化工过程中的时空多尺度结构及其效应
乳液多尺度分子效应
乳液多尺度分子效应
乳液多尺度分子效应是指乳液中多个尺度范围内的分子之间相互作用所产生的效应。
这些分子可以包括表面活性剂、溶剂、乳化剂等。
在小尺度上，乳液中的分子之间存在着分子间相互作用，如范德华力、静电吸引力等。
这些相互作用使得乳液中的分子能够相互靠近，并形成分散相和连续相之间的界面。
这种较小尺度效应可以影响乳液的稳定性、黏度和流变性质。
在中尺度上，乳液中的分子聚集成胶束或微乳滴。
胶束是由表面活性剂分子组成的一种结构，其在溶液中形成一种球状或椭球状的结构，并包裹溶剂或油滴。
微乳滴则是由乳化剂和连续相分子组成的一种结构，其中乳化剂在连续相中形成一个油滴。
这些中尺度结构对乳液的稳定性和流变特性起着重要作用。
在大尺度上，乳液中的分子之间的排斥作用会导致乳液的分相行为。
当乳液中两个连续相具有不同的化学性质时，由于分子排斥作用，乳液可能出现相分离现象。
这种大尺度效应可以导致乳液的不稳定性和相位行为的变化。
综上所述，乳液多尺度分子效应包括小尺度的分子间相互作用、中尺度的胶束和微乳滴形成以及大尺度的相分离现象。
这些效应共同影响乳液的性质和行为。
从多尺度到介尺度复杂化工过程模拟的新挑战
在多尺度模拟和损伤分析方面，采用了基于性能的模型和无损检测技术对桥 梁进行了评估。通过多个尺度的模拟，发现了材料的初始损伤位置和程度，并对 其发展趋势进行了预测。同时，通过损伤分析，确定了损伤对结构整体性能的影 响程度，为桥梁的维护和修复提供了依据。
结论
本次演示从材料多尺度力学到结构多尺度力学，深入探讨了大型土木结构多 尺度模拟与损伤分析的原理和方法。通过将多尺度模拟和损伤分析应用于某大型 桥梁工程案例，证明了其在大型土木结构工程中的重要性和应用前景。未来，随 着计算技术和实验手段的不断进步大型土木工程多尺度模拟和损伤分析将在保障 结构安全性和耐久性方面发挥越来越重要的作用。
损伤分析是结构健康监测和寿命预测的重要手段。它主要通过对结构进行无 损检测、性能测试和安全性评估等方式，判断结构的损伤位置、程度和性质，为 结构的维护和修复提供依据。在损伤分析过程中，需要综合考虑材料的性能退化、 环境因素和荷载等因素对结构的影响。
案例分析——大型桥梁工程的多 尺度模拟与损伤分析
在土木工程中，结构的多尺度力学则如何将材料的微观特性转化为结构的宏 观性能。这涉及到从材料的性能到构件的性能，再到整体结构性能的转换。在这 个过程中，多尺度模拟方法可以帮助我们理解和预测结构的响应，如应力和变形， 以及在各种环境条件下的行为。
损伤分析在大型土木结构的模拟和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计中具有重要的作用。损伤是指结构在 使用过程中出现的任何形式的物理或化学变化，这些变化会影响结构的性能和安 全性。通过多尺度模拟方法，我们可以预测结构的损伤行为，包括损伤的发生、 发展和扩展，从而为结构的优化设计和安全使用提供依据。
在结构多尺度方面，采用了有限元方法和离散元方法对桥梁进行了整体建模， 并考虑了不同尺度之间的相互作用和影响。例如，在细观层次上，对钢材的应力 -应变关系进行建模，并将其应用到宏观有限元模型中；在宏观层次上，对桥梁 的振动和稳定性进行计算，同时考虑了关键部位的细观应力和变形；在介观层次 上，对关键部位的断裂过程进行模拟，并将其结果反馈到宏观模型中。
聚焦结构、界面与多尺度问题,开辟化学工程的新里程
１ 前 言
化 学工程作为一个学科 已有近 百年 的发展 史，它对 化 学工 业的发展起 了巨大 的推动作 用，而化 学工业 的发 展 也对化学工程学科不 断提 出新挑 战和 新课题 ，促进 了
质量 的传 递角度 （ 三传） 研究化 学工业生产 中的物理变化
过 程 ［ ， 钔 ，．
动量 的传递是所有流 动过程 的物理基础 ， 量 的传 质 递是所有传质分离 与反应 过程 的物理基础 ，热量的传递
是所有传热 、换热 过程 的物 理基础 ．
化学工程 学科 的发展．目前化学 工程 的服务对 象 已由化 学工业扩展到 冶金 、材料、能源 、环境、生物 等诸 多进
行物质 转化 的过程工 业． 化学工程 学科本 身也在 不断扩 大其科 学内涵 ，向着更广泛 的研 究物质在化 学、物理 和 生物转化过程 中的运 动、 传递和 反应及 其相互 关系为科 学 内涵 的过程工程 学科 转移．目前我 国过程 工业的产 值 约 占工业总产值 的 １ 、工业 总税 收的 １ ， 见化 学工 ／ ２ ／ 可 ３ 程学科 的发展 不仅具有重要 的科 学意义 ，而且 对国民经
维普资讯
第 ６卷 第 ６期 ２０ ０ ６年 １ 月 ２
过 程 工 程 学 报
Ｔｈ ｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｆ ｒ ｃ ｓ ｇ ｎ ｅ ｎ ｅ Ｃ ｉ ｅ ｅＪ ｕ ｎ ｌ ｏ ｅ ｓ ｏＰ Ｅｎ ｉ ｅ ｆ ｇ ｉ
、０ ． ６ ，１ Ｎ０． ６ Ｄｅ ． ００ ｃ２ ６
