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化學(xué)工程方面論文

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  化學(xué)工程是一門用來研究化學(xué)工業(yè)和其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)過程中所進(jìn)行的化學(xué)過程和物理過程以及所使用設(shè)備的設(shè)計、操作和優(yōu)化的工程學(xué)科。下文是學(xué)習(xí)啦小編為大家搜集整理的關(guān)于化學(xué)工程方面論文的內(nèi)容,歡迎大家閱讀參考!

  化學(xué)工程方面論文篇1

  探討化學(xué)工程中的結(jié)構(gòu)問題

  1 結(jié)構(gòu)的定義及其時空多尺度特征

  “結(jié)構(gòu)”在《辭源》中有如下定義:1)連接構(gòu)架;2)物體構(gòu)造的式樣;3)詩文書畫各部分的組織與布局。

  結(jié)構(gòu)具有多尺度和隨時空變化的特征。如太陽系由太陽、地球、月亮等不同尺度的星體構(gòu)成,它們在萬有引力的相互作用下處于有序而不停的運動之中。又如一棵樹由不同尺度的樹干、樹枝和樹梢組成,相互依分?jǐn)?shù)維的規(guī)律連接形成一個有機(jī)整體。化學(xué)工程同樣具有多層次、多尺度并隨時空變化的結(jié)構(gòu),一般可分為從分子到顆粒的小尺度區(qū)、從顆粒到單元設(shè)備的中尺度區(qū)和從單元設(shè)備到系統(tǒng)流程的大尺度區(qū)。各區(qū)中均有各自不同的結(jié)構(gòu)。小尺度區(qū)中的結(jié)構(gòu),如超分子和離子液體結(jié)構(gòu)。

  2 多相流結(jié)構(gòu)的預(yù)測

  結(jié)構(gòu)需要若干參數(shù)來定量表達(dá),以工業(yè)快速流化床提升管中的流動結(jié)構(gòu)為例,需要 8 個參數(shù)來描述,分別為密相表觀氣速、密相顆粒表觀速度、聚團(tuán)平均直徑、密相空隙率、密相體積分率、稀相表觀氣速、稀相顆粒表觀速度、稀相空隙率。李靜海、郭慕孫在研究快速流態(tài)化床的局部結(jié)構(gòu)時,提出了能量最小多尺度作用模型。

  (Energy-Minimization Multi-Scale Model,EMMS)。該模型認(rèn)為在快速床中流體用于顆粒的懸浮輸送能最小,并以此作為系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件,與稀密兩相的動量守恒方程、等壓降方程、氣固兩相的質(zhì)量守恒方程、聚團(tuán)尺寸方程一起求解,成功預(yù)測了反映快速床局部結(jié)構(gòu)的 8 個參數(shù)。借鑒 EMMS 模型的方法,結(jié)合研究不同床型、內(nèi)構(gòu)件、外力場對多相流動的影響規(guī)律,可望建立各種類型流態(tài)化床結(jié)構(gòu)參數(shù)的預(yù)測模型。

  3 結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系

  眾所周知,物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與其熱力學(xué)特性密切相關(guān);材料的微觀結(jié)構(gòu)、介觀結(jié)構(gòu)與其宏觀的物化和力學(xué)性能密切相關(guān),如金剛石與石墨同樣都是由碳元素組成的物質(zhì),由于碳原子排列的方式不同,金剛石堅硬無比,而石墨則非常柔軟。同理,以尺度大小不同、空間分布不均的氣泡、液滴、顆粒、聚團(tuán)組成的化工多相流的局部結(jié)構(gòu)與其流動、傳遞、反應(yīng)行為密切相關(guān)。

