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从多尺度到介尺度——复杂化工过程模拟的新挑战

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化工学报 2010年第7期61卷 1613-1620页

作者：葛蔚刘新华任瑛徐骥李静海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

化工过程普遍面对具有多尺度结构的复杂系统,而作为从基本单元相互作用形成系统整体行为与功能的关键环节,介尺度结构对化工过程的定量描述和定向调控具有重要意义。同时,化学、材料、生物、物理和系统科学等领域也都逐步认识到各自的... 详细信息

化工过程普遍面对具有多尺度结构的复杂系统,而作为从基本单元相互作用形成系统整体行为与功能的关键环节,介尺度结构对化工过程的定量描述和定向调控具有重要意义。同时,化学、材料、生物、物理和系统科学等领域也都逐步认识到各自的介尺度问题及其共同特性。这表明对介尺度结构与行为共性的深入研究将对科学界产生全局性的影响,同时也表明这样的研究必须通过多学科充分交流、紧密合作才能取得重大进展。本文试图从多尺度研究的背景出发探讨化工及相关过程中介尺度模拟的意义、挑战和方法,并展望其发展。

关键词：多尺度介尺度复杂系统高性能计算模拟

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铌酸锂晶体缺陷研究中的介尺度团簇演变

硅酸盐学报 2023年第6期51卷 1425-1438页

作者：史国强陈昆峰唐供宾胡卉薛冬峰中国科学院深圳先进技术研究院多尺度晶体材料研究中心广东深圳518055 山东大学晶体材料国家重点实验室新一代半导体材料研究院济南250100 山东大学晶体材料国家重点实验室济南250100

铌酸锂晶体中存在着丰富的缺陷结构,主要包括VLi、NbLi^(4+)、V_(Nb)以及VO等点缺陷。缺陷的存在会在很大程度上影响铌酸锂晶体的性质,如压电、电光、铁电、光折变、非线性光学性质以及激光损伤阈值,进而影响声表面波、电光调制器、声... 详细信息

铌酸锂晶体中存在着丰富的缺陷结构,主要包括VLi、NbLi^(4+)、V_(Nb)以及VO等点缺陷。缺陷的存在会在很大程度上影响铌酸锂晶体的性质,如压电、电光、铁电、光折变、非线性光学性质以及激光损伤阈值,进而影响声表面波、电光调制器、声光调制器、温度/压力/加速度传感器等器件性能。铌酸锂晶体中缺陷形成的主要过程可以归结为以O2–为中心的介尺度团簇演变。明确铌酸锂晶体缺陷形成过程中的介尺度团簇演变机制对于缺陷的控制具有十分重要的意义。本文将从缺陷类型、形成能以及介尺度团簇模型研究铌酸锂晶体中缺陷的动态演变过程以及形成机制。最后分析铌酸锂晶体结构中缺陷导致的杂化、再杂化过程,同时考虑多种自由度的耦合,为铌酸锂晶体的缺陷控制、快速生长以及性能调控贡献力量。最后举例介绍分析铌酸锂晶体缺陷与性质、功能的关联关系。

关键词：铌酸锂缺陷团簇介尺度动态演变

面向空天动力用聚酰亚胺树脂基复合材料介尺度结构与调控

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化工学报 2022年第6期73卷 2352-2369页

作者：曾欣欣白慧娟俞娟黄培杨超徐俊波中国科学院过程工程研究所中国科学院绿色过程与工程重点实验室北京100190 中国科学院大学化学工程学院北京100049 南京工业大学化工学院材料化学工程国家重点实验室江苏南京211800

基于面向空天动力用聚酰亚胺树脂基复合材料的背景,分析了复合材料面临的介尺度结构设计与调控的关键科学问题及研究思路。综述了国内外热塑性聚酰亚胺构-效设计、复合材料微/纳复合界面强化以及健康结构动态监测的基础研究,并提出了未... 详细信息

