专业大挑战的文章

前面。化学。Eng。,2019年10月31日
秒。化学反应工程
卷1 - 2019 | https://doi.org/10.3389/fceng.2019.00002

化学反应工程纳米和宏观世界之间的桥梁

马蒂诺Di Serio ^*

部门的化学科学、理工和基本科学学校,那不勒斯大学费德里科•II,那不勒斯,意大利

化学反应工程开始与炼油厂和石化工业的发展历史上世纪初(Levenspiel 1980)。商业规模,实验室数据需要传输向工业应用。优化过程性能要求合并的基础科学(化学、物理、mathematics-reactor建模)的一个新的应用学科:化学反应工程(CRE) (Levenspiel 1998;Froment et al ., 2010;斯科特丝绸手帕,2016)。在最近几十年里,不断增加的趋势是观察到的使用生物学和应用生物技术特别是生物催化(比绍夫,1966;Katoh et al ., 2015)。

的主要领域属于CRE热力学、化学动力学和催化(Levenspiel 1998;Froment et al ., 2010;斯科特丝绸手帕,2016)。经典动力学方法提供了技术的发展的传导动力学测试,画线的正确定义最小数量的实验需要理解反应网络的动力学(Salmi et al ., 2010;Santacesaria Tesser, 2018)。这种方法的主要问题是需要确定动力学参数从收集到的数据,最有可能的反应机理。实验数据的实现是现在越来越复杂,搬到一个更深的理解的微尺度反应。来描述观察到的化学现象,底层物理现象也需要被考虑(拉马钱德兰Chaudhari, 1983;Dudukovic et al ., 1999)。

目前,CRE的边界推从macro-meso-micro -纳电子量表(Lerou Ng, 1996;Šivec et al ., 2019)。这是通过进步发展的实验设备进行调查。例如,现在可以遵循一个反应的动力学现场operando技术允许的决心现实的反应机理(格雷西亚et al ., 2003;Frenken Groot, 2017;李et al ., 2019)。描述现象在纳米尺度有必要使用量子力学的方法。DFT越来越加上动力学建模、创造了microkinetic,展示高可预测性的反应动力学(Alexopoulos et al ., 2016;侯赛因Motagamwala et al ., 2019)。在未来,努力在这个领域将提供重要的见解分子现象和促进过程改进。

伟大的颠覆性的变换反应器设计已经从学术界到工业使用。现在可以使用新的概念,如:

•过程的强化与多功能反应堆(曹et al ., 1980;2000年泰勒和克里希纳;罗德里格斯et al ., 2012;加卢奇说et al ., 2013;Russo et al ., 2018)

•窗户打开小说过程由微反应器(Kiwi-Minsker Renken, 2005;埃塞尔,2009);

•使用变质的方式将能量转移到反应系统(主要是用微波或cavitational反应堆;Nuchter et al ., 2004;Gogate 2008)。

上述所有新概念有相同的目的:一方面通过减少优化过程所需的能量和浪费,另一方面,增加安全性。然而,尽管他们可以提供更多的小说过程窗口,只有其中的一部分被释放,——新类型的反应堆慢慢改变的过程。

还涉及大规模的处理大量一直努力改进技术设备,允许精确测定反应堆内的液体和固体的物理性质(如断层、高分辨率红外摄像头,核磁共振成像)(Kumar et al ., 1997;Gladden et al ., 2003;Rafique et al ., 2004)。因此,经典的方法描述物理现象的简单来说是更复杂的和现实的方向:从使用无量纲数计算流体动力学。经典,例如,当模拟连续反应堆,忽略动量平衡方程和流体压降相关性的描述。这种方法通常是有效的,但是,如果包装是非常规的几何?如果配备远非古典呢?已经表明CFD建模可以加上一个经典动力学方法考虑非常规的不规则几何图形包装材料,如泡沫(德拉老爹et al ., 2016)。

这些方法的前沿CRE:科学家专业物理化学和动力学开发工具的深入调查引用的基础学科。很明显,古典CRE加入两种方法之间的联系。

CRE的进化发展的计算工具(包括硬件和软件)是获得基本的角色。计算时间越来越短,高性能计算器释放几乎每一天,支持发展的可靠和更复杂的动力学和反应器模型。巨大的努力已经在过去发展足够的数学模型。该领域的研究仍为化学反应工程(承担新的挑战Varma Morbidelli, 1997;Rasmuson et al ., 2014)。

是什么大的挑战CRE吗?面临的主要挑战是建立一个可靠的桥梁从纳米到宏观尺度,可以预测整个化学过程的行为,从其定义。这样做当然有必要继续研究边界(nano维度和流体动力学现象的详细描述)在不影响使用的经典方法。我们必须记住,往往最简单的做法导致更快的和最可靠的结果(吻principle-keep简单,愚蠢)。基础和应用研究都是同样重要的实现最终目标:开发新的化学过程为了增加安全性和减少自然资源的消耗,总的环境影响之后的12个原则绿色工程(Anastas和齐默尔曼,2003年)和可持续过程设计(警员et al ., 2016)。

作者的贡献

MD设计手稿和写作概念。

的利益冲突

作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

引用

Alexopoulos, K。,约翰,M。Van der Borght, K。Galvita, V。、Reyniers M.-F。马林,g . b . (2016)。在H-ZSM-5 DFT-based microkinetic建模的乙醇脱水。j . Catal。339年,173 - 185。doi: 10.1016 / j.jcat.2016.04.020

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