化工过程纳微结构界面预测与调控展望

第 8 卷第 4 期 2008 年 8 月
过 程 工 程 学 报 The Chinese Journal of Process Engineering
Vol.8 No.4 Aug. 2008
化工过程纳微结构界面预测与调控展望
刘会洲 ， 郭 晨 ， 常志东 ， 杨 超 ， 李洪钟 ， 陈家镛
1 1 1 1 2 1
(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
结构和界面(表面)是物质的基本存在形态，而关联
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 米气泡(5～80 nm)可以存在 1 h 以上，并在乙醇?水交换 过程中纳米气泡具有长期稳定性， 通过谱学和计算证实 了纳米气泡存在的可能性(见图 2)，利用纳米气泡改变 颗粒表面的疏水性质来调控水包油乳液的表面， 提高传 质效率， CO2 吸附和转化的研究提供了新的理论及方 为 法，也为实现温室气体有效控制提供了新思路. 传质过程是一种伴随着流体流动和界面传热的物 质之间的复杂运动现象. 因此，传质过程往往受体系中 纳微结构界面等多尺度效应的影响. 以精馏塔内的气液 传质过程为例，刘春江等[4]对一个大型精馏塔板效率进 行估算时发现，若采用传统的计算流体力学方法处理， 不考虑各局部流动对全局传质的影响(仅考虑平均)，则 精馏塔的传质效率沿塔板数基本呈线性分布而且较高， 约为 0.95 左右. 但若考虑各局部流速分布的计算结果对 塔板的传质进行计算，即用下一级尺度各局部的计算结 果计算上一级尺度的传质效应，结果传质效率沿塔板数 不再是简单的线性分布，而是非线性分布，且其数值较 低， 约为 0.75 左右， 这恰恰是实际工业中通常可以观察 到的. Gao 等[5]和 Zhao 等[6]在对单气泡传质机理的研究 中发现，随着 Re 的增加，界面浓度明显减低并在一个 较宽的 Re 范围内远远偏离热力学平衡，同时指出在液 液两相界面传质过程中，相间传质的驱动力来自界面非 平衡. 从以上的研究结果可看出纳微结构界面不仅是目 前化学化工研究的热点，也是对化工过程传质规律新认 识的基础. 通常微观部分属于分子工程的研究范围，介
这些基本物质单元并维持自然界呈现有序运动的核心 是相互作用. 如在气固表面方面，Ertl[1]通过对哈伯?博 施合成氨工艺固体表面化学过程的研究， 成功测量了每 一个反应步骤的速率和反应动能， 这些数据又被用于更 有实际应用价值的反应过程的计算，不仅对基础研究， 而且对工业模型的建立也极为重要. 由此证明了物质接 触表面发生的化学反应对工业生产运作至关重要，他也 因此获得 2007 年度诺贝尔化学奖. 在液固界面方面， 中 国科学院化学研究所江雷研究小组[2]通过调控固体表面 的纳微结构界面，实现了对材料表面的超疏水性和亲水 性的转换(如图 1 所示). 通过构建纤维表面的结构模型， 他们还首次从理论上建立了表面结构与性质之间的关 系，认为纤维表面的疏水性随纤维直径和(或)纤维密度 的减小而增加.
PNIAAm on flat surface: hydrophilic to hydrophobic
PNIAAm on rough surface: superhydrophilic to superhydrophobic
[2]
图 1 超亲水和超疏水性能的转换 Fig.1 Reversible switching between superhydrophilicity and superhydrophobicity[2]
在气液界面方面， 如澳大利亚墨尔本大学化学工程
收稿日期：2008?04?22，修回日期：2008?06?25 基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(编号：2007CB613500; 2007CB714301)；国家高技术研究发展计划(863)基金资助项目 (编号：2006AA06Z215) 作者简介：刘会洲(1962?)，男，福建省福州市人，博士，研究员，化学专业，E-mail: hzliu@home.ipe. https://www.doczj.com/doc/8318359007.html,.

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Stability of oil-in-water emulsion Degassing enhances the formation and stability of the emulsions Dissolution of nanobubbles
Unexpected lubrication of hydrophobic surfaces
…
Degassed water Templated crystal growth Adsorption of nanoparticles
Air-rich water
图 2 纳米气泡潜在的应用[3] Fig.2 Potential applications of nanobubbles[3]
观和宏观部分属于化学工程的研究范围. 界面现象是联 系两者的桥梁，纳微结构界面又是两者研究的交点.
性剂分子的疏水碎片有密切的联系， Roberts[11]将疏水性 参数?辛醇/水分配系数 logP 应用于阴离子表面活性剂 CMC 的数字化模型， 进行了较系统的研究. 考虑到表面 活性剂溶于水并形成胶束是一个自由能降低的放热过 程，该过程能量的变化主要来自表面活性剂自身分子之 间、表面活性剂分子与水分子之间的相互作用，其中带 电荷的极性头之间的库仑作用、分子间的 Van der Waals 作用和氢键都对胶束形成有重要影响. Wang 等[12,13]加 入了与分子能量及电性相关的量化计算结果作为分子 结构描述符，建立了 CMC 与分子结构的 QSPR 数学模 型. 表面活性剂能在某种程度上平衡相界面上不饱和 的力场而降低表面张力，表面活性剂分子结构和由此导 致的分子间作用的差异，可以从不同层次去认识这一重 要效应. Wang 等[14]用亲水基的氧原子数(NO)、疏水部分 的 Kier–Hall 零级指数 KH0 和量子化学计算得到的分子 生成热(Hf)、分子总能量(ET)、分子质量和偶极矩(D)等 作为分子结构描述符，对非离子表面活性剂在 CMC 时 的最低表面张力进行多元回归，建立了几种类型的相关 模型. Stanton 等[15,16]应用与表面域信息有关的结构描述 符对烷烃、烷基酯、烷基醇等系列化合物的表面张力观 测值与相关结构描述符进行了多元线性回归，选择了 146 个化合物建立表面张力预测模型. 通过对结构描述 符之间的相关性进行考察后指出， 拓扑性描述符与分子 表面域有很高的相关性，分子表面域的增加使分子间作 用也增加，这将导致较高的表面张力，分子表面域是影 响表面张力的重要结构因素. 文献对表面活性剂其他性质的定量结构研究包含 分子静电荷分布、浊点、表面活性剂对细菌在反渗透膜
2
从分子结构到微相结构预测
19 世纪，当人们对化学结构有了初步的认识后，
开始设法建立化合物的各种性质与结构之间的关系，目 的都在于解释和预测某些分子的性质. 1885 年 Kopp 就 证明用分子量与密度之比表示的摩尔体积具有近似的 加和性. Becher 用直链烷基聚氧乙烯中的碳原子数和乙 氧基数预测非离子表面活性剂的临界胶团浓度等. 早期 的计算都很粗糙，直到 Pauling 提出将分子的结构看成 是化学键组成以后， 分子热力学性质的研究获得了很大 进展. 随后原子、原子团以及分子碎片的概念都引入到 了结构和性质的关系研究中，使计算变得更加快速，结 果也更精确. 临界胶团浓度 CMC 作为表面活性剂溶液性质发生 突变时可测量的物理量，可用作表面活性剂表面活性的 一种量度. 较早期对 CMC 定量结构的相关研究主要考 虑疏水链的长度，如 Becher[7]用碳原子数和乙氧基数对 CMC 建立了相关方程. 近几年对表面活性剂分子结构 的表述已扩展到分子的拓扑结构及电子结构. 佛罗里达 大学开发的微软 Windows 环境下的化学多元定量结构 活性性质的统计分析和预测程序(CODESSA) 能产生 分子构造(组成)、分子拓扑、几何构型及电子结构等各 类分子结构的描述符 400 余个，并能与量子化学半经验 分子轨道方法的 MOPAC 程序配合使用. Huibers 等
[9,10] [8]
应用该软件建立了非离子和阴离子表面活性剂的 CMC 与分子结构定量相关模型， 用于预测 CMC. 考虑到胶束 化过程中自由能变化与胶束内核结构的关系同表面活