基于面向空天动力用聚酰亚胺树脂基复合材料的背景,分析了复合材料面临的介尺度结构设计与调控的关键科学问题及研究思路。综述了国内外热塑性聚酰亚胺构-效设计、复合材料微/纳复合界面强化以及健康结构动态监测的基础研究,并提出了未来的发展趋势。

关键词：复合材料介尺度热塑性聚酰亚胺微/纳界面强化动态监测

基于介尺度结构解聚-重组装的Beta分子筛的绿色合成及应用

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化工学报 2022年第6期73卷 2690-2697页

作者：王婵肖国锡郭小雪徐人威岳源源鲍晓军福州大学石油化工学院化肥催化剂国家工程研究中心福建福州350002 清源创新实验室福建泉州362801 中化泉州能源科技有限责任公司福建泉州362000

Beta分子筛作为一种重要的催化材料,被广泛应用于石油化工、煤化工及环境保护等领域,但其常规的水热合成过程存在成本高、单釜产率低和废水排放量大等问题。本研究提出了一条基于天然矿物介尺度结构解聚-重组装的无溶剂绿色合成Beta分... 详细信息

Beta分子筛作为一种重要的催化材料,被广泛应用于石油化工、煤化工及环境保护等领域,但其常规的水热合成过程存在成本高、单釜产率低和废水排放量大等问题。本研究提出了一条基于天然矿物介尺度结构解聚-重组装的无溶剂绿色合成Beta分子筛的新路线,采用该路线所合成的Beta分子筛(Beta-Anhyd)含有丰富的介孔和大孔结构,且具有较商业Beta分子筛(Beta-Ref)更高的比表面积和更低的酸量,以其为载体,通过脱Al补Sn制备的Sn-Beta催化剂(Beta-Anhyd-Deal)在丙烷脱氢反应中表现出较参比催化剂(Beta-Ref-Deal)更加优异的催化性能。

关键词：分子筛载体催化剂介尺度绿色合成丙烷脱氢

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煤炭自然发火介尺度分析:从表征体元宏观模型到孔隙微观模型

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煤炭学报 2019年第4期44卷 1138-1146页

作者：梁运涛王树刚蒋爽胡沛裕林琦宋双林煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室辽宁抚顺113122 大连理工大学建设工程学部辽宁大连116024 大连民族大学土木工程学院辽宁大连116600

煤炭自然发火存在明显的介尺度特性,应用介尺度科学理论将煤炭自然发火的微观反应机理与宏观变化特征相关联,有助于推进煤自燃领域的深入研究。首先分析了单煤颗粒、煤颗粒聚团及煤堆3个尺度的区别及相互联系,指出尺度之间正确的信息传... 详细信息

煤炭自然发火存在明显的介尺度特性,应用介尺度科学理论将煤炭自然发火的微观反应机理与宏观变化特征相关联,有助于推进煤自燃领域的深入研究。首先分析了单煤颗粒、煤颗粒聚团及煤堆3个尺度的区别及相互联系,指出尺度之间正确的信息传递是多尺度模拟的前提,煤自燃领域尺度信息传递的主要方式是"尺度上联"。从数学建模角度提出煤颗粒聚团的本质就是煤堆的表征体元,以表征体元为最小单位的表征体元尺度数值模拟是一种忽略聚团内结构变化的基于宏观数学模型的计算方法,相对应的表征体元内考虑单煤颗粒相互影响的孔隙尺度数值模拟是一种基于微观数学模型的计算方法,由此明确了煤自燃研究中介尺度Ⅱ所在的堆积态煤体层次的物理过程与数学概念。其次基于表征体元尺度的定义,考虑瞬时孔隙率和高温辐射换热特征,建立了连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和浓度方程,简述了求解过程,指出需要由孔隙尺度模型获取的参数有孔隙率、渗透率、对流换热系数等。接着论述了基于格子玻尔兹曼方程、考虑内部孔隙结构的孔隙尺度微观模型,并用实例展示了采用工业CT技术获取煤岩体孔隙物理结构、3维数字重构及表征体元提取的步骤。最后利用不同尺度之间参数的本构关系,提出从孔隙尺度获取宏观控制方程中孔隙率、渗透率、惯性系数和对流换热系数的尺度上联方法,从数学上实现了孔隙尺度微观模型到表征体元尺度宏观模型之间的信息传递,从而完成了从孔隙尺度到表征体元尺度的多尺度物理建模和数学建模。