  圖 1 為離子液體的結(jié)構(gòu)圖。各離子之間通過氫鍵形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),因此具有較高的黏度。圖 2為微乳液中的膠團(tuán)(水包油)和反膠團(tuán)(油包水)的結(jié)構(gòu)示意圖,雖然其尺度微小,僅 10~100 nm,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。以反膠團(tuán)為例,其核心為自由水,核心周圍是結(jié)合水層,再往外為表面活性劑和助劑雙親分子層,最外是油相。該結(jié)構(gòu)與微乳液的萃取分離和反應(yīng)性能密切相關(guān)。圖 3 是由微觀像探頭(鏡頭直徑 3 mm)拍攝到的快速循環(huán)流化床中的局部結(jié)構(gòu)的照片,從中可見快速流化床中存在顆粒的聚集相(聚團(tuán))和顆粒的分散相(稀相)兩相結(jié)構(gòu),聚團(tuán)的形狀不規(guī)則,大小不相同,這種結(jié)構(gòu)對快速流化床中的傳遞與反應(yīng)具有直接的影響。圖 4 是納微顆粒鼓泡流化床層流化時和斷氣塌落后的照片。納微顆粒表面過剩的自由能使其具有聚集成團(tuán)的特性。從圖 4 可見,床下部是大尺度聚團(tuán),床中部是中等尺度聚團(tuán),床上部是小尺度聚團(tuán)。顆粒聚團(tuán)內(nèi)部的顆粒與氣流接觸很差,嚴(yán)重影響傳遞和反應(yīng)速率。圖 5 為氣固鼓泡流化床的照片。其中,圖 5a 的床中無內(nèi)構(gòu)件,床層由氣泡相和乳化相組成,氣泡尺寸較大;圖5b 的床中有多塊百葉窗型橫向擋板,床層由氣泡相和乳化相組成,但氣泡尺寸較小且均勻。氣泡會形成氣體短路,嚴(yán)重降低氣固接觸效率。圖 6為工業(yè)流化床中設(shè)置的組合式橫向斜片擋板,可以有效破碎氣泡和顆粒聚團(tuán),斜片導(dǎo)向可進(jìn)一步強(qiáng)化氣固接觸。圖 7 為工業(yè)萘氧化制苯酐流化床反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,床底的氣體分布板可使氣流均勻分布,床中的垂直換熱管內(nèi)構(gòu)件可強(qiáng)化氣固接觸,減少放大效應(yīng)。由于這種多相流結(jié)構(gòu)的難以預(yù)測性和構(gòu)效關(guān)系的復(fù)雜性,傳統(tǒng)的化學(xué)工程采取平均的方法,必然造成預(yù)測的偏差,成為化學(xué)工程放大的瓶頸問題。

  4 多相流結(jié)構(gòu)的調(diào)控——散式化方法過程

  工業(yè)多相反應(yīng)和分離設(shè)備中局部結(jié)構(gòu)由氣泡、液滴、顆粒和聚團(tuán)等尺度不同的分散相和氣、液介質(zhì)連續(xù)相組成。這種分散相的尺寸越小,它們在連續(xù)相介質(zhì)中分散得越均勻,相間接觸界面就越大,越有利于傳質(zhì)、傳熱和化學(xué)反應(yīng);同時如果相間的滑移速度越高,則相間界面越薄,界面的更新速度越快,同樣有利于傳質(zhì)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)。影響結(jié)構(gòu)的最主要因素是系統(tǒng)或設(shè)備條件(包括顆粒和流體的性質(zhì)、設(shè)備與內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與形狀、外力場的影響等)和操作條件(包括溫度、壓力、氣液固三相各自的流速與流向、穩(wěn)態(tài)操作與動態(tài)操作等)。當(dāng)前引人注目的微通道與膜反應(yīng)和分離技術(shù)的優(yōu)勢也在于可有效調(diào)控結(jié)構(gòu),得到尺度均勻而微小的氣泡或液滴,強(qiáng)化相間接觸。

