化工过程纳微结构界面预测与调控展望

对国内外化学化工过程中纳微结构界面的研究进行了综述. 通过对一些典型实例的分析和讨论,指出纳微结构界面不仅是目前化学化工研究的热点,也是对化工过程传递规律新认识的基础. 提出从分子结构出发,建立多种数学模型,从而有可能实现对化工过程中纳微结构界面的预测与调控. 随着结构、界面与"三传一反"关系的理论与计算模型的确立,有可能建立过程工业装置设计、放大和调控的科学理论,化学工程科学将会进入一个新的里程.     

浅论过程工程的科学基础

化学工程的原理和知识已经应用于冶金、材料、能源、环境、生物等过程加工领域,因此化学工程可以更名为过程工程. 化学工程现有的三传(动量传递、质量传递和热量传递)一反(化学反应)理论仍然是过程工程的主要基础理论,但必将在此基础上产生新的过程工程基础理论. 随着计算机技术和测试技术的迅速发展,过程工程的研究范围将向下深入到观测和预测微观与介观尺度的结构和界面,向上扩展到宏观尺度的设备和工厂的系统集成,必将涉及结构、界面与多尺度问题. 传统的平均方法忽视不均匀结构与界面的影响,造成对结果预测的偏差和放大困难,应当用考虑不均匀结构和界面影响的多尺度方法取代. 此外,当前人类正面临能源和资源短缺、环境污染问题的挑战,过程工程的绿色化和集约化已成为各国科技界关注的焦点. 在过程工程的研究中获得的有关结构、界面、多尺度、绿色化和集约化的重要原理和方法将成为过程工程基础理论的新内容.     

化学工程的发展趋势——认识时空多尺度结构及其效应

综述了化学反应工程中复杂时空多尺度结构及特征,指出研究时空多尺度结构特征及其各尺度之间相互作用规律等是认识物质传递、反应、分离及对产品结构和性能影响的关键科学,可对化工生产中设计、放大及调控和优化起到重要的指导作用,并对21世纪化学工程的发展产生深远的影响。     

分子模拟与化学工程

从分子水平来研究化工过程及产品的开发和设计是21世纪化学工程的一个重要方向.综述了计算机分子模拟中的MonteCarlo分子模拟和分子动力学模拟两种方法及其在化工中的应用,涉及分子模拟在建立状态方程和研究分子微观结构、相界面、扩散性质等方面的应用进展.指出分子模拟对化学工程的基础研究、工艺过程以及新产品开发将发挥巨大作用.     

微化工技术研究进展

微化学工程与技术着重研究微时空尺度内的微型设备和并行系统中的过程特征和规律.由于特征尺度的微型化,表(界)面作用增强,传递作用较常规尺度的设备中提高了2～3个数量级.开展微化工技术研究旨在增强化工过程安全性、促进过程强化和化工系统小型化,提高能源、资源利用效率,达到节能降耗之目的;其成功开发与应用将对化学化工领域产生重大影响.本文将讨论微化学工程与技术的最新研究进展.     

分子模拟在化学工程中的应用

总结了不同尺度分子模拟技术在化工中的发展现状,利用量化计算的方法,可以研究纳微尺度表界面的活性及其对催化反应的影响。采用分子动力学模拟可很方便地研究受限条件下流体行为,采用粗粒化模拟技术可研究介观结构。最后介绍了反应力场模拟这种涵盖反应和传递的模拟新方法。随着模拟理论和并行技术的进步,分子模拟的定量化程度越来越高,必将与化工应用的实验结果越来越有可比性,从而在化工生产和实践中担当更重要的角色。     