关键词：煤炭自然发火介尺度表征体元孔隙尺度上联

基于重置温度方法的双参数介尺度气固传热模型构建

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化工学报 2022年第6期73卷 2612-2621页

作者：刘怡琳李钰余亚雄黄哲庆周强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 新能源系统工程与装备陕西省高校工程研究中心陕西西安710049 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室陕西西安710049

颗粒聚团等介尺度结构在气固两相流中普遍存在,这些介尺度非均匀结构直接影响气固流动特性及气固接触效率,进而影响气固相间传热、传质及化学反应过程。在更适合工业大尺度气固传热模拟的粗网格方法中缺乏准确度高、简单易用且可以考虑... 详细信息

颗粒聚团等介尺度结构在气固两相流中普遍存在,这些介尺度非均匀结构直接影响气固流动特性及气固接触效率,进而影响气固相间传热、传质及化学反应过程。在更适合工业大尺度气固传热模拟的粗网格方法中缺乏准确度高、简单易用且可以考虑介尺度非均匀结构影响的传热模型。采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)研究了气固两相流相间传热,为了保证气固相间持续传热,采用了两种维持气固相间传热温差的方法,并讨论了两种方法的优缺点。方法一:给气相能量方程添加热源项;方法二:每间隔一段时间重置气相温度,重置温度后气固两相自由传热,两种方法中均保持固相温度不变。结果表明聚团界面位置的局部单位体积气固传热量最大,重置温度方法在稀相和界面位置的局部单位体积传热量与总单位体积传热量之比大于热源项方法,而在浓相位置的局部单位体积传热量与总单位体积传热量之比小于热源项方法。通过过滤CFD-DEM计算数据,为重置温度方法构建了双参数(过滤固含率、过滤尺度)传热系数修正因子模型,通过先验分析评价了模型的表现,研究表明所构建模型在过滤网格尺度为5~40倍颗粒直径范围内优于文献中已有的双参数模型。

关键词：介尺度传热气固两相流计算流体力学-离散单元法过滤技术重置温度

基于分子筛绿色合成的天然硅铝矿物介尺度活化研究进展

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化工学报 2022年第6期73卷 2334-2351页

作者：郑涛刘海燕张睿孟祥海岳源源刘植昌中国石油大学(北京)化学工程与环境学院北京102249 福州大学石油化工学院福建福州350002

传统的水热合成分子筛的工艺在源头上并不环保,因为其所使用的硅、铝试剂是由天然硅铝矿物通过复杂的反应与分离过程制备而来的。以天然矿物直接作为分子筛合成的硅、铝源而不经化学试剂中间体被视为分子筛绿色合成的发展方向之一,其关... 详细信息

传统的水热合成分子筛的工艺在源头上并不环保,因为其所使用的硅、铝试剂是由天然硅铝矿物通过复杂的反应与分离过程制备而来的。以天然矿物直接作为分子筛合成的硅、铝源而不经化学试剂中间体被视为分子筛绿色合成的发展方向之一,其关键在于天然矿物的介尺度活化,即通过物理、化学或物理与化学作用相结合的方式破坏天然硅铝矿物的高聚合度结构,将其解聚为具有不同介尺度结构的分子筛合成原料。为此,本文综述了天然矿物介尺度活化方法的研究进展,从能耗、活化机理和所得活化产物的介尺度结构的角度,对比分析了机械活化、热活化、碱熔活化、亚熔盐活化和拟固相活化的优缺点,总结了以不同介尺度活化产物为原料合成高性能分子筛的研究现状,为以天然硅铝矿物为原料高性能分子筛的合成提供思路。

