动态模拟技术与化学工程

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化学工程行业中的反应器设计模拟教程

化学工程行业中的反应器设计模拟教程

化学工程行业中的反应器设计模拟教程在化学工程领域,反应器是非常重要的设备,用于进行化学反应,并控制反应的速率和条件。

反应器的设计模拟是关键的一步,它通过模拟反应器的运行情况,提供了对反应条件、物质转化率和产物选择性的预测,从而指导实际的反应器设计和优化。

在反应器设计模拟中,首先需要了解反应的基本原理和反应动力学。

反应动力学研究反应速率与反应物浓度、温度和压力之间的关系,可以通过实验数据拟合得到反应速率方程。

基于反应动力学,可以确定适当的控制方案和运行条件。

其次,反应器设计模拟需要建立合适的反应器模型。

反应器模型是对实际反应器的简化描述,它可以基于理论方程、实验结果和经验公式建立。

常用的反应器模型包括理想反应器模型(如批式反应器、连续流动反应器)、非理想反应器模型(如混合流动反应器、动力糊流床反应器)和多相反应器模型(如固定床反应器、气液循环反应器)等。

然后,在反应器设计模拟中,需要进行流体力学分析。

流体力学分析考虑反应物在反应器中的传质和传热过程,包括质量传输和热传输。

传质和传热是影响反应器性能的重要因素,通过流体力学分析可以优化反应器结构和操作条件,提高转化率和选择性。

另外,反应器设计模拟还可以进行操作策略和控制系统的优化。

操作策略和控制系统对于反应器性能和稳定性起着重要作用。

通过模拟反应器的动态响应和控制方案,可以确定最佳的操作策略和控制参数,以实现稳定的反应器运行和优质的产品产出。

在实际的反应器设计模拟中,可以使用各种计算软件和模拟工具。

常见的软件包括ASPEN Plus、COMSOL Multiphysics、MATLAB等。

这些软件提供了建立反应器模型、计算和优化反应器性能的功能,能够准确预测反应器的运行情况和产品性能。

此外,反应器设计模拟还需要考虑安全性和环境影响。

在设计反应器时,需要遵守安全规范和环保要求,确保反应器的运行安全和对环境的最小影响。

安全评估和环境影响评估是反应器设计模拟的重要组成部分,在设计过程中需要充分考虑。

化学反应工程中的模拟和优化方法

化学反应工程中的模拟和优化方法

化学反应工程中的模拟和优化方法化学反应工程是现代化学工程学中的一个重要领域,主要研究化学反应过程的设计、优化与控制,以实现高效、低能耗、低污染的化学反应过程。

其中,模拟和优化方法是化学反应工程的两个基本手段。

本文将针对化学反应工程中的模拟和优化方法进行深入探讨。

一、模拟方法化学反应过程是一种复杂的现象,包含了多种化学反应和相变等多种过程,因此,利用计算机进行化学反应过程的模拟是不可或缺的手段之一。

化学反应过程模拟的目的是预测化学反应过程的动态过程,得到反应物在反应过程中的浓度变化规律、反应热变化规律等信息。

这些信息对于反应工程师进行工艺设计和优化具有重要的参考价值。

化学反应过程模拟主要基于数学模型。

数学模型的建立是化学反应过程模拟的关键,其目的是用数学表达式来描述反应物的浓度、反应热、反应速率等动力学变化规律。

常用的数学模型包括动力学模型、传递模型和热力学模型。

其中,动力学模型是最常用的模型,它通过反应的速率方程来描述化学反应的过程。

传递模型则是描述反应物在反应过程中的传递过程,主要包含物质传递和能量传递等方面。

热力学模型则是描述反应过程中的热力学变化规律,包含反应的热力学平衡状态和热力学不平衡状态等方面。

除了数学模型外,化学反应过程模拟还需要考虑流体力学、传热传质等因素的影响。

这些参数可以通过实验测定或者计算流体力学(CFD)等方法获得,用于实现更准确的化学反应过程模拟。

通过高精度化学反应过程模拟,可以大大提高工艺设计和优化的精度,同时也可以减少实际工艺过程中的试错时间和成本,提高工艺效率和稳定性。

二、优化方法化学反应工艺的优化是实现高效、低能耗、低污染化学反应过程的关键。

化学反应工艺的优化主要通过改进反应的物料组成、反应条件、反应设备等方面来实现。

优化方案通常涉及多个变量和多种不同的方案选择,因此需要进行系统的分析和优化。

优化方法主要包括响应面方法、遗传算法、模拟退火算法等。

响应面方法是反应过程优化中最常用的一种方法,它通过建立响应面模型,对物料组成、反应条件等变量进行多元回归分析来确定最优的反应条件。

化学反应工程中的反应器模拟

化学反应工程中的反应器模拟

化学反应工程中的反应器模拟反应器是化学反应过程中最重要的装置之一,其设计和运行对于反应过程的效率和安全性都起着至关重要的作用。

在反应器设计过程中,模拟仿真是必不可少的一步,可以有效帮助工程师优化反应器的操作条件,提高反应器的运行效率。

反应器模拟主要包括传热、传质、反应动力学等方面的模拟。

在传热方面,工程师需要考虑反应器内部的温度分布、热传递系数等参数,以保证反应器内部不会发生过热或过冷等情况。

在传质方面,工程师需要考虑反应物和产物在反应器内部的浓度变化、扩散系数等参数,以保证反应物能够被充分利用并达到预期的反应效果。

在反应动力学方面,工程师需要考虑反应物在反应器内部的互作用、反应速率等参数,以保证反应过程的可控性和安全性。

反应器模拟的方法主要包括实验、计算机仿真和理论计算三种方式。

实验方法通常是通过实际操作反应器来获得反应器内部的动态数据,并通过分析这些数据来优化反应器设计。

计算机仿真方法则是通过计算机程序模拟反应器内部的温度分布、浓度分布等参数,并根据这些参数优化反应器的操作条件。

理论计算方法是通过理论公式和数学模型计算反应器内部的温度、浓度等参数,以达到优化反应器操作的效果。

在化学反应工程中,反应器模拟的应用非常广泛,可以用于设计新型反应器、改进既有反应器的操作效率、实现反应工程的安全性管理等方面。

下面我们将具体介绍几种常见的反应器模拟方法及其应用。

1. CFD模拟方法CFD是计算流体力学的缩写,是一种将流体流动、传热、传质等热力学现象进行计算机数值模拟的方法。

在反应器设计中,CFD方法可以用于预测反应器内部的流动状态、温度分布、浓度分布、反应速率等参数。

通过这些参数,工程师可以优化反应器的设计,提高反应器的操作效率和反应产品的质量。

2. 动态模拟方法动态模拟方法是通过数学模型和计算机程序模拟反应器内部的动态变化过程,以了解反应器任意时刻的温度分布、浓度分布、反应速率等参数。

工程师可以根据这些参数进行反应器的优化设计,实现反应过程的高效、稳定、安全。

HYSYS动态模拟技术培训.pdf

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致谢
报告参考信息多数来自不同的公司的公开 资料。另有部分来自各种公开出版物、论文集和 学术报告等,在此对这些文献的作者表示感谢。 报告仅用于技术交流,不得用作商业用途。
= 5kmol /10kmol/m3 =0.5m3
Dynamics Assistant