“化工过程中的时空多尺度结构及其效应”重大项目申请指南

物质转化过程涉及化工、冶金、石油、能源、材料、食品、制药等许多领域 .物质转化必须经过工艺、过程和工程放大才能实现产业化 ,传统的产业化过程主要靠经验和逐级放大 ,周期长、费用高、效果差 .因此 ,对物质转化过程的深入认识 ,特别是对其中时空多尺度结构的形成和变化规律的认识 ,是解决实验室成果产业化的关键 .本项目以化工、冶金中若干典型物质转化过程中的时空多尺度结构及其对物质传递、反应、分离和对产品结构与性能的影响为研究内容 ,研究、探讨结构形成的机制、结构的稳定性与结构突变等共性规律 ,建立分析、计算和测量时空多…     

气液两相流界面多尺度问题可计算性研究进展

气液两相流复杂多变的界面结构在瞬态时间上具有宽广的空间尺度范围.界面多尺度问题涉及化工领域、核安全领域以及其他多个领域,其可计算性是当前国内外气液两相流领域的研究焦点之一.分析了欧拉体系下处理气液两相流相界面不连续性的两种基本模型以及湍流模拟方法对界面结构的影响.针对离散流界面尺度分布性和混合流界面跨尺度性两类多尺度问题,分析了可计算性研究面临的困境,将其归因于网格尺度的约束、几何及物理边界的缺失.重点归纳了混合流界面跨尺度性问题的计算方法以及典型应用.最后对气液两相流界面多尺度问题提出了应对策略及研究趋势,为此类问题研究提供有益的参考.     

回眸与展望流态化科学与技术

流态化作为一门具有科学内涵的学科始于20世纪40年代,但对于尚没有流态化命题下应用流态化技术的生活和生产活动,如淘米和扬谷,早已存在。此类活动的文字记载出现于16世纪。近代流态化理论以郭慕孙提出的广义流态化理论和无气泡气固接触理论以及Davidson提出的气泡理论为代表,而近代流态化技术的工业应用则以煤的气化和石油的催化裂化为代表。当前流态化的理论研究主要集中于流化床内由不同尺度的颗粒、液滴、气泡、聚团的时空不均匀分布所形成的不均匀结构的预测与优化调控理论与方法的研究,不均匀结构与传递和反应的关系理论的研究以及流态化床的计算机模拟与放大研究。当前流态化技术的工业应用范围已涵盖化工、冶金、能源、材料、环境等领域。在我国,由于经济快速发展,流态化技术应用尤为活跃。采用由流化床局部构效关系模型与两流体模型相结合的计算机模拟方法是解决流态化反应器过程优化调控和设备放大问题的有效途径。该方法面临许多挑战,需要付出艰苦的努力。目前中国工业正处于调整产业结构,淘汰落后产能,实现节能减排、清洁生产的转型期。在许多工业流程中,用高效节能的流态化床反应器替代低效高能耗的回转窑、固定床、移动床反应器正逢其时。     

从多尺度到介尺度——复杂化工过程模拟的新挑战

化工过程普遍面对具有多尺度结构的复杂系统,而作为从基本单元相互作用形成系统整体行为与功能的关键环节,介尺度结构对化工过程的定量描述和定向调控具有重要意义。同时,化学、材料、生物、物理和系统科学等领域也都逐步认识到各自的介尺度问题及其共同特性。这表明对介尺度结构与行为共性的深入研究将对科学界产生全局性的影响,同时也表明这样的研究必须通过多学科充分交流、紧密合作才能取得重大进展。本文试图从多尺度研究的背景出发探讨化工及相关过程中介尺度模拟的意义、挑战和方法,并展望其发展。     

旋转床超重力环境下多相流传递过程研究进展

旋转填充床作为一种高效的传质、分离与反应设备,在化工、环境保护、纳米材料制备、能源、制药等工业过程得到广泛应用。本文对旋转填充床超重力环境下,流体力学特性、传质性能、微观混合、多尺度传递特性等方面的研究进行了总结归纳。近年来,随着计算机科学与多相流传递过程的研究进展,对传递过程的研究也由实验手段为主转变为实验与数值模拟相结合的手段,对有关的数值模拟研究以及相应的多相流模型也予以总结描述。在此基础上,对旋转填充床超重力环境下多相流研究的未来发展提出了有关设想。     

