應(yīng)物和產(chǎn)物對(duì)

7、環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)綠色化工生產(chǎn)。但是循環(huán)流化床的發(fā)展還不成熟，液固流動(dòng)模型及相關(guān)參數(shù)并不確定，可靠性及穩(wěn)定性尚不明確?？梢越柚?jì)算流體力學(xué)或開發(fā)新的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行進(jìn)一步研究，通過統(tǒng)計(jì)、模擬計(jì)算、預(yù)測(cè)、驗(yàn)證等過程得到流體動(dòng)力學(xué)模型及相關(guān)參數(shù)。計(jì)算流體力學(xué)可以用來描述真實(shí)流動(dòng)，利用計(jì)算流體力學(xué)可以糾正由經(jīng)驗(yàn)法假設(shè)的流體流動(dòng)形式所造成的錯(cuò)誤結(jié)論，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。綜上，計(jì)算流體力學(xué)在優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)方面起了重要作用，可以幫助我們了解流體的真實(shí)流動(dòng)情況，尤其在多相復(fù)雜系統(tǒng)中，可以對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行假設(shè)及驗(yàn)證，增加了反應(yīng)過程的可控

8、性。設(shè)計(jì)新型反應(yīng)器時(shí)，應(yīng)綜合考慮其對(duì)環(huán)境的影響、對(duì)能源的利用率、運(yùn)行可靠性和生產(chǎn)效率等。在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)不僅要不斷深入對(duì)分子間相互作用的研究，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各個(gè)尺度下多相復(fù)雜系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)、質(zhì)量和熱量傳遞、流體流動(dòng)模型的探討，探索更完美的動(dòng)力學(xué)分析模型。特別強(qiáng)調(diào)，在資源短缺，環(huán)境條件惡化的情況下，綠色化工生產(chǎn)變得尤為重要，提高能源利用率、降低能耗、減少廢棄物的排放、高效利用副