化学工程的发展趋势——认识时空多尺度结构及其效应

  本文关键词：化学工程的发展趋势——认识时空多尺度结构及其效应，由笔耕文化传播整理发布。

当前位置：首页 >> 能源/化工 >> 化学工程的发展趋势——认识时空多尺度结构及其效应

化 　　　 　　　 　　　 　　　　　 工 进 展 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 CHEM ICAL INDUSTR Y AND EN GIN EERIN G PRO GRESS 　　　　　 2003 年第 22 卷第 3 期 　 ?224 ?

化学工程的发展趋势 —— — 认识时空多尺度结构及其效应

孙宏伟
( 国家自然科学委员会化学科学部 , 北京 100085)

摘　 　 要 综述了化学反应工程中复杂时空多尺度结构及特征 , 指出研究时空多尺度结构特征及其各尺度之间相 互作用规律等是认识物质传递 、反应 、分离及对产品结构和性能影响的关键科学 , 可对化工生产中设计 、放大 及调控和优化起到重要的指导作用 , 并对 21 世纪化学工程的发展产生深远的影响 。 关键词 　 时空多尺度结构 , 过程效应 , 化学反应工程 中图分类号 　TQ 021 　　　　　 文献标识码 　 　　　　 A 文章编号 　 1000 - 6613 ( 2003) 03 - 0224 - 04

　　 近十几年来 , 在近代科学与技术的快速发展的 推动下 , 化学工程的传统领域在学术内涵和研究目 标上正发生着深刻的变化 , 继单元操作 、传递原理 和反应工程之后 , 化学工程将逐步进入新的发展阶 段 , 化学工程在 21 世纪正孕育着新的突破与挑战 。 化学反应工程中的物质转化多数属复杂系统 , 物质转化过程向产业化的过渡十分艰难 , 是制约我 国化学工程乃至经济发展的瓶颈问题之一 。对物质 转化过程的深入认识 , 特别是对其中时空多尺度结 构的形成和变化规律的认识 , 是解决这一 “瓶颈” 的关键 。以前对问题的认识多属于对宏观现象的认 识 , 而对其动态的随时空变化的多尺度结构的特征 的认识是不深入的 , 具体的科学问题主要有 : 微尺 度的构象和界面现象 , 颗粒尺度的形状效应 , 聚团 尺度不同物相的自组织 , 设备尺度物料 、温度 、压 力和流速分布 , 以及这些不同尺度结构之间的相互 作用规律和耦合等 , 由于目前对上述科学问题的认 识与研究尚未达到深入的程度 , 因而 , 人们仍难以 解决化工生产中如定量设计 、放大以及调控和优化 等实际问题 。 传统的化学工程理论和方法难以从深层次解决 这些问题 。必须摆脱传统的只从宏观现象认识问题 的研究思路 , 从复杂体系的不同层次上深入研究这 种时空多尺度的结构特征 , 进而研究其对物质传 递 、反应 、分离及其对产品结构与性能的影响 , 并 从中归纳时空多尺度结构形成的机制 、稳定性和突 变等共性规律 , 建立分析 、计算和测量时空多尺度 结构及不同尺度结构之间相互作用规律的方法和理 论 。重点突破相邻尺度现象之间和跨尺度作用的关 联 , 各种多尺度结构的定量预测以及这些方法在实 际过程如过程强化 、微化工系统 、过程耦合和过程 放大中的验证和应用 。

时空多尺度结构是 21 世纪很多学科研究的焦 点 。过程量化 、设计 、放大和强化是 21 世纪化学 工程科学主攻的目标 。因而对化学工程中的时空多 尺度结构特征的认识和研究很可能对化学工程在
21 世纪的发展产生深远的影响 。

1　 实验室成果产业化的关键
化学和化学工程研究物质转化及其过程 , 是国 民经济的一个重要基础 , 物质转化必须经过工艺 、 过程和工程才能实现产业化 。对物质转化过程的深 刻认识是使实验室成果顺利产业化的关键 。 整个工业体系主要由过程工业和产品制造工业 构成 [ 1 ] , 过程工业的核心是物质的化学 、物理和 生物转化过程 , 而产品制造工业也涉及很多物质转 化过程的内容 , 并多数以过程工业的产品为原料 。 过程工业不仅包括化工 、冶金 、能源 、材料 、石 油 、食品 、水泥 、化肥等传统产业 , 而且涉及生物 技术 、微电子 、纳米材料 、医药和环境等领域 , 在 国民经济总产值中占有很大的比重 , 因此 , 物质转 化是国民经济的基础 。 化学研究物质发生化学反应的规律 , 发现新的 反应 , 创造新的工艺 ; 化工则通过对过程的调控 , 使已有的工艺在工程上得以实现 , 确保在整个反应 系统中反应条件和环境能够满足工艺的要求 。化学 化工共同创造了当前相关的各种过程工业 。 针对新的需求和可持续发展的要求 , 化学家仍 在不断创造各种新的物质和相应的工艺 。但与之相 比 , 化学工程对物质转化过程及相应的工程科学问 题的认识却远远不能满足需求 , 已有的很多工艺在
收稿日期 　 2003 - 01 - 23 。
) 作者简介 　 孙宏伟 (1961 — , 男 , 博士 。电话 010 - 62327168 。

　 3 期 　　　　　　　　 孙宏伟 : 化学工程的发展趋势 ——认识时空多尺度结构及其效应 　　　　　　　　　 225 ? 第 — ? 　　　　