上至宏 观尺度 设备与工厂 的系统集成． 化学工程的服务对象也 由化学工业扩展到冶金 、材 料、能源 、环 境、生物等诸 多进行物质 转化 的过 程工 业．目前化工科技界正在呼吁寻求继第一里程单元操作 、 二里程传递过程和化学 反应工程 第 之 后的第三 里程 ． 学工程 中以往惯用的忽视非均匀多尺度 结构和界面存在 的平均方法是造 成预测偏差和调 控、放大 化 困难的主要 原因． 须关注 结构、界面和多尺度 问题 ，研 究多尺度 结构、界面 的量 化预测理论和优 化调 控方 法 ，建立 必 多尺度 结构、界面与 “ 三传 一反 ”的关 系模型 ，与当代先进的计算方法 、计算流体力学和计算机模拟 相结合 ，有望解 决化工过程与设备 的优化调控与放大 的难题 ，成 为化 学工程发展 的新里程． 关键词 ：结构 ：界 面；多尺度 ：流动 ；传递 ：化学 反应 ；化学工程 中图分类号 ：Ｔ ２ Ｑ０ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ — ０ Ｘ（０ ６０ — ９ １ ０ ０ ９ ６ ６ ２ ０ ）６ ０ ９ — ６
化工过程开发4开发放大方法课件
经验放大中的理论分析
对别人的应用条件及机理进行理论分析，实地应用 考察 与本过程的异同比较、分析与计算 多方案比较，选优 多级过程放大试验
例： K2CrO4加氢还原制Cr2O3的反应器工程放大
充分利用钨钼合金厂的生产经验与技术积累，多方案 比较，租用生产厂的设备进行工艺试验 先不追求先进性，而追求可靠性
升温
反应
降温
计算反应热 计算物料的
ΔHr
比热容cp
（4）测定反应釜筒体的总传热系数
在间歇反应过程中，反应放热量是不均匀的，在进行反 应釜设计时，应以最大热负荷来计算传热面积。因此， 测定也应在反应放热量大的阶段进行。本例以 15:50~16:50时段反应掉的主反应物量最多，故应以该时 段为基准进行计算。
简化
数学描述
实际过程
物理模型
数学模型
经验关联 建立反应过程数学模型的三种途径
反应器模型的实际建立程序
实验室试验 化学模型 物理模型
小型试验
中间试验 工厂设计
过程放大的理论基础与应用技巧
过程设备与系统放大效应以及非线性特征
过程工程与设备的种类繁多、千变万化。包 括物理过程、化学过程、生物过程。
化学反应设备
10:15 40.60
37.5
21.9
22.4
166.97 32.6 33.0
… … …
… …
… …
…
（3）测定物料的热化学性质
将159kg物料投入搪瓷反应釜中，开始在夹套内通入热水 加热升温（14:00~14:45）。然后在夹套内通入冷水控制 釜内温度在60～65℃范围内反应（14:45~20:50），每小 时取样分析主反应物的量(mol)。最后在夹套内通入冷水 将釜内物料降温后（20:50~21:30）出料。
从多尺度到介尺度———复杂化工过程模拟的新挑战
如图 ２ 所 示 ， 类 似 的 多 层 次 、 多 尺 度 结 构 同 样 存 在 。 正是这种相对性使此项研究具有深刻而普遍的 科学意义 。 为了解释复杂系统的机理 ， 近几十年来 耗散结构 、 相变和协同等理论不断涌现 。 虽然它们 与彻底揭示这些机理还有相当大的距离 ， 但它们跨 学科 、 跨领域的特征已非常明显 ， 介尺度结构的研 究正是处在这种跨越的结合点上 。 从应用层面 来 说，目 前 人 类 社 会 面 临 的 诸 多 挑战需要迅速建 立 系 统、高 效、经 济、可 再 生 的 能源和资源利用新模式，但目前 主 流 的 研 发 模 式 仍然是从经验出发提出试探性 的 工 艺 路 线、设 备 结构和材料组成，然后通过实验 和 计 算 推 测 其 性 能，逐步试凑、改进 来 接 近 预 定 的 设 计 目 标。这 样做费用高、周期 长、效 果 差，无 法 应 对 这 些 挑 战。能够反过来按照性能与功能 要 求 设 计 材 料 或 设备的组成与结构将是根本的 解 决 之 道，也 是 化 工和其他工程技术界多年来的 目 标。但 是 正 如 图 １所阐释的， 从 决 定 产 品 性 能 的 微 观 结 构 到 现 代 工业装置，巨大的尺度跨越使介 尺 度 结 构 与 行 为 的定量描述与调控成为材料制 备、工 艺 开 发 和 装 备优化放大的核心问题。
：２ 犲 犮 犲 犻 狏 犲 犱犱 犪 狋 犲 ０ １ ０－０ ５－１ ９ ． 犚 ：Ｐ ，ｗ 犆 狅 狉 狉 犲 狊 狅 狀 犱 犻 狀 狌 狋 犺 狅 狉 ｒ ｏ ｆ ．Ｇ ＥＷ ｅ ｉ ｅ ｏ ｍ ｅ ． ｉ ｅ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ＠ｈ ｇ ｐ 狆 犵犪 犉 狅 狌 狀 犱 犪 狋 犻 狅 狀犻 狋 犲 犿： ｓ ｕ ｏ ｒ ｔ ｅ ｄ ｂ ｈ ｅ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｆ Ｆ ｉ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｐ ｐ ｙ ｔ ｙ ｏ （ ） ， Ｚ Ｄ Ｙ Ｚ ２ ０ ０ ８ ２ ｔ ｈ ｅＮ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｌ ｌ ａ ｒＰ ｒ ｏ ｒ ａ ｍ ｇ ｙＰ ｇ （ ） ， ２ ０ ０ ８ Ｂ Ａ Ｆ ３ ３ Ｂ ０ １ ｔ ｈ ｅＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅＡ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ（ Ｋ Ｇ Ｃ Ｘ ２ ＹＷ ｙｏ １ ２ ４） ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ Ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ， 刘新华 ， 任 瑛 ， 徐 骥 ， 李静海
