化學工程方面論文

　　化學工程是一門用來研究化學工業和其他相關產業在生產過程中所進行的化學過程和物理過程以及所使用裝置的設計、操作和優化的工程學科。下文是小編為大家蒐集整理的關於的內容，歡迎大家閱讀參考!

　　篇1

　　探討化學工程中的結構問題

　　1 結構的定義及其時空多尺度特徵

　　“結構”在《辭源》中有如下定義：1***連線構架;2***物體構造的式樣;3***詩文書畫各部分的組織與佈局。

　　結構具有多尺度和隨時空變化的特徵。如太陽系由太陽、地球、月亮等不同尺度的星體構成，它們在萬有引力的相互作用下處於有序而不停的運動之中。又如一棵樹由不同尺度的樹幹、樹枝和樹梢組成，相互依分數維的規律連線形成一個有機整體。化學工程同樣具有多層次、多尺度並隨時空變化的結構，一般可分為從分子到顆粒的小尺度區、從顆粒到單元裝置的中尺度區和從單元裝置到系統流程的大尺度區。各區中均有各自不同的結構。小尺度區中的結構，如超分子和離子液體結構。

　　2 多相流結構的預測

　　結構需要若干引數來定量表達，以工業快速流化床提升管中的流動結構為例，需要 8 個引數來描述，分別為密相表觀氣速、密相顆粒表觀速度、聚團平均直徑、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化床的區域性結構時，提出了能量最小多尺度作用模型。

　　***Energy-Minimization Multi-Scale Model，EMMS***。該模型認為在快速床中流體用於顆粒的懸浮輸送能最小，並以此作為系統的穩定性條件，與稀密兩相的動量守恆方程、等壓降方程、氣固兩相的質量守恆方程、聚團尺寸方程一起求解，成功預測了反映快速床區域性結構的 8 個引數。借鑑 EMMS 模型的方法，結合研究不同床型、內構件、外力場對多相流動的影響規律，可望建立各種型別流態化床結構引數的預測模型。

　　3 結構—效能關係

　　眾所周知，物質的分子結構與其熱力學特性密切相關;材料的微觀結構、介觀結構與其巨集觀的物化和力學效能密切相關，如金剛石與石墨同樣都是由碳元素組成的物質，由於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、空間分佈不均的氣泡、液滴、顆粒、聚團組成的化工多相流的區域性結構與其流動、傳遞、反應行為密切相關。

　　圖 1 為離子液體的結構圖。各離子之間通過氫鍵形成網路結構，因此具有較高的黏度。圖 2為微乳液中的膠團***水包油***和反膠團***油包水***的結構示意圖，雖然其尺度微小，僅 10~100 nm，但結構複雜。以反膠團為例，其核心為自由水，核心周圍是結合水層，再往外為表面活性劑和助劑雙親分子層，最外是油相。該結構與微乳液的萃取分離和反應效能密切相關。圖 3 是由微觀像探頭***鏡頭直徑 3 mm***拍攝到的快速迴圈流化床中的區域性結構的照片，從中可見快速流化床中存在顆粒的聚集相***聚團***和顆粒的分散相***稀相***兩相結構，聚團的形狀不規則，大小不相同，這種結構對快速流化床中的傳遞與反應具有直接的影響。圖 4 是納微顆粒鼓泡流化床層流化時和斷氣塌落後的照片。納微顆粒表面過剩的自由能使其具有聚整合團的特性。從圖 4 可見，床下部是大尺度聚團，床中部是中等尺度聚團，床上部是小尺度聚團。顆粒聚團內部的顆粒與氣流接觸很差，嚴重影響傳遞和反應速率。圖 5 為氣固鼓泡流化床的照片。其中，圖 5a 的床中無內構件，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，嚴重降低氣固接觸效率。圖 6為工業流化床中設定的組合式橫向斜片擋板，可以有效破碎氣泡和顆粒聚團，斜片導向可進一步強化氣固接觸。圖 7 為工業萘氧化制苯酐流化床反應器的內部結構圖，床底的氣體分佈板可使氣流均勻分佈，床中的垂直換熱管內構件可強化氣固接觸，減少放大效應。由於這種多相流結構的難以預測性和構效關係的複雜性，傳統的化學工程採取平均的方法，必然造成預測的偏差，成為化學工程放大的瓶頸問題。

　　4 多相流結構的調控——散式化方法過程

　　工業多相反應和分離裝置中區域性結構由氣泡、液滴、顆粒和聚團等尺度不同的分散相和氣、液介質連續相組成。這種分散相的尺寸越小，它們在連續相介質中分散得越均勻，相間接觸介面就越大，越有利於傳質、傳熱和化學反應;同時如果相間的滑移速度越高，則相間介面越薄，介面的更新速度越快，同樣有利於傳質、傳熱和化學反應。影響結構的最主要因素是系統或裝置條件***包括顆粒和流體的性質、裝置與內構件的結構與形狀、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、穩態操作與動態操作等***。當前引人注目的微通道與膜反應和分離技術的優勢也在於可有效調控結構，得到尺度均勻而微小的氣泡或液滴，強化相間接觸。