流量控制器
压力控制器
液位控制器
Face Plate
Integrator
Strip Chart
Dynamics Assistant
Dynamics Assistant提供自由的选择从稳态模 拟切换到动态模拟。 经验:
SUB FLOWSHEET Streams Operations
COL SUB FLWSHT Simultaneous Solver
Each Sub-Flowsheet has it’s own “Environment”
HYSYS 结构
HYSYS 软件的基本 构件(目标)
物流 流程图 能流 单元操作
子流程-2
Main Flowsheet
主流程
Subflowsheet-1
子流程-3
Subflowsheet-2
子流程-3
Subflowsheet-4
子流程-1
Hysys Stand Alone Material Blocks
Material and Energy Streams
Unit Operations F4 Key Object Palette Sub-Flow Sheets and Columns (= Special types of Sub-Flow Sheets)
FIX
PI实时数库
数据校正
DCS

化学反应工程过程的数值模拟与优化

化学反应工程过程的数值模拟与优化

化学反应工程过程的数值模拟与优化化学反应工程是掌握处理化学反应过程及其产品的专业思维技能的一门关键学科。

在实际应用中,通过实验和现场工程实践来了解反应过程的发展和反应物质的变化是很重要的。

但是,随着计算机技术的进步,模拟反应机理和运行参数的数值模拟也逐渐成为一种有效的工具,其重要性越来越受到人们的关注。

1. 数值模拟在化学反应工程中的应用数值模拟在化学反应工程过程中有很多应用,例如:用于提高化学反应器中物质的混合度或流动动态。

这种计算模型可以帮助构建一个更加详细的反应器内部的物理已知状态,并计算物质在空间中的迁移和扩散,从而可以预测反应动态和反应过程中的各种变化。

例如,我们可以使用CFD(计算流体动力学)模型来模拟化学反应器中流体流动的物理过程,预测物质的混合度,预测化学反应过程中的温度和压力,以及模拟反应器的结构因素对反应过程的影响等。

另一种常见的应用数值模拟的例子是基于反应机理的化学反应反应过程中的模拟。

我们可以通过分子动力学模拟或量子力学计算来揭示反应中的细节。

例如,我们可以使用量子化学计算方法来确定反应机理,这可以预测反应速率、选择性和化学反应中物质的生产产物。

2. 数值模拟在反应工程中的优化应用数值模拟不仅提供了关于化学反应过程的详细信息和反应机理,还可以用来设计新的反应设备和优化反应工艺。

反应工程中较好的设计主要包括设计反应器、反应器内的流动和混合运动等。

通过数值模拟来优化反应器,我们可以使用先进的混合与反应特性模拟工具,以实现反应器的优化。

例如,我们可以使用CFD技术计算将反应物质送往反应器电场中的转移效率,以确定最佳的流动模式和转移区域,可用来决策反应器的实际设计参数。

同时,我们可以利用CFD模型来计算不同的比例和混合方式,以实现更优化的流动和混合效应。

此外,也可以使用CFD模型来评估反应进程中发生的传输和反应热等信息,以便为反应器的实际应用和优化提供指导。

再例如,通过数值模拟,我们可以优化催化剂的选择和反应工艺。

第三章化工过程系统动态模拟与分析ppt课件

第三章化工过程系统动态模拟与分析ppt课件

N j
Rj (H j ),
j 1,2,...,N。
(3- 21)
其中,T、Tf分别代表反应区内和加料混合物的温度; U表示反应液体与冷却剂之间热交换的总传热系数;
A表示反应液体与冷却剂之间的总传热面;
Tc表示冷却剂平均温度; 、Cp分别代表反应混合物的平均密度与比热容; (-Hj)表示第j个反应的热效应; Rj表示第j个反应的速率; Ri表示因化学反应引起的第i个组分浓度的变化速率
排液量与时间的变化关系为:
kt
Fo ((kH 0 - Fi )e A Fi )
-0.7
H
-0.5
0 1
0
5
10
15
20
25
Time
图3-2. 搅拌罐中液位高度随时间的变化关系图
例3-2:搅拌槽内含盐量的动态模型
初始情况是槽内盛有V0的水,把浓度为Ci的盐水以恒 定流量Fi加入槽内,与此同时完全混合后的盐水以恒定 流量Fo排放,试求槽内盐水浓度C的变化规律。
其中u、u0 分别代表任一时刻和起始时刻的状态向量, μ代表未知而且待估计的参数向量。
• 模型参数估计就是为了确定参数向量µ的最优值,使限制 下的解最大限度地逼近已采集到的状态变量在不同时刻的
离散数据。
NM
Min F
i
(uid, j uic, j )2 f ( )
j
其中 F称为最优化的目标函数,或评价函数。 udi,j代表第i个状态变量在j时刻的采集数据。 uci,j代表第i个状态变量在j时刻的模型计算值,即在j
• i组分质量守恒
V
dci dt
F (ci, f
ci ) VRi ,
i 1,2,...,M。(3- 20)

