化學工程學科前沿與展望

內(nèi)容概要

《化學工程學科前沿與展望》為國家自然科學基金委員會組織編寫的《中國化學科學叢書》系列之一，由我國化工領(lǐng)域的一線專家和學科帶頭人合作編撰而成。全書共13章，內(nèi)容包括緒論、反應(yīng)工程與分離工程、化工過程中的表（界）面科學與工程、計算化學工程、化工過程放大的科學基礎(chǔ)、化學產(chǎn)品工程、多尺度復(fù)雜化工過程、非常規(guī)化工過程的科學基礎(chǔ)、生物與食品化工、能源化工、材料化工、資源與環(huán)境化工，以及過程系統(tǒng)工程與化工過程安全。以大量進展實例和參考文獻，全面而系統(tǒng)地介紹了各領(lǐng)域的研究背景與意義、研究現(xiàn)狀與趨勢、重要共性科學問題與技術(shù)關(guān)鍵、近五年重要研究進展和發(fā)展方向與思路。
《化學工程學科前沿與展望》可供化學、化工以及材料、資源、能源、醫(yī)藥等交叉學科領(lǐng)域的研究人員、工程技術(shù)人員、高年級本科生、研究生和管理人員等參考。

書籍目錄

《中國化學科學叢書》序 前言 第1章緒論 1.1國內(nèi)外化工學科發(fā)展態(tài)勢 1.1.1科學意義 1.1.2社會經(jīng)濟需求 1.1.3總體發(fā)展趨勢 1.1.4小結(jié) 1.2我國化工學科的發(fā)展狀況 1.2.1學科整體研究水平已步人世界前列 1.2.2化工學科為推動我國化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出了重要貢獻 1.2.3化工學科的快速發(fā)展得益于國家的資金資助 1.2.4我國化工學科已擁有高水平的研究隊伍 1.2.5小結(jié)與展望 1.3化工學科發(fā)展的指導(dǎo)思想與戰(zhàn)略目標 1.3.1國家自然科學基金對化工學科發(fā)展的作用 1.3.2指導(dǎo)思想 1.3.3總體發(fā)展目標與戰(zhàn)略 1.3.4保障措施 第2章反應(yīng)工程與分離工程若干最新進展 2.1背景與意義 2.2研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 2.3重要科學問題與技術(shù)關(guān)鍵 2.4若干重要研究進展 2.4.1多相復(fù)雜反應(yīng)流動的先進測試和模擬技術(shù) 2.4.2微尺度流動、傳遞和反應(yīng)性能 2.4.3大型高效精餾技術(shù) 2.4.4天然活性物質(zhì)高效分離技術(shù) 2.4.5低能耗滲透氣化膜分離技術(shù) 2.5發(fā)展方向與思路 參考文獻 第3章化工過程中的表（界）面科學與工程 3.1背景與意義 3.2研究現(xiàn)狀與趨勢 3.2.1表（界）面現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究 3.2.2催化劑表（界）面結(jié)構(gòu)的理論研究與實驗表征研究現(xiàn)狀 3.2.3催化劑表（界）面結(jié)構(gòu)的調(diào)控及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀 3.2.4催化劑表（界）面研究的發(fā)展趨勢 3.3重要科學問題與技術(shù)關(guān)鍵 3.3.1固體表面潤濕性的多尺度物理機理 3.3.2氣液、液液界面結(jié)構(gòu)及其對傳遞過程的影響 3.3.3催化劑表（界）面結(jié)構(gòu)與催化機理的多尺度模擬 3.3.4催化劑表（界）面結(jié)構(gòu)在反應(yīng)過程中的動態(tài)變化及實時表征 3.3.5催化劑表（界）面結(jié)構(gòu)制備以及調(diào)控技術(shù) 3.4重要研究進展 3.4.1金屬金屬氧化物界面結(jié)構(gòu)與CO2活化的密度泛函理論研究進展 3.4.2新型低溫氧化納米催化劑的結(jié)構(gòu)表征與應(yīng)用進展 3.4.3能量高效轉(zhuǎn)化催化的基礎(chǔ)研究 3.4.4煤的結(jié)構(gòu)特征及其與反應(yīng)性的關(guān)系和調(diào)變 3.4.5綠色氧化新工藝及產(chǎn)業(yè)化 3.4.6列管式反應(yīng)器原位表面調(diào)控防結(jié)焦技術(shù)及應(yīng)用 3.4.7基于化學工程原理與方法的納米材料合成與結(jié)構(gòu)調(diào)控 3.4.8多相界面流體結(jié)構(gòu)的密度泛函理論及其應(yīng)用 3.5發(fā)展方向與思路 參考文獻 第4章計算化學工程 4.1背景與意義 4.1.1電子尺度 4.1.2原子尺度 4.1.3介觀尺度 4.1.4連續(xù)尺度 4.2研究現(xiàn)狀與趨勢 4.2.1經(jīng)典分子動力學模擬與蒙特卡羅模擬在化學工程方向的研究進展 4.2.2流體力學方法在化學工程方向的研究進展 4.3重要科學問題與技術(shù)關(guān)鍵 4.4重點發(fā)展方向 