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。
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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。
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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。