化學反應(yīng)工程是化學工程與工藝類專業(yè)的核心課程，主要解決化學反應(yīng)過程和反應(yīng)器的設(shè)計和放大問題，從而改進和強化現(xiàn)有反應(yīng)過程的技術(shù)與裝備，使之優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗；并開發(fā)新反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備，最終優(yōu)化反應(yīng)過程，提高經(jīng)濟和社會效益，與現(xiàn)代化工、能源、資源、環(huán)境等領(lǐng)域密切相關(guān)。
化學反應(yīng)工程以工業(yè)規(guī)模的化學反應(yīng)過程為研究對象，研究動力學與傳遞對反應(yīng)過程速率的影響規(guī)律，以指導(dǎo)工業(yè)反應(yīng)過程開發(fā)、放大，實現(xiàn)反應(yīng)過程設(shè)計和操作優(yōu)化。化學反應(yīng)工程課程、重點講授化學反應(yīng)工程基本原理和分析方法，影響反應(yīng)速率和選擇性的工程因素、影響反應(yīng)器可操作性的工程因素，和影響過程經(jīng)濟性的工程因素。
簡介
隨著中國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，一方面中國化學過程工業(yè)面臨良好的發(fā)展機遇，但同時面臨重要的挑戰(zhàn)，主要來自資源，環(huán)境和自主創(chuàng)新能力三方面。
定位
化學反應(yīng)工程是化工類專業(yè)的一門專業(yè)主干課、核心課程。化學反應(yīng)工程涉及物理化學、化工熱力學、化工傳遞過程、優(yōu)化與控制等，知識領(lǐng)域廣泛、內(nèi)容新穎，對于培養(yǎng)學生的反應(yīng)工程基礎(chǔ)、強化工程分析能力具有十分重要的作用。
課程教學突出闡述反應(yīng)工程理論思維方法，重點討論影響反應(yīng)結(jié)果的工程因素（如返混、混合、熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性等），并結(jié)合開發(fā)實例進行分析，培養(yǎng)學生應(yīng)用反應(yīng)工程方法論解決實際問題的能力。圍繞創(chuàng)新教育這一主題，明確培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的教學目標，并在教學內(nèi)容、教學方法上進行改革，改變傳統(tǒng)教學模式，將培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力溶入課程教學過程中，探索適宜培養(yǎng)創(chuàng)新人才的“化學反應(yīng)工程”教學內(nèi)容、教學方法。
重點與難點：化學反應(yīng)工程課程內(nèi)容的重點是闡明基本原理，向?qū)W生介紹反應(yīng)工程中的最基本概念、理論和研究方法，所以在開設(shè)本課程時，精選了化學動力學、間歇反應(yīng)器、理想流動反應(yīng)器、返混、反應(yīng)過程中的熱量和質(zhì)量傳遞、復(fù)雜反應(yīng)選擇性、反應(yīng)器熱穩(wěn)定性等主要內(nèi)容，突出影響反應(yīng)過程結(jié)果的工程因素，并按溫度效應(yīng)和濃度效應(yīng)討論展開，力求表達清楚，確切闡述，為學生今后開發(fā)反應(yīng)過程與反應(yīng)器打下扎實的理論基礎(chǔ)。