4.4.1受限條件下流體的分子模擬及納／微尺度和表（界）面的量化計算與分子模擬 4.4.2新型分離與反應(yīng)過程中材料的分子設(shè)計、結(jié)構(gòu)篩選與性能計算 4.4.3解決描述化學工程中分離、反應(yīng)及其大系統(tǒng)過程優(yōu)化的理論模型化及其求解問題 4.4.4大分子、生化體系及仿生材料的模擬 參考文獻 第5章化工過程放大的科學基礎(chǔ) 5.1背景與意義 5.2研究現(xiàn)狀與趨勢 5.3重要科學問題與技術(shù)關(guān)鍵建議 5.3.1化工反應(yīng)器的設(shè)計、優(yōu)化和放大 5.3.2用于化工過程放大的實驗、數(shù)學模型和數(shù)值模擬 5.4重要研究進展 5.4.1多相反應(yīng)器設(shè)計和放大的化學反應(yīng)工程基礎(chǔ)研究 5.4.2攪拌反應(yīng)器放大中的科學問題與研究進展 5.4.3工業(yè)生物過程放大中的科學問題與研究進展 5.4.4聚合反應(yīng)與聚合物材料制備過程中的放大 5.4.5精餾與集成過程放大中的科學問題與研究進展 5.5發(fā)展方向與思路 參考文獻 第6章化學產(chǎn)品工程 6.1背景與意義 6.2研究現(xiàn)狀與趨勢 6.3重要科學問題與技術(shù)關(guān)鍵 6.4重要研究進展 6.4.1插層組裝與產(chǎn)品工程 6.4.2微球、微囊材料的可控制備及其在生物技術(shù)中的應(yīng)用 6.4.3染料分子功能強化 6.4.4基于活性自由基聚合的高分子可控制造技術(shù) 6.5發(fā)展方向與思路 參考文獻 第7章多尺度復(fù)雜化工過程 7.1背景與意義 7.1.1化學工程面臨的挑戰(zhàn)與機遇 7.1.2介尺度結(jié)構(gòu)的量化與調(diào)控是復(fù)雜化工過程的共性科學問題 7.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 7.2.1以多尺度結(jié)構(gòu)和復(fù)雜系統(tǒng)研究為契機，化學工程及其相關(guān)學科正從分化再度走向融合，孕育著新的發(fā)展與突破 7.2.2多尺度研究的核心和難點在于介尺度，而且正在孕育向介尺度研究的深化 7.2.3高性能計算理論與技術(shù)、高精度測量方法為介尺度研究提供了有效手段，而其發(fā)展瓶頸也在于介尺度結(jié)構(gòu) 7.3重要科學問題與關(guān)鍵技術(shù) 7.4重要研究進展 7.4.1針對復(fù)雜多相系統(tǒng)的多尺度模擬研究與應(yīng)用 7.4.2復(fù)雜物系多尺度結(jié)構(gòu)調(diào)控與相關(guān)材料性能一結(jié)構(gòu)制備關(guān)系的研究 7.4.3多相聚合反應(yīng)體系的時空多尺度結(jié)構(gòu)及其實驗表征 7.5發(fā)展方向與思路 參考文獻 第8章非常規(guī)化工過程的科學基礎(chǔ) 8.1超重力強化化工過程的科學基礎(chǔ) 8.1.1超重力技術(shù)背景與發(fā)展歷史 8.1.2超重力技術(shù)的研究進展 8.1.3超鶯力技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用 8.1.4重要科學問題與技術(shù)關(guān)鍵 8.1.5超重力技術(shù)展望 8.2等離子體強化化工過程的科學基礎(chǔ) 8.2.1物質(zhì)第四態(tài)——等離子體態(tài) 8.2.2等離子體強化化工過程研究進展 8.2.3等離子體強化化工過程擬解決的關(guān)鍵科學問題 8.2.4等離子體強化化工過程未來發(fā)展展望 8.3新介質(zhì)強化原理及應(yīng)用 8.3.1導(dǎo)論 8.3.2在離子液體介質(zhì)中的化工過程 8.3.3在超臨界介質(zhì)中的化工過程 8.4微化工技術(shù) 8.4.1導(dǎo)論 8.4.2微化工技術(shù)的科學基礎(chǔ) 8.4.3微化工技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用 8.4.4微化工技術(shù)的發(fā)展前景 參考文獻 第9章生物與食品化工 9.1背景與意義 9.1.1工業(yè)生物技術(shù) 9.1.2食品化工技術(shù) 9.2研究現(xiàn)狀與趨勢 9.2.1工業(yè)生物技術(shù) 9.2.2食品化工技術(shù) 9.3重要科學問題與技術(shù)關(guān)鍵 9.3.1工業(yè)生物技術(shù) 9.3.2食品化工技術(shù) 9.4重要研究進展 9.4.1工業(yè)生物技術(shù) 9.4.2食品化工技術(shù) 9.5發(fā)展方向與思路 9.5.1工業(yè)生物技術(shù) 9.5.2食品化工技術(shù) 參考文獻 …… 第10章能源化工 第11章材料化工 第12章資源與環(huán)境化工 第13章過程系統(tǒng)工程與化工過程安全

