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基础篇 3

1 多尺度方法与过程模拟——回顾多尺度方法，展望虚拟过程工程 3

1.1 多尺度概念的产生 3

1.2 EMMS模型的建立 4

1.3 Nst→min假设受到质疑 4

1.4 机制协调概念的深化 5

1.5 Compromise概念的初步证明 6

1.6 EMMS工业应用和协调概念的扩展 7

1.7 Nst＝min的证明和极值型多尺度方法的建立 7

1.8 多尺度CFD（EMMS＋CFD）的发展 8

1.9 新的多尺度并行计算模式的提出和挑战 11

1.10 探索实现虚拟过程的可能性 13

1.11 二十多年来发展极值型多尺度方法的体会 13

参考文献 14

2 传递基础 17

2.1 过程工程体系的特点 17

2.2 传递过程的速率 18

2.2.1 动量传递的牛顿黏性定律 19

2.2.2 热量传递的傅里叶定律 20

2.2.3 质量传递的菲克定律 20

2.2.4 传热系数和传质系数 21

2.2.5 传递过程的相似性 23

2.2.6 化学反应速率 24

2.3 动量守恒方程 26

2.3.1 动量守恒方程的积分形式 26

2.3.2 动量守恒方程的微分形式 28

2.3.3 应力本构关系 29

2.3.4 不可压缩流体的Navier-Stokes方程 29

2.4 能量守恒方程 30

2.5 传质方程和连续性方程 32

2.5.1 总物料衡算 32

2.5.2 组分质量守恒 34

2.6 传递过程原理的发展 35

2.6.1 湍流中的传递过程 35

2.6.2 多相流中的传递过程 39

2.6.3 场的耦合与协同 43

2.7 研究课题 45

2.7.1 传递过程的推动力 46

2.7.2 相界面的传质过程 47

2.7.3 多相流的湍流模型 48

2.7.4 多元体系传递过程的非线性性质 50

2.7.5 非经典的传递现象 52

参考文献 56

3 化学反应工程概论 59

3.1 非催化反应工程 59

3.1.1 非催化气-固反应 59

3.1.2 非催化气-液反应 61

3.2 催化反应工程 62

3.2.1 吸附速率和平衡 63

3.2.2 多相催化宏观动力学 63

3.3 反应器的类型 66

3.3.1 气-固和液-固反应器 67

3.3.2 气-液或液-液反应器 69

3.3.3 气-液-固三相反应器和其他复杂多相反应器 71

3.4 反应器的设计及放大 73

3.4.1 反应器的混合 74

3.4.2 反应器内多相传递 79

3.5 结语 81

参考文献 83

4 多相流结构与传递及其调控 87

4.1 结构问题 87

4.2 多相流结构与传递的关系 90

4.2.1 快速流化床中气-固流动局部不均匀结构的预测——EMMS模型 91

4.2.2 不均匀结构与曳力系数的关系——动量传递 93

4.2.3 不均匀结构与传质系数的关系——质量传递 96

4.2.4 不均匀结构与传热系数的关系——热量传递 101

4.2.5 关于聚团的并聚与分散对传质、传热影响的理论分析与讨论 108

4.2.6 理论预测与实验数据的对比 109

4.2.7 多相流动和三传一反的计算机模拟前景 111

4.3 多相流动结构的调控——散式化方法 114

4.3.1 床型设计 115

4.3.2 流体设计 119

参考文献 125

5 微化学工程与技术 129

5.1 引言 129

5.2 微通道内流体流动特性 129

5.2.1 微通道内单相流体流动 129

5.2.2 微通道内多相流体流动 130

5.3 微通道内流体混合与传质特性 137

5.3.1 微通道内液-液互溶两相流体间的混合特性 137

5.3.2 微通道内液-液互不相溶两相流体间的传质特性 139

5.3.3 微通道内气-液两相流体间的传质特性 141

5.3.4 微通道内气-液-液三相流体间的传质特性 143

5.3.5 微通道内液-液-固三相流体间的传质特性 143

5.4 微通道反应器 143

5.4.1 微反应器内的均相反应 144

5.4.2 微反应器内的气-固催化反应 147

5.4.3 微反应器内的气-液两相反应 150

5.4.4 微反应器内的液-液两相反应 152

5.5 结束语 154