关键词：分子筛天然硅铝矿物介尺度机械活化热活化碱熔活化亚熔盐活化拟固相活化

甲醇制丙烯反应中ZSM-5分子筛催化剂积炭失活介尺度机制研究

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化工学报 2022年第6期73卷 2669-2676页

作者：李丽媛王建强陈奕郭友娣周健刘志成王仰东谢在库中国石化上海石油化工研究院上海201208 中国石化股份有限公司北京100728

甲醇制丙烯(MTP)是当前煤化工领域亟需发展的关键催化技术,积炭被认为是导致催化剂失活的重要原因之一。以积炭分子筛为研究对象,通过IGA、FTIR及TG等多种表征手段,考察甲醇的吸附行为、分子筛表面酸性、积炭成分与MTP反应中甲醇反应活... 详细信息

甲醇制丙烯(MTP)是当前煤化工领域亟需发展的关键催化技术,积炭被认为是导致催化剂失活的重要原因之一。以积炭分子筛为研究对象,通过IGA、FTIR及TG等多种表征手段,考察甲醇的吸附行为、分子筛表面酸性、积炭成分与MTP反应中甲醇反应活性之间的构效关系。研究结果表明,甲醇的吸附量随催化剂的失活而降低,其下降速率与甲醇转化率成正比。催化剂上滞留的碳物种的主要成分为轻烃、BTX芳烃、活性结焦和积炭,而其中积炭是引起分子筛失活的主要原因。完全失活的催化剂与新鲜催化剂相比仍保留一定的甲醇吸附能力,推测积炭主要存在于酸活性中心周围。积炭首先覆盖的是B酸中心的羟基和桥式羟基,随后是非骨架Al—OH;而催化剂的甲醇转化率与分子筛中可接触的B酸和L酸数量成正比。另外,基于催化剂的失活速率与转化率存在的正比关系,结合反应动力学,推导出了失活曲线的数学表达式,理论上解释了MTP反应过程中的积炭失活介尺度机制。

关键词：甲醇制丙烯 ZSM-5 吸附积炭失活介尺度催化

无机杂化钙钛矿团簇材料:介尺度钙钛矿材料发光性质研究

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化工学报 2022年第6期73卷 2748-2756页

作者：徐珂史国强薛冬峰中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所多尺度晶体材料研究中心广东深圳518055

近年来,介尺度钙钛矿材料体系中钙钛矿魔幻尺寸团簇(PMSCs)材料因具有优异的半导体特性而在新兴光电器件领域极具潜力。然而,介尺度PMSCs容易在合成过程中生成尺寸较大的介尺度钙钛矿量子点(PQDs),难以满足实际应用的需求。本研究采用... 详细信息

近年来,介尺度钙钛矿材料体系中钙钛矿魔幻尺寸团簇(PMSCs)材料因具有优异的半导体特性而在新兴光电器件领域极具潜力。然而,介尺度PMSCs容易在合成过程中生成尺寸较大的介尺度钙钛矿量子点(PQDs),难以满足实际应用的需求。本研究采用配体辅助再沉淀(LAPR)方法,通过调节戊酸(VA)和油胺(OAm)配体比例制备了不同发光性质的无机杂化介尺度钙钛矿材料CsPbBr_(3) PMSCs、CsPbBr_(3) PMSCs/CsPbBr_(3) PQDs混合物和CsPbBr_(3) PQDs,研究并分析了PQDs和PMSCs的光学性质、形貌结构、稳定性和介尺度结构演变机理。研究发现,表面协同钝化配体VA和OAm的比例是反应能否生成介尺度纯相CsPbBr_(3) PMSCs的关键。而且,当VA和OAm配体的表面钝化效果越佳越易生成发光性质优异的纯相CsPbBr_(3) PMSCs。

关键词：介尺度无机杂化钙钛矿团簇纳米结构合成稳定性发光性质

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