工程中仍很难实现 。过程工业中实验室成果向产业 化的过渡成为工程界和学术界久未解决的问题之 一 。这里既有基础理论问题 , 也有应用基础理论问 题 。我国过程工业中的主要工艺 、流程和设备多数 依赖进口 , 现有技术又存在能耗高 、污染严重 、浪 费资源 、产品质量低等问题 。另一方面 , 工业生产 环境 、条件越来越严格 , 竞争越来越严峻 。因此 , 深刻认识各种物质转化过程 , 并实现各种工艺和过 程的定量 、设计和放大 , 是缩短开发周期 , 提升传 统产业 , 实现我国经济跨越式发展的关键 。从而 , 化学工程才能在国民经济的发展中起重要的战略 作用 。

时空多尺度结构是指物质转化过程中浓度 、压 力 、温度 、流速等的非均匀分布 , 表现在时间上动 态变化 , 空间上各点均存在差异 , 由此产生的效应 是指这种结构的变化对过程反应 、传递 , 进而对产 品结构及性能产生的影响 , 其对转化过程起着主要 的控制作用 。为保证系统内部物质转化条件满足工 艺的要求 , 对化工过程的控制只能在系统或设备尺 度进行 , 这些调控措施 , 通过对各种尺度的现象发 生作用 , 最终对微观尺度的化学反应条件发生影 响 。因此 , 认识各种尺度的时空结构及其变化规律 成为 21 世纪过程工程科学研究的焦点之一 [ 2 ,3 ] , 也是过程工业发展的关键 。图 1 显示了物质转化过 程中从大到小 5 种尺度的不同时空结构及其对过程 的影响 。 ( 1) 系统尺度的结构 ( 图 1a ) 　这一尺度的 结构不仅包括物态结构 , 更重要的是各种物料 、温 度 、压力和流速的分布 。在这个尺度上 , 通过改变 物质流 、能量流和动量流的分布和组合 , 使系统内 各点尽可能达到最佳的工艺条件 , 确保产品质量和

2 　研究时空多尺度结构特征是认识

化工复杂过程的一个关键科学问题
　　 通过计算和预测化工过程中时空多尺度结构 , 以及研究相邻尺之间的内在联系及基本规律 , 定量 设计和放大才能顺利进行 , 才能加快使实验室成果 实现产业化的进程 。

图1　 物质转化过程中各种尺度的结构

减少污染排放 。 ( 2) 设备尺度的结构 ( 图 1b) 　表现为各种 物料 、温度 、压力和流速的轴向和径向分布 。这种 分布对物质转化过程影响显著 , 如在燃烧过程中径 向不均匀分布可有效促进混合 , 有利温度分布均 匀 ; 而在石油催化裂化过程中 , 径向分布则会导致 返混 , 严重降低转化率和选择性 。化学工程中的放 大效应多数是由于这种结构无法或难以预测而产

生的 。 (3) 聚团尺度的结构 ( 图 1c ) 　在各种各样 的多相反应系统中 , 不同的 “相”会分别聚集 , 形 成非常复杂的自组织结构 。这种结构对反应和传递 性能影响很大 , 如分散状态和聚集状态相比 , 在所 有条件相同的情况下 , 传递和反应性能差别很大 。 ( 4) 颗粒 、液滴 、气泡尺度的结构 ( 图 1d ) 每一个颗粒周围的流场差别很大 , 导致传质 、反应

　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　 　　　 　　　 　　　 　　　　　　　　　　　　 2003 年第 22 卷 　 化 工 进 展 ?226 ?

