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。
由于“单元操作”处理的都是物理过程，不考虑 化学反应工序，而化工过程又免不了要涉及化学反应。 到20世纪30年代，美国很多化工技术人员注意到这点。 1928年由P.H.Goggins建议提出“单元过程”(Unit Processes)的概念。实际上是参照“单元操作”的分 类方法，将工艺过程按化学反应分成磺化、水解、加 氢、硝化等不同的“单元过程” 。
Davis等先驱者正是从这里看到了过程工程学的 独特研究对象。在他的讲座和著作中，阐述了应用 化学、化学工艺和化学工程的区别，努力将工厂的 生产过程设计成一系列操作项目，如混合、蒸发、 过滤等。显然，由这些操作组成一个工厂的构想促 进了后来“单元操作”概念的产生。
Davis之后，麻省理工学院的L.M.Norton教授1888年 第一个承担了名为化学工程的课程。在工业化学方面后来 称为“单元操作” (Unit Operation)，这已显现出过程 工程学的刍形。真正把一系列物理操作明确定义为“单元 操作”的是曾任美国化学会会长和化学工程师协会会长的 A.D.Little博士，于1915年提出这一基本范畴，并首先阐 明了研究各种“单元操作”的基本原则，从而奠定了过程 工程学以后四十年的分类基础，也是过程工程学发展的第 一个里程碑。
过程工程学的建立是以1901年G.E.Davis出版《化 学工程手册》(A Handbook of Chemical Engineering) 为标志的，也有人说过程工程专业是1908年和美国化学 工程师协会同时诞生的。过程工程专业初创之际，把化 学工业按硫酸、制碱、合成氨等生产工艺进行分类，强 调具体工艺过程本身，不注意发现不同工艺之间的共同 特征。
化学反应工程
唯象分类是工程技术学科奠基的必要开端，探索 本质是过程工程学发展的必然趋势。
20世纪三十年代以后，过程工程学围绕着“单元 操作”和“单元过程”各自分头发展了相当一段时期 。“单元操作”方面，在实验的基础上建立了一系列 简单有效的模型。
无论是操作强化还是设计优化，都要涉及到过程 的方向和限度问题，这必然要求助于热力学。随着 1912年Haber-Bosch法合成氨工艺问世，化工过程又 向高温高压方向发展，经典热力学没有提供这方面的 现成资料和方法，就需要创立专门为化工服务的热力 学，作为过程工程学的理论基础。1939年H.C.Weber 写了第一本教科书，1944年，B.F.Dodge写了第一本 《化工热力学》。
冶金反应工程学
冶金过程物理化学的发展是从火法冶金，特别是从炼 钢热力学开始的。从20世纪20年代中期以来有了很大发展。 特别是国际冶金物理化学学术会议的定期召开，对本学科 的发展起了促进和推动的作用。1925年法拉第协会在英国 伦敦召开的炼钢物理化学学术讨论会，标志着冶金物理化 学的起步。1932~1934年间，德国冶金物理化学家申克 (Schenck)完成了世界上第一部冶金物理化学专著《钢铁 冶金物理化学导论》，这标志着冶金物理化学已发展成为 一门独立的学科。
20世纪40年代以后，对不同“单元操作”中的 基本过程进行更慎密的研究，发现这些操作都依赖 于质量、热量和动量的传递，这三种传递过程又都 属于“广义”速率过程。到50年代中期，统称之为 “三传”。于是便把过程工程学简称为“三传一 反”。“三传一反”也被称之为过程工程学发展的 第二个里程碑。
人们一般把召开欧洲第一次化学反应工程会议的 1957年视为化学反应工程的诞生年。此后，又多次举 行化学反应工程国际学术会议，出版会议论文集等， 反映了该学科的蓬勃发展。1962年Levenspiel的化学 反应过程学专著问世，此后各国学者的许多有关化学 反应工程学和反应器理论的专著陆续发表，标志着以 经验为主的化学工业已发展到有系统的工程理论指导 的阶段。
过程工业：过程工业(Process Industries)
是指原料经过一系列过程以改变其物理化学 性质为目的的加工、获得具有特定物理化学 性质产品的工业。包括冶金、化工、食品、 纺织、石油炼制等 ，可以分成连续、半连续、 间歇和离散操作四种类型。

单元操作：
过程工程学是研究化学工业和其它过程工业生产中 所进行的化学过程和物理过程的共同规律，主要以化学、 物理学和数学为理论基础。