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上的附着能力、去污效力、生物降解能力等性质[17?21]. 通常分为结构与活性关系(QSAR)和结构与性质关系 (QSPR). 刘会洲研究小组
[22?26]
QSPR 原理建立了 PEO?PPO?PEO 嵌段共聚物临界胶团 温度、临界胶团浓度和浊点温度的预报方程. 如图 3 所 示，临界胶团温度预报值与实验值间的相关系数 R=0.973，标准偏差 s2=3.006；临界胶团浓度预报值与实 验值的相关系数 R=0.995，标准偏差 s2=0.439；浊点温 度 预 报 值 与 实 验 值 的 相 关 系 数 R=0.914 ， 标 准 偏 差 s2=12.35. 临界胶团温度和浓度的 QSPR 方程预报能力 明显优于热力学经验方程.
利用现代光谱技术测定
了一系列非离子表面活性剂如 PEO?PPO?PEO 嵌段共 聚物的聚集状态， 并应用 QSPR 方法研究了衡量表面活 性剂最基本的物理量如临界胶团浓度和临界胶团温度， 使用 30 个分子结构描述符， 以它们作为自变量， CMC lnX 为因变量进行偏相关分析， 得到 6 个与 lnXCMC 的偏相关 系数大于 0.1 的描述符. 应用定量结构与性质相关
-5 lnXCMC predicted -10 -15 -20 -25 -25 -20 -15 lnXCMC observed -10 -5
T (℃) 25 35 45
图 3 嵌段聚合物溶液中 QSPR 所预测的 lnXCMC 与实验观测的 lnXCMC 散点图(左)和 QSPR 所预测的 TCMT 与实验观测的 TCMT 散点图(右) Fig.3 Scattering plot of the predicted lnXCMC by QSPR vs. the observed lnXCMC for Pluronics (left) and sattering plot of the predicted TCMT by QSPR vs. the observed TCMT for Pluronics (right)
目前， Hansch 与 Free?Wilson 等建立的定量结构 在 活性关系
[27]
利于传质、传热和化学反应. 影响结构和界面的最主要 因素是操作条件(包括温度、压力、气液固三相各自的 流速与流向、稳态操作与动态操作等)与系统或设备条 件(包括颗粒、流体的性质，如颗粒尺寸、形状、密度 与表面状态，流体的密度、粘度与剪切特性，设备与内 构件的结构与形状、 外力场的影响等). 实验发现气固流 态化体系中存在两类聚团体，一类为流态化聚团，另一 类为瞬态聚团，而聚团的测试与表征是了解聚团形成规 律及对聚团进行调控的基础， 为此李洪钟等[29?32]首先建 立了流态化聚团测试系统和聚团流态化流化质量评价 体系，提出了包括颗粒设计、流体设计、床型与内构件 设计、 外力场设计的旨在优化流化床结构的气固流态化 的散式化理论与方法. 在国内外首次成功地摄取到快速 床内瞬态聚团的照片， 证实了快速流化床中也存在聚团. 同时通过对该系统所拍大量照片的分析， 发现快速床中 聚团形状、大小的多变性和床内分布的不均匀性，且聚 团相与分散相两相共存(见图 4). 继而测量了快速床中 瞬态聚团的大小及运动速度的轴向与径向分布， 得出聚 团在床中上下浮动， 其大小主要取决于局部颗粒浓度的 重要结论. 用分形理论研究了瞬态聚团的形状特征，用
基础上发展起来的研究方法已被广泛应用
[28]
于各领域，建立了多种数学模型，并开发出大量的计算 软件，获得了许多有意义的结果. 刘洪来等 指出应在 化学化工领域，主要以共聚物高分子材料、功能膜、纳 米碳管和层柱状多孔材料等为重点，对其介观层次的微 相分离结构及其演变过程、 界面结构以及小分子和胶体 颗粒的吸附和传递进行研究，建立分子结构、材料的微 相分离结构与材料的宏观性能之间的定性、定量关系. 如在分子尺度上，基于格子和自由空间的分子热力学模 型、计算机分子模拟方法可以用于描述高分子系统的相 平衡和分子的聚集形态. 在介观尺度上，与时间相关的 Ginzberg?Landau 理论、元胞动力学方法等可有效地研 究微相分离结构的演变过程及其受外场的影响. 而耗散 粒子动力学模拟则可将分子尺度和介观尺度的研究结 合起来，从而为预测微相结构提供了新方法，必将成为 今后研究的重点.
3
化工过程纳微结构界面的调控
一般而言，结构越均匀，相间接触界面越大，越有