探讨化学工程中的结构问题
探讨化学工程中的结构问题1 结构的定义及其时空多尺度特征“结构”在《辞源》中有如下定义:1)连接构架;2)物体构造的式样;3)诗文书画各部分的组织与布局。
结构具有多尺度和随时空变化的特征。
如太阳系由太阳、地球、月亮等不同尺度的星体构成,它们在万有引力的相互作用下处于有序而不停的运动之中。
又如一棵树由不同尺度的树干、树枝和树梢组成,相互依分数维的规律连接形成一个有机整体。
化学工程同样具有多层次、多尺度并随时空变化的结构,一般可分为从分子到颗粒的小尺度区、从颗粒到单元设备的中尺度区和从单元设备到系统流程的大尺度区。
各区中均有各自不同的结构。
小尺度区中的结构,如超分子和离子液体结构。
2 多相流结构的预测结构需要若干参数来定量表达,以工业快速流化床提升管中的流动结构为例,需要 8 个参数来描述,分别为密相表观气速、密相颗粒表观速度、聚团平均直径、密相空隙率、密相体积分率、稀相表观气速、稀相颗粒表观速度、稀相空隙率。
李静海、郭慕孙在研究快速流态化床的局部结构时,提出了能量最小多尺度作用模型。
(Energy-Minimization Multi-Scale Model,EMMS)。
该模型认为在快速床中流体用于颗粒的悬浮输送能最小,并以此作为系统的稳定性条件,与稀密两相的动量守恒方程、等压降方程、气固两相的质量守恒方程、聚团尺寸方程一起求解,成功预测了反映快速床局部结构的 8 个参数。
借鉴 EMMS 模型的方法,结合研究不同床型、内构件、外力场对多相流动的影响规律,可望建立各种类型流态化床结构参数的预测模型。
3 结构—性能关系众所周知,物质的分子结构与其热力学特性密切相关;材料的微观结构、介观结构与其宏观的物化和力学性能密切相关,如金刚石与石墨同样都是由碳元素组成的物质,由于碳原子排列的方式不同,金刚石坚硬无比,而石墨则非常柔软。
同理,以尺度大小不同、空间分布不均的气泡、液滴、颗粒、聚团组成的化工多相流的局部结构与其流动、传递、反应行为密切相关。
多尺度模型在化学反应研究中的应用
多尺度模型在化学反应研究中的应用化学反应是化学学科的核心内容之一，其研究涉及到许多领域，如化学动力学、材料科学、环境科学等。
在化学反应研究中，多尺度模型是一种有效的研究手段，其应用范围广泛，可用于从分子水平到宏观水平的各种系统。
一、多尺度模型的概念多尺度模型是指在不同时间或空间尺度下，采用不同的数学模型来描述同一个系统的行为。
这种模型可以有效地将不同尺度下的信息进行整合，并对系统的动态行为进行预测和解释。
在化学反应研究中，常用的多尺度模型包括从电子结构计算到分子动力学模拟的多级别计算方法，以及从分子级到宏观级的多尺度耦合模型。
二、多尺度模型在化学反应动力学中的应用化学反应动力学是研究化学反应速率和反应机理的一门学科。
在化学反应动力学研究中，多尺度模型可以用来解释反应的动态行为，预测反应速率和反应物转化率等。
其中，从电子结构计算到分子动力学模拟的多级别计算方法是应用最为广泛的一种多尺度模型。
以分子动力学模拟为例，可以将反应物分子在分子水平上进行模拟，通过对分子间相互作用力的描述，来预测反应物分子间的碰撞和反应发生的概率。
此外，可进一步拓展到反应物分子和溶液中的其他分子之间相互作用的模拟。
在这些模拟中，通常需要采用量子化学计算方法来获取反应物分子的电荷和势能面等信息，以便进行更为准确的模拟和分析。
三、多尺度模型在材料科学中的应用材料科学是研究材料组成、结构、性能和制备等基础科学和工程技术的交叉学科。
在材料科学研究中，多尺度模型可以用来解释材料的复杂行为，预测材料的性能和寿命等。
例如，在纳米材料研究中，可以采用分子动力学模拟和从分子级到宏观级的多尺度耦合模型等方法，来研究纳米材料的热力学性质、力学性质、熔点等。
在这些模拟中，需要考虑纳米材料的表面效应、尺寸效应和量子效应等因素，以便准确地预测材料的性质和行为。
四、多尺度模型在环境科学中的应用环境科学是研究人类与环境相互作用及其环境效应的一门学科。
在环境科学研究中，多尺度模型可以用来解释环境污染的来源、转化和传递过程，预测环境污染的影响和危害。
从多尺度到介尺度——复杂化工过程模拟的新挑战
万方数据化工学报第６１卷阳能和生物质能等可再生能源技术以及节能减排和Ｃ０：捕集、储存等技术成为化学工程和相关学科研究的一个焦点。
为了应对这些问题，不但需要考虑单一的设备与过程，更需要考虑产品的整个生命周期及其与其他产品的关系。
因此，时空多尺度结构和复杂系统更多地引起了这些学科的关注，而介于单元与系统整体间的介尺度行为可以说是其中最关键的环节。
１介尺度蕴含着复杂体系的共性基础问题目前化工和很多其他学科中的瓶颈问题具有共同的本质。
例如，人们能够测定很多材料的宏观性能（如应力应变关系）以及微观的分子结构，但很难为特定的性能设计相应的材料组成和制备工艺，因为这些分子和原子会在不同条件下形成复杂而多变的多尺度结构，从而产生截然不同的性能。
聚乙烯材料在结晶状态下能达到类似金属的强度，而如果以无规微团聚集，仅能用作一般的包装材料。