化学工程中的化工过程模拟与优化技术

化学工程中的化工过程模拟与优化技术

化学工程中的化工过程模拟与优化技术化学工程是一门应用科学,旨在研究和应用化学原理和工程原理来设计、开发和改进化学过程。

在化学工程中,化工过程模拟与优化技术是一项重要的工具,它可以帮助工程师有效地预测和改进化学过程的性能和效率,从而提高生产效益和降低成本。

化工过程模拟是指使用数学模型和计算机仿真技术来模拟化学过程中的各种物理和化学现象。

通过建立适当的数学模型,可以揭示化学反应的动力学、传热传质的规律以及设备和流体流动的行为。

化工过程模拟能够帮助工程师理解和预测化学过程中的复杂现象,为工艺的设计和优化提供指导。

化工过程模拟技术通常分为静态模拟和动态模拟两种。

静态模拟主要关注化学过程中的平衡状态,通过求解质量守恒、能量守恒和物质平衡等方程,得到化学过程中各个组分的浓度和温度分布。

这对于工程师来说是十分重要的,因为它可以帮助他们选择合适的操作条件和设备参数,以实现既定的产品质量和产量目标。

动态模拟则更多地关注化学过程中的动态行为,如反应速率的变化、设备的响应时间等。

动态模拟可以帮助工程师分析和优化化学过程中的控制策略,以实现更好的过程控制性能。

此外,动态模拟还可以用于分析工艺的安全性和稳定性,有助于优化化学过程的操作和控制。

除了化工过程模拟技术,优化技术也是化学工程中的一个重要工具。

优化技术旨在找到化学过程的最佳操作条件,以达到最小的成本或最大的产量。

常见的优化方法包括数值优化、多目标优化和逻辑优化等。

这些方法可以帮助工程师确定最佳的操作参数、设备规格和生产策略,从而实现资源的最大化利用和生产效益的最大化。

化工过程模拟与优化技术的应用非常广泛。

例如,在石油化工领域,通过模拟和优化炼油过程,可以提高产品的质量和产量,并减少废物和能源消耗。

在制药工业中,化工过程模拟与优化技术可以用于设计和改进药物的合成过程,提高药物的纯度和产量。

在环境保护领域,化工过程模拟与优化技术可以帮助工程师设计高效的废水处理系统,减少对环境的污染。

化学工程(工程技术学科)

化学工程(工程技术学科)
复杂且难以确定和描述。
研究内容
1
单元操作
2
化学反应工程
3
传递过程
4
化工热力学
5
其他问题
化工过程构成多种化工产品生产的物理过程都可归纳为有限的几种基本过程,如流体输送、换热(加热和冷 却)、蒸馏、吸收、蒸发、萃取、结晶、干燥等。这些基本过程称为单元操作。对单元操作的研究,得到具有共 性的结果,可以用来指导各类产品的生产和化工设备的设计。在20世纪初,对化学工程的认识虽只限于单元操作, 但却开拓了一个崭新的领域和出现了一些从事崭新职业的化学工程师。这些化学工程师不同于以往的化工生产工 作者,他们经历过化学工程这一专门学科的训练,故有能力使化工生产过程和设备设计、制造和操作控制更为合 理。直到今天,各个单元操作的研究还是有着极为重要的理论意义和应用价值,而且是为了适应新的技术要求, 一些新的单元操作不断出现并逐步充实进来。
重要作用
现代工业生产的规模常要求一套装置的年产量达数十万吨或更高。这些装置必然面临大量的工程问题,而且 指标稍有下降,就会带来很大的经济损失。科学技术的进步,时时刻刻在创造新的产品和新的工艺。但这些新的 产品必须借助工程的手段才能实现工业生产,新的工艺要有经济和技术的合理性才能取代原有工艺。
上述装置大型化和新产品、新工艺工业化的问题都属于化学工程的研究范围。化学工程在国民经济中的重要 作用是十分明显的。例如将大量烟气中硫、氮氧化物等有害组分脱除后再排放,在实验室达到要求后,进而要在 工业规模中实现大量烟气的净化,就必须考虑大规模净化的经济性和可行性,着眼点与实验室研究很不相同。又 如化工生产中,要求十分纯净的产品作为原料,如高分子化工中常要求聚合前单体的杂质含量是在百万分之几 (ppm)数量级。对于实验室工作来说,这一点并不一定困难,而且小实验也不要求提纯的经济指标。但是要求大 型生产装置在低消耗和设备简易可行的条件下做到这一点,却是一个完全不同的课题。这种课题的解决,有赖于单 元操作的研究。假使在实验反应器中确定了优选的温度、浓度和反应时间,获得了满意的效果。而在放大过程中, 由于流动的不均匀性,物料在反应器中的停留时间(反应时间)出现不均匀,偏离了优选的反应时间。由于反应 热效应,大装置中因传热的限制而出现的温度不均匀,使反应温度偏离了优选温度。温度的不均匀必然导致浓度 的不均匀。这些效应引起大装置中效率下降,产品成本提高,甚至可能因此失去工业价值而不宜用于生产。这个 例子说明化学反应工程研究的作用和意义。

化工系统工程稳态模拟

化工系统工程稳态模拟
4. 缩短研发周期
通过模拟实验代替实际实验,可以大大缩短新产品的研发 周期,降低研发成本。
02
化工系统稳态模拟基础
化工系统简介
01
02
03
化工系统
指由多个化学反应和物理 过程组成的复杂系统,包 括原料的输入、反应过程、 产物的输出等。
化工系统的特点
具有高度的复杂性、非线 性、时变性和不确定性, 涉及大量的物质、能量和 信息流动。
背景
随着化工行业的快速发展,生产过程越来越复杂,对生产过程的控制和优化要 求也越来越高。稳态模拟作为化工系统工程中的重要技术手段,能够为实际生 产提供理论支持和指导。
稳态模拟的定义和重要性
定义
稳态模拟是指对化工生产过程中的物料平衡、能量平衡和 化学反应等进行的数学建模和计算机模拟。在稳态模拟中 ,系统的状态参数(如温度、压力、流量等)不随时间变 化。
06
结论与展望
结论
稳态模拟是化工系统工程中的重要手段,通过模拟可以预测实际生产过程中可能出 现的各种情况,为优化生产和提高经济效益提供有力支持。
稳态模拟技术在化工生产中得到了广泛应用,不仅提高了生产效率,还降低了能耗 和环境污染,为可持续发展做出了贡献。
稳态模拟技术在实际应用中仍存在一些挑战和限制,如模型精度、计算效率和数据 可靠性等方面的问题,需要进一步研究和改进。
重要性
稳态模拟的重要性主要体现在以下几个方面
1. 优化工艺参数
通过模拟不同工艺参数下的系统性能,可以找到最优的工 艺参数组合,提高产品质量和生效率。
2. 降低能耗
通过模拟不同操作条件下的能耗情况,可以找出最优的能 源利用方案,降低生产成本。
3. 提高安全性
通过模拟潜在的危险操作和事故情况,可以预测系统的安 全性能,及时发现和解决潜在的安全隐患。

