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1、化学工程中的热点问题Hotspots in Chemical Engineering浙江大学化学工程系 李 希,观点讨论,1教师简介李希（教授，博士生导师）研究方向：多相体系化学反应工程化工过程数学模拟化工流体力学办公地址：玉泉校区教十5024电 话： 87952210，13588012101Email ： ,教学ppt下载地址FTP：10.13.34.100用户名：CE密 码：CE,1. 化学工程是干什么的？2. 环境问题CO2往哪里去？3. 能源问题远水还是近渴？4. 资源问题煤制燃料还是煤制材料？,以下将要阐述的问题,1. 化学工程它是干什么的？定义、方法论、学科领域,以下将要阐述的问题
2、,什么是化学工程？,1化学工程什么是化学工程 ？Chemical Engineering化工与化学区别在哪里 ？化工与物理有什么联系 ？化工的研究对象是什么 ？化工解决什么问题 ？化工有什么特有的方法 ？,1化学工程Chemical engineering is the branch of engineering that deals with the application of physical science (e.g. chemistry and physics), with mathematics, to the process of converting raw materials
3、 or chemicals into more useful or valuable forms Chemical engineering are for the most economical process. Wikipedia,什么是化学工程？,1化学工程 Chemical Engineering定义 研究工业规模的物质转化规律及技术手段研究对象 质量传递 动量传递 能量传递 化学反应过程解决的问题 装置放大 过程设计,什么是化学工程？,什么是化学工程？,1化学工程进一步的问题化工与化学区别在哪里 ？为什么要研究“三传”和“一反” ？放大 ( Scale Up ) 是怎么一回事 ？,放大
4、是怎么回事？放大是自然界的普遍现象尺寸效应的理解示例 买西瓜为什么要挑大的？小锅菜为什么比大锅菜好吃？ 运动员比赛为什么要按体重分级？,什么是化学工程？,尺寸效应的理解示例 南方人为什么瘦小、北方人为什么高大？ 冷地方的动物为什么更胖？ 大飞机省油还是小飞机省油？,什么是化学工程？,思考题伽利略400多年前在比萨斜塔上的落球实验是近代实验科学的标志，如果将铅球改成塑料泡沫球结果会一样吗？大球先落地还是小球先落地？为什么？,什么是化学工程？,为什么实验室装置与工业装置的结果会有不同？ 时间尺度随空间尺寸增加而增大大装置混合变慢 线速度随尺度增加而增大发酵中的搅拌问题小试结果放大后空速增加 换热比
5、表面积随尺度增加线性减小化工装置爆炸事故的原因之一 Reynolds 数变化导致流型改变,什么是化学工程？,放大到底是咋回事？放大是一种随尺度变化而产生的物理效应，与化学反应无关。这种效应将显著影响工业装置中的化学反应或其它形式的物质转化。因此，化学工程才要研究“三传”及其对“一反”的影响。,什么是化学工程？,化学工程的方法论解耦热模研究：考察化学反应规律冷模研究：考察流动与传递规律数学模型：反应器行为模拟中间实验：三种模型的结合工业设计典型技术放大、强化、集成,什么是化学工程？方法论,思考题 化学工程主要研究三传一反，但三传我们不如物理学家，一反不如化学家，化学工程师的地位何在？,什么是化学
6、工程？,典型案例放大技术 合成氨反应器的放大 WTO反应器的放大 F-T合成反应器的放大 PTA反应器的放大,化学工程的方法论放大技术,典型案例合成氨反应器 N2 + 3H2 = 2NH3 + Q催化剂：氧化铁颗粒条 件：气固催化反应 150 Atm，450 反应器类型固定床放大瓶颈：反应热的移出（传热比表面随尺度增大降低）；热点的产生；颗粒与反应器热稳定性问题。,化学工程的方法论放大技术,放大措施：增加管数，限制管径；径向床。 相关研究热点问题固定床数学模拟放大颗粒与反应器稳定性理论固定床多尺度优化设计,化学工程的方法论放大技术,典型案例固定床仿生反应器设计（本课题组）固定床反应器的固有问题
7、压降大，颗粒粗，阻力与内扩散的矛盾关键问题：one way in, one way out解决方案仿生型反应器设计分布式动脉进料系统分布式静脉出料系统组织细胞（催化剂）系统,化学工程的方法论优化设计技术,Fractal structure in life,Two-dimensional fractal structure in leaf,Fractal structure in life,Three-dimensional fractal structure in liver,Bionic configuration for microreactor,Biometric design of m
8、icroreactor referred to blood circulatory system,典型案例Fischer-Tropsch Synthesis （FTS，煤变油） 煤气化合成气CO,H2长链烷烃（油）催化剂：铁系、钴系固体粉料条 件：气液固催化反应，20atm，250，强放热 反应器类型浆态床（气液固三相鼓泡塔）,化学工程的方法论放大技术,化学工程的方法论放大技术,过程特征：气液传质快，液相反应慢。反应是控制步骤。合成气高转化是工业目标，也是主要的放大效应。反应器特点：固体含量高，列管多。,放大效应 Rheinpreussen-Koppers浆态床示范装置放大参数,化学工程的方法