又如，一般能描述工业设备的总体操作特性，也清楚其工作原理和微元过程，但很难从理论上优化这些设备的性能，因为设备中的工质或构件的运动、传递和反应过程也具有多尺度的复杂行为。
再如，蛋白质的三维结构和氨基酸序列可以精确测定，却难以描述其折叠过程。
类似的问题还能举出很多，但都可以概括为［１］：复杂系统大多表现出不同的层次，而每个层次中又有多尺度的结构。
尽管不同层次的多尺度结构不同，但都有一个共同属性，即每个层次的边界尺度上系统的行为相对简单，易于表征、分析；而在它们之间的尺度上，系统行为大多非常复杂，还缺乏成熟理论描述，这些尺度称为介尺度。
介尺度普遍存在而且不同系统在不同层次上的介尺度行为的共性本质已逐步体现。
值得注意的是，介尺度并非一个具体的时空尺度，而是～个相对的概念，在不同问题中对应于不同的特征尺度。
但不同问题中的介尺度行为却有共性的本质，并且往往是解决该问题的瓶颈所在。
以化工过程为例，如图ｌ所示［１］，介尺度问题既出现在介于原子、分子和整个催化剂颗粒之间的表界面和内孑Ｌ尺度，也出现在介于单颗粒和反应器整体间的聚团和气泡尺度，还出现在介于设备和生态园区间的工厂尺度，而这些尺度上都呈现典型的复杂性。
小波分析在化工过程时空多尺度问题上的应用研究
空间 问题 ．
２ 化工过程 中的时空 多尺度 问题
传统的化学工程技术从实验室到工业化生产往往要经历一个很 长的阶段， 中一个蘑要原因就是对其 其 中时空多尺度结构的形成和变化规律的认识还不是十分清楚， 因为以前对 问题的认识多属于对宏观现象认 识 而对其动态的随时窄变化的多尺度结构的特征的认识不是很深入， 在近代科学 与技术的快速发展推动 ｝ 化 学工 技 术 在学 术 内蠲 －ｌｆ 目标 上正 发 生着 深刻 的变 化 ， 中 ， 化 ＝过程 中时 多尺度 结构 的 认 、 ． ． ，ｔ 究 ｌｉ －Ｊ ｒ 其 对 Ｉ ：
中 图分 类号 ： Ｑ ０ １ Ｔ ２ 文 献标 识 码 Ａ 文 章 编 号 ：６ ２— １７ ２ ０ ）２— ０ ４～ ５ １ ７ ７７ （０ ６ ０ ０ ４ ０
１ 前言
多 尺 度 系 统 理 论（ ｈｓａ ｙｔｍ ｔｅｒ， Ｓ ） 由 ＭＩ ｍｕ ｉ ｌ ｓｓ ｏｙ Ｍ Ｔ 是 ｃｅ ｅ ｈ Ｔ的 Ｗｉｓｙ教 授 、 国数 学 家 Ｂ ｎｅｓ ｔ ｌｋ ｌ 法 ｅｖｎｉｅ和 ｓ Ｎｋｕ ｈｈ １９ 年 １ 月第 ２ 届 ＩＥ 控制与决策会 ｃ上 首次提出的…． ｉ ｋａ 在 ９０ ｏ ２ ９ ＥＥ 义 在化工生产过程中， 许多现象或 过程都具有时空多尺度特征或多尺度效应 ， 同时， 人们对化工过程的观察及测量也是在不同尺度（ 分辨级） 上进行 的． 因此， 用多尺度系统理论来描述 、 分析这些现象与过程具有现实意义， 它能很好地表 明这些现象 或者过程的本质特征． 在解决化工过程实际问题 时， 多尺度方法具有思路清晰、 简洁 、 计算复杂性低等优点 … Ｗｉｓｖ ｌｋ 等人在随机信号多尺度建模 ， ｌ 多尺度信息线性逆问题求解方面做 了很多开创性 的工作， 他们 用小波变换将 多尺度动态模型转换成一组简单解耦动态模型， 得到 了一种有效的、 尺度递归的、 基于不同尺 度噪声数据融合的最优估计算法㈨． 在化工生产过程 中， 如何将不同特性传感器所获取的观测结果在不同尺 度上进行描述 、 分解与综合无疑是非常必要的． 本文尝试利用小 波变换技术将实际空问的问题转换成尺度
多尺度传递过程的研究进展
存档日期：存档编号: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23 日专业：化学工程与技术学号：2012200028姓名：王冰洁成绩：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿多尺度传递过程的研究进展摘要：近些年来，化学家们开始关注多尺度现象，而在更广泛的意义上是关注一门新学科—多尺度科学。
本文分析了传递过程中的多尺度现象，讨论了多尺度研究的几个主要内容和方法并分析了它们的特点。
多尺度科学应作为一门独立的科学来对待，多尺度现象将是21世纪科学家们面临的最大挑战。
关键词：多尺度、传递过程、研究进展Progress in Multi-scale transfer processAbstract：In recent years, chemists have started to pay attention to the phenomenon of multi-scale,the broader sense is concerned about a new subject - Multiscale Science. This paper analyzes the multi-scale phenomena in the transfer process, and discusses several major content and method of multi-scale research and analysis of their characteristics. The multi-scale science should be treated as an independent scientific. The multiscale phenomenon will be the biggest challenge faced by the scientists of the 21st century.Keyword：Multi-scale、transfer process、progress1 引言多尺度科学[l]是一门研究不同空间尺度或时间尺度相互耦合现象的跨学科科学，是复杂系统的重要分支之一，具有丰富的科学内涵和研究价值。