  5 多相流結(jié)構(gòu)與計算機(jī)模擬

  20 世紀(jì) 80 年代以來,隨著計算機(jī)科學(xué)和測試技術(shù)的飛速發(fā)展,計算流體力學(xué)和過程的計算機(jī)數(shù)值模擬應(yīng)運而生,人們可以通過實驗和理論分析建立數(shù)學(xué)模型,并采用高效計算機(jī)對復(fù)雜過程進(jìn)行計算機(jī)數(shù)值模擬,進(jìn)一步通過多種實驗參數(shù)的測量對模擬結(jié)果加以驗證。這方面的工作已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。流化床結(jié)構(gòu)的預(yù)測、優(yōu)化調(diào)控以及規(guī)模放大的最終解決,無疑應(yīng)當(dāng)寄托于計算機(jī)的數(shù)值模擬和仿真技術(shù)。當(dāng)前用于氣固流化床數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型主要有兩流體模型(Two-Fluid Model,TFM)、顆粒軌道模型(ParticulateTrajectory Model,PTM)和流體擬顆粒模型(Pseudo-Particle Model,PPM)。巨大的計算量使 PTM 模型和 PPM 模型的應(yīng)用受到限制,應(yīng)用 PTM 模型和 PPM 模型對含有大量顆粒的工業(yè)系統(tǒng)的模擬目前還不現(xiàn)實。兩流體模型將顆粒也視為流體來處理,由兩套分別描述流體和顆粒相的流體動力學(xué)方程組來描述,其間通過相間作用項來封閉,兩相同在 Euler 坐標(biāo)系下處理。該模型主要是在微觀足夠大和宏觀足夠小的尺度上進(jìn)行平均化,這使得這些微元適于在近平衡系統(tǒng)獲得簡單的本構(gòu)方程,從而可以通過數(shù)值的手段預(yù)測系統(tǒng)的時空變換。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和局部非均勻結(jié)構(gòu)的存在,真正能滿足這種要求的微元尺度與反應(yīng)器宏觀尺度相比往往過于微小,目前的超級計算機(jī)速度也很難滿足其需要,所以不得不采用加大尺度的微元,其內(nèi)部含有豐富而顯著的非均勻結(jié)構(gòu),這時現(xiàn)有的本構(gòu)方程已經(jīng)不再適用。目前多數(shù)具有應(yīng)用價值的模擬成果都是應(yīng)用雙流體模型得到的。FLUNT、CFX 等以雙流體模型為內(nèi)核的商業(yè)軟件被廣泛采用。

  結(jié)束語

  化工多相流反應(yīng)與分離設(shè)備中存在顆粒、氣泡、液滴、聚團(tuán),且其尺寸大小不同、空間分布不均勻。該局部不均勻結(jié)構(gòu)與流動、傳遞、反應(yīng)行為密切相關(guān)。傳統(tǒng)的化學(xué)工程忽視局部多尺度不均勻結(jié)構(gòu)而采取平均的方法,造成對“三傳一反”行為預(yù)測的偏差,成為化學(xué)工程放大的瓶頸問題,應(yīng)引起學(xué)術(shù)界關(guān)注。近年來在結(jié)構(gòu)參數(shù)的預(yù)測理論研究、結(jié)構(gòu)與傳遞和反應(yīng)的關(guān)系理論研究、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)控理論與方法研究以及結(jié)構(gòu)參數(shù)與兩流體模型相結(jié)合的多相流計算機(jī)模擬研究等方面已經(jīng)取得一定進(jìn)展。但面對復(fù)雜得多尺度結(jié)構(gòu)問題,需要付出更多的努力。

  化學(xué)工程方面論文篇2

  淺談化學(xué)工程技術(shù)在化學(xué)生產(chǎn)中的應(yīng)用

  摘 要:隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和科技水平的逐漸提升,促使著化學(xué)工程行業(yè)也在不斷的朝前發(fā)展,尤其是社會對化學(xué)行業(yè)求量的逐日增大,這就要求化學(xué)工程行業(yè)必須要加快對化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用,大幅度的節(jié)省施工時間,提高化學(xué)工程的建設(shè)效率。因此,本文重點對化學(xué)工程技術(shù)在化學(xué)生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述,展望未來化學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展方向,以求對化學(xué)行業(yè)的相關(guān)工作者提供可參考信息。

  關(guān)鍵詞:化學(xué)工程;應(yīng)用;發(fā)展方向

  近幾年由于我國科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步,自動化技術(shù)的應(yīng)用在各行各業(yè)中逐步擴(kuò)散起來,比如化學(xué)工程技術(shù)在化學(xué)生產(chǎn)中的應(yīng)用也逐漸受到人們的關(guān)注,化學(xué)工程行業(yè)關(guān)系著人們的日常生活,影響著其他行業(yè)的發(fā)展,所以對在化學(xué)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用進(jìn)行研究探析,是十分有必要的實時話題。

