多尺度传递过程研究进展

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北京化工大学

研究生课程论文

课程名称：计算流体力学与传热

课程代号：ChE515

任课教师：张建文

完成日期：2012年12月20日

专业：化学工程

学号：

姓名：

成绩：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

多尺度传递过程研究进展

摘要：本文介绍了化工中多尺度的研究方法以及传递研究的新进展。着重介绍了现代化工多尺度传递过程研究的三种新方法：平均方法、直接模拟法以及耦合方法，并与传统的研究思路做比较。最后提出了多尺度传递过程研究中出现的问题并对多尺度传递过程研究提出展望。关键词：多尺度传递过程

Advances in MultiscaleTransportProcess

Abstract: This article describes a multiscale chemical method and the new advance of transport process. Mainly introduce three modern chemical multiscale methods in transport process study: average method, the direct simulationmethod,and coupling method.Finally this paper puts forward a multi scale transfer process and research problems and to propose the prospect of the study on multi scale transfer process.

Key words: multiscale ,transport process

一、引言

1.1化工中的多尺度问题

多尺度的术语现在被广泛地使用，例如Villemaux提出计算化学工程的多尺度应用，Lerou和 Ng 的文章《化学反应工程,研究多目标任务的多尺度方法》等 ,但不同学者所认的“尺度”的含义可能并不相同。对于从事化学和化工的人来说，传统上最重视的是结构、性能和制备的关系。因此 ,我们最关注的应是结构的尺度 ,或具有一定有序结构的单元的尺度。有序结构具有多层次，可按尺度大致区分为以下几种[1]：

（1）微观结构(前纳米) :例如分子结构、晶胞结构。如维生素C的分子结构等。（2）微观结构（近纳米）：例如均匀流体的近程有序、界面层的非均匀结构。分子的尺度大多小于1nm，从分子到各项同性的均匀流体似乎从前纳米直接跨越到宏观尺度。流体是近程有序的，围绕每一个分子，在约3~5个分子的距离内，有一个密度周期起伏并逐渐衰减的有序结构，这种结构决定了整个流体的性质。

（3）介观结构（纳米-微米）这是一类在微观与宏观之间跨越纳米到微米广阔尺度范围的结构。例如胶束、微乳液、囊泡、液晶、多孔颗粒等。在材料和生命领域中起着重要的作用。

（4）宏观结构：即各种反应器及各种化工设备或其中流体的流动状态。例如化学振荡、滴流床中的流速分布、循环流化床的床层等。

系统的特性归根结底是由它的不同尺度的结构所决定的。而所谓的多尺度研究，则是要从更低的尺度层次的规律或性质，来预测所研究尺度层次的规律或性质。进行研究时的理论方法，试验方法和计算机模拟方法已逐步形成三足鼎立之势[2]。

1.2化学工程的发展趋势-认识时空多尺度结构及其效应

化学反应工程中的物质转化多数属复杂系统物质转化过程向产业化的过渡十分艰难，是制约我国化学工程乃至经济发展的瓶颈问题之一。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，是解决这一“瓶颈”的关键。以前对问题的认识多属于对宏观现象的认识，而对其动态的随时空变化的多尺度结构的特征的认识是不深入的，具体的科学问题主要有：微尺度的构象和界面现象，颗粒尺度的形状效应，聚团尺度不同物相的自组织，设备尺度物料、温度、压力和流速分布，以及这些不同尺度结构之间的相互作用规律和耦合等，由于目前对上述科学问题的认识与研究尚未达到深入的程度，因而，人们仍难以解决化工生产中如定量设计、放大以及调控和优化等实际问题[3]。

传统的化学工程理论和方法难以从深层次解决这些问题。必须摆脱传统的只从宏观现象认识问题的研究思路，从复杂体系的不同层次上深入研究这种时空多尺度的结构特征，进而研究其对物质传递、反应、分离及其对产品结构与性能的影响，并从中归纳时空多尺度结构形成的机制、稳定性和突变等共性规律，尽力分析、计算和测量时空多尺度结构及不同尺度结构之间相互作用规律的方法和理论。重点突破相邻尺度现象之间和跨尺度作用的关联，各种多尺度结构的定量预测以及这些方法在实际过程如过程强化、微化工系统、过程耦合和过程放大中的验证和应用。

通过计算和预测化工过程中时空多尺度结构以及研究相邻尺之间的内在联系及基本规律，定量设计和放大才能顺利进行，才能加快使实验室成果实现产业化的进程。时空多尺度结构是指物质转化过程中浓度、压力、温度、流速等的非均匀分布，表现在时间上动态变化，空间上各点均存在差异，由此产生的效应是

指这种结构的变化对过程反应、传递，进而对产

品结构及性能产生的影响，其对转化过程起着主要的控制作用。为保证系统内部物质转化条件满足工艺的要求，对化工过程的控制只能在系统或设备尺度进行，这些调控措施，通过对各种尺度的现象发生作用，最终对微观尺度的化学反应条件发生影响[4]。

1.3研究不同尺度结构的重要性

对不同尺度结构的认识很可能成为21世纪化学工程的发展前沿，而预测相邻尺度结构之间的关系更是难点所在。任一微尺度的物质转化只有大规模进行才能工业化；另一方面，实现微观尺度上的物质转化条件只能通过设备尺度的调控才能实现。

为适用化学工程发展的新要求，研究方法和手段也将出现新的变化，以满足建立钠、微尺度分子结构与设备尺度的过程之间关系的需要。这些变化主要包括：不同尺度的模拟方法（如分子尺度的计算化学、介观尺度的结构模拟和计算流体力学、设备尺度的动态过程模拟等）；无接触式测量技术和高性能计算能力等。

二、传递过程的研究

20世纪50年代以后，随着单元操作研究的不断深入，人们发现若干单元操作之间存在共性。例如：过滤是了流体流动的一种特殊情况；蒸发是一种热量传递过程；吸收或萃取都遵循质量传递原理，由此可知，对于单元操作原理的深入研究，最终都可以归结于对于动量传递、热量传递、质量传递的研究。

化学工程学科研究的两个基本问题：以为过程的平衡、限度；二为过程的速率以及实现过程所需要的设备。过程的平衡、限度问题属于化工热力学的范畴；而过程的速率问题包括化学反应过程的速率和物理过程的速率。化学反应过程的速率及实现过程的设备是化学反应动力学和化学反应工程研究的内容。化工传递过程侧重于物理过程的速率及传递机理的探讨，而单元操作则注重解决过程的设备及工程方面的问题。

传递过程规律的研究，常采用衡算的方法，即依据质量守衡、能量守衡（热力学第一定律）和动量守衡（牛顿第二运动定律）原理，在运动的流体中选择一特定的空间范围进行质量、能量和动量衡算，导出有关的衡算方程来解决传递过程规律问题[5][6]。