多尺度讲稿.ppt
1.2 时空多尺度
时空多尺度结构存在的哲学基础 ——自然界的一种客观存在
• 天地四方谓之宇，古往今来谓之宙； • 空间和时间是自然界存在的基础； • 任何现象都是在时空坐标系中展开； • 时空多尺度结构是客观物质世界层次性的表现。
时空多尺度结构理论
过程工程学的学识基础的形成包括对有关工艺的不断 归纳以及其它科技领域的不断引进。三传来自诸多工艺操 作的两极归纳。反应工程来自三传和反应的总和，可以认 为三传引进了反应或反应引进了三传，反应工程的特征并 非三传和反应的简单加和。有关过程工程的学识知识还将 按这一模式发展，不断大量引进其他领域的知识，这种结 合可称为无缝的交接过程。这样的发展将带来新的领域和 方法的出现，多尺度方法是近年来过程工程业发展的前沿。 有人称为是“单元操作”和“三传一反”以来的第三个里 程碑。
炼钢高效化进程中的 时空多尺度结构及其效应
李士琦 刘明忠 王训富
北京科技大学 2005.11.9
主要内容
1.化学工程学与冶金科学的发展 2.工程背景——新兴铸管炼钢高效化进程 3.微观尺度结构的研究 4.介观尺度结构的研究 5.单元操作尺度结构的研究 6.装备级尺度结构的研究 7.结论
1 概论
1.1化学工程学与冶金科学的发展
20世纪60年代起，世界冶金工业也取得了很大的发展， 正是在这个日新月异的技术革新浪潮中，冶金反应工程学 应运而生。日本名古屋大学的鞭岩教授把化学反应工程学 研究方法和手段应用于冶金领域，在1972年出版的专著首 先使用了冶金反应工程学的学科名称。在此前后， J.Szekely、G.H.Geiger、孙鸿庸及濑川清等出版了有关 专著，1969年后召开了多次冶金过程数学模型国际学术会 议，我国冶金工作者曲英教授以及萧泽强、魏季和、李士 琦等教授对冶金反应工程学的发展也做了重要的贡献。30 多年来，以冶金反应器及冶金过程数学模型为核心的冶金 反应工程学得到了前所未有的发展。
化学工业多尺度融合的智能制造模式——互联化工
化工进展CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2020年第39卷第8期开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：化学工业多尺度融合的智能制造模式——互联化工吉旭1，2，党亚固1，2，周利1，2，戴一阳1，2（1四川大学化学工程学院，四川成都610065；2四川大学互联化工研究中心，四川成都610207）摘要：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。
关键词：多尺度；智能制造；互联化工；系统工程中图分类号：TQ086文献标志码：A文章编号：1000-6613（2020）08-2927-10Interconnected chemical engineering:an intelligent manufacture mode ofchemical industry emphasizing the integration of multiscaleJI Xu 1，2，DANG Yagu 1，2，ZHOU Li 1，2，DAI Yiyang 1，2(1School of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,Sichuan,China;2Research Center forInterConnected Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610207,Sichuan,China)Abstract:The manufacture of chemical products is realized through the controlled conversion and transfer of mass and energy in chemical processes with diversity features,such as polyphasic,nonlinear,non-equilibrium,multi-scale and multi-spatial etc .The key of the development of intelligent manufacturing in the chemical industry is to achieve the interconnection between the involved subsystems and high process efficiency under multi-scale conditions.On the one hand,the understanding and regulation of the multi-scale interconnection