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   1.流程模擬與工藝優(yōu)化 流程模擬優(yōu)化技術(shù)是提高工廠經(jīng)濟效益、降低生產(chǎn)成本、消除裝置“瓶頸”的主要手段之一，日益受到國內(nèi)外科研工作者的關(guān)注。流程模擬是基于氣液分離過程的物料平衡方程（M方程）、相平衡方程（E方程）、歸一方程（S方程）和焓衡算方程（H方程）所組成的MESH方程組模型求解。由流程模擬得到全流程工藝數(shù)據(jù)及各設(shè)備內(nèi)的濃度分布、流量分布、溫度分布等詳盡的設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。應(yīng)用穩(wěn)態(tài)過程模擬軟件，可對全工藝流程進行多方案的對比計算，以提高收率、降低能耗、降低裝置投資、減少對環(huán)境的污染為目標，優(yōu)選生產(chǎn)的工藝流程及各單元之間的中間操作參數(shù)（如溫度、壓強、流速、組成等），并對各中間操作參數(shù)做敏感性分析，判斷流程中各單元的可操作性及安全性。在通用流程模擬軟件（ASPEN PLUS和PROⅡ等）平臺上開發(fā)各裝置專用的流程模擬程序，以得到更準確的工藝系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 2.數(shù)字化塔器設(shè)計 數(shù)字化設(shè)計是指運用計算機圖形學和圖像處理技術(shù)，將科學計算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。數(shù)字化設(shè)計改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方法，旨在利用計算流體力學、模擬實現(xiàn)精餾塔及塔內(nèi)件的參數(shù)化、數(shù)字化CAD，并將參數(shù)模型導(dǎo)入有限元軟件，對精餾塔體和塔內(nèi)件及支撐結(jié)構(gòu)在外界載荷的作用下，以及不同的操作工況下的強度、剛度、穩(wěn)定性和可靠性給出精確的校核計算。近年來，為了解決大型化問題，將強度校核與計算流體力學技術(shù)應(yīng)用于塔器的設(shè)計過程中，大大提高了塔內(nèi)件的選型和設(shè)計效率。在設(shè)計中實現(xiàn)了流形流態(tài)可視化、力學性能可視化、結(jié)構(gòu)可視化及其裝配。 在塔器大型化過程中，多個工程技術(shù)問題可通過計算流體力學模擬得到解決。 （1）液體分布。在大型塔器內(nèi)隨塔徑與填料直徑比的增加和填料層的徑向分散系數(shù)減小，填料將不良初始分布轉(zhuǎn)化為自然流分布更困難，因此流體初始分布極為重要。采用計算流體力學計算可以優(yōu)化分布器的結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸、開孔密度和尺寸等方面，從而實現(xiàn)液體均布。例如，某公司72萬t/a乙烯裝置汽油分餾急冷塔的急冷油回流分布管設(shè)計為變孔徑預(yù)分布管，采用計算流體力學模擬進行設(shè)計計算，獲得不同位置上優(yōu)化的孔徑。

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