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统计学理论成功地预测了瞬态聚团尺寸与空隙率的关 系. 并研究了粘性粉体特别是纳微粉体在流化床中的团 聚机理，为后续的聚团调控指明方向. 在理论上，研究 不均匀(气固)流态化与均匀(液固)流态化两个范畴现象 之间的相互联系和相互转化的条件，使之形成统一的体
H (m) Uo (m/s) Gs [kg/(m2?s)] 0 r (mm) 22.5 40
系，是对多相流理论的重要发展，使我国这一学科领域 在国际学术界占有一席之地. 在实用上，使气固不均匀 流态化达到均匀化，大大改善流化质量，提高了设备效 率，扩展了气固流态化的应用范围，将进一步产生显著 的经济效益和社会效益. Yang 等[33?36]建立了基于机理的物理和数学模型及 数值模拟多相过程，重点考虑了含有液相的多相系统， 如液?液?固、气?液?液、液?液?液、液?固、液?液、 气?液、气?液?固等，包括单颗粒(气泡、液滴和固体颗 粒)、颗粒群、以及宏观反应及分离设备(搅拌槽、滴流 床、环流反应器、结晶器、萃取器、流体传输设备等) 内的多相流动、分散、混合、传递和反应过程. 研究了 液液体系 Marangoni 效应(亚颗粒尺度的界面对流)的机
8.40
1.31
9.25
8.40
2.62
51.35
8.40
3.49
64.65
理(如图 5 所示)，并首先数值模拟了液液传质导致的 Marangoni 效应，提出了表面活性剂的作用机理及调控 规律. 张志炳等[37]研究指出 Marangoni 效应的存在对流 体流动行为、传热和传质行为均产生影响，Marangoni 正效应能使流体呈发散流动，有利于传热和传质，
4.77
1.31
7.32
4.77
1.75
8.30
Marangoni 负效应则使流体流动发生聚并，不利于传热 和传质. 沙勇等[38]等提出界面 Marangoni 湍流流体单元 作为非稳态传质单元，将流体界面流体力学特性和传质 特性结合，揭示了伴有 Marangoni 效应的传质动力学特 性，从而扩展了溶质渗透理论的应用范围，将有助于了 解微观传质机理和深入研究传质理论.
4.77
3.49
30.05
图 4 在快速流化床中不同条件下的流体结构[30] Fig.4 Flow structures in a fast fluidized bed under different conditions[30]
图 5 液液体系中的 Marangoni 效应 Fig.5 Marangoni effect in liquid?liquid system
目前最佳操作条件和系统条件的寻找主要依靠理 论分析和大量实验. 为了提高反应与分离设备的效率与 强度，人们提出并采用了诸如超重力分离器、高速转盘 反应器、整体催化剂、反应与分离于一体的耦合技术、 外场强化技术等，其实质也在于改善反应与分离设备内 部的结构与界面，深化对多相复杂系统的流体力学多态 性、不均匀性、不稳定性的认识，力争实现多相过程和 设备的科学设计、放大、诊断、预测、优化和调控. 随 着反映结构与界面(表面)的数学模型的不断完善，计算
技术的迅速提高，采用数值模拟的方法对纳微结构与界 面进行调控与优化是大势所趋，但仍需经历艰难漫长的 过程.
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化工过程纳微结构界面研究展望
由于纳微结构与界面(表面)时空变换的复杂性，其
预测模型将十分复杂，计算量也会十分巨大，因此对于 模型和计算方法的研究显得十分重要. 对于复杂体系， 其分子尺度上的性质与过程尺度上的宏观操作之间不

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可分割. 如过程尺度上的流动可能导致分子构型的改 变，从而导致分子性质的改变，并最终影响过程的宏观 行为. 又如， 化学反应是原子?分子尺度的现象， 而在生 产中控制化学反应， 需要从流动或热质传递等宏观现象 入手，宏观操作和微观反应之间是互动关系. 在此情况 下，分子模拟和过程模拟必须同时运算才能描述真实的 过程. 为此，研究跨越原子?分子?介观?宏观不同尺度 的计算机模拟方法势在必行(如图 6 所示). 然而，由于 目前计算机计算能力的限制，要实现分子模拟和过程模 拟之间的直接衔接还很困难，往往是从不同角度分别进 行模拟. 如过程尺度的流程模拟(FS)和流体力学计算
(CFD)通常分别独立进行. 目前使两者有机结合的有效 办法是将 CFD 模拟嵌入到流程模拟(FS)中， 流程模拟进 行物料和能量的解算，并给 CFD 模拟提供计算所需的 输入参数，而 CFD 则计算出流体参数分布和空间结构， 这些信息反过来用于修正流程模拟的模型及参数，并用 于流程模拟的计算. 随着计算机性能的提高以及多级并 行计算技术的开发，可望使计算能力迅速达到 1016 FLOPS 以上， 这将为计算机模拟的实际工业应用提供强 有力的工具. 与此同时，如能在理论或计算方法上有所 突破， 包括一些合理的近似， 在保证计算精度的条件下， 极大地节省计算时间，无疑具有重大的现实意义.
N 2
A ir
I B
30 8? 3k/c2 .5gm
4.8 3? 2gm k/c2
6? 3 1k/c2 .0gm 4? N 5 2 3k/c2 .2gm 8? 0 4k/c2 .0gm
Twt tet et o aeram s n
8? 3 2k/c2 .0gm
7? 5 0k/c2 .5gm
Twt tet et o aeram s n
M M A
C0 -1 2
C0 -2 2 C0 -23
C0 -1 1
M A L
R0 -1 1 A ir MH e O R0 -1 2
8? 3 11 2? 10 0?
Twt tet et o aeram s n Twt tet et o aeram s n
Molecule
Particle
Cluster
Instrument
System
图 6 多尺度方法进行计算流体力学和流程模拟示意图 Fig.6 Schematic illustration of computational fluid dynamics (CFD) and flow simulation (FS) with multi-scale
结构和界面(表面)对 “三传一反” 具有直接的影响， 随着计算技术的迅速发展以及多尺度方法的进展，使预 测结构、界面与“三传一反”之间的关系成为可能. 近 年来，随着分析测试技术和计算机技术的飞速发展，人 们对物质的结构和界面的认识也日趋深入. 经典热力学 将分子看作质点，现代量子力学和分子热力学大多也将 分子处理成硬球，这些理论的成功之处是比较真实地表 达了物质单元之间的相互作用. 对于化学化工体系，物 质单元的大小不能忽略不计，如范德华(Van der Waals) 状态方程中硬球体积是主要参数. 对于大分子(如聚合 物、蛋白质)或不对称分子体系，结构和界面的因素都 不能忽略，典型的例子是 UNIQUAC 模型，体积参数和 面积参数反映的就是分子的结构和界面， 尽管是简化的 处理方法， 但在不对称流体的相平衡中获得了巨大成功. 对于表面积非常大的体系(如纳米颗粒体系)，物质单元 的表面能甚至超过其内部的能量，这时表(界)面能成为 主要因素，表面颗粒的聚团就是相互作用的证明. 由此 可见， 结构、 界面和相互作用是 3 个主要因素. Stevens 和 Taflin 等
[40] [39]
传质是一个必要的手段. 杨宁等[41]、Li 等[42?44]的研究证明，在相同的操作 条件下，气固两相流中气体和颗粒之间相互作用的曳力 系数， 按照平均方法与按照考虑不同聚团结构的多尺度 方法计算所得结果之间存在数量级的差别. 平均方法计 算的曳力系数为 18.6， 而多尺度方法的计算结果为 2.85， 后者更接近实际. 由此可见，纳微结构界面(表面)不仅 对动量传递有决定性影响，而且对质量传递、热量传递 和化学反应同样会有决定性影响. 美国化工学会 2020 展望[45,46]中指出，对界面现象这一领域认知程度的提高 将有助于更好地建立预测型的数理模型， 同时可作出有 前瞻性的决策，发展从分子结构确定宏观性质和动力学 行为的方法. 通过对化工过程中纳微结构界面的预测和 调控， 可以实现化工反应与分离等多单元的有机耦合和 过程强化，也将为分子工程的纳米世界与化学工程的宏 观世界的不同尺度“接口”问题提供新的思路[47,48]，并 通过宏观参数实现对微观结构的调控. 目前这方面的研 究尚刚刚起步， 亟需加强. 随着结构界面与 “三传一反” 关系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.
分别提出萃取以及液滴中界面现象对传递
过程有重要的影响. 随着短接触时间设备的应用，液? 液界面将在溶剂萃取分离中起到越来越重要的作用，研 究液滴分布的即时值对于研究两相传质机理以至控制