mechanism of chemical processes is crucial for the safe and reliable operation of chemical systems.On the other hand,the realization of the interconnection,integration and collaboration between the subsystems at multiple scales in the chemical processes is the way for the green development of the chemical industry.Therefore,this work proposed an intelligent manufacturing mode for multi-scale integration in the chemical industry,which was identified as interconnected chemical engineering.In this paper,the concept,objectives,features and technical framework of interconnected chemical engineering were provided.The key technologies of interconnected chemical engineering were discussed.They included multi-level cyber-physical systems in the chemical industry,cloud manufacturing,the secure technologies of product lifecycle management,the model of综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1835收稿日期：2019-11-18；修改稿日期：2020-02-18。
双层搅拌气液反应器的CFD模拟
双层搅拌气液反应器的CFD模拟王嘉骏*，冯连芳，顾雪萍，杨富军（浙江大学化学工程与生物工程系 聚合反应工程国家重点实验室，浙江杭州 310027）摘要：气液分散过程在工业中广泛应用，目前对多层叶轮在气液分散过程中应用的数值模拟研究很少。
首先应用流体力学软件FLUENT对搅拌槽内双层搅拌桨（提升式斜叶涡轮PTU和圆盘式涡轮DT）的单相流场进行了模拟，并与激光多普勒测速仪LDV测试结果进行了比较。
进一步对气液两相流进行三维CFD非稳态模拟，研究了带气体分布器的两层搅拌桨组合在不同转速和气速条件下的速度场和气含率分布等。
实验结果表明，底部提升式斜叶涡轮PTU和圆盘式涡轮DT可形成较强的气体再循环流，从而提高气含率。
模拟过程采用双流体模型和标准k－ε湍流模型，并采用滑移网格方法来处理搅拌器和挡板的相对移动。
最后分别采用两种曳力系数模型，考察气液间曳力对气液动力学的影响。
关键词：搅拌反应器 气体分散 CFD 混合 双流体模型引言由于搅拌反应器在工业中的广泛应用，近三十年来，对搅拌槽内气一液两相分散特性已得到了广泛研究。
目前已发表的文献中对两层桨的气－液分散特性的研究，多数仍是采用传统的六叶圆盘涡轮桨进行的，由于该桨型具有明显的分区特征，对于全槽的轴向混合极为不利[1]。
而对实际工业过程所需的由不同桨型构成的多层组合桨的气液分散特性研究较少。
另外，目前的大量研究仍局限于实验研究多层桨搅拌釜的混合时间、搅拌功率以及传热系数和气液分散等宏观现象，而对其数值模拟的微观研究还比较少。
采用计算流体力学方法CFD研究搅拌反应器内的流动场已经取得了很大进展，国内外对搅拌器的数值模拟方面已经做了不少的研究工作，但对搅拌反应器内多相体系的CFD模拟研究还很缺乏[2,3]。
本文应用LDV对多层搅拌桨的单相流场进行了测量，然后采用CFD方法对单相体系和气液两相体系进行模拟，与实验结果进行了比较，并分析了不同气液曳力模型的模拟效果。
化学反应机理的多尺度模拟研究
化学反应机理的多尺度模拟研究化学反应机理的研究对于推动新材料、新药物、新能源等的发展具有重要意义。
尽管传统的实验方法可以获得反应的一些信息，但是面对高复杂度的系统，实验单靠自己也很难得出足够的准确结果。
因此，开发出多尺度模拟方法，可以从微观到宏观设备层面，以逐层递进的方式，加深我们对反应机理的理解。
1. 分子动力学模拟分子动力学模拟是一种常用的分子尺度模拟方法，它能够模拟分子在真实时间下的运动轨迹，并且预测化学反应发生的位置和状态等。
首先，在该方法中，采取经典力学原理的牛顿运动方程来计算粒子的位置、速度和加速度。
对于分子在复杂液体环境下的模拟，分子动力学模拟提供了有力的工具。
在反应介质的选择时，有机溶剂、离子液体、电解质溶液及水等也会影响反应过程中离子间的相互作用与输运。
这时，在分子动力学模拟中采用合适的介质可以更加准确地模拟反应过程。
而且通过分子动力学模拟，可根据分子的状态变化模拟出反应路径、热力学性质等，将其作为推导出化学反应机理的基础。
2. 多晶/宏观尺度的模拟分子动力学模拟的时间尺度较小，只适合于许多方式进行的简单反应。