課程難點是掌握化學反應(yīng)工程的基本觀點和工程思維方法，培養(yǎng)學生分析和解決工程問題的實際能力。在教學中重視基本概念、基本理論和工程分析方法的傳授。把握反應(yīng)的溫度效應(yīng)和濃度效應(yīng)，體現(xiàn)工程因素和工程措施的對不同反應(yīng)的具有不同的影響效應(yīng)，這也是貫穿化學反應(yīng)工程基本內(nèi)容的主線。一方面突出化學反應(yīng)工程學科的共性問題，即影響反應(yīng)結(jié)果的工程因素，如返混、預(yù)混合、質(zhì)量傳遞和熱量傳遞等，另一方面突出反應(yīng)工程理論思維方法，即工程因素通過影響反應(yīng)場所溫度與濃度而改變反應(yīng)結(jié)果，使學生了解實際反應(yīng)過程開發(fā)中過程的分解與綜合、個性與共性之間的關(guān)系，從而增強工程分析和解決工程問題的能力。反應(yīng)工程理論思維方法揭示了反應(yīng)器型式、操作方式、操作條件等實際上是通過工程因素來實現(xiàn)對反應(yīng)場所溫度和濃度的影響。在教學過程中重視結(jié)合相應(yīng)的思考題、例題教學，并進行必要的習題練習，以期學生將所學內(nèi)容融會貫通，舉一反三，學以致用。
沿革
這一學科是在1957年第一屆歐洲化學反應(yīng)工程討論會上正式確立的。促成該學科建立的背景是：因化學工業(yè)的發(fā)展，特別是石油化學工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)趨于大型化，對化學反應(yīng)過程的開發(fā)和反應(yīng)器的可靠設(shè)計提出迫切要求；化學反應(yīng)動力學和化工單元操作的理論和實踐有了深厚的基礎(chǔ)；數(shù)學模型方法和大型電子計算機的應(yīng)用為反應(yīng)工程理論研究提拱有效的方法和工具。
研究目標
化學反應(yīng)工程的早期研究主要是針對流動、傳熱和傳質(zhì)對反應(yīng)結(jié)果的影響，如德國G.達姆科勒、美國O.霍根和K.M.約翰·華生以及蘇聯(lián)Α.Д.弗蘭克－卡曼涅斯基等人的工作。當時曾取名化工動力學或宏觀動力學，著眼于對化學動力學作出某些修正以應(yīng)用于工業(yè)反應(yīng)過程。1947年霍根與華生合著的《化工過程原理》第三分冊中論述了動力學和催化過程。50年代，有一系列重要的研究論文發(fā)表于《化學工程科學》雜志，對反應(yīng)器內(nèi)部發(fā)生的若干種重要的、影響反應(yīng)結(jié)果的傳遞過程，如返混、停留時間分布、微觀混合、反應(yīng)器的穩(wěn)定性（見反應(yīng)器動態(tài)特性）等進行研究，獲得了豐碩的成果，從而促成了第一屆歐洲化學反應(yīng)工程討論會的召開。
50年代末到60年代初，出版了一系列反應(yīng)工程的著作，如S.M.華拉斯的《化工動力學》，O.列文斯比爾的《化學反應(yīng)工程》等，使學科體系大體形成。此后，一方面繼續(xù)進行理論研究，積累數(shù)據(jù)，并應(yīng)用于實踐；另一方面，把應(yīng)用范圍擴展至較復(fù)雜的領(lǐng)域，形成了一系列新的分支。例如：應(yīng)用于石油煉制工業(yè)和石油化工中，處理含有成百上千個組分的復(fù)雜反應(yīng)體系，發(fā)展了一種新的處理方法，即集總方法（見反應(yīng)動力學）；應(yīng)用于高分子化工中的聚合反應(yīng)過程，出現(xiàn)了聚合反應(yīng)工程；應(yīng)用于電化學過程，出現(xiàn)了電化學反應(yīng)工程；應(yīng)用于生物化學工業(yè)中的生化反應(yīng)體系，出現(xiàn)了生化反應(yīng)工程；應(yīng)用于冶金工業(yè)的高溫快速反應(yīng)過程，出現(xiàn)了冶金化學反應(yīng)工程等。
研究分類
工業(yè)反應(yīng)過程中既有化學反應(yīng)，又有傳遞過程。傳遞過程的存在并不改變化學反應(yīng)規(guī)律，但卻改變了反應(yīng)器內(nèi)各處的溫度和濃度，從而影響到反應(yīng)結(jié)果，例如影響到轉(zhuǎn)化率和選擇率（見化學計量學）。由于物系相態(tài)不同，反應(yīng)規(guī)律和傳遞規(guī)律也有顯著的差別，因此在化學反應(yīng)工程研究中通常將反應(yīng)過程按相態(tài)進行分類，如區(qū)分為單相反應(yīng)過程和多相反應(yīng)過程，后者又可區(qū)分為氣固相反應(yīng)過程、氣液相反應(yīng)過程以及氣液固相反應(yīng)過程等。
