化工过程纳微结构界面预测与调控展望_刘会洲.pdf

第 8 卷第 4 期 过 程 工 程 学 报 Vol.8 No.4 2008 年 8 月 The Chinese Journal of Process Engineering Aug. 2008 化工过程纳微结构界面预测与调控展望 1 1 1 1 2 1 刘会洲 ， 郭 晨 ， 常志东 ， 杨 超 ， 李洪钟 ， 陈家镛 (1. 中国科学院过程工程研究所绿色过程与工程重点实验室；2. 中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京 100190) 摘 要：对国内外化学化工过程中纳微结构界面的研究进行了综述. 通过对一些典型实例的分析和讨论，指出纳微结 构界面不仅是目前化学化工研究的热点，也是对化工过程传递规律新认识的基础. 提出从分子结构出发，建立多种数 学模型，从而有可能实现对化工过程中纳微结构界面的预测与调控. 随着结构、界面与“三传一反”关系的理论与计 算模型的确立，有可能建立过程工业装置设计、放大和调控的科学理论，化学工程科学将会进入一个新的里程. 关键词：化工过程；纳微结构界面；预测；调控 中图分类号：TQ21.4 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2008)04−0660−07 1 前 言 与生物分子工程的 Ducker 博士研究组[3]从胶体稳定性 和表面组织结构的研究出发，发现在室温下气液界面纳 结构和界面(表面)是物质的基本存在形态，而关联 米气泡(5∼80 nm)可以存在 1 h 以上，并在乙醇−水交换 这些基本物质单元并维持自然界呈现有序运动的核心 过程中纳米气泡具有长期稳定性，通过谱学和计算证实 是相互作用. 如在气固表面方面，Ertl[1]通过对哈伯−博 了纳米气泡存在的可能性(见图 2) ，利用纳米气泡改变 施合成氨工艺固体表面化学过程的研究，成功测量了每 颗粒表面的疏水性质来调控水包油乳液的表面，提高传 一个反应步骤的速率和反应动能，这些数据又被用于更 质效率，为 CO2 吸附和转化的研究提供了新的理论及方 有实际应用价值的反应过程的计算，不仅对基础研究， 法，也为实现温室气体有效控制提供了新思路. 而且对工业模型的建立也极为重要. 由此证明了物质接 传质过程是一种伴随着流体流动和界面传热的物 触表面发生的化学反应对工业生产运作至关重要，他也 质之间的复杂运动现象. 因此，传质过程往往受体系中 因此获得2007 年度诺贝尔化学奖. 在液固界面方面，中 [2]通过调控固体表面 纳微结构界面等多尺度效应的影响. 以精馏塔内的气液 国科学院化学研究所江雷研究小组 传质过程为例，刘春江等[4]对一个大型精馏塔板效率进 的纳微结构界面，实现了对材料表面的超疏水性和亲水 行估算时发现，若采用传统的计算流体力学方法处理， 性的转换(如图 1 所示). 通过构建纤维表面的结构模型，