化工过程模拟相关技术文献调研报告

化工过程模拟相关技术文献调研报告

化工过程模拟相关技术文献调研报告化工工艺模拟是一种常见和重要的技术,广泛应用于工业化生产过程中。

它可以帮助工程师和研究人员更好地理解和控制化学反应、质量流动和动力学过程,从而提高产品质量和生产效率。

本文将对相关的技术文献进行调研,以帮助读者了解化工工艺模拟方面的最新发展与应用。

2. 文献综述2.1 过程模拟的基本原理与方法化工过程模拟基于物理学、化学工程学和计算机程序,通过对反应条件、反应器构造、催化剂选择等因素进行建模并进行数值计算,模拟出反应体系中的物质转化、能量转移等过程。

这些模型包括动态模型和静态模型两种类型。

动态模型是基于时间的模拟,描述了一个系统如何在时间上变化,通常用于实时过程检查和控制。

静态模型是基于状态的模拟,描述了系统在不同状态下的表现,通常用于产品设计和流程计划。

目前,广泛使用的化工工艺模拟软件包括Aspen Plus、HYSYS、COMSOL Multiphysics等。

这些软件包提供了一整套建模工具,包括物质平衡计算、能量平衡计算、动态过程模拟等领域。

2.2 化工工艺模拟在实践中的应用化工工艺模拟在实践中有广泛的应用。

下面我们逐个介绍。

1. 反应器设计化工工艺模拟可以辅助工程师设计反应器,以最优化反应性能和生产成本。

通过计算反应中的物质和能量平衡,工程师可以确定反应器中的流体力学和传热问题,预测反应器的行为和许多过程细节。

这有助于减少原型制造和实验室测试的需要,促进产品开发的速度和成本效益。

2. 新材料开发化工工艺模拟可以预测新材料的材料性能和制备过程,并指导其优化。

例如,在电池制造过程中,模拟可以确定最佳电解质浓度和添加剂的量,从而获得更高的能量密度和效率。

在纳米颗粒合成中,模拟可以确定反应条件,以控制材料的尺寸、形状和分布,并为实验室制造提供指导。

3. 改进过程控制化工工艺模拟可以通过在流程变量上进行调整,修改反应条件和设备设置,验证新的技术和方法,并评估在生产环境中的可行性和效益。

动态模拟在循环水配方筛选及日常管理中的应用

动态模拟在循环水配方筛选及日常管理中的应用

模拟的深入研究与广泛应用 。早在 2 世纪 7 年代 o 0
末至 8 O年代 , 工 过 程动 态 模 拟 技术 就 已在美 国 、 化 日本 、 欧 等 国家 和地 区进 入 了广 泛 的应 用 阶段 。 西 随着 经 济 社 会 的 不 断 发 展 和 落 实 “ 学 发 展 科
冷却水流量( 流速一般 0 8 . 米/ )使冷却水 . ~10 秒 , 通过传热试管( 管程) 时吸收热量温度升高 , 随后被
装 置在 循环 水配 方筛选 及 日常管 理 中的应用作 了认真 研究 和系统 总结 。
关 键词 : 态模拟 动 循 环水 配方 筛选 日常 管理
1 概 述
动态特征是化工过程系统最基本的特征之一。 由于在化工生产过程中, 存在着相 当多的动态过程 , 这些过程 的工艺参数都是随时间变化的函数 , 所以,
束后 , 可拆解查看 管程 的结垢和腐蚀情 况, 简单直 观, 真实 可靠 。同时 , 模拟装置 中安装 的腐蚀监测 管, 不仅可以 目 测监测管材的腐蚀情况 , 而且可 以定
量计 算循 环水 对 材料 的腐 蚀 速率 , 由此 动 态模 拟 和 综合 评 价管 程对 流换 热 强 化 技 术 的换 热 效果 、 流动 阻力、 污垢特 性 等 。该装 置 以强 化换 热 管 和普 通 列 管 的换 热过 程 的基 本影 响 因素 药剂 后腐蚀 率 越低 , 明该 缓 蚀 剂 的 缓蚀 作 用 说
越强 ; 同理 , 添加 某种药 剂后 水 中的钙 离子稳 定 数值 越大 , 则说 明该 阻垢剂 的阻垢 性 能越好 。
步较 晚 , 是 发 展很 快 。上 世 纪 7 但 0年代初 , 国引 我 进 大 化肥 、 油化工 、 石 轧钢 、 化纤等装 置 时 , 同时 大 才

CSTR反应器开工过程动态模拟

CSTR反应器开工过程动态模拟

CSTR反应器开工过程动态模拟指导教师:小组成员:完成时间:2013年4月1日目录引言 (1)问题的提出 (2)模型的建立 (2)换热条件的确定 (4)连续反应器的开车与计算 (5)开车失败的原因分析................................................. 6.解决方案 (8)CSTR反应器稳定性分析............................................. 1.0 结论. (12)附录 (13)引言模型化(Modeling)是现代化学工程方法论的重要组成部分,尤其是过程动态学的核心。

根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式,一般可以把数学模型分为集中参数模型、分布参数模型和多级集中参数模型;根据建立模型的不同方法,一般可以将数学摸型分为统计模型、确定性模型和介于二者之间的半经验模型。

CSTR( Constant Str Tank Reactor ),即全混流反应器,又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器,是一类在工业生产中广泛应用的反应器。

CSTR勺特性有:(1物料在反应器内充分返混;(2)反应器内各处物料参数均一;(3)反应器的出口组成与器内组成相同;(4)连续、稳定流动,是一定态操作。

针对CSTF反应器的特性,可以通过对所研究的反应器系统与系统内的关键组分,列出其质量、能量和动量守恒关系式,系统及关键组分内外质量、能量和动量交换速率系数计算式,相关的相平衡关系,以及化学反应速率表达式和化学反应平衡常数计算式(如果反应可逆的话),从而建立CSTF反应器内反应的确定性集中参数模型,以此对在CSTR内进行的反应进行描述。