9、论放大技术,中国科学院山西煤化所费-托合成浆态床放大参数,化学工程的方法论放大技术,放大效应 传热面积减少通过列管束增加来弥补； 气速增大从均匀鼓泡到湍动鼓泡； 混合状态改变从平推到全混； 开发方向：保持气相接近平推，维持轴向浓度梯度，有利传质多相流体力学的问题。,化学工程的方法论放大技术,浆态床流体力学列管束的影响问题合成气液相转化属强放热反应，浆态床中有密集换热列管，列管束对流动的影响一直存在分歧？ 速度分布更不均匀（Bernemann 1989; Larachi 2006） 影响不大（Chen Forret 2006） 更为均匀（专利技术20012006）国内外对列管浆态床研究很少（4篇
10、文献），认识不一，缺乏系统的流场测定数据以资比较。,化学工程的方法论放大技术,国外专利中为了减少气液相返混，采用以下技术措施 改变列管空间疏密程度 将塔内分割成小区间采用多段塔,化学工程的方法论放大技术,化学工程的方法论放大技术,Sasol：2006/097905A1,化学工程的方法论放大技术,Sasol：2006/097906A1,化学工程的方法论放大技术,化学工程的方法论放大技术,本实验室测定结果（Pavlov管方法） 对安装有稀疏与密集两种列管束内构件的浆态床流速径向分布的测定结果表明，加入纵向列管束后，流速分布将显著地变得更不均匀，形成所谓的“烟囱效应”（funneling)，导致反应
11、器放大结果恶化。,化学工程的方法论放大技术,添加垂直列管束后塔内流速的分布(Vg=0.12m/s, 列管加入使速度急剧上升）,化学工程的方法论放大技术,烟囱效应的解释纵向列管对流体横向运动的形状阻力大于对其纵向运动的摩擦阻力，限制了流体横向动量交换，减小了湍流粘度；使气泡由螺旋运动趋于直线运动，形成更陡峭的气含率分布。,化学工程的方法论放大技术,流动调控措施内构件技术在浆态床内部设置阻尼构件调整流体流动，同时将阻尼内构件与换热管或其它构件整合，多功能化。多层阻尼网：用阻尼效应抵消烟囱效应；针翅列管：多功能内构件。设计参数：阻尼面积密度、面积密度的径向分布,化学工程的方法论放大技术,带垂直列管束
12、与多层阻尼网格的浆态鼓泡塔 CN200810162467.0,化学工程的方法论放大技术,换热器用的针翅管,化学工程的方法论放大技术,带针翅列管的浆态床反应器 （CN200910095288.4）,化学工程的方法论放大技术,化学工程的方法论放大技术,过程强化的思路瓶颈分析 化学工程中的传递与反应是一个串连的过程，类似于接力赛跑。比较传递速率与反应速率，找出问题的薄弱环节，采用针对性的有效措施进行强化，就可以用小的代价获得大的收益。,化学工程的方法论过程强化技术,典型案例过程强化技术 反应过程的强化催化剂催化剂动力学反应器流程设计，是龙头技术 混合与传递过程的强化撞击流反应器（新型水煤浆气化炉开发
13、）冲击流反应器 （MDI合成新技术）旋转填充床混合反应器（超细碳酸钙）,化学工程的方法论过程强化技术,四喷嘴撞击流水煤浆气化炉,化学工程的方法论过程强化技术,旋转填充床超重力反应器,化学工程的方法论过程强化技术,微反应器（microreactor),化学工程的方法论过程强化技术,典型案例连续化技术将间歇式操作改进为连续式操作，使过程高效化分批式蒸馏连续式精馏间歇式色谱吸附移动床模拟移动床固定床催化裂化流化床催化裂化（FCC）,什么是化学工程？方法论,石油连续精馏塔,二甲苯吸附分离模拟移动床,连续式柴油催化裂化制烯烃装置,化工方法论过程模拟优化解决过程与系统的最优设计问题，步骤是过程建模流程模拟
14、集成优化 主要学科过程系统工程,化学工程研究方法-集成技术,典型案例夹点技术（pinch technology)能量与质量的分级利用，最优匹配，最少排放热量集成：系统热流股与冷流股之间的最佳匹配质量集成：净化水与污水的分级利用氢气的分级利用，废物最小排放,化学工程研究方法-集成技术,典型案例流程模拟技术大型流程模拟软件，过程设计的通用工具Flowtran, Aspen Plus, Speed up, Polymer Plus, Chemkin， Hysis,化学工程研究方法-集成技术,典型案例过程综合与优化技术换热器网络的综合分离系列的综合反应器网络的综合工业生态园的概念与方法系统最优化算法S
15、QR，MINLP，MILNP, ,化学工程研究方法-集成技术,典型案例对苯二甲酸新工艺的开发 对二甲苯氧化反应动力学 对苯二甲酸与杂质共结晶动力学 新型氧化反应器开发 PTA全流程建模与模拟 过程集成与优化,化学工程研究方法-集成技术,装置放大与过程强化方法通过热模、冷模、数模和中试，对“三传一反”分别进行解耦研究与瓶颈分析，提出放大与强化的技术措施代表学科化学反应工程过程集成设计方法通过数学建模、过程模拟、组合优化与条件优化，确定系统最优结构与最佳条件代表学科过程系统工程,化学工程研究方法-小结,化学工程发展史上的几个重要阶段 19011920s：工业化学化学工程 19231930s：单元操作，化工数学 19401950s：传递现象，数学模拟 19571960s：化学反应工程 1970s ：过程系统工程,化学工程的研究方法-历史发展,机械、土木、热能工程开发步骤实验室小试（风洞、水洞、模型实验）相似放大（模型与原型满足相似条件，特征准数相同）数学模拟放大 （预测、优化）特点：仅考虑物理过程而无化学过程，容易满足相似条件,其它工程学科的放大方法,典型案例三峡大坝的合龙通过实验室小试直接相似放大大飞机的制造通过风洞实验与CFD确定外形，单项技术全球招标，集成创新新模式印巴核实验 为数学模拟核反应过程提供基础数据,