对于复杂的多组分反应，并且随着体积的增大，由于空间、物质、热力学和动力学效应的考虑，需要借助多晶或宏观尺度的模拟。
因为多晶或宏观尺度的反应过程受到空间的限制和这些空间内活性中心的分布不均等因素的影响，因此需要在模拟过程中，考虑取样的尺度和精度，并确定因素之间之间的相互作用。
例如，当反应发生在载体上时，需要更多的注意载体的结构和化学性质；而当反应依赖于电子转移时，则需要注意电荷分布，静电相互作用和空间取向的密切相关性。
3. 大规模、动态三维斯托克斯流体动力学(CFD)模拟CFD模拟基于动态三维流体力学(FLUENT)分析，针对化工过程和反应器情形、建立大规模的CFD模型。
立体化CFD模拟是复杂和非线性流体力学计算软件的运用，允许对物质和动量传递、反应、传热和质量传递进行完整的研究。
化工行业中的多尺度模拟技术在工艺优化中的应用
化工行业中的多尺度模拟技术在工艺优化中的应用多尺度模拟技术在化工行业的工艺优化中具有重要的应用价值。
化工行业在生产过程中面临着众多的挑战，包括复杂的反应动力学、多相流传输、传热与传质等问题。
通过多尺度模拟技术，可以对这些问题进行深入研究，优化工艺流程，提高生产效率和产品质量。
多尺度模拟技术是将不同尺度的模型和方法结合起来，从宏观到微观，从大尺度到小尺度，全面观察和分析化工过程中的各种现象。
它主要包括分子模拟、介观模拟和连续介质模拟等不同的层级模型。
首先，分子模拟是利用分子动力学和蒙特卡洛等方法，研究化学反应、材料性质和介观结构等问题。
通过分子模拟，可以获得精细的分子层面的信息，了解化学反应的机理和动力学过程。
在工艺优化中，可以利用分子模拟技术设计新的催化剂，优化反应条件，提高反应效率和选择性。
其次，介观模拟是研究介于分子和连续介质之间的尺度范围内的物理过程。
通过介观模拟，可以模拟复杂的多相流传输、相分离和相互作用等问题。
在化工行业中，多相反应和传递过程是常见的，通过介观模拟可以对多相反应器进行优化设计，改善传质过程，提高反应效率。
最后，连续介质模拟是在大尺度范围内对流体流动、传热和传质等过程进行模拟。
它基于流体力学和传热传质理论，可以模拟流体在管道、反应器等设备中的流动行为，并预测压降、传热强度和传质速率等参数。
在工艺优化中，连续介质模拟可以帮助优化设备结构和参数配置，提高能源利用效率和生产效率。
通过将这些不同尺度的模型和方法结合起来，可以形成一种多尺度的模拟技术，可以更全面地理解和优化化工过程。
多尺度模拟技术的应用主要包括催化剂设计、反应器优化、流体流动和传质过程的优化等。
在催化剂设计中，多尺度模拟技术可以揭示催化剂的结构和活性位点，为合成高效的催化剂提供指导。
通过模拟催化剂与反应物的相互作用，可以优化反应条件，提高反应选择性，降低副反应的发生率。
在反应器优化中，多尺度模拟技术可以帮助改进反应器结构和运行参数。
化工过程中的多尺度效应
化工过程中的多尺度效应
魏玉萍;国海光;刘化章
【期刊名称】《浙江化工》
【年(卷),期】2002(033)004
【摘要】以煤的清洁燃烧为例说明了多尺度效应是多数化工过程的内在特征,利用多尺度分析和能量最小化原理,建立了流化床反应器颗粒流体的分布数学模型,给出了模型求解过程,该模型可以解析求解,也可以数值求解.
【总页数】4页(P1-4)
【作者】魏玉萍;国海光;刘化章
【作者单位】浙江工业大学催化研究所,浙江省多相催化重点实验室,杭州,310014;浙江工业大学催化研究所,浙江省多相催化重点实验室,杭州,310014;浙江工业大学催化研究所,浙江省多相催化重点实验室,杭州,310014
【正文语种】中文
【中图分类】TQ0
【相关文献】
1.催化裂化过程中骨架异构化反应的研究Ⅰ.催化裂化工艺过程中骨架异构化反应的表征及其特点 [J], 高永灿
2.催化裂化过程中骨架异构化反应的研究Ⅱ.催化裂化工艺过程中操作参数对骨架异构化反应的影响 [J], 高永灿;张久顺
3.有机废气催化燃烧过程中多尺度效应和催化剂设计 [J], 芮泽宝;纪红兵
4.超薄板料微弯曲成形过程中尺度效应的数值研究 [J], 李雷;谢水生;黄国杰;杨浩
强
5.金属微成形过程中微尺度效应与相似评估 [J], 雷鹍;张凯锋
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冶金过程中的时空多尺度结构及其效应
冶金过程中的时空多尺度结构及其效应
刘明忠;王训富;李士琦
【期刊名称】《钢铁研究学报》
【年(卷),期】2005(17)1
【摘要】时空多尺度结构是众多物质转化过程的共同特征,冶金过程是一类典型的关于物质转化的过程工业。
笔者以炼钢为例,说明冶金过程中存在着多尺度结构,简要地介绍了时空多尺度概念以及它在冶金领域的应用前景。
【总页数】4页(P10-13)
【关键词】时空多尺度;过程工业;冶金过程
【作者】刘明忠;王训富;李士琦
【作者单位】北京科技大学冶金与生态工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TF01
【相关文献】
1.基于冶金过程中的炼钢洁净度控制的时空多尺度结构探究 [J], 单伟
2.单晶铜纳米加工过程中热效应及缺陷结构的原子尺度模拟 [J], 郭永博;梁迎春
3.冶金过程中炼钢洁净度控制的时空多尺度结构 [J], 林腾昌;朱荣
4.化学工程的发展趋势——认识时空多尺度结构及其效应 [J], 孙宏伟