要利用确定性模型来预测、揭示化工过程系统的内在规律,解决与动态学特征有关的工程实际问题,就必须对所涉及到的数学模型进行必要的数学处理。

以此对CSTR反应器建立的确定性集中参数模型的数学表达式所构成的数学模型的正问题,涉及到代数方程组、常微分方程组和偏微分方程组,以及他们的混合方程组的求解,由于化工过程通常具有的非线性特征,求模型方程组的解析解往往是不可能的,不得不借助计算机求数值解。

数值计算在化学工程中的应用

数值计算在化学工程中的应用

数值计算在化学工程中的应用化学工程是一门工程学科,它研究化学产业中涉及的各种过程、设备和系统,包括化学反应、传热、传质、分离等方面。

在工程实践中,数值计算是化学工程中不可缺少的手段之一。

数值计算指的是利用计算机对数学模型进行求解,以获得系统或过程的性质和参数。

本文将探讨数值计算在化学工程中的应用。

一、化学反应动力学模拟在很多化学反应过程中,反应速率是关键因素。

反应速率与反应温度、气压、浓度、催化剂等因素有很大关系。

数值计算可以模拟化学反应的速率变化规律,预测反应过程的性质和特性,有助于优化反应条件,提高反应效率。

化学反应动力学模拟需要建立化学反应的数学模型,通过数值计算求解不同条件下的反应速率、反应物浓度、反应物转化率等参数。

二、化工过程仿真化工过程是一个动态的过程,涉及诸如传热、传质、反应、分离等方面。

对化工过程进行仿真可以帮助工程师分析和优化过程,预测过程的性能和特性。

在化工过程仿真中,数值计算主要用于求解过程的物理模型。

例如,数值计算可以用于模拟化工反应器中的流体流动、传热和传质过程,预测反应器的性能和能耗,为反应器的设计和优化提供依据。

三、传热、传质模拟传热和传质是化学工程中至关重要的过程。

数值计算可以用于模拟传热、传质的过程,预测物料的温度、浓度分布,为化工设备的设计和优化提供依据。

例如,在化工反应器设计中,数值计算可以用于模拟反应器中物料的传热和传质过程,预测物料的温度、浓度分布,优化反应器的结构和流动条件,提高反应器的效率和稳定性。

四、分离过程模拟分离是化学工程中最常见的过程之一,常用于提纯和分离材料。

分离过程模拟可以用于优化分离设备的设计和操作过程,预测分离过程的效果。

例如,在蒸馏过程中,数值计算可以用于模拟汽液平衡,预测不同工艺条件下的分离效果和能耗,为蒸馏设备的设计和优化提供依据。

五、结论数值计算在化学工程中的应用十分广泛,能够帮助工程师分析和优化化学过程,预测化学反应的结果、物质的行为、分离效果等参数。

化学化工过程模拟及优化技术研究

化学化工过程模拟及优化技术研究

化学化工过程模拟及优化技术研究化学过程在工业生产中具有非常重要的作用。

在大多数情况下,我们希望通过化学反应获得所需的产品或材料。

但是,化学反应的过程是非常复杂的,除了反应物质的种类和浓度,还需要考虑温度、压力、反应速率、反应物料的形状和大小等多种因素。

同时,我们还需要考虑反应器的结构和材料选择等因素。

因此,如何优化化学反应过程,提高反应效率和产品质量,是化学工程领域中非常重要的问题。

化学过程模拟技术,是指通过计算机模拟化学反应过程,以预测实验过程中各种反应物的浓度、温度和流速等参数。

在化学反应过程中,由于反应本身的复杂性,很难预测相应物体的运动。

因此,我们需要简化反应过程,通过一些手段将其变成可控的过程。

通常,我们将化学反应过程分为两类:稳态反应过程和动态反应过程。

稳态反应过程通常是指反应物的浓度和其他参数不随时间变化的情况,即反应物质量的增量和减量之间达到平衡状态;而动态反应过程则是指反应物质量与时间变化的情况,即反应物质量的增量和减量不断在变化。

通过化学过程模拟技术,我们可以预测化学反应过程中各种物体的变化,并选择最适合的反应条件,以实现理想的反应效果。

例如,在新药研发中,我们需要考虑反应体系的复杂性,如反应物质的种类和浓度、反应器的结构和材料选择等。

同时,我们还需要考虑反应过程中各种反应物料的运动规律,以及反应过程中可能产生的副反应等问题,这些都需要通过化学过程模拟技术进行预测和分析。

化学过程优化技术,是指在化学反应过程中,通过在反应过程中的各个环节中找到适合的优化条件和参数,以实现反应效果最优化的技术。

一般来说,化学过程优化技术需要考虑以下几个方面:首先,我们需要找到适合的反应反应条件,如反应物质的浓度、温度和反应时间等;其次,我们还需要考虑反应后的物质分离和纯化问题,包括分离和回收产物中的杂质和不纯物质。

最后,我们还需要考虑整个反应过程在环境方面所产生的影响,例如,反应过程中生成的废热和废物对环境的影响等。

化学工程与化学工艺的研究领域与前沿动态

化学工程与化学工艺的研究领域与前沿动态

化学工程与化学工艺的研究领域与前沿动态化学工程与化学工艺是现代工程学中的一个重要分支,它的研究领域广泛涉及化学、物理、数学、生物等多个学科,旨在应用化学原理和工程技术解决实际生产中涉及到的各种化学问题。