参考文献 155

6 分离过程工程前沿 164

6.1 引言 164

6.2 化工过程中的界面现象 165

6.2.1 从分子结构到微相结构预测 167

6.2.2 化工分离过程热力学模拟 170

6.3 化工分离过程纳微结构界面研究展望 173

6.4 分离过程技术发展展望 175

6.4.1 微乳相分离技术 175

6.4.2 产物的直接捕获技术 176

6.4.3 仿生分离技术 177

6.4.4 分离过程强化技术 178

参考文献 178

7 精馏传质分离过程 182

7.1 引言 182

7.2 精馏过程流体力学及其模拟 182

7.2.1 板式塔计算流体力学模拟 182

7.2.2 填料塔计算流体力学模拟 186

7.3 精馏过程计算传质学 187

7.3.1 基本传质方程及其封闭 188

7.3.2 计算传质学的方程体系 189

7.3.3 基于计算传质学的化工过程建模 190

7.3.4 计算传质学在精馏塔及其他化工过程模拟中的应用 191

7.3.5 挑战与展望 197

7.3.6 结论 198

7.4 气-液界面对流现象及其对传质过程的影响 198

7.4.1 气-液界面的Marangoni对流及对传质过程的影响 199

7.4.2 气-液界面的Rayleigh-Bénard对流及对传质过程的影响 201

7.4.3 结论 202

7.5 间歇精馏过程 202

7.5.1 间歇精馏的基本操作模式 203

7.5.2 间歇精馏塔的类型 203

7.5.3 特殊间歇精馏 204

7.6 精馏过程多元气-液传质理论 210

7.6.1 气-液界面的多元传质现象与普遍化Fick定律 210

7.6.2 多元传质的普遍化的Maxwell-Stefan方程 212

7.6.3 多元传质方程的求解 213

7.6.4 多元传质方程非稳态解与点效率计算 215

7.6.5 结论 225

参考文献 226

8 离子液体科学与工程基础 231

8.1 引言 231

8.2 离子液体的微观结构及氢键相互作用 232

8.2.1 离子液体的氢键网络结构 232

8.2.2 离子液体团簇 234

8.2.3 离子液体中正负离子协同催化作用机制 236

8.3 离子液体的物性变化规律及预测方法 240

8.3.1 离子液体数据库 242

8.3.2 离子液体的分子模拟及周期性变化规律 243

8.3.3 离子液体的QSPR研究 243

8.4 离子液体中反应-传递原位研究方法以及放大规律 244

8.4.1 离子液体中传递-转化耦合性能的原位研究装置 244

8.4.2 离子液体中气-液传质过程的实验研究 245

8.4.3 离子液体中气-液传质过程的数值模拟研究 247

8.5 结论 249

参考文献 249

9 复杂流体分子热力学 254

9.1 引言 254

9.2 链状流体的状态方程 256

9.2.1 化学缔合统计理论框架 257

9.2.2 状态方程 259

9.2.3 状态方程的应用 262

9.3 链状流体的混合亥姆霍兹函数模型 264

9.3.1 密堆积格子模型 265

9.3.2 密堆积格子模型的应用 268

9.3.3 格子流体模型 269

9.3.4 格子流体模型的应用 270

9.4 结束语 271

参考文献 273

10 多相流动的数值模拟——离散单元法及其在炼铁高炉中的应用 283

10.1 引言 283

10.1.1 颗粒流体流动的数值模拟概述 283

10.1.2 高炉内的多相流动概述 286

10.1.3 高炉多相流动的数值模拟 287

10.2 数学模型描述 288

10.2.1 颗粒相控制方程-离散单元法DEM 288

10.2.2 流体相控制方程计算流体力学 290

10.2.3 传热模型 290

10.2.4 耦合计算方法 292

10.2.5 平均方法 293

10.3 应用举例 295

10.3.1 高炉上部物料分布的模拟 296

10.3.2 高炉炉体内气-固两相的模拟 302

10.3.3 风口回旋区气-固流动的模拟 307

10.3.4 炉缸内颗粒行为的模拟 314

10.4 总结 317

参考文献 318

11 反应粉碎过程原理及应用 325

11.1 反应粉碎的特点与机理 325

11.1.1 反应粉碎特点 325

11.1.2 反应粉碎机理 326

