化学反应工程的前沿

化学反应工 程这门学科的形成即通过引入科学的原理来量化化

学反应动力学和热量、动量、质量传递 之间的相互作用。多尺度方法

论通过定量的评定，例如产率、收率、选择性、能效、以及 对环境影

响率来比较不同类型的反应器。

不同尺度所利用的动力 学分析模型是

不同的，在分子尺度，使用的是分子动力学和

MD

模拟法，以及密度

泛函理论和过渡态理论；

在粒子尺度，

使用的是计算流体力学和直接

数值分析；在反 应器尺度，

使用的是微观混合模型计算流体力学；在

大规模生产 尺度，运用的是动力学模型。

在化学反应工程中应用的科学理 论常常是很初步的，

并没有很大

的发展，例如对理想流动模型（ 活塞流或完全混合）的假设，颗粒尺

度下球形催化剂催化效率的定量化等。

反应工程一直将科学和经验结

合，

研究者既没有制造 出一种最佳的理想反应器来最大满足化学反应

的需求，

也没有完 全凭借生产经验制造一种反应器。

反应器类型的选

用常常是直接 再利用工厂中已存的基础设备，

或者直接将实验室的设

备按比例 放大。

其中平行放大这一方法应用较多，

即反应器是由多个

相同的小规模反应器组成，

这在一定程度上降低了完全按比例放大小

规模反应器所带来的风险，但是这种技术对于生产而言并不是最佳

的。

资源的有限与可持续发展的迫切，

需要我们研究一种高效能并且

环境破坏率低的反应器，

因此 应加深对中等规模和大规模尺度动力学

传递作用的研究水平，

创 造新一代的环境友好型反应器，

以实现工业

生产与环境保护的和 谐发展。

这就意味着在设计反应器时应把降低产

物对环境的破坏 性这一原则放在首位，

然后优化反应过程以提高能源

利用率，实 现绿色化工生产。

为降低新技术在大规模生产中应用的风险，

应该加强研究不同尺

度下反应本质。

例 如在分子尺度，

量子和分子的动力学计算应该与微

观动力学概念 相结合，这将有助对表面化学和催化过程的微观理解，

改进对反应机理和动力学反应速率 的描述；

在微观至中等尺度，

湍流

混合 与多组分、

多相系统中的动力学、

质量和热量传递的相互影响应

该进一步被认识；

在反应器尺度，

计算 流体力学正在取代理想流动模

型。

其中，

多相系统模拟相分散和流体流动为计算流体力学提供了依

据；

基于第一原则的中等尺度领域的量化可以促进反应器内部更优的

设计，

< br>例如流化床的薄膜结构或规整填料的反应器。

这些措施都是为

了获得较高的体积反应速率和在较高的质量和能量转化效率下实现