在过去几十年中,随着科学技术的不断进步和应用领域的不断扩大,化学工程与化学工艺已经取得了许多重要的研究成果和进展。

本文将介绍该领域的研究领域与前沿动态。

一、研究领域(一)反应工程反应工程是化学工程与化学工艺中一个重要的研究方向。

它研究的是实现特定化学反应的最佳条件和工艺要素,以提高反应效率和产物质量。

在反应工程中,常常需要考虑反应速率、反应平衡、反应器设计和优化等问题。

近年来,随着计算模拟技术的发展,反应工程领域开始采用分子模拟、量子化学计算等方法进行深入研究,以实现对复杂反应过程的精确描述和控制。

(二)传热传质传热传质是化学工程与化学工艺研究中的另一个重要方向。

它研究的是在实际化学过程中物质和能量的传递和转化规律。

传热传质的研究内容涉及到流体力学、传热传质模型、传热传质设备以及流体流动与传热传质的耦合等问题。

在传热传质领域,采用计算流体动力学(CFD)、多相流动模拟等方法研究的应用越来越广泛,如在化工反应器内的混合、换热器的设计和优化等方面取得了显著的成果。

(三)分离与纯化分离与纯化是化学工程与化学工艺中一个关键领域。

它研究的是对混合物中的不同组分进行有效分离和纯化的方法与技术。

在分离与纯化领域,常常涉及到吸附、蒸馏、结晶、萃取、膜分离等多种分离技术的应用与开发。

近年来,绿色分离技术逐渐受到研究者的关注,如超临界流体技术、膜分离技术等在该领域的应用研究逐渐增多。

二、前沿动态(一)氢能源技术氢能源是当前全球能源领域的一个研究热点。

化学工程与化学工艺在氢能源技术研究中发挥着重要作用。

通过高效的催化剂和反应器设计优化,可以实现氢气的制备、存储和利用,从而达到清洁能源的目的。

近年来,固体氧化物燃料电池、光电催化水分解等新型氢能源技术得到了广泛关注和研究。

石油化工行业中过程模拟技术的使用方法和工程实践案例

石油化工行业中过程模拟技术的使用方法和工程实践案例

石油化工行业中过程模拟技术的使用方法和工程实践案例过程模拟技术是石油化工行业中广泛应用的一种工程技术手段,旨在通过数学模型和计算机模拟,对石化过程中的物质转化、能量传递和动态变化进行精确模拟和分析。

通过模拟技术,可以提高石化企业的工艺流程设计、优化运行、降低能耗、提高产品质量等方面的综合能力。

本文将介绍过程模拟技术的使用方法和工程实践案例,以展示其在石油化工行业中的重要作用。

一、过程模拟技术的使用方法1.数据收集与整理:在进行过程模拟前,需要收集和整理相关的输入数据,包括原料性质、反应动力学参数、催化剂性质等。

这些数据是建立模型和进行模拟的基础,准确性和完整性对模拟结果的可靠性和准确性影响重大。

2.模型建立与验证:过程模拟技术需要建立相应的数学模型来描述物质和能量的转化、传递和变化过程。

建立模型需要根据实际情况选择合适的物理化学原理和数学方程,并对不同环节进行适当简化和假设。

建立完模型后,需要通过实验数据对模型进行验证,确保模型的准确性和可靠性。

3.模拟计算与优化:在进行过程模拟计算时,需要将建立的数学模型输入模拟软件中,通过数值计算和迭代方法求解模型的数值解。

模拟计算过程需要考虑到实际工艺的各种限制条件和操作要求,如温度、压力、反应速率等。

通过模拟计算结果,可以得到各个环节的详细信息和过程参数,进而对现有工艺进行优化,提高生产效率和产品质量。

4.结果分析与应用:通过模拟计算得到的结果,需要进行全面的分析和评价。

对于不同的应用需求,可以从能耗、产物收率、副产物生成、设备选择等多个角度进行分析和评价,并根据结果做出相应的决策和调整,以实现工艺的经济、高效和环保运行。

二、工程实践案例1. 炼油厂模拟优化案例:某炼油企业使用过程模拟技术对其炼油工艺进行了优化。

通过模拟计算,发现某一反应装置存在着反应温度失控的问题,导致产品质量不稳定。

通过调整该装置的加热方式和催化剂用量,模拟计算出最佳的温度和催化剂用量范围,避免了反应温度失控的问题,提高了产品质量,同时降低了能耗和催化剂的消耗。

化学工程的最新成果和应用

化学工程的最新成果和应用

化学工程的最新成果和应用化学工程的最新成果与应用化学工程是一门极具应用性的学科,它的主要研究对象是化学反应和过程的设计、开发、优化以及控制。

近年来,随着科技的不断进步和工业的快速发展,化学工程技术也得到了巨大的发展和变革,成为了当今社会中不可或缺的重要力量。

本文将从化学工程的最新成果和应用两个角度上探讨,旨在让读者了解化学工程的发展现状和前沿动态,以及它对人类社会的巨大贡献。

一、化学工程的最新成果1. 三维打印技术在化学工程中的应用三维打印技术是近年来受到广泛关注和研究的新兴技术,它可以快速制造出各种形状和结构的复杂零部件和模型,被广泛应用于工业,医疗,建筑以及航空航天等领域。

在化学工程方面,三维打印技术也被越来越多的研究者所应用。

例如,研究人员可以使用三维打印技术,制造出各种复杂的化学反应器件,如微纳米反应器,高效离子交换膜,以及用于固体氧化物燃料电池中的电化学电极等。

通过这些反应器件的制造和应用,可以大大提高化学反应的效率和质量。

2. 催化剂的优化与设计催化剂是促进化学反应的重要物质,使用优质的催化剂可以大大提高化学反应的效率和效果。

因此,催化剂的优化和设计一直是化学工程领域中备受关注的问题。

随着计算机和化学计算技术的飞速发展,科学家们可以利用分子模拟和量子化学计算技术对催化剂进行分析和设计,优化催化剂的性能,以实现更高效,更环保的化学反应。

3. 生物质能的高效转化随着社会对清洁能源的需求越来越大,生物质能的高效转化已经成为了化学工程领域中重要的研究方向。

目前,研究人员通过改良生物质能的加工方式和化学反应机理,开发了一系列高效,低成本的生物质能转化技术,如生物质热解和生物质气化技术,这些技术能够将生物质能快速、高效地转化为电力和热能,大大降低了生物质能的使用成本,并对改善我们的生态环境做出了巨大贡献。