化学工程技术的几个热点与发展趋势

叙述了化学工程领域的一些研究热点及研究进展,对超临界化学反应技术、分离技术、传热过程等单元操作过程进行了分析与研究,认为化学工程技术的研究重点在过程、设备、研究对象、研究方法与手段等方面都发生了深刻的变化,化学工程技术的研究将更加注重多学科的融合,以节约能源、资源,提高环境保护水平为目标。     

笼型水合物为能源化工带来新机遇

笼型水合物是利用水分子通过氢键作用构建的笼型结构对甲烷等能源气体进行存储和提取,具有高安全性、高储存容量、温和储存条件、环境友好等优点。天然气水合物是传统能源和绿色能源之间的桥梁燃料,已成为世界各国科学家竞相研究开发的热点。本文综述了笼型水合物在能源与环境、流动安全、工程应用三个方面的研究成果,涵盖了固化天然气（SNG）、CO₂捕获和气体分离、蓄冷、海水淡化、汽车燃料以及制氢与储氢等能量转换、能量储存的领域。文章指出大力发展笼型水合物衍生技术,实现提取甲烷同时捕获二氧化碳,有助于实现碳中和的目标。阐述了笼型水合物生成依赖于其自身的热力学相平衡条件、反应过程的动力学性质及传递过程强化,从生成到分解的过程主要包括溶解、成核、生长、晶裂和解吸等一系列步骤,过程的微观机理复杂。展望了利用多尺度方法研究水合物生成的微观结构、界面现象、宏观应用和作用机理,有助于扩展化学工程的原理和知识,对开发能源化工领域新材料新工艺也有裨益,从而促进能源化工的发展。     

化学工业多尺度融合的智能制造模式——互联化工

化工过程通过物质和能量的可控转化和传递来实现化工产品制备,具有多相性、非线性、非平衡、多尺度和多时空域等特性,化工行业智能制造发展的关键是实现多尺度条件下的互联协同与过程高效。一方面,化工过程多尺度互联机制的认识和调控是化工过程系统的安全可靠运行的关键;另一方面,实现化工过程多尺度下的互联、融合与协同是化工产业绿色发展的路径。鉴于此,本文提出了化学工业面向多尺度融合的智能制造模式——互联化工,给出了“互联化工”的概念、目标、特点和架构,并讨论了互联化工的相关关键技术,包括化学工业多层级的信息物理系统、云制造,以及全生命周期的安全管理技术、耦合互锁机制下的动态安全监控与决策模型、基于区块链的互联化工数据安全技术。     

化学反应过程与设备教学改革与实践

化学反应过程与设备是化工类学生的专业基础课,对培养学生的化学反应工程基础、提高工程分析能力具有重大作用。文章针对化工职业技术学院的办学特点,阐述了化学反应过程与设备在教学过程中在教学内容、教学方法及实践教学过程中的改革,以提高学习效率和学生的就业能力。     

聚合与混合

以化学反应工程观点对聚合物制造过程进行工程分析。着重阐述了聚合过程中粘度变化对物系传热传质状态和反应动力学的影响,以及对聚合反应器性能,以至对聚合物产品性能的影响。针对增粘过程的搅拌,异粘流体的调匀、粘稠物系的微观混合和非均相体系的产品粒度分布这4类典型的聚合过程课题,分析了各自的混合规律、提出了改进聚合反应器性能,提高产品质量的控制因素及其控制对策。     

计算机模拟辅助的催化反应工程研究与工艺技术开发

针对催化反应动力学、催化剂颗粒工程设计、反应器分析及工艺系统开发的科学、技术与工程问题,在原化工部科技局制定的开发工作框图基础上,结合高技术研究所研发工作的发展要求,发展了计算机模拟辅助的催化反应工程研究与工艺技术开发方法,该方法更加突出了计算机模拟在多尺度研发工作中的重要性,旨在缩短研发周期,保证项目高效实施。同时对催化反应工程研究与工艺系统开发的相关发展进行综述、探讨和展望。