  化學(xué)工程技術(shù)是一門主要研究化工生產(chǎn)過程中研究和開發(fā)以及過程裝置的設(shè)計、制造和管理的綜合性技術(shù)。化學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展對于強(qiáng)化化工生產(chǎn)過程,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低原料和能量消耗,對于企業(yè)的技術(shù)改造以及新技術(shù)的開發(fā)起著重要作用。

  1 新型反應(yīng)技術(shù)的研究

  1.1 超臨界化學(xué)反應(yīng)技術(shù)

  超臨界液體是指在溫度和壓力都處于臨界點之上時,此時狀態(tài)處于液體和氣體之間,具有這兩種狀態(tài)的雙重性質(zhì)。這種狀態(tài)的流體不僅在化學(xué)工業(yè)、生物化工、食品工業(yè)有廣泛的應(yīng)用,而且還在醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛,已經(jīng)顯示出巨大的魅力,極具發(fā)展前景。近年來,化學(xué)界將超臨界水氧化法應(yīng)用到保護(hù)環(huán)境的領(lǐng)域,但是都處于初級發(fā)展階段,很不成熟。

  1.2 綠色化學(xué)反應(yīng)技術(shù)

  綠色化學(xué)是指對環(huán)境不會造成污染的,有利于保護(hù)環(huán)境的化學(xué)工程。綠色化學(xué)簡單說就是采取化學(xué)的技術(shù)和方法來減少或消除那些對人類有害的、妨礙社區(qū)安全的、對生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生不利影響的原料或溶劑等。綠色化學(xué)是將污染從源頭進(jìn)行消除的工程,因此很徹底,這主要包含原子經(jīng)濟(jì)性和高選擇性的反應(yīng),生產(chǎn)出對環(huán)境有利的材料,并且回收廢物循環(huán)利用的一門科學(xué)技術(shù)。

  1.3 新的分離技術(shù)

  從廣義上看,分離強(qiáng)化首先是對設(shè)備的強(qiáng)化,隨后對生產(chǎn)工藝進(jìn)行強(qiáng)化,整體來說就是只要能將設(shè)備變小、將能量轉(zhuǎn)化效率提高的技術(shù)都是化工分離技術(shù)強(qiáng)化的結(jié)果,這樣不僅有利于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,同時也是化工分離技術(shù)的重要技術(shù)與主要趨勢之一。然而,古老的化工分離技術(shù)原理:利用沸點的不同,將不同的組分從分離塔里分離出來。隨著科技的發(fā)展及國內(nèi)外的分工合作共同研究除了大量新的分離技術(shù),具有廣闊的發(fā)展前景,但是這些在應(yīng)用中同樣也存在著很多問題,此項研究對相關(guān)分子蒸餾的基礎(chǔ)理論探究比較少,沒有在理論上充分說明和指導(dǎo),對設(shè)計刮膜式分子蒸餾器也沒有深入的研究。隨著信息技術(shù)和科學(xué)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,分離技術(shù)也隨之得到改善,取得了長足的進(jìn)步,逐漸信息技術(shù)引入到分離技術(shù)的研究與開發(fā)上,例如在研究熱力學(xué)和傳遞的性質(zhì)、多相流等方面,這些都是信息技術(shù)發(fā)生功效的主要分離技術(shù),再如分子模擬大大提高了預(yù)測熱力學(xué)平衡和傳遞性質(zhì)的水平。對分子的設(shè)計加速了可以加速分離,因此對研究和開發(fā)新的高效的分離劑有深遠(yuǎn)的意義。信息技術(shù)的引進(jìn)對于分離過程的深入產(chǎn)生了重要的作用,而且還能提高工作效率。

  2 傳熱過程中一些新的研究進(jìn)展和方向

  2.1 微細(xì)尺度傳熱學(xué)研究進(jìn)展

  微細(xì)尺度是從空間尺度和時間尺度微細(xì)的探討和研究傳熱學(xué)規(guī)律,現(xiàn)在傳熱學(xué)中已經(jīng)自成一個分支,發(fā)展前景廣闊。當(dāng)物體的特征尺寸遠(yuǎn)大于載體粒子的平均尺寸即連續(xù)介質(zhì)時假定依然會成立,但是由于尺度的微細(xì),原來的假設(shè)的影響因素也會相對的發(fā)生變化,這就導(dǎo)致了流動和傳入規(guī)律發(fā)生著變化。目前,微米、納米科學(xué)已經(jīng)取得長足的進(jìn)步,受到人們的廣泛關(guān)注,諸多領(lǐng)域都是圍繞微細(xì)尺度傳熱學(xué)進(jìn)行研究的。其中高集成度電子設(shè)備、微型熱管、多空介質(zhì)流動傳熱等多項研究都是微熱尺度傳熱學(xué)研究取得的豐碩成果。