二、化学工程的应用1. 新材料的开发化学工程技术在新材料的研发中扮演着极为重要的角色。

随着化学工程技术的不断发展,人们可以利用各种化学反应方法,制造出各种高强度,高塑性,耐磨损的新型材料,如碳纤维材料和纳米材料等。

化学工程过程模拟与优化

化学工程过程模拟与优化

化学工程过程模拟与优化一、介绍化学工程是应用科学领域中的一个重要分支,它主要研究化学过程的设计、开发、调试和改进。

化工过程模拟和优化技术是化学工程中的核心技术之一,它通过计算机模拟和数学优化的手段,对化学反应、分离、传热传质等过程进行分析,从而实现化工过程的优化和提高。

本文将介绍化工过程模拟和优化的基本原理、方法和应用。

二、化工过程模拟化工过程模拟是指利用计算机软件,采用数学方法来模拟化学反应、传热传质和流体力学等过程。

其主要目的是预测和优化化工过程的性能,提高生产效率,降低成本,减少污染物排放等。

1.模拟方法化工过程模拟主要有两种方法:连续模拟和离散模拟。

连续模拟是指将化学反应、传热传质和物料流动等过程看做是连续的,通过微分方程等数学模型来描述这些过程的动态演变规律。

连续模拟主要适用于工艺流程稳定的情况,如化学反应器的温度、压力、浓度等变化规律的研究。

离散模拟则是将化工过程看做是由离散的事件组成,以事件流程图等方式来描述化工过程的静态结构和动态行为。

离散模拟适用于处理物料流动和固体颗粒运动等离散过程。

2.模拟软件化工过程模拟需要借助于计算机软件来实现。

常用的化工过程模拟软件有Aspen Plus、Hysis、ChemCAD、ProSim和VMGSim 等。

这些软件能够对化学反应、气体、液体、固体的物理化学性质及热力学性质进行数学模型的建立,可以对化工过程进行全方位的模拟和优化。

三、化工过程优化化工过程优化是指利用数学优化和计算机模拟等手段,通过改变操作条件、流程参数和设备结构等方式,使化工过程的性能得到优化。

其主要目的是降低生产成本、提高产品质量、提高生产效率和资源利用率等。

1.优化方法化工过程优化主要有两种方法:参数优化和结构优化。

参数优化是指在保证工艺流程的基本结构不变的情况下,通过调整工艺参数来优化过程性能。

比如,在同样的反应条件下,改变反应物的比例可以使反应的收率提高。

结构优化则是指通过改变工艺流程的结构来优化过程性能。

化学工程中的化学反应过程模拟与优化

化学工程中的化学反应过程模拟与优化

化学工程中的化学反应过程模拟与优化化学反应是化学工程的核心,模拟和优化反应过程是化学工程研究的重要内容。

反应过程模拟可以帮助我们了解反应过程中的各种细节,进而优化反应条件,提高反应效率和产品质量。

本文将从模拟和优化两方面探讨化学工程中的化学反应过程。

一、化学反应过程模拟化学反应过程模拟是一种将化学反应过程中的物理化学变化用数学模型表示出来的手段。

这样可以依靠计算机模拟程序对反应过程进行分析和预测,指导工程实际操作。

说白了,就是把实际反应的物理化学现象通过数学公式等表达出来,然后计算机通过程序模拟计算出反应过程中的各种参数和效应,最终达到预期的效果。

在反应过程模拟中,最常见的是热力学模拟和动力学模拟,接下来我们将逐一介绍。

1、热力学模拟热力学模拟主要研究反应过程中能量的变化,一般通过稳态和动态系统分析实现。

稳态热力学模拟通常用于预测不同温度、压力、物料流量等参数下的反应物、产物浓度和反应熵值等信息;动态热力学模拟则适用于预测时间因素对反应过程的影响,以及反应过程中能量的消耗和生成等方面。

热力学模拟还可以用于预测反应热效应,例如反应释放的热量。

这对工程实际生产非常有意义,通过反应热效应的计算,可以确定反应过程中需要向反应体系中传热的量,以及合理的散热条件等。

2、动力学模拟动力学模拟主要研究反应速率与反应机理等动力学特性。

通常在实验数据的基础上,建立反应动力学模型,预测反应物与产物之间的转化速率,反应速率的影响因素以及反应机理的探究。

动力学模拟和热力学模拟相辅相成,两者结合可以更准确地描述反应过程中的物理化学变化,同时也为工程实际操作提供了可靠的理论依据。

二、化学反应过程优化化学反应过程优化是指通过理论研究和模拟计算等手段,寻找优化反应条件、提高反应效率和产品质量等的方法。

这是化学工程研究中一个重要的环节,下面我们将介绍几种常见的反应过程优化方法。

1、反应条件优化反应条件优化主要研究反应物的比例、反应温度、反应压力等参数对反应过程的影响。

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动态模拟技术与化学工程陈晓春 马桂荣(北京化工大学化学工程学院,北京100029)摘要:介绍了化工过程动态模拟技术及相应软件的发展与应用状况,总结了动态模拟技术的最新进展。

指出动态模拟技术应当与动态优化技术相结合,动态计算机网络管理将实现石油化工过程的连续实时优化,动态模拟技术将向工艺流程和生产方案的合成、能量系统集成、结合生态工业园区实例进行动态流程模拟等方向发展。

关键词:动态模拟技术;过程工业;化学工程;应用中图分类号:T Q018;T Q015.9 文献标识码:ADynamic simulation technique and chemical engineeringCHEN Xiao 2chun ,MA Gui 2rong(Institute of Chemical Engineering ,Beijing University of Chemical T echnology ,Beijing 100029,China )Abstract :Developments and applications of dynamic simulation technique in chemical engineering and relative s oftware are test advances in dynamic simulation technique are summarized.It is als o pointed out that dynamic simulation technique should be combined with dynamic optimization technique.C ontinuous real 2time optimization of petroleum and chemi 2cal production will be implemented in computer netw ork administration.Dynamic simulation technique will develop towards the combination of process flow with production scheme ,the integration of energy system and the dynamic process flow simulation based on cases in ecological industry parks.K ey w ords :dynamic simulation technique ;process industry ;chemical engineering ;application 收稿日期:2001210219 作者简介:陈晓春,男,1963年生,博士,副教授,从事化工过程系统工程、化学反应工程、绿色化工工艺等方面的研究与开发。

20世纪下半叶以来,能源和原材料日益紧张,环境污染日益加剧,传统化学工程方法难以适应对复杂系统整体行为的研究以及在此基础上开展的过程系统实时分析与控制。

在复杂的化工生产过程中,稳态过程只是相对的、暂时的,而实际过程总是存在各种各样的波动、干扰以及条件的变化。

因而化工过程的动态变化是必然的、经常发生的,由此带来的一些问题用稳态模拟的思路无法解决,必须由过程的动态模拟来完成。

在这种形势下,动态过程模拟技术应运而生,并在过程操作特性的研究方面显示出独特的优越性。

1 动态模拟技术在化学工程中的应用111 动态特性的研究动态模拟技术广泛应用于对各种过程系统的行为分析、预测与决策,研究过程系统参数随时间的变化规律,从而得到有关过程的正确设计方案或操作步骤。