11.2 反应粉碎中的机械化学效应 328

11.2.1 粉体物理化学性质的变化 328

11.2.2 粉体之间的机械化学反应 328

11.2.3 粉体晶体结构的变化 329

11.2.4 发生固相反应 329

11.3 反应粉碎的应用及研究现状 330

11.3.1 粉体表面改性 330

11.3.2 粉体活化 330

11.3.3 机械合金化 331

11.3.4 能源材料制备 332

11.3.5 污染物处理 333

11.3.6 反应粉碎过程模拟 333

11.4 反应粉碎过程发展趋势 334

参考文献 334

12 专业数据和计算资源的网络化共享——构建未来虚拟研究环境的基础 337

12.1 引言 337

12.2 网络化专业数据的共享 337

12.2.1 单一的化学数据库的网络化基本成熟 338

12.2.2 发展趋势：多个网络化学数据库的统一检索 338

12.2.3 原始实验数据的数字化共享与保藏 341

12.3 计算资源的网络化共享 341

12.4 化学数据和计算资源的网络化集成 343

12.5 结语 344

参考文献 345

13 计算机辅助化学产品设计 349

13.1 引言 349

13.2 化学产品工程 349

13.2.1 化学产品工程的知识结构 350

13.2.2 化学产品金字塔 350

13.2.3 产品设计与工艺设计的结合 352

13.2.4 多尺度方法 352

13.3 化学产品设计 352

13.3.1 化学产品设计的基本步骤 352

13.3.2 计算机辅助分子设计和混合物设计 354

13.3.3 化学产品设计的方法体系 355

13.4 化学产品设计中的分子模拟 356

13.4.1 微观尺度模拟 356

13.4.2 介观尺度模拟 357

13.5 化学产品设计中的全局优化问题 358

13.6 化学产品工程中的机遇和挑战 360

参考文献 360

14 过程系统工程——“两化融合”发展与PSE：挑战和前景 367

14.1 “两化融合”发展的必要性 367

14.1.1 我国的工业化进程 367

14.1.2 信息化的含义 368

14.1.3 “两化融合”发展是中华民族崛起的战略抉择 368

14.2 化学工业“两化融合”的发展趋势 369

14.2.1 从规模经济逐步向范围经济过渡 369

14.2.2 从传统制造业向服务制造业过渡 372

14.2.3 从高能耗高污染的重化经济向绿色生态经济（特别是低碳经济）逐步过渡 373

14.3 “两化融合”的发展提出的挑战 375

14.4 过程系统工程可以提供的支撑技术 375

14.4.1 产品工程和纳米过程系统工程为产品创新和精细化工发展提供支持 375

14.4.2 间歇过程系统工程为多产品、多目标的间歇过程设计和操作提供理论基础 378

14.4.3 供应链的优化与协同研究为企业做强提供竞争力 380

14.4.4 多尺度过程集成为全企业优化运营提供支撑 381

14.4.5 绿色过程系统工程为企业的可持续发展和生态工业园区建设提供支持 383

14.5 结束语 385

参考文献 385

15 过程工业与循环经济——在过程工业中推进循环经济发展 388

15.1 循环经济关键理论 388

15.2 发展资源循环利用产业的重要领域 390

15.2.1 对动脉产业过程中未充分利用的资源的利用 391

15.2.2 静脉产业过程中的再生资源利用 391

15.3 我国资源循环利用的现状与存在问题 394

15.4 结语 395

参考文献 396

专业篇 399

16 石化技术自主创新的崎岖之路 399

16.1 原始创新要转移现有技术的科学知识基础 399

16.2 新构思来自联想，而联想源于博学广识和集体智慧 400

16.2.1 分子筛裂化催化剂 401

16.2.2 异丁烷／丁烯烷基化 402

16.2.3 喷气燃料脱硫醇 403

16.2.4 氢-铝交联累托石层柱分子筛 404

16.3 验证新构思，实现工业化的道路曲折、崎岖 405

16.3.1 铂重整工艺的发明 405

16.3.2 非晶态合金的研发 407

16.4 《西游记》主题歌的启示——团队精神的重要性 408

参考文献 408

17 超重力反应过程强化原理与工业应用 410

17.1 超重力技术概念与发展历史 410

