1　绪论

化学工业是支撑国民经济发展和关系国计民生的支柱产业之一，化工产品与我们的生产和生活密切相关。工业上，化工产品的生产需要通过一系列单元组成的化工工艺过程实现。一个化工工艺过程的典型流程如图1-1所示。

图1-1　化工产品生产过程

通常情况下，原料在反应前需要分离提纯以满足工艺要求，预处理后的原料在适当的条件下发生化学反应，转化为高附加值的产品，反应后的产物必须经过分离单元实现目标产物与未反应物、溶剂和副产物的有效分离，以满足产品规格和要求。上述分离单元中不发生物质结构变化，为物理过程，属于单元操作范畴。只有反应单元能生产出高附加值产品时整个工艺才具有技术经济性。因此，反应单元是化工工艺的核心，也是实现增值的关键步骤。在一般的化工过程中，反应器及其附属设备的总投资和运行成本只占过程总成本的10%～25%，但反应器运行的好坏会显著影响分离单元的运行状况和运行成本。因此，反应器设计和操作的好坏在很大程度上决定整个工艺过程的经济性。

在反应器中，物质的结构和性质会连续发生变化，传热和传质过程与反应过程交织在一起，传递过程会影响反应的进程，因而工业反应器呈现出复杂、多样的特点。工业反应器的特性分析和优化是化学反应工程学科的研究内容。在工业反应器中，化学反应速率除了取决于反应本身的动力学特性外，还与许多物理因素如温度、浓度、压力、流体的流动状态、相间传热和传质等密切相关。换句话说，工业反应器中进行的化学反应，其速率受到传递过程和流动状态等物理因素的影响。当这些物理因素影响显著时，工业装置上反应转化率和目标产物选择性会显著低于实验室结果，即出现所谓“放大效应”。化学反应工程就是以化学反应速率为主线，研究传递过程和流动状态等物理因素对反应速率的影响，以趋利避害，优化反应器的设计和操作，其内容可概括为反应动力学和反应器设计与分析两个方面。对于一定的反应物系，反应动力学研究反应物系的化学反应速率与物系温度、浓度和压力之间的定量关系。反应器设计与分析是研究反应器内反应物系的组成、温度和压力等各种因素的变化规律，找出最优工况和最优反应器的型式，以获得最大的经济效益。

化学反应工程的诞生和发展源于化学工业的进步和推动。18～19世纪，作为化学工业基础的酸和碱的规模化生产标志着化学工业的诞生。20世纪初至60～70年代，化学工业进入大规模生产阶段，合成氨、石油化工、石油炼制、高分子化工和精细化工得到了快速发展。生产规模的大型化对化学反应过程的开发和反应器的设计提出了更高的要求。由于反应过程与分离过程等物理过程的内在联系，早期反应过程的研究与化学工程中的其他过程（如精馏、换热等）一样作为单元操作来处理。比如，将反应过程按化学特征分为加氢、脱氢、磺化、硝化等单元过程。尽管单元操作的概念成功用于处理只含物理变化的化工单元操作，但化学反应过程十分复杂，用单元操作的概念无法解决不同工艺过程大规模连续操作反应器的工程放大问题。

20世纪初出现的非均相固体催化剂大规模工业应用对反应器的研究提出了新的挑战。1913年合成氨投入生产，1928年钒催化剂成功应用于二氧化硫催化氧化，1936年硅铝催化剂成功应用于粗柴油催化裂化工艺。在研究这些气固催化反应时，研究者发现气固反应中的质量传递和热量传递对反应结果会产生重大影响。在基础研究方面，丹克莱尔（G.Damköhler）和梯尔（E.Thiele）分别对固体催化剂颗粒外的传递过程（外扩散）和孔内扩散过程（内扩散）与化学反应速率的关系进行了系统研究，为化学反应工程学科奠定了基础。20世纪50年代，随着石油化工的兴起，连续操作的大型化工装置日益普遍，而且为了降低能耗提高规模效益，单套装置的生产规模不断增大。在对连续反应过程的研究中，相继提出了返混、停留时间分布、宏观混合、微观混合、反应器的热稳定性和反应器参数的敏感性等重要概念。在上述工业实践和理论研究工作的基础上，1957年在荷兰阿姆斯特丹召开的一次化学工程学术会议上，与会学者首次使用了化学反应工程（ChemicalReactionEngineering）这一学科名称，并阐明了这一化学工程分支学科的内容和作用，至此化学反应工程学科初步形成。

此后，化学反应工程成为化学工程学科的重要分支，逐步发展并日趋成熟。20世纪60年代石油化学工业的崛起为化学反应工程学的研究提供了用武之地，电子计算机技术的应用、数值计算方法和测试技术的迅猛发展则使反应工程学的研究如虎添翼，化学反应工程的基础理论和实际应用出现了巨大飞跃。进入20世纪80年代后，随着材料、生物、环境等新技术的发展，在解决这些新兴特定过程反应动力学和反应器相关问题的过程中，又形成了新的化学反应工程学分支，如生化反应工程和聚合反应工程等。