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过 程 工 程 学 报
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第8卷
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Vision of Nano/Micro-structured Interfacial Phenomenon Prediction and Control in Chemical Process Engineering
LIU Hui-zhou1, GUO Chen1, CHANG Zhi-dong1, YANG Chao1, LI Hong-zhong2, CHEN Jia-yong1
(1. Key Laboratory of Green Process and Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. State Key Laboratory of Multiphase Complex System, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China) Abstract: This review highlights recent advances in research of nano/micro-structured interface phenomena in chemistry and chemical process engineering. Through analysis and discussion of a few typical examples, it presents that nano/micro-structured interface phenomenon is not only the hot spot of research in both of chemistry and chemical engineering areas, but also the basis of new knowledge of mass transfer processes. Application of quantitative structure?performance relationship and models for the prediction and control of nano/micro-structured interfacial phenomena of chemical engineering process from molecular structure is also discussed. Along with establishment of relationships of nano/micro-structured interfacial phenomenon and “mass transfer, heat transfer, momentum transfer and reaction engineering”, it is possible to build scientific theory of design, scale-up and control in process engineering, therefore chemical engineering science will enter into a new milestone. Key words: chemical process engineering; nano/micro-structured interfacial phenomenon; prediction; control

聚合物微纳制造技术现状及展望

聚合物微纳制造技术现状及展望 目录 聚合物微纳制造技术现状及展望 (1) 1、微纳系统的意义、应用前景 (1) 2、微纳机电系统国内外研究现状和发展趋势 (3) 3. 聚合物微纳制造技术研究现状 (9) 4. 展望 (11) 微/纳米科学与技术是当今集机械工程、仪器科学与技术、光学工程、生物医学工程与微电子工程所产生的新兴、边缘、交叉前沿学科技术。微/纳米系统技术是以微机电系统为研究核心，以纳米机电系统为深入发展方向，并涉及相关微型化技术的国家战略高新技术[1]。微机电系统(Micro Electro Mechani cal System, MEMS ) 和纳机电系统(Nano Electro Mechanical System, NEMS )是微米/纳米技术的重要组成部分，逐渐形成一个新的技术领域。MEMS已经在产业化道路上发展，NEMS还处于基础研究阶段[2]。 从微小化和集成化的角度，MEMS (或称微系统)指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。而NEMS(或称纳系统) 是90 年代末提出来的一个新概念，是继MEMS 后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、接口效应和纳米尺度效应) 为工作特征的器件和系统。图1给出了MEMS 和NEMS 的特征尺度、机电系统的尺度与相应的理论问题[2]。 图1 MEMS 和NEMS 的特征尺度、机电系统的尺度与相应的理论问题 1、微纳系统的意义、应用前景 由于微/纳机电系统是一门新兴的交叉和边缘学科，学科还处于技术发展阶段，在国内外尚未形成绝对的学科和技术优势；微/纳米技术还是一项支撑技术，它对应用背景有较强的依赖性，目前它的主要应用领域在惯导器件、军事侦察、通信和生物医学领域，以及微型飞机和纳米卫星等产品上。 （1）重要的理论意义和深远的社会影响

北京化工大学《化工传递过程导论》课程第十次作业参考答案

《化工传递过程导论》课程第十次作业解题参考 1. 流体在垂直壁面附近呈自然对流，已知局部传热系数h x ＝c ?x -1/4，式中x 为离平壁前缘 的距离，c 为取决于流体物性的常量，试求局部传热系数与平均传热系数之比。 解：局部传热系数为当地的点值，平均传热系数为一段区间上的均值。对于长为L 的平板壁面，平均传热系数为面积加权平均或线平均值，也即 1m x A h h dA A =??1 40 1 (1)(1)L m h Cx dx L -?=??1443m h CL -?= 故局部传热系数与平均传热系数之比1 14 4 1433()44 43 x m h Cx x h L CL ---=== 2. 20℃的空气以均匀流速u=15m/s 平行流过温度为100℃的壁面。已知临界雷诺数 Re xc =5×105，求平板上层流段的长度、临界长度处速度边界层和温度边界层的厚度、局部对流传热系数和层流段的平均对流传热系数。 解：特征温度01 ()602 o w t t t t C = +?= 60o C 下，空气的物性常数为：-3 1.060kg m ρ=?，-1 1.017kg/(kg K)p c =? 2-12.89610W/(m K)k -=??，52.0110Pa s μ-=?? 普朗特数：352 (1.01710)(2.0110)Pr 0.7062.89610p c k μ--????= ==? 该取值满足课本中波尔豪森解的条件。因此，平板上层流段长度： 550 Re (510)(2.0110)0.632m 1.0615 c x c x u μ ρ-???= ==? 临界长度处速度边界层厚度： 35.0 4.46910m δ-===? 临界长度处温度边界层厚度：3 31 13 3 4.46910 5.01910m Pr 0.706 t δ δ--?== =? 临界长度处局部对流传热系数： 11112 23322 5 2.896100.63215 1.0600.332Re Pr 0.332()0.7069.58W/(m K)0.632 2.0110 x x k h x --???==???=?? 临界段区间上的平均对流传热系数： 111 1 223322 5 2.896100.63215 1.0600.664Re Pr 0.664()0.70619.16W/(m K)0.632 2.0110 m L k h L --???==???=?? 3. 空气以1.0m/s 的流速在宽1m ，长1.5m 的薄平板上流动，主体温度是4℃，试计算为