17.1.1 超重力技术的基本概念 410

17.1.2 超重力技术的发展历史 411

17.2 超重力环境下的流体流动 412

17.2.1 超重力环境下流体流动形态及分布 412

17.2.2 超重力环境下流体力学特性 413

17.3 超重力环境下的传递规律及模型化 417

17.3.1 相界面积 417

17.3.2 传质系数 417

17.4 超重力环境下多尺度分子混合规律 424

17.4.1 混合尺度分类及定义 424

17.4.2 分子混合的作用 424

17.4.3 旋转床内多尺度作用下分子混合性能研究 425

17.4.4 分子混合对反应结晶的影响与模型化 425

17.5 超重力反应强化原理、新工艺与工业应用 431

17.5.1 超重力反应过程强化原理 431

17.5.2 受分子混合限制的反应过程超重力强化新工艺 434

17.5.3 受传递过程限制的多相反应过程超重力强化新工艺 440

17.6 展望 445

参考文献 445

18 铁矿气相还原原理及应用 450

18.1 引言 450

18.2 基本原理 451

18.2.1 氧化铁气相还原热力学 451

18.2.2 氧化铁气相还原动力学 455

18.2.3 铁矿石的可选性 457

18.3 还原反应器 459

18.3.1 竖炉 459

18.3.2 回转窑 460

18.3.3 流化床 461

18.3.4 磁化焙烧技术对比分析 461

18.4 流化床磁化焙烧 463

18.5 流态化铁矿直接还原 465

18.6 展望 467

参考文献 467

19 基于复杂反应过程的材料化工 469

19.1 引言 469

19.2 复杂气-固相反应与材料制备技术 472

19.3 反应过程中材料结构的跨尺度调控 477

19.4 大规模材料制备的过程工程问题 480

19.4.1 西门子法生产多晶硅 482

19.4.2 四氯化硅的氢化技术 483

19.4.3 硅烷法流化床沉积多晶硅 484

参考文献 486

20 纳米材料结构调控及过程工程特征 487

20.1 纳米材料制备过程的特殊性 487

20.2 纳米材料化学合成与结构调控 490

20.2.1 气相燃烧合成纳米材料 490

20.2.2 液相反应合成纳米材料 495

20.3 纳米材料组装、结构调控及光电性能 497

20.3.1 纳米管组装半导体 498

20.3.2 树状大分子组装纳米材料 498

20.3.3 介孔限域组装纳米复合材料 499

20.4 纳米材料制备工程特征与过程放大 500

20.4.1 纳米材料燃烧合成工程特征及过程放大 500

20.4.2 针状FeOOH合成过程的工程特征及过程放大 504

20.5 纳米材料制备过程的工程问题 507

参考文献 509

21 功能纳米铁氧化物粉体的合成和应用 512

21.1 引言 512

21.2 实验 513

21.2.1 试剂与设备 513

21.2.2 实验装置与实验步骤 513

21.3 结果与讨论 519

21.3.1 α-铁黄的碱法制备 519

21.3.2 α-铁红的制备 520

21.3.3 α-铁红纳米粒子的尺寸控制 521

21.3.4 α-铁红纳米粒子分散性能的控制 521

21.3.5 α-铁红的热形成机理 523

21.3.6 热分析动力学原理 524

21.3.7 热形成过程中微观结构的变化 528

21.3.8 α-铁红的热形成机理 530

21.3.9 诱导合成法新思路的提出 530

21.3.10 单分散α-Fe2O3粒子合成机理的研究 531

21.3.11 单分散β-铁黄粒子合成机理的研究 535

21.3.12 单分散氧化铁纳米粒子尺寸的控制 537

21.3.13 单分散氧化铁纳米粒子形貌的控制 539

21.3.14 高饱和磁化强度Fe3O4磁粉性能测试 541

21.4 彩色激光打印机碳粉 542

21.4.1 基本原理 543

21.4.2 研究内容 543

21.4.3 彩色激光粉的合成 545

21.4.4 产品性能 547

21.5 耐久性防伪彩色激光粉 550

21.5.1 组分设计原理 550

21.5.2 激光打印机耐久性防伪彩色粉的研制 551

21.5.3 激光打印机耐久性防伪彩色粉的合成 551

21.5.4 耐久性防伪彩色粉的合成 553