条件的巨大差异 。此外 , 当具有相同体积的颗粒 、 液滴或气泡 , 拥有不同形状时 , 其传递性能和反应 速率也会差别很大 。 ( 5) 微尺度的结构 ( 图 1e ) 　随着纳米技术 和微化工系统的兴起 , 人们认识到这一尺度上的结 构更加复杂 。如小尺度通道中由于表面张力作用形 成的各种微结构 , 在微小空间中物态和热力学性质 的改变 , 材料的构象和表面改性对性质的影响等 。 此时 , 传统的理论和知识已不再完全适用 , 这一方 面为一些高技术产业的发展提供了机遇 ( 如微电 子 、功能材料等) , 如微换热系统中的换热系数是 常规系统中的几个数量级 [ 4 ] ; 因此 , 研究纳 、微 尺度结构及其变化规律是认识在该尺度可能产生奇 异现象的关键 , 也是化学 、化工界共同感兴趣的科 学问题 , 解决了这样一个关键的科学问题 , 有可能 使纳米技术及微化工技术实现重大突破及加快产业 化的进程 , 另一方面 , 也为化学工程提出了新的挑 战 , 毫无疑问 , 化学工程在纳 、微技术产业化过程 中将发挥重要作用 [ 2 ] 。

切相关 , 互为因果 , 颗粒尺度颗粒控制和流体控制 作用的产生是聚团尺度颗粒与流体能够相互协调的 条件 , 单独计算单一尺度是行不通的 , 事实上 , 关 联这两种尺度相互作用的是系统的稳定性条件 [ 5 ] 。 这种跨尺度的关联是复杂性科学研究的焦点 , 往往 表现出很强的非线性非平衡特征 , 而当前非线性非 平衡系统还没有现成的理论 [ 6 ,7 ] , 这是很多工程问 题尚难解决的根本原因 。然而 , 近年来其他学科 (如复杂系统和复杂性科学 、计算机仿真等 ) 的进 展 , 为研究非线性非平衡系统开辟了方向 [ 5 ,8 ,9 ] 。

4　 发展与展望
物质转化工艺放大和优化操作是化学工业面临 的困难问题 。用理论预测及试验验证方法取代传统 的经验式逐级放大是这一领域梦寐已久的目标 , 然 而 , 这方面的突破并不明显 。目前使用的基于单一 尺度的平均化方法由于无法反映过程的内在机理而 必须应用诸多可调的经验参数 , 预测性很差 , 无法 解决定量放大和调控的问题 [ 3 ,10 ] 。传统的传递原 理和反应工程的理论和方法无法处理上述涉及到的 多变复杂的时空结构问题 。为此 , 工程界和学术界 认识到 , 继“单元操作”和“传递过程”后 , 化学 工程将进入一个新的发展阶段及步入新的发展内 涵 [ 11 ,12 ] 。 为适应化学工程发展的新要求 , 研究方法和手 段也将出现新的变化 , 以满足建立纳 、微尺度分子 结构与设备尺度的过程之间关系的需求 。这些变化 主要包括 : 不同尺度的模拟方法 ( 如分子尺度的计 算化学 、介观尺度的结构模拟和计算流体力学 、设 备尺度的动态过程模拟等 ) ; 无接触式测量技术和 高性能计算能力等 [ 2 ,13 , 14 ] 。 对设备内部所有的微观细节进行详细描述既不 可能 , 也没必要 , 而多变的时空多尺度结构作为过 程工 业 中 众 多 现 象 突 出 的 特 征 , 已 引 起 广 泛 关 注 [ 2 ,10 ,15～18 ] , 中国也已有成功应用多尺度法预测 气固流型的例子 [ 19 ] 。与此同时 , 数学中多尺度方 法 [ 18 ] 的出现 , 也为解决多尺度问题提供了数学手 段 。此外 , 过程工业中的复杂现象大多具有非线性 非平衡特征 。尽管无法找到非线性非平衡系统的普 适的稳定性判据 [ 6 ] , 但对于很多过程还是可以通 过尺度和过程分解分别找到各自的稳定性条 件 [ 3 ,7 ,19 ] 。这些都预示着用多尺度方法对过程工业 进行量化的可行性和发展势头 。 除上述方法 、概念和研究手段方面的变化外 ,

3　 研究不同尺度结构的重要性
对不同尺度结构的认识很可能成为 21 世纪化 学工程的发展前沿 , 而预测相邻尺度结构之间的关 系更是难点所在 。任一微尺度的物质转化只有大规 模进行才能工业化 ; 另一方面 , 实现微观尺度上的 物质转化条件只能通过设备尺度的调控才能实现 。 各种尺度现象之间相互耦合和作用 , 图 2 以颗 粒流体系统为例说明这种不同尺度现象之间相互关 联的重要性 。

图2　 研究不同尺度现象的重要性

在这种颗粒与流体分别团聚的结构中 , 颗粒聚 团内部是颗粒控制 , 外部是流体控制 , 聚团与周围 的流体处于颗粒与流体协调的状态 , 这 3 种作用密

　 3 期 　　　　　　　　 孙宏伟 : 化学工程的发展趋势 ——认识时空多尺度结构及其效应 　　　　　　　　　 227 ? 第 — ? 　　　　