　　5 多相流結構與計算機模擬

　　20 世紀 80 年代以來，隨著電腦科學和測試技術的飛速發展，計算流體力學和過程的計算機數值模擬應運而生，人們可以通過實驗和理論分析建立數學模型，並採用高效計算機對複雜過程進行計算機數值模擬，進一步通過多種實驗引數的測量對模擬結果加以驗證。這方面的工作已經取得了很大的進展。流化床結構的預測、優化調控以及規模放大的最終解決，無疑應當寄託於計算機的數值模擬和模擬技術。當前用於氣固流化床數值模擬的數學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 模型的應用受到限制，應用 PTM 模型和 PPM 模型對含有大量顆粒的工業系統的模擬目前還不現實。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方程組來描述，其間通過相間作用項來封閉，兩相同在 Euler 座標系下處理。該模型主要是在微觀足夠大和巨集觀足夠小的尺度上進行平均化，這使得這些微元適於在近平衡系統獲得簡單的本構方程，從而可以通過數值的手段預測系統的時空變換。由於系統的複雜性和區域性非均勻結構的存在，真正能滿足這種要求的微元尺度與反應器巨集觀尺度相比往往過於微小，目前的超級計算機速度也很難滿足其需要，所以不得不採用加大尺度的微元，其內部含有豐富而顯著的非均勻結構，這時現有的本構方程已經不再適用。目前多數具有應用價值的模擬成果都是應用雙流體模型得到的。FLUNT、CFX 等以雙流體模型為核心的商業軟體被廣泛採用。

　　結束語

　　化工多相流反應與分離裝置中存在顆粒、氣泡、液滴、聚團，且其尺寸大小不同、空間分佈不均勻。該區域性不均勻結構與流動、傳遞、反應行為密切相關。傳統的化學工程忽視區域性多尺度不均勻結構而採取平均的方法，造成對“三傳一反”行為預測的偏差，成為化學工程放大的瓶頸問題，應引起學術界關注。近年來在結構引數的預測理論研究、結構與傳遞和反應的關係理論研究、結構的優化調控理論與方法研究以及結構引數與兩流體模型相結合的多相流計算機模擬研究等方面已經取得一定進展。但面對複雜得多尺度結構問題，需要付出更多的努力。

　　篇2

　　淺談化學工程技術在化學生產中的應用

　　摘 要：隨著我國經濟的迅速發展和科技水平的逐漸提升，促使著化學工程行業也在不斷的朝前發展，尤其是社會對化學行業求量的逐日增大，這就要求化學工程行業必須要加快對化學技術的應用，大幅度的節省施工時間，提高化學工程的建設效率。因此，本文重點對化學工程技術在化學生產中的應用進行闡述，展望未來化學工程技術的發展方向，以求對化學行業的相關工作者提供可參考資訊。

　　關鍵詞：化學工程;應用;發展方向

　　近幾年由於我國科學技術水平的進步，自動化技術的應用在各行各業中逐步擴散起來，比如化學工程技術在化學生產中的應用也逐漸受到人們的關注，化學工程行業關係著人們的日常生活，影響著其他行業的發展，所以對在化學生產過程中的應用進行研究探析，是十分有必要的實時話題。

　　化學工程技術是一門主要研究化工生產過程中研究和開發以及過程裝置的設計、製造和管理的綜合性技術。化學工程技術的發展對於強化化工生產過程，提高產品質量，降低原料和能量消耗，對於企業的技術改造以及新技術的開發起著重要作用。

　　1 新型反應技術的研究

　　1.1 超臨界化學反應技術

　　超臨界液體是指在溫度和壓力都處於臨界點之上時，此時狀態處於液體和氣體之間，具有這兩種狀態的雙重性質。這種狀態的流體不僅在化學工業、生物化工、食品工業有廣泛的應用，而且還在醫藥工業等領域應用很廣泛，已經顯示出巨大的魅力，極具發展前景。近年來，化學界將超臨界水氧化法應用到保護環境的領域，但是都處於初級發展階段，很不成熟。

　　1.2 綠色化學反應技術

　　綠色化學是指對環境不會造成汙染的，有利於保護環境的化學工程。綠色化學簡單說就是採取化學的技術和方法來減少或消除那些對人類有害的、妨礙社群安全的、對生態環境會產生不利影響的原料或溶劑等。綠色化學是將汙染從源頭進行消除的工程，因此很徹底，這主要包含原子經濟性和高選擇性的反應，生產出對環境有利的材料，並且回收廢物迴圈利用的一門科學技術。