5.单晶铜纳米加工过程中热效应及缺陷结构的原子尺度模拟 [J], 郭永博;梁迎春;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
化工过程中不同尺度的强化手段
举例分析化工过程中由于尺度变化所带来的研究方法及表征手段的巨大变化，说明不同尺度下过程强化的差别。
物质转化的基本层次是原子和分子，但实现物质转化却要涉及到从原子、分子到大规模工业装置乃至整个工厂，甚至涉及到大气、河流等环境因素的不同尺度的化学和物理过程。
对于一个化工过程起控制作用的机制一般在某些特征尺度发挥作用，这些特征尺度由小到大可以划分为：（1）纳米、微米尺度。
分子的自组装、自复制，形成聚集体。
在这一尺度上的粒子表现出一些特别的物理化学性质，在此尺度上，分子间的作用力起了重要作用。
随着纳米技术和微化工系统的兴起，人们认识到这一尺度上的结构更加复杂。
如小尺度通道中由于表面张力作用形成的各种微结构，在微小空间中物态和热力学性质的改变，材料的构象和表面改性对性质的影响等。
在这一尺度，传统的理论和知识已不再完全适用，这一方面为化学工程提出了新的挑战，一方面也为一些高技术产业的发展提供了机遇（如微电子、功能材料等），如微换热系统中的换热系数是常规系统中的几个数量级。
因此，研究纳、微尺度结构及其变化规律是认识在该尺度上可能产生奇异现象的关键。
（2）单颗粒、气泡和液滴尺度。
是非均相反应的一个重要的基本尺度，在此尺度下，分子扩散、物质对流对反应过程起着决定性的影响。
化学反应则发生在颗粒的表面，传递往往会成为控制反应过程的重要因素。
例如以3CaCO 作为脱硫剂的煤的清洁燃烧过程中。
在880℃时，石灰石分解为CaO 和2CO ，在氧化气氛下，CaO 与烟气中的2SO 发生反应。
尽可能地提高脱硫剂颗粒内部的多孔结构，可以显著降低/Ca S 比。
（3）颗粒聚团（气泡合并、液滴聚集）。
在各种各样的多相反应系统中，不同的“相”会分别聚集，形成非常复杂的自组织结构。
这种结构对反应和传递性能影响很大，如分散状态和聚集状态相比，在所有条件相同的情况下，传递和反应性能差别很大。
因聚团结构而对反应性能有影响，并且该影响可对过程起强化作用的例子，如前面提到的脱硫过程，在持续氧化条件下，反应开始，就会在CaO 表面生成一层致密的4CaSO 薄层，阻止了2SO 扩散到颗粒内部与CaO 发生反应。
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“化工过程中的时空多尺度结构及其效应”
重大项目研究队伍组成及经费分配方案
根据“化工过程中的时空多尺度结构及其效应”重大项目函评专家函评，专家组听取申请人汇报后进行会评的意见和建议，以及11月8日重大项目协调会上九位课题负责人，五位主要参加人汇报以及与基金委和中石油领导一起民意测评的结果，经重大项目学术领导小组研究决定，国家基金委计划局批准，现将“化工过程中的时空多尺度结构及其效应”重大项目研究队伍的组成及经费分配方案公布如下：
一、重大项目的研究队伍的组成
经专家组会评和学术领导小组研究决定，李静海院士、徐春明教授等9人入选为重大项目各课题负责人。
指定李静海院士担任整个项目的负责人，徐春明教授协助。
同时决定将刘会洲、鲍晓军、骆广生三人的研究小组并入李静海院士课题组；将杨朝合、陆慧林两人的研究小组并入徐春明教授的课题组。
二、重大项目经费分配方案
本项目总经费1560万，其中国家基金委出资800万，中石油出资760万。
预留300万（该经费由国家基金委拨款170万，中石油拨款130万）作为滚动资助及项目考核、检查的机动费；其余经费1260万分配如下：
1、李静海院士课题组：总经费300万，其中含李静海170万，刘会洲50万，骆广生40万，
鲍晓军40万。
该经费由国家基金委拨款150万，中石油拨款150万。
2、徐春明教授课题组：总经费220万，其中含徐春明140万，杨朝合40万；陆慧林40万。
该经费由国家基金委拨款110万，中石油拨款110万。
3、袁谓康院士课题组：总经费120万。
该经费由国家基金委拨款60万，中石油拨款60万。
4、刘昌俊教授课题组：总经费120万。
该经费由国家基金委拨款60万，中石油拨款60万。
5、陈光进教授课题组：总经费100万。
该经费由国家基金委拨款50万，中石油拨款50万。
6、毛在砂教授课题组：总经费100万。
该经费由国家基金委拨款50万，中石油拨款50万。
7、阳永荣教授课题组：总经费100万。
该经费由国家基金委拨款50万，中石油拨款50万。
8、陈光文教授课题组：总经费100万。
该经费由国家基金委拨款50万，中石油拨款50万。
9、陈标华教授课题组：总经费100万。
该经费由国家基金委拨款50万，中石油拨款50万。
合计：1260万。
请各课题组按照上述研究队伍组成及经费分配比例和协调会上学术领导小组以及项目负责人和各位专家的意见和建议，紧扣项目指南中的核心问题“时空多尺度结构及其效应”，尽快配合项目负责人李静海院士调整研究内容和预期目标，于11月20日之前向项目负责人提交各课题组的计划书，同时请项目负责人李静海院士于11月25日之前向国家基金委化学部化学工程处提交一份整个项目的计划书和九份各课题的计划书。
计划书请从基金委网上下载，如果下载和填写计划书有问题，请致电62317474 向信息中心咨询。
国家自然科学基金委化学科学部
2003－11－11。