化工原理传质概论与气体吸收考试题目

单项选择题(每题2分,共10题)成绩查询 第七章传质概论 1. 双组分理想气体进行定常单向扩散，如维持气相各部分pA不变，总压增加，气相中的传质通量NA将如何变化？ A：增加 B ：减少C：不变 D：不定 2. 下述_______分离过程中哪一种不属于传质分离。 A ：萃取分离B ：吸收分离C ：结晶分离D：离心分离 3. 气相压力一定，温度提高1倍，组分在气相中的扩散系数_______。 A：增大1 倍B：约原来的2.83倍 C：减少1倍 D：不变 4. 若温度不变，压力增加1倍，则扩散系数_______。 A：增大1 倍B：约原来的2.83倍 C：减少1 倍D：不变 5. 双组分气体(A、B)在进行定常分子扩散，JA及NA分别表示在传质方向上某截面处溶质A 的分子扩散速率与传质速率，当整个系统为单向扩散时：_______。 A：|JA|=|JB|， |NA|>|NB|B：|JA|>|JB|， |NA|=|NB| C：|JA|<|JB|，|NA|>|NB D：|JA|=|JB|，|NA|

8. 单向扩散中飘流因子_______。 A： >1B：<1 C：=1 D：不确定 9. 双膜理论认为吸收过程的阻力集中在_______。 A ：相界面两侧的膜层中B：相界面上 C：液膜之中 D：气膜之中

微纳制造技术作业

问题：1、微机械制造材料大致分为几类而常用的制造微机电产品的材料有哪些，MEMS装置为何大多选用硅材料制造 2、纳米材料与常规的材料相比，有哪些优点 答：1、（1）微机械制造材料大致分为结构材料、功能材料和智能材料三大类。 （2）常用的制造微机电产品的材料有： a，结构材料：是以力学性能为基础，具有一定强度，对物理或化学性能也有一定要求，一般用于构造微机械器件结构机体的材料，如硅晶体。 b，功能材料：指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。如压电材料、光敏材料等。 c，智能材料：一般具备传感、致动和控制3个基本要素。如形状记忆合金、磁/电致伸缩材料、导电聚合物、电流变/磁流变材料等。 （3）由于硅材料具有众多优点，所以MEMS装置大多选用硅材料制造。 其优点如下：?? ①优异的机械特性：在集成电路和微电子器件生产中，主要利用硅的电学特性；在微机械结构中，则 是利用其机械特性。或者同时利用其机?械特性和电学特性，即具有机电合一的特性，便于实现机电器件的集?成化。? ②储量丰富，成本低。硅是地壳中含量最多的元素之一，自然界的硅元素通常以氧化物如石英（sio2） 的形式存在，使用时要提纯处理，通?常加工成为单晶形式（立方晶体，各向异性材料）? ③便于批量生产微机械结构和微机电元件。硅材料的制造工艺与基层电路工艺有很好的兼容性，便于 微型化、集成化和批量生产。硅的微细?加工技术比较成熟，且加工精度高，容易生成绝缘薄膜。? ④具有多种传感特性，如压电阻效应、霍尔效应。? ⑤纯净的单晶硅呈浅灰色，略具有金属性质。可以抛光加工，属于硬脆材料，热传导率较大，对温度 敏感。 2、纳米材料内部粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。对纳米体 材料，可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。 ①“更轻”是指借助于纳米材料和技术，可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体

《化工传递过程导论》课程作业参考答案

《传递过程原理》课程第三次作业参考答案 1. 不可压缩流体绕一圆柱体作二维流动，其流场可用下式表示 θθθsin ; cos 22??? ? ??+=??? ? ??-=D r C u D r C u r 其中C ，D 为常数，说明此时是否满足连续方程。 解：由题意，柱坐标下的连续性方程一般表达式为： ()()11()0r z u ru u t r r r z θρρρρθ???? +++=???? 不可压缩流体：0t ρ ?=?且上式后三项可去除密度ρ 二维流动： ()0z u z ρ? =? 则连续性方程简化为： ()110r u ru r r r θ θ ??+=?? 22()111(cos )cos r ru C C r D D r r r r r r r θθ?????? =-=-- ? ??????? 22111(sin )cos u C C D D r r r r r θθθθθ?????? =+=+ ? ??????? 故：22()()1111cos cos 0r u ru C C D D r r r r r r r θθθθ??????+=--++= ? ??????? 由题意，显然此流动满足连续方程。 2. 判断以下流动是否可能是不可压缩流动 (1) ??? ??-+=--=++=z x t u z y t u y x t u z y x 222 (2) () () () ?????????? ?=-==-=22 221211t tz u xy u x y u z y x ρρρρ 解：不可压缩流动满足如下条件： 0y x z u u u x y z ???++=??? （1）2110y x z u u u x y z ???++=--=???故可能为不可压缩流动 （2）122(222)0y x z u u u t x x t x y z t ρρ???++=-+-=-=-≠???2t ρ=且。 显然不可能是不可压缩流动。 3. 对于下述各种运动情况，试采用适当坐标系的一般化连续性方程描述，并结合下述具体

纳米科学与微纳制造》复习材料.docx

《纳米科学与微纳制造》复习材料1、纳米材料有哪些危害性？ 答：纳米技术对生物的危害性： 1）在常态下对动植物体友好的金，在纳米态下则有剧毒； 2）小于 100nm的物质进入动物体内后，会在大脑和中枢神经富集，从而影响动物的正常生存； 3）纳米微粒可以穿过人体皮肤，直接破坏人体的组织及血液循环。 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料，是指组成相或晶粒结构的尺寸介于1nm～100nm范围之间，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。 纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于 100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结 构单元的尺度小于 100nm ，如纳米晶合金中的晶粒 ; 其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系。 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在1-100nm 内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的技术。 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和 微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的 源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的 学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大 的好奇心和探索欲望。 5、纳米材料有哪 4 种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒

化工传递过程导论热量传递作业参考答案

《化工传递过程导论》课程第九次作业解题参考 第5章 热量传递及其微分方程 1. 某不可压缩的黏性流体层流流过与其温度不同的无限宽度的平板壁面。设流动为定态，壁温及流 体的密度、黏度等物理性质恒定。试由方程(5-13a)出发，简化上述情况的能量方程，并说明简化过程的依据。 解：课本(5-13a)式如下： 222222()x y z T T T T T T T u u u t x y z x y z α???????+++=++??????? 由题意可知，定态流动0T t ?? =?。在直角坐标系中，三维方向对应长、宽、高，题中“无限宽度的平板壁面”则可认为是在宽这个维度上无限，姑且设定此方向垂直于纸面且为z 方向，故可认为题意所指流动过程为二维流动，且 0z u = 且2200T T z z ??=?=?? 则(5-13a)式可简化为 2222()x y T T T T u u x y x y α????+=+???? 如果引入热边界层概念，则基于尺度和量级的考虑，可进一步简化上式为 22x y T T T u u x y y α???+=??? 其中，y 方向为垂直主流方向（x ）的距壁面的距离。 2. 假定人对冷热的感觉是以皮肤表面的热损失（刘辉注：换言之，是传热或散热速率）作为衡量依 据。设人体脂肪层的厚度为3mm ，其内表面温度为36℃且保持不变。在冬天的某一天气温为-15℃。无风条件下裸露皮肤表面与空气的对流传热系数为25W/(m 2·K)；有风时，表面对流传热系数为65W/(m 2·K)。人体脂肪层的导热系数k ＝0.2W/(m ·K)。试确定： (a) 要使无风天的感觉与有风天气温-15℃时的感觉一样（刘辉注：换言之，是传热或散热速率一样），则无风天气温是多少？ (b) 在同样是-15℃的气温下，无风和刮风天，人皮肤单位面积上的热损失（刘辉注：单位面积上的热损失就是传热通量）之比是多少？ 解：（a ）此处，基本为对象是：人体皮下为脂肪层，层内传热为导热；体外或体表之外暴露在流动的空气中，紧邻表面之上为对流传热。上述导热和对流传热为串联过程，在定态下（如空气流动相

传质导论部分题解

传质导论部分题解

第八章 传质过程导论 1. 求例8-1中以摩尔比和质量浓度表示时的平衡关系。 解:例8-1表示出的平衡关系为:气相氨分压mmHg p 6=,液相氨的质量比1a =1g 氨/100g 水 (1)以摩尔比表示: 气相 ()00796.07546==-=p P p Y 液相 ()()01059.01810017 1=== W AL n n X (2)以质量浓度表示: 气相300558.0000328.017m Kg C M C AG A AG =?== 液相390.9582.017m Kg C M C AL A AL =?== 式中AG C ,AL C 之值取自例8-1。 2.空气中含有4ccl 蒸气,由atm 1,K 293压缩到atm 10后通入一冷凝器,测得K 313下开始有4ccl 冷凝,混合气出冷凝器时的温度为K 300,求, (1)压缩前及冷凝前、后4ccl 蒸气的质量分率、质量比和摩尔浓度。 (2)4ccl 蒸气冷凝的百分率。 4ccl 的饱和蒸气压数据0p 如下： 温度，K 273 283 288 293 300 313 0p ,mmHg 33.7 55.6 71.1 89.8 123 210 提示：在过程中那一参数保持不变？应当用什么组成进行计算？ 解：（1）冷凝后4ccl 在空气中的分压3p 等于K 300下的蒸气压：mmHg p 1233=；冷凝前的分压2p 等于K 313下的蒸气压mmHg p 2102=；压缩前的分压1p 为2p 的 101，即mmHg 21。4ccl 的分子量154=M 。由于混合气体的分子量尚未求得， 故以先计算质量比为便。

北京化工大学《化工传递过程导论》课程第六次作业参考答案

6 1. 有一黏性流体沿一无限宽的垂直壁面下流，其运动黏度ν＝2?10-4m 2/s ，密度 ρ=0.8×103kg/m 3，液膜厚度δ=2.5mm ，假如液膜内流体的流动为匀速定态，且流动仅受重力的影响，流动方向上无压强降，试计算此流体沿壁面垂直下流时，通道单位宽度液膜时的质量流率。 解：由题意可知，流体流动可看成平壁面上的降膜流动，故液膜内流体的主体流速 2232 49.81(2.510)m 0.102s 333210 b g g u v ρδδμ--??====?? 流体垂直下流，通过单位宽度液膜的质量流率为 33kg (1)(0.810)0.102(2.510)10.204s b b w u A u ρρδ-===?????= 以上计算结果仅当液膜内流动为层流时才是正确的。液膜雷诺数为 34 44(2.510)0.102Re 5.130210 e b b d u u v ρδμ --???= ===

微纳制造技术作业

微纳制造技术作业 标准化文件发布号：（9312-EUATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-

问题：1、微机械制造材料大致分为几类而常用的制造微机电产品的材料有哪些，MEMS装置为何大多选用硅材料制造 2、纳米材料与常规的材料相比，有哪些优点 答：1、（1）微机械制造材料大致分为结构材料、功能材料和智能材料三大类。 （2）常用的制造微机电产品的材料有： a，结构材料：是以力学性能为基础，具有一定强度，对物理或化学性能也有一定要求，一般用于构造微机械器件结构机体的材料，如硅晶体。 b，功能材料：指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。如压电材料、光敏材料等。 c，智能材料：一般具备传感、致动和控制3个基本要素。如形状记忆合金、磁/电致伸缩材料、导电聚合物、电流变/磁流变材料等。 （3）由于硅材料具有众多优点，所以MEMS装置大多选用硅材料制造。 其优点如下： ①优异的机械特性：在集成电路和微电子器件生产中，主要利用硅的电学特性；在微机 械结构中，则是利用其机械特性。或者同时利用其机械特性和电学特性，即具有机电合一的特性，便于实现机电器件的集成化。 ②储量丰富，成本低。硅是地壳中含量最多的元素之一，自然界的硅元素通常以氧化物 如石英（sio2）的形式存在，使用时要提纯处理，通常加工成为单晶形式（立方晶体，各向异性材料） ③便于批量生产微机械结构和微机电元件。硅材料的制造工艺与基层电路工艺有很好的 兼容性，便于微型化、集成化和批量生产。硅的微细加工技术比较成熟，且加工精度高，容易生成绝缘薄膜。 ④具有多种传感特性，如压电阻效应、霍尔效应。 ⑤纯净的单晶硅呈浅灰色，略具有金属性质。可以抛光加工，属于硬脆材料，热传导率 较大，对温度敏感。 2、纳米材料内部粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的 特性。对纳米体材料，可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。 ①“更轻”是指借助于纳米材料和技术，可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件， 减小器件的体积，使其更轻盈。第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与微米级的半导体制造技术，才实现了其小型化，并普及了计算机。无论从能量和资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。 ②“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。 ③“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳 米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。纳米材料中的基本颗粒的微小尺寸效应，致使材料中的结构颗粒或原子团大多数是不存在位错的，这