  2.2 強(qiáng)化傳熱過程的研究進(jìn)展

  這項研究主要是從改進(jìn)換熱器設(shè)備的形式入手,提高傳熱的效率,并想辦法改進(jìn)設(shè)備使其持續(xù)對外放熱,這種改進(jìn)包含發(fā)明新的傳熱材料和改進(jìn)生產(chǎn)工藝,將過去的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化等方法。

  2.3 傳熱理論研究進(jìn)展

  近年來,傳熱研究者一直都致力于滴狀冷凝在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用,但至今仍未能很好的實現(xiàn),主要問題是如何獲得實現(xiàn)滴狀冷凝,并且使其冷凝表面壽命延長。改變冷凝界面的性質(zhì),將滴狀冷凝應(yīng)用到工業(yè)上進(jìn)行傳熱改造是傳播熱學(xué)研究的主要熱點之一。沸騰的傳熱方式不僅在機(jī)械、動力和石油化工等傳統(tǒng)的工業(yè)之中廣泛使用,而且在航空航天技術(shù)等高科技領(lǐng)域也廣泛的應(yīng)用著。長期以來,人們都在對液體發(fā)生核態(tài)沸騰的主要原因和具有高換熱強(qiáng)度的機(jī)理進(jìn)行著深入的探究。由于沸騰的現(xiàn)象是復(fù)雜和多變的,這些都導(dǎo)致了我們不能利用常規(guī)的計算方法來計算出沸騰所能傳輸?shù)臒崃俊5浆F(xiàn)在為止,加熱器表面受到水沸騰時產(chǎn)生的氣泡的影響,這一問題是最需要得到解決的,也是研究的重點所在,對沸騰傳熱進(jìn)行計算大都采取機(jī)理模型,這種方法存在嚴(yán)重的缺陷就是計算的準(zhǔn)確率很低,而且需要大量的實驗做基礎(chǔ),所以目前應(yīng)用的范圍較窄,目前沒有能較準(zhǔn)確計算沸騰傳熱的計算式,因此我們有另辟蹊徑,從新的角度來探究和研究問題,從基本理論出發(fā),提出新的理論與計算方法或研究出新的模型,將數(shù)學(xué)與之相結(jié)合計算出沸騰所傳出的熱量,這將成為今后研究的重中之重。

  3 化學(xué)工程學(xué)科未來的發(fā)展動態(tài)

  科學(xué)的進(jìn)步使大量新的技術(shù)和產(chǎn)品能源不斷涌現(xiàn),并且在先進(jìn)技術(shù)的引導(dǎo)下得到了廣泛的應(yīng)用,這就為化學(xué)工程的研究提出了新的問題,那就是如何為新的產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展提供良好的服務(wù)并不斷形成新的完整的理論,化學(xué)工程的發(fā)展就此進(jìn)入一個新的發(fā)展階段。在學(xué)科研究的方法上更多的注重學(xué)科的交叉,更多的研究材料其中包含信息和化學(xué)、生物與化學(xué)、能源與化學(xué)、環(huán)境與化學(xué)相結(jié)合的工程學(xué)科,這些都為化學(xué)工程的發(fā)展提出了新的發(fā)展方向和研究課題,為化學(xué)的發(fā)展做了良好的鋪墊。

  4 結(jié)束語

  電氣工程中使用電氣自動化技術(shù)可以提升相關(guān)設(shè)備的有效性,可以實現(xiàn)整個工程的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和效率化,可以使電氣工程的數(shù)據(jù)采集、電網(wǎng)調(diào)度更加高效便捷,可以滿足目前經(jīng)濟(jì)環(huán)境下的剛性需求,更好地適應(yīng)社會的發(fā)展規(guī)律。

  參考文獻(xiàn)

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