过程系统的动态特性并非完全可以从静态特性或者根据经验推断得出,而且往往这类推断是不全面的,有时甚至是错误的。

而认识判断的失误往往是导致事故发生的根源,因而对于重要的过程,采用动态模拟技术深入研究与分析其动态特性是十分必要的。

112 化工生产过程的开、停车研究在化工生产过程中,开、停车是极其重要的环节。

在这一环节中不仅有大量的设备需要开始投入使用或停止操作和运转,而且有大量的物料需要处理。

任何疏忽或处理不当都极易产生各种各样的事故,从而导致严重的经济损失或人员伤亡。

对于大型的石化装置,每开、停车一次,即使是完全正常,也会造成数十万元、甚至数百万元的经济损失,因此生产管理者无不对开、停车过程给予高度重视。

然而在没有应用动态模拟技术的情况下,开、停车过程主要根据经验进行操作,不可能、也不允许直接在装置・41・ Mar.2002现代化工第22卷第3期M odern Chemical Industry 2002年3月上做任何实验。

开、停车步骤是否完全正确、恰当,很少能从理论上预测。

因而对于操作者来说,积累丰富的经验是至关重要的。

要解决这种问题,通常有两种思路。

一是建立生产过程物理模型,在物理模型上研究过程的操作行为。

但这种方法耗资、耗时,而且建立复杂系统的物理模型的难度很大。

另外一种思路即是采用动态模拟技术,首先建立准确描述过程行为的动态数学模型,然后用其研究开、停车过程的动态行为,借助动态模拟技术系统地探讨和分析开、停车的特性,从而指导开、停车过程的实施。

采用动态模拟技术,可以缩短开停车时间,尽快达到稳定操作状态或安全停车;避免可能产生的误操作或事故;减少不合格产品;保证开停车过程的正常进行。

建立动态仿真系统是动态模拟技术的一项重要用途。

动态仿真系统用来模拟装置的实际生产,它不仅能得到稳态的操作情况,更重要的是,借助动态仿真技术可以随意改变某些可调量,人为造成过程的动态变化条件,从而系统地考察干扰存在时系统行为的变化,其仿真效果一目了然。

因而动态模拟技术已经在教学、生产过程培训以及生产过程调优方面得到广泛应用。

113 设计先进控制系统先进控制系统起源于20世纪70年代末,并在90年代获得了广泛应用。

现今控制系统设计的关键是了解装置的动态特性,而装置的动态特性可以通过在线过程识别或者过程动态模拟获得。

动态模拟的发展使得人们可以用计算机模拟代替现场动态测试,不仅节省了大量资金,加快了动态特性模拟数据的获取,而且对生产无任何干扰,理论上可以取得任何所需的数据。

国外已将动态模拟技术应用于先进控制系统的设计,尤其是在著名的过程控制公司如美国Setpoint公司和DMC公司(均于1996年为Aspen T ech公司兼并),在过程的先进控制领域开展了卓有成效的研究。

114 质量交换网络综合[1]质量交换网络综合是过程系统工程的新兴分支方向。

质量交换网络综合在化学工业中广泛地应用于进料预处理、产品分离及精制有用物质的回收等。

近年来,它的应用则主要侧重于工业过程的废物最小化和清洁生产。

几种重要的质量交换网络引起了人们极大的兴趣,它们是伴随反应过程的动态质量交换网络、动态热分离网络及动态废物截断分配网络等。

2 化工动态模拟技术的研究进展211 国外研究状况国外化工过程模拟始于20世纪50年代中后期。

1958年,美国K ellogg公司率先推出化工过程模拟程序———灵活流程模拟系统(flexible flowsheet2 ing),并在当时的化学工程界产生了很大的影响。

随后出现了一系列稳态流程模拟软件,如ASPE N、PROCESS、PRO2Ⅱ、SPEE D UP、HY SI M等,在化学工程领域产生了重要影响并发挥了巨大的作用。

有的 (上接第13页)[18]Y ekta A,Xu B,M innik M A.The structure of telechelic ass ociatingpolymers in water[A].In:W ebber S E,Munk P,Tuzar Z.Eds.S olvents and self2organization of polymers.D ordrecht/Boston/London:K luwer A2 cademic Publishers,1996.319~325[19]冯玉军,罗平亚,董兆雄,等.疏水缔合水溶性聚合物溶液结构的研究[C].第二届油气藏开发工程国际学术研讨会,南充, 1999[20]Jimenez2Regalado E,Selb J,Candau F.Phase behavior and properties ofaqueous s olutions containing mixtures of ass ociating polymers[J].M acrom olecules,2000,33:8720~8730[21]Y amam oto H iroshi,M orishima Y otaro.E ffect of hydrophobe content onintra2and interpolymer self2ass ociations of hydrophobically m odified poly (s odium22(acrylamido)222methylpropanesulfonate)in water[J].M acrom olecules,1999,32:7469~7475[22]Bock J,Valin P L,Pace S J,et al.Hydrophobically ass ociating polymers[A].In:S tahl G A,et al.W ater2s oluble polymer for petroleum reovery.New Y ork:Plenum Press,1988.147~160[23]K im H S,Lau W,K umacheva E.Interaction forces between ads orbedlayers of ass ociative polymer[J].M acrom olecules,2000,33:4561~4567[24]Abraham T,G iss on S,G ohy J F,et al.Ads orption kinetics of a hy2drophobic2hydrophilic diblock polyelectrolyte at s olid2aqueous s olution interface:A slow birth and fast growth process[J].M acrom olecules, 2000,33:6051~6059[25]王健,郑焰,冯玉军,等.新型聚合物驱油性能评价[J].油田化学,1999,16(2):149~153[26]岳钦艳,赵华章,高宝玉,等.有机高分子絮凝剂P(DM DAAC2VT MS)和P(DM DAAC2AM2VT MS)的合成与絮凝性能研究[J].工业水处理,2001,21(3):16~19[27]黄雪梅,许国强.疏水缔合型聚合物P(AM/T A)溶液性质的研究[J].精细化工,2000,17(3):152~154[28]史向阳,吴世康,孙曹民.疏水化修饰的聚N2异丙基丙烯酰胺高分子的水溶液性质研究[J].高分子学报,1999(2):200~215 [29]陈尔凡,赵常礼,程远杰,等.甲基丙烯酸二甲氨基乙酯溴代烷季铵盐与苯乙烯共聚合的研究[J].高分子学报,1999(5):588~594■・51・年 月陈晓春等:动态模拟技术与化学工程软件至今仍然是某些设计部门的必不可少的工具。

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