传质过程

长沙学院教案（课时备课） 授课日期2007年10月10日第15次课 2 学时

第四章传质过程 §1传质分离过程概述 传质过程 在含有两个或两个以上组分的混合体系中，由于存在浓度差，某一或某些组分由高浓度区向低浓度区的传递过程，称为传质过程。 传质过程可以在一相中进行，也可以在两相间进行，两相间的传质是分离过程的基础。 1-1分离操作在化工生产中的作用 1．作用：分离设备费用和分离操作费用占总生产费的比例很大。 2．分类： ①机械分离：过滤、沉降 ②传质分离： 两相间：利用混合物中各组分在两相中的溶解度或挥发性等物理性质的差异，使某一或某些组分在相间转移（如吸收、精馏、萃取）。 一相中：热扩散、膜分离。 1-2化工生产中常见的传质操作 1．蒸馏：分离液体混合物，利用各组分挥发性的差异 2．吸收与解吸：分离气体混合物，利用气体溶解度的差异 3．液-液萃取：分离液体混合物，利用各组分溶解度的差异 4．吸附：分离气体或液体混合物，利用各组分在固体上吸附程度的差异5．干燥：固、气分离 6．膜分离：分离气体或液体混合物 7．热扩散：由于温度梯度而引起的物质扩散。

§2 传 质 过 程 机 理 传质过程： ①扩散物质从一相主体向界面传递 ②扩散物质在界面上从一相进入另一相 ③扩散物质从界面向另一相传递 2-1单相中的传质 一．分子扩散与菲克定律 1.分子扩散 在一相内有浓度差异存在时，由于分子的热运动，而造成的物质传递现象。 分子扩散速率（通量）A,0N ：单位时间内通过单位截面积而扩散的物质量。 2.费克（Fick ）定律（只适用于双组分混合物） =-A A,0AB dc N D dl （因A dc dl 为负值，加“-”使A,0N 为正） A,0N ——组分A 的分子扩散速率，)/(2s m kmol ?； A dc dl ——组分A 在扩散方向的浓度梯度，4/m kmol ； AB D ——组分A 在组分B 中的分子扩散系数，s m /2。 AB D 的值由试验测定，可通过手册查取，见教材P183表5-2，5-3。 对理想气体混合物，由于RT p c A A =，故有=-AB A A,0D dp N RT dl 。

化工原理 第8章 吸收作业 传质速率方程

姓名：；学号：；班级： 第8章吸收（传质速率方程） 一、填空题: 1. 化工生产中吸收可应用在1、＿＿＿＿＿＿，2、＿＿＿＿___ ＿＿＿，3、＿＿＿＿＿。 2. 吸收质是指＿＿＿＿＿＿＿＿；而吸收剂则是指＿＿＿＿＿__ __＿＿；惰性组分是指＿＿＿___________＿＿＿＿＿＿。 3. 图所示为同一温度下A.B.C三种气体在水中的溶解度曲线。由图可知，它们溶解度大小的次序是＿＿＿＿＿＿；同一平衡分压下，它们的液相平衡浓度大小顺序是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 4. 对接近常压的低浓度溶质的气液平衡系统，当总压增加时，亨利系数E＿＿＿＿，相平衡常数m＿＿＿＿，溶解度系数H＿＿_＿。

5. 吸收中， 温度不变，压力增大，可使相平衡常数＿＿＿＿___ （增大， 减小，不变），传质推动力＿＿___(增大，减小，不变) 6.实验室用水逆流吸收空气中的CO2，当水量和空气量一定时，增加CO2，则入塔气体浓度________，出塔气体浓度______,出塔液体浓度________. 2.吸收总推动力用气相浓度差表示时，应等于__________________和______________________________之差。 7. 当平衡线为直线时，总传质系数与分传质系数之间的关系可以表示为 y x y 1 1k k m K + =，x k m 表示＿＿＿＿＿，当＿＿＿＿＿＿＿项可忽略时，表示该吸收过程为气膜控制。 8. 对于难溶气体，吸收时属于＿＿＿＿＿＿控制的吸收，强化吸收的手段是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿_____＿＿。 二、计算题 1．某系统温度为10℃，总压101.3kPa ，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？（10℃时，氧气在水中的亨利系数E 为3.31×106kPa 。）

反应工程课程教学大纲

《化工传递过程》课程教学大纲 第一部分：课程基本信息 一、课程名称：化工传递过程/TRANSPORT PROCESSES IN CHEMICAL ENGINEERING 二、课程性质：硕士研究生学位课（专业方向课） 三、适用专业：应用化学、化学工程、生物化工等专业 四、先修课程：化工原理、化工热力学、化工数值计算等课程 五、学时学分：36学时，2学分 六、教学方法：课堂讲授 七、考核方法：考试 第二部分：教学目标 本课程为技术基础课，是化学工程与工艺专业的骨干课程。通过该课程的学习，使学生掌握动量、热量传递和质量传递的基本原理、传递速率的计算、相关数学模型的建立及求解，掌握速度、浓度及温度分布规律，能针对具体问题对模型方程进行简化，了解解决实际传递问题的方法，为未来的科研和教学工作打下坚实的理论基础。 第三部分：教学内容 第一章传递过程概论 一、传递过程的基本概念 第二章动量传递的变化方程 一、动量传递的两种方式 二、对流传递系数的定义式 三、对流传递系数求解的一般途径 第三章动量传递方程的若干解 一、层流流动时的动量传递方程 二、层流流动时的动量传递方程的典型求解 第四章传热概论与能量方程 一、热量传递的基本方式 二、传热过程的机理

三、能量方程的推导 第五章热传导方程 一、热传导方程的推导 二、热传导方程的求解方法 第六章对流传热方程 一、对流传热方程的推导 二、对流传热方程的求解方法 第七章传质概论与传质微分方程 一、质量传递的基本方式 二、传质的速度与通量 三、传质微分方程的推导 第八章分子传质 一、气体、液体和固体内部的分子扩散速率与通量 二、稳态扩散与等分子反方向扩散 第九章对流传质 一、平壁对流传质方程的求解 二、管内对流传质方程的求解 三、动量、热量与质量传递的类似性 第四部分：教材及参考书目 一、推荐教材 《化工传递过程》，谢舜韶，谷和平，肖人卓，化学工业出版社，2008年 二、参考书目 1.《化工传递过程基础》，王绍亭，化学工业出版社，1987年 2.《动量、热量与质量传递》，王绍亭，天津科技出版社，1988年 3.《传递现象导论》，戴干策，化学工业出版社，1996年