研究內(nèi)容
化學反應(yīng)工程的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：
①研究化學反應(yīng)規(guī)律，建立反應(yīng)動力學模型 亦即對所研究的化學反應(yīng)，以簡化的或近似的數(shù)學表達式來表述反應(yīng)速率和選擇率與溫度和濃度等的關(guān)系。這本來是物理化學的研究領(lǐng)域，但是化學反應(yīng)工程工作者由于工業(yè)實踐的需要，在這方面也進行了大量的工作。不同之處是，化學反應(yīng)工程工作者著重于建立反應(yīng)速率的定量關(guān)系式，而且更多地依賴于實驗測定和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。多年來，已發(fā)展了一整套動力學實驗研究方法，其中包括各種實驗用反應(yīng)器的使用、實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理方法和實驗規(guī)劃方法等。②研究反應(yīng)器的傳遞規(guī)律，建立反應(yīng)器傳遞模型 亦即對各類常用的反應(yīng)器內(nèi)的流動、傳熱和傳質(zhì)等過程進行理論和實驗研究，并力求以數(shù)學式予以表達。由于傳遞過程只是物理的，所以研究時可以避免化學反應(yīng)，用廉價的模擬物系（如空氣、水、砂子等）代替實際反應(yīng)物系進行實驗。這種實驗常稱為冷態(tài)模擬實驗，簡稱冷模實驗。傳遞過程的規(guī)律可能因設(shè)備尺寸而異，冷模實驗所采用的設(shè)備應(yīng)是一系列不同尺寸的裝置；為可靠起見，所用設(shè)備甚至還包括與工業(yè)規(guī)模相仿的大型實驗裝置。各類反應(yīng)器內(nèi)的傳遞過程大都比較復(fù)雜，有待更深入地去研究。③研究反應(yīng)器內(nèi)傳遞過程對反應(yīng)結(jié)果的影響 對一個特定反應(yīng)器內(nèi)進行的特定的化學反應(yīng)過程，在其反應(yīng)動力學模型和反應(yīng)器傳遞模型都已確定的條件下，將這些數(shù)學模型與物料衡算、熱量衡算等方程聯(lián)立求解，就可以預(yù)測反應(yīng)結(jié)果和反應(yīng)器操作性能。由于實際工業(yè)反應(yīng)過程的復(fù)雜性，至今尚不能對所有工業(yè)反應(yīng)過程都建立可供實用的反應(yīng)動力學模型和反應(yīng)器傳遞模型。因此，進行化學反應(yīng)工程的理論研究時，概括性地提出若干個典型的傳遞過程。例如：伴隨著流動發(fā)生的各種不同的混合，如返混、微觀混合、滴際混合等；反應(yīng)過程中的傳質(zhì)和傳熱，包括反應(yīng)相外傳質(zhì)和傳熱（傳質(zhì)和反應(yīng)相繼發(fā)生）和反應(yīng)相內(nèi)傳質(zhì)和傳熱（反應(yīng)和傳質(zhì)同時進行）。然后，對各個典型傳遞過程逐個地進行研究，忽略其他因素，單獨地考察其對不同類型反應(yīng)結(jié)果的影響。例如，對反應(yīng)相外的傳質(zhì)，理論研究得出其判據(jù)為達姆科勒數(shù)Dα，并已導(dǎo)出當Dα取不同值時外部傳質(zhì)對反應(yīng)結(jié)果的影響程度。同樣，對反應(yīng)相內(nèi)的傳質(zhì)，也得出了相應(yīng)的判據(jù)西勒模數(shù)φ。這些理論研究成果構(gòu)成了本學科內(nèi)容的重要組成部分。這些成果一般并不一定能夠直接用于反應(yīng)器的設(shè)計，但是對于分析判斷卻有重要的指導(dǎo)意義。
應(yīng)用
主要用于進行工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)、放大和操作優(yōu)化以及新型反應(yīng)器和反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)。