　　1.3 新的分離技術

　　從廣義上看，分離強化首先是對裝置的強化，隨後對生產工藝進行強化，整體來說就是隻要能將裝置變小、將能量轉化效率提高的技術都是化工分離技術強化的結果，這樣不僅有利於實現可持續發展，同時也是化工分離技術的重要技術與主要趨勢之一。然而，古老的化工分離技術原理：利用沸點的不同，將不同的組分從分離塔裡分離出來。隨著科技的發展及國內外的分工合作共同研究除了大量新的分離技術，具有廣闊的發展前景，但是這些在應用中同樣也存在著很多問題，此項研究對相關分子蒸餾的基礎理論探究比較少，沒有在理論上充分說明和指導，對設計刮膜式分子蒸餾器也沒有深入的研究。隨著資訊科技和科學的不斷進步和發展，分離技術也隨之得到改善，取得了長足的進步，逐漸資訊科技引入到分離技術的研究與開發上，例如在研究熱力學和傳遞的性質、多相流等方面，這些都是資訊科技發生功效的主要分離技術，再如分子模擬大大提高了預測熱力學平衡和傳遞性質的水平。對分子的設計加速了可以加速分離，因此對研究和開發新的高效的分離劑有深遠的意義。資訊科技的引進對於分離過程的深入產生了重要的作用，而且還能提高工作效率。

　　2 傳熱過程中一些新的研究進展和方向

　　2.1 微細尺度傳熱學研究進展

　　微細尺度是從空間尺度和時間尺度微細的探討和研究傳熱學規律，現在傳熱學中已經自成一個分支，發展前景廣闊。當物體的特徵尺寸遠大於載體粒子的平均尺寸即連續介質時假定依然會成立，但是由於尺度的微細，原來的假設的影響因素也會相對的發生變化，這就導致了流動和傳入規律發生著變化。目前，微米、奈米科學已經取得長足的進步，受到人們的廣泛關注，諸多領域都是圍繞微細尺度傳熱學進行研究的。其中高整合度電子裝置、微型熱管、多空介質流動傳熱等多項研究都是微熱尺度傳熱學研究取得的豐碩成果。

　　2.2 強化傳熱過程的研究進展

　　這項研究主要是從改進換熱器裝置的形式入手，提高傳熱的效率，並想辦法改進裝置使其持續對外放熱，這種改進包含發明新的傳熱材料和改進生產工藝，將過去的設計進行優化等方法。

　　2.3 傳熱理論研究進展

　　近年來，傳熱研究者一直都致力於滴狀冷凝在工業生產上的應用，但至今仍未能很好的實現，主要問題是如何獲得實現滴狀冷凝，並且使其冷凝表面壽命延長。改變冷凝介面的性質，將滴狀冷凝應用到工業上進行傳熱改造是傳播熱學研究的主要熱點之一。沸騰的傳熱方式不僅在機械、動力和石油化工等傳統的工業之中廣泛使用，而且在航空航天技術等高科技領域也廣泛的應用著。長期以來，人們都在對液體發生核態沸騰的主要原因和具有高換熱強度的機理進行著深入的探究。由於沸騰的現象是複雜和多變的，這些都導致了我們不能利用常規的計算方法來計算出沸騰所能傳輸的熱量。到現在為止，加熱器表面受到水沸騰時產生的氣泡的影響，這一問題是最需要得到解決的，也是研究的重點所在，對沸騰傳熱進行計算大都採取機理模型，這種方法存在嚴重的缺陷就是計算的準確率很低，而且需要大量的實驗做基礎，所以目前應用的範圍較窄，目前沒有能較準確計算沸騰傳熱的計算式，因此我們有另闢蹊徑，從新的角度來探究和研究問題，從基本理論出發，提出新的理論與計算方法或研究出新的模型，將數學與之相結合計算出沸騰所傳出的熱量，這將成為今後研究的重中之重。

　　3 化學工程學科未來的發展動態

　　科學的進步使大量新的技術和產品能源不斷湧現，並且在先進技術的引導下得到了廣泛的應用，這就為化學工程的研究提出了新的問題，那就是如何為新的產業的形成和發展提供良好的服務並不斷形成新的完整的理論，化學工程的發展就此進入一個新的發展階段。在學科研究的方法上更多的注重學科的交叉，更多的研究材料其中包含資訊和化學、生物與化學、能源與化學、環境與化學相結合的工程學科，這些都為化學工程的發展提出了新的發展方向和研究課題，為化學的發展做了良好的鋪墊。

　　4 結束語

　　電氣工程中使用電氣自動化技術可以提升相關裝置的有效性，可以實現整個工程的資訊化、網路化和效率化，可以使電氣工程的資料採集、電網排程更加高效便捷，可以滿足目前經濟環境下的剛性需求，更好地適應社會的發展規律。

　　參考文獻

　　[1]陳偉.淺析化學工程技術在化工生產中的應用[J].科學專論，2013***1***.

　　[2]馬巍.淺談化學工程的現狀與發展方向[J].黑龍江科技資訊，2011***26***.

　　[3]張燕.化學工程在化工生產的應用探析[J].技術與化學工程，2013***9***.

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