21.5.5 产品的性能 553

21.6 结论 555

参考文献 558

22 生物质原料过程工程 560

22.1 生物质原料过程工程 560

22.1.1 生物质原料过程工程的提出 560

22.1.2 生物质原料过程工程的研究内容 561

22.2 生物质原料特性 561

22.2.1 多样性 561

22.2.2 复杂性 562

22.2.3 结构的不均一性 563

22.3 生物质原料预处理 563

22.3.1 生物质原料的初级预处理 563

22.3.2 生物质原料的组分分离-定向转化 564

22.3.3 生物质原料的选择性结构拆分 566

22.4 生物质原料生态产业集成 567

22.4.1 生物质原料生态产业集成的必要性 567

22.4.2 生态产业集成理论 570

22.4.3 生物质原料生态产业集成的特点 572

22.4.4 生物质原料生态产业集成范例 573

22.5 结语 576

参考文献 576

23 陶瓷膜的工业化应用研究进展 580

23.1 引言 580

23.2 陶瓷膜在化工与石油化工中的应用 581

23.2.1 超细颗粒的吸附行为及抑制方法 581

23.2.2 反应-膜分离耦合系统的典型工程应用 586

23.3 陶瓷膜在生物发酵领域中的应用 588

23.3.1 连续洗涤预测模型 588

23.3.2 模型计算的工业化应用 591

23.3.3 典型发酵体系的陶瓷膜应用过程研究 592

23.4 结束语 598

参考文献 598

24 重油梯级分离过程——从概念到工业试验 600

24.1 引言 600

24.2 重油超临界溶剂深度精细分离方法的建立及取得的新认识 602

24.2.1 超临界流体萃取分馏分离体系及条件优化 602

24.2.2 重质油性质组成的深入认识 605

24.2.3 超临界梯级分离脱残渣的潜力预测 605

24.2.4 获得了重油多层次化学结构的深入认识 606

24.2.5 提出了重油梯级分离加工利用新分类指标体系 608

24.3 重油溶剂脱沥青过程的热力学模型的建立及梯级分离新工艺开发 612

24.3.1 深度溶剂脱沥青过程的热力学模型 612

24.3.2 深度溶剂脱沥青工艺原理研究 616

24.4 重油深度梯级分离——硬沥青喷雾造粒的工程放大研究 618

24.4.1 深度溶剂脱沥青中试研究 619

24.4.2 深度溶剂脱沥青硬沥青造粒的工程实现 620

24.4.3 重油深度梯级分离过程溶剂损失、能耗及经济性估算 623

24.5 新型专用装置的研制及工业示范装置的建设 625

24.5.1 新型喷雾造粒塔的研究 625

24.5.2 可控粒径喷嘴的研究 627

24.5.3 沥青颗粒的输送性能及装备研究——星形给料机的输送与密封性能 628

24.5.4 旋风分离过滤器的研制 629

24.5.5 梯级分离新工艺的工业实现 630

24.6 结论 631

参考文献 632

25 能源过程工程 634

25.1 煤多联产技术 634

25.1.1 多联产系统分类 634

25.1.2 煤分级利用多联产技术开发 638

25.2 垃圾焚烧技术 641

25.2.1 引言 641

25.2.2 焚烧炉结构及技术特点 642

25.2.3 焚烧炉设计的关键点 645

25.2.4 循环流化床焚烧系统设计的考虑 646

25.2.5 小结 649

25.3 生物质流化床快速裂解技术研究 650

25.3.1 生物质快速热裂解液化技术简介 650

25.3.2 生物质快速热裂解液化技术的现状与发展 654

25.3.3 浙江大学生物质快速热裂解技术开发 659

25.3.4 生物质流化床快速热裂解试验研究 661

25.3.5 小结 669

参考文献 670

26 中药过程工程 674

26.1 中药概述 674

26.2 中药过程工程 676

26.2.1 中药过程工程的概念 676

26.2.2 中药过程工程单元操作 677

26.3 中药过程工程新进展 683

26.3.1 中药材种植（养殖） 683

26.3.2 中药炮制 686

26.3.3 制剂前处理 687

26.3.4 流化床喷雾干燥、制粒和包衣技术 714

26.3.5 其他单元操作 715

26.4 结语 715

参考文献 716