①工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)和放大 在化學反應(yīng)工程學科建立以前，工業(yè)界廣泛采用的方法是逐級經(jīng)驗放大的方法。其步驟是，首先在小型試驗中進行反應(yīng)器的選型和確定優(yōu)越的工藝條件（溫度、壓力、濃度、流速和反應(yīng)時間度），然后自小至大進行多次中間試驗，直至工業(yè)規(guī)模。由于全部實驗帶有經(jīng)驗性質(zhì)，而且試驗所用設(shè)備的尺寸逐級增大，因而取名為逐級經(jīng)驗放大。中間試驗往往耗資大而歷時久。化學反應(yīng)工程學科建立以后，逐步形成一套新的數(shù)學模型方法。這種方法是首先在小型試驗中確定動力學模型；然后在冷模試驗中確定各類候選反應(yīng)器的傳遞模型；進而在計算機上進行各候選反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)過程的模擬研究，即在各種不同的工藝條件下對反應(yīng)器數(shù)學模型進行數(shù)值求解，預(yù)測反應(yīng)結(jié)果，并據(jù)此進行反應(yīng)器的選型，優(yōu)選工藝條件并設(shè)計反應(yīng)器。采用這種方法時，往往也需要進行適當規(guī)模的中間試驗，目的是為了“檢驗”和“修正”模型，以及考察模型中難以包括的因素（如微量雜質(zhì)的積累，焦油的生成，材質(zhì)的腐蝕，顆粒粉碎，等等）可能產(chǎn)生影響。而不是為了自小至大進行逐級放大。時下，逐級經(jīng)驗放大和數(shù)學模型兩種方法同時并存，各有適用范圍。但是，即使是逐經(jīng)級驗放大方法，也常是以化學反應(yīng)工程的理論為指導(dǎo)，而不再是純經(jīng)驗性的了。
②工業(yè)反應(yīng)過程的操作優(yōu)化 實際工業(yè)反應(yīng)過程未必在最優(yōu)的條件下操作。即使設(shè)計是優(yōu)化的，在實施時往往有許多難以預(yù)料的因素，使原定的優(yōu)化設(shè)計條件對實際操作未必是優(yōu)化的。運用化學反應(yīng)工程理論對現(xiàn)行的工業(yè)反應(yīng)過程進行分析，結(jié)合模擬研究，可找出薄弱環(huán)節(jié)之所在和進一步調(diào)優(yōu)的方向，通過調(diào)節(jié)和改造以獲得較大的經(jīng)濟效益。
③新型反應(yīng)器和反應(yīng)技術(shù)的開發(fā) 反應(yīng)工程的理論為新反應(yīng)器和新反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)指明了方向，研究者可以據(jù)此尋找合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作方法。例如近幾年來出現(xiàn)的新的石油化工裂解技術(shù)和各種新型流化床反應(yīng)器，都得益于反應(yīng)工程理論的指導(dǎo)。
發(fā)展
化學反應(yīng)工程學科體系已大體形成，理論研究也漸趨完善。在工業(yè)應(yīng)用中，在定性的指導(dǎo)方面已經(jīng)發(fā)揮了很大的作用。但是，與理論研究相比較，反應(yīng)器內(nèi)傳遞過程的實驗研究和數(shù)據(jù)的積累還很薄弱，特別是對于化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的多相流動體系研究得還很不夠。因此，反應(yīng)工程的研究需要與多相流體力學和多相傳遞過程的研究相結(jié)合，以便相輔相成。同時，化學反應(yīng)工程向生化、冶金等領(lǐng)域擴展時還會出現(xiàn)新的理論問題，需要進一步的研究。
參考資料 >
化學反應(yīng)工程.中國大學MOOC.2024-03-23
化學反應(yīng)工程.課程 - 國家高等教育智慧教育平臺.2024-03-23
化學反應(yīng)工程.化學反應(yīng)工程.2024-03-23