以下几方面被认为是应当关注的方向 , 他们都与多 变的时空多尺度结构相关 , 如 : 为提高选择性和转 化率实施多尺度的调控 ; 采用新的原理和操作方式 的过程强化和微化工系统 ; 高值和精细产品设计及 相应的过程放大 ; 多尺度多学科交叉的计算等 。这 些趋势得到很多学者的关注 , 中国化工界 2001 年分别在北京香山和九华山庄等召开的几次 “化工 前沿及发展方向”研讨会 , 也在这几方面取得共 识 [ 13 ,14 ,20 ] 。 综上所述 , 对化学工程中的时空多尺度结构及 其过程效应的科学研究必将是 21 世纪化学工程的 发展产生深远的影响 。随着化学工程研究内涵的不 断拓宽及不断取得新的进展 , 化学工程将更加扩展 其应用领域 , 除一些传统的领域外 , 将进一步扩展 到生物 、纳米材料 、功能材料 、电子和日用品等领 域 , 21 世纪的化学工程对国民经济将会发挥越来 越重要的作用 。 致谢 　 该文是根据中国化工界组织的几次 “化 工前沿及发展方向”研讨会和申请 “十五”期间重 大基金项目立项建议等整理而成 。在此感谢李静海 院士等相关专家对此文的帮助和许多建设性意见 。 参　 　 　 考 文 献
[2 ]

4 5

袁权 , 陈光文 . 微化工系统 [ C] . 九华论坛 , 北京 , 2002
Li J . , Cheng C. , Zhang Z. , Yuan J . [ J ] .
Sci . , 1999 , 54 (22) : 5409～5425 Chem . Eng.

6

Gage D H , Schiffer M , Kline S J , Reynolds W C. The Non Existence of a General Thermodynamic Variational Principle in Non - Equilibrium Thermodynamics Variational Techniques and Stability[ M ] . Chicago : University of Chicago Press , 1966

7

Sieniutycz S , Salamon P. Nonequilibrium Theory and Extremum Principles[ M ] . New York : Taylor & Francis , 1990

8 9

Gallagher R , Appenzeller T. [J ] . Science , 1999 , 284 : 79 Li J , Zhang Ge W , Sun Q , Yuan J . [J ] . Chem . Eng. Sci . , 1999 , 54 (8) : 1151～1154

10

Lerou J J , Ka M Ng. [ J ] . 1595

Chem .

Eng. Sci . , 1996 , 51 :

11

Jacques Villermaux. New Horizons in Chemical Engineering[ C] . 5th World Congress of Chemical Engineering , San Diego , 1996 , 7

12 13

Wei J . [J ] . Chem . Eng. Sci . , 1990 , 45 (8) : 1947

香山会议办公室 . 过程工程中的复杂系统 [ C] . 第 190 次香山 科学会议 , 北京 , 2002 李晓霞 . 化学工程优先发展方向 [ C] . 九华论坛 , 北京 , 2002
Glimm J , Sharp D H. [J ] . S IA M News , 1997 , 30 (8) : 1～7 Li J , Kwauk M. [J ] . 1073
Progress i n N at ural Science , 1999 , 9 :

14 15 16

17

Hughes T J R , Feij o G R , Mazzei L , Quincy J - B. [ J ] .
Com put . Met hods A ppl . Mech. Energ. , 1998 , 166 : 3～24

18

Liu W K , Hao S , Belytschko T , Li S , Chang C T. [J ] . I nt .
J . N u mer. Met h. Eng. , 2000 , 47 : 1343～1361

19 1 2

Li Jinghai , Kwauk Mooson. Particle - Fluid Two - Phase Flow - The Energy - Minimization Multi - Scale Met hod [ M ] . Beijing : Metallurgical Industry Press. 1994

陈家镛 . [J ] . 过程工程学报 , 2002 , 1 : 8～9
Charpentier J 4667～4690 C. [ J ].
Chem . Eng. Sci . , 2002 , 57 :

20

郭慕孙 , 胡英 , 王夔 , 李静海 . 物质转化过程中的多尺度效 应 [ C] . 第 139 次香山会议 , 北京 , 2000

3

Li J . , M. Kwauk. [J ] . Chem . Eng. Sci . , in press

Focus of Chemical Engineering ——Understanding — Space - time Multi - scale Structure
S u n Hongw ei
( Department of Chemistry Sciences , National Natural Science Foundation of China , Beijing 100084)

Abstract 　 Complex space - time multi - scale st ruct ures and characterization in chemical reaction system were regarded as t he key scientific problem to understand materials t ransfer , reaction , separation and property of product s. Investigation on st ruct ures will play an important role in designing , scaling up , cont rolling , and optimizing chemical engineering processes , and will exert a great influence to develop ment of chemical engineering in t he 21t h cent ury. Keywords 　 space - time multi - scale st ruct ures , process engineering , chemical reaction engineering ( 编辑 　 黄丽娟)



  本文关键词：化学工程的发展趋势——认识时空多尺度结构及其效应，由笔耕文化传播整理发布。