1　緒論

化學(xué)工業(yè)是支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和關(guān)系國(guó)計(jì)民生的支柱產(chǎn)業(yè)之一，化工產(chǎn)品與我們的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)。工業(yè)上，化工產(chǎn)品的生產(chǎn)需要通過一系列單元組成的化工工藝過程實(shí)現(xiàn)。一個(gè)化工工藝過程的典型流程如圖1-1所示。

圖1-1　化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程

通常情況下，原料在反應(yīng)前需要分離提純以滿足工藝要求，預(yù)處理后的原料在適當(dāng)?shù)臈l件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品，反應(yīng)后的產(chǎn)物必須經(jīng)過分離單元實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物與未反應(yīng)物、溶劑和副產(chǎn)物的有效分離，以滿足產(chǎn)品規(guī)格和要求。上述分離單元中不發(fā)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，為物理過程，屬于單元操作范疇。只有反應(yīng)單元能生產(chǎn)出高附加值產(chǎn)品時(shí)整個(gè)工藝才具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。因此，反應(yīng)單元是化工工藝的核心，也是實(shí)現(xiàn)增值的關(guān)鍵步驟。在一般的化工過程中，反應(yīng)器及其附屬設(shè)備的總投資和運(yùn)行成本只占過程總成本的10%～25%，但反應(yīng)器運(yùn)行的好壞會(huì)顯著影響分離單元的運(yùn)行狀況和運(yùn)行成本。因此，反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作的好壞在很大程度上決定整個(gè)工藝過程的經(jīng)濟(jì)性。

在反應(yīng)器中，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會(huì)連續(xù)發(fā)生變化，傳熱和傳質(zhì)過程與反應(yīng)過程交織在一起，傳遞過程會(huì)影響反應(yīng)的進(jìn)程，因而工業(yè)反應(yīng)器呈現(xiàn)出復(fù)雜、多樣的特點(diǎn)。工業(yè)反應(yīng)器的特性分析和優(yōu)化是化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的研究?jī)?nèi)容。在工業(yè)反應(yīng)器中，化學(xué)反應(yīng)速率除了取決于反應(yīng)本身的動(dòng)力學(xué)特性外，還與許多物理因素如溫度、濃度、壓力、流體的流動(dòng)狀態(tài)、相間傳熱和傳質(zhì)等密切相關(guān)。換句話說(shuō)，工業(yè)反應(yīng)器中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，其速率受到傳遞過程和流動(dòng)狀態(tài)等物理因素的影響。當(dāng)這些物理因素影響顯著時(shí)，工業(yè)裝置上反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和目標(biāo)產(chǎn)物選擇性會(huì)顯著低于實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，即出現(xiàn)所謂“放大效應(yīng)”。化學(xué)反應(yīng)工程就是以化學(xué)反應(yīng)速率為主線，研究傳遞過程和流動(dòng)狀態(tài)等物理因素對(duì)反應(yīng)速率的影響，以趨利避害，優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作，其內(nèi)容可概括為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析兩個(gè)方面。對(duì)于一定的反應(yīng)物系，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究反應(yīng)物系的化學(xué)反應(yīng)速率與物系溫度、濃度和壓力之間的定量關(guān)系。反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析是研究反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物系的組成、溫度和壓力等各種因素的變化規(guī)律，找出最優(yōu)工況和最優(yōu)反應(yīng)器的型式，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

化學(xué)反應(yīng)工程的誕生和發(fā)展源于化學(xué)工業(yè)的進(jìn)步和推動(dòng)。18～19世紀(jì)，作為化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)的酸和堿的規(guī)?；a(chǎn)標(biāo)志著化學(xué)工業(yè)的誕生。20世紀(jì)初至60～70年代，化學(xué)工業(yè)進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)階段，合成氨、石油化工、石油煉制、高分子化工和精細(xì)化工得到了快速發(fā)展。生產(chǎn)規(guī)模的大型化對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的開發(fā)和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。由于反應(yīng)過程與分離過程等物理過程的內(nèi)在聯(lián)系，早期反應(yīng)過程的研究與化學(xué)工程中的其他過程（如精餾、換熱等）一樣作為單元操作來(lái)處理。比如，將反應(yīng)過程按化學(xué)特征分為加氫、脫氫、磺化、硝化等單元過程。盡管單元操作的概念成功用于處理只含物理變化的化工單元操作，但化學(xué)反應(yīng)過程十分復(fù)雜，用單元操作的概念無(wú)法解決不同工藝過程大規(guī)模連續(xù)操作反應(yīng)器的工程放大問題。

20世紀(jì)初出現(xiàn)的非均相固體催化劑大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用對(duì)反應(yīng)器的研究提出了新的挑戰(zhàn)。1913年合成氨投入生產(chǎn)，1928年釩催化劑成功應(yīng)用于二氧化硫催化氧化，1936年硅鋁催化劑成功應(yīng)用于粗柴油催化裂化工藝。在研究這些氣固催化反應(yīng)時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)氣固反應(yīng)中的質(zhì)量傳遞和熱量傳遞對(duì)反應(yīng)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生重大影響。在基礎(chǔ)研究方面，丹克萊爾（G.Damk?hler）和梯爾（E.Thiele）分別對(duì)固體催化劑顆粒外的傳遞過程（外擴(kuò)散）和孔內(nèi)擴(kuò)散過程（內(nèi)擴(kuò)散）與化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代，隨著石油化工的興起，連續(xù)操作的大型化工裝置日益普遍，而且為了降低能耗提高規(guī)模效益，單套裝置的生產(chǎn)規(guī)模不斷增大。在對(duì)連續(xù)反應(yīng)過程的研究中，相繼提出了返混、停留時(shí)間分布、宏觀混合、微觀混合、反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性和反應(yīng)器參數(shù)的敏感性等重要概念。在上述工業(yè)實(shí)踐和理論研究工作的基礎(chǔ)上，1957年在荷蘭阿姆斯特丹召開的一次化學(xué)工程學(xué)術(shù)會(huì)議上，與會(huì)學(xué)者首次使用了化學(xué)反應(yīng)工程（ChemicalReactionEngineering）這一學(xué)科名稱，并闡明了這一化學(xué)工程分支學(xué)科的內(nèi)容和作用，至此化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科初步形成。

此后，化學(xué)反應(yīng)工程成為化學(xué)工程學(xué)科的重要分支，逐步發(fā)展并日趨成熟。20世紀(jì)60年代石油化學(xué)工業(yè)的崛起為化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究提供了用武之地，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用、數(shù)值計(jì)算方法和測(cè)試技術(shù)的迅猛發(fā)展則使反應(yīng)工程學(xué)的研究如虎添翼，化學(xué)反應(yīng)工程的基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)了巨大飛躍。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著材料、生物、環(huán)境等新技術(shù)的發(fā)展，在解決這些新興特定過程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器相關(guān)問題的過程中，又形成了新的化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)分支，如生化反應(yīng)工程和聚合反應(yīng)工程等。