化工原理_第10章_气液传质设备

化工原理-第10章-气液传质设备 知识要点 用于蒸馏和吸收塔的塔器分别称为蒸馏塔和吸收(解吸)塔。通称气液传质设备。本章应重点掌握板式塔和填料塔的基本结构、流体力学与传质特性（包括板式塔的负荷性能图)。 1. 概述 高径比很大的设备叫塔器。 蒸馏与吸收作为分离过程，基于不同的物理化学原理，但其均属于气液两相间的传质过程，有共同的特点可在同样的设备中进行操作。 (1) 塔设备设计的基本原则 ① 使气液两相充分接触，以提供尽可能大的传质面积和传质系数，接触后两相又能及时完善分离。 ② 在塔气液两相最大限度地接近逆流，以提供最大的传质推动力。 (2) 气液传质设备的分类 ① 按结构分为板式塔和填料塔 ② 按气液接触情况分为逐级式与微分式 通常板式塔为逐级接触式塔器，填料塔为微分接触式塔器。 2. 板式塔 (1) 板式塔的设计意图：总体上使两相呈逆流流动，每一块塔板上呈均匀的错流接触。 (2) 筛孔塔板的构造 ① 筛孔——塔板上的气体通道，筛孔直径通常为3~8mm 。 ② 溢流堰——为保证塔板上有液体。 ③ 降液管——液体自上层塔板流至下层塔板的通道。 (3) 筛板上的气液接触状态 筛板上的气液接触状态有鼓泡接触、泡沫接触、喷射接触，比较见表10-1。 表10-1 气液接触状态比较 项 目 鼓泡接触状态 泡沫接触状态 喷射接触状态 孔速 很低 较高 高 两相接触面 气泡表面 液膜 液滴外表面 两相接触量 少 多 多 传质阻力 较大 小 小 传质效率 低 高 高 连续相 液体 液体 气体 分散相 气体 气体 液体 适用物系 重 轻σσ< (正系统) 重 轻σσ> (负系统) 工业上经常采用的两种接触状态是泡沫接触与喷射接触。由泡沫状态转为喷射状态的临界点称为转相点。 (4) 气体通过塔板的压降 包括塔板本身的干板阻力(即板上各部件所造成的局部阻力)、气体克服板上充气液层的静压力所产生的压力降、气体克服液体表面力所产生的压力降(一般较小，可忽略

传质过程

第八章 传质过程导论 1．含有4CCl 蒸汽的空气，由101.3kPa(绝)、293K 压缩到l013kPa(绝)后，进行冷却冷凝，测出313K 下开始有4CCl 冷凝，混合气出冷凝器时的温度为300K 求： (l)压缩前、压缩后开始冷凝前与出冷凝器时，4CCl 蒸汽的质量分率、质量比和摩尔浓度。 (2)出冷凝器时4CCl 蒸汽冷凝的百分率。 注：a 解：(1)l013kPa(绝)，313K 下开始有4CCl 冷凝，则 0276.01013 3 .101760210 =?=y 压缩前： 131.029)0276.01(1540276.0154 0276.0=?-+??= a 15.029)0276.01(1540276.0=?-?=a 33/1015.1293314.83.1010276.0m kmol RT yp C -?=??== 压缩后开始冷凝前 131.0=a 15.0=a 32/1007.1313 314.810130276.0m kmol RT yp C -?=??== 出冷凝器时 0162.01013 3 .101760123 '=?=y

080.029)0162.01(1540162.0154 0162.0'=?-+??= a 087.029)0162.01(1540162.0'=?-?=a 33/1058.6300314.810130162.0m kmol RT yp C -?=??== (2)%42%10015.0087.015.0%100'=?-=?-a a a 解：由公式 10064+=a a x 和总 p p y i =可算得x 、y 数据入下表所示： 3．试用Fuller 等人的方法分别估算20℃、101.3kPa 下氨和二氯化硫在空气中的扩散系数D ，并将结果和表8-2中能查到的数据进行核对。 解：∑∑++?= -2 3/13 /12 /175.17] )()[()11( 1000.13B A B A NH p M M T D υυ

完整word版,化工传递过程 试题与解答 一

1．粘性是指流体受到剪切作用时抵抗变形的能力，其原因是（ b ）。 a 组成流体的质点实质是离散的 b 流体分子间存在吸引力 c 流体质点存在漩涡与脉动 2． 连续方程矢量式中哈密顿算符“k z j y i x ??+??+??=?”的物理意义可以理解为计算质量通量的（ c ）。 a 梯度 b 旋度 c 散度 3．描述流体运功的随体导数中局部导数项 θ ?? 表示出了流场的（ b ）性。 a 不可压缩 b 不确定 c 不均匀 4．分析流体微元运动时，在直角坐标x-y 平面中，微元围绕z 轴的旋转角速度z ω正比于特征量（ a ）。 a y u x u x y ??-?? b y u x u x y ??+ ?? c x u y u x y ??- ?? 5．流体爬流流过球形固体时，流动阻力中形体阻力与表面阻力之比应为（ c ）。 a 1:1 b 1:2 c 2:1 6．推导雷诺方程时，i 方向的法向湍流附加应力应表示为（ b ）。 a i r ii u '-=ρτ b 2ιρτu r ii '-= c j i r ii u u ''-=ρτ 7．固体内发生非稳态导时，若固体内部存在明显温度梯度，则可断定传热毕渥准数Bi 的数值（ a ）0.1。 a 大于等于 b 等于 c 小于等于 8．依据普兰特混合长理论，湍流传热时，涡流热扩散系数h α可表示为（ c ）。 a dy du l h =α b 2 ??? ? ??=dy du l h α c dy du l h 2=α 9．流体流入溶解扩散管后形成稳定的湍流边界层，溶质溶解扩散进入流体，

则沿管长方向对流传质系数的变化规律应是（ b ）。 a 始终不变 b 先下降，后上升，最终趋于稳定 c 先上升，后下降，最终趋于稳定 10．利用雷诺类似求解湍流传质问题的前提是假定（ c ）。 a 1S >c b 1

《纳米科学与微纳制造》复习材料

《纳米科学与微纳制造》复习材料 1、纳米材料有哪些危害性？ 答：纳米技术对生物的危害性： 1）在常态下对动植物体友好的金，在纳米态下则有剧毒； 2）小于100nm的物质进入动物体内后，会在大脑和中枢神经富集，从而影响动物的正常生存； 3）纳米微粒可以穿过人体皮肤，直接破坏人体的组织及血液循环。 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料，是指组成相或晶粒结构的尺寸介于1 nm～100nm范围之间，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。 纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于 100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于 100nm，如纳米晶合金中的晶粒; 其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系。 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在1-100nm内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的技术。 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望。 5、纳米材料有哪 4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、名词解释：STM、AFM、SEM、TEM 答：STM (scanning tunneling microscope) 扫描隧道显微镜 AFM(Atomic Force Microscope) 原子力显微镜 SEM(scanning electron microscope) 扫描电子显微镜 TEM(Transmission Electron Microscope) 透射电子显微镜 XRF(X Ray Fluorescence) X射线荧光光谱分析 7、扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理 扫描隧道显微镜：在样品与探针之间加上小的探测电压，调节样品与探针间距，控制系统使针尖靠近样品表面，当针尖原子与样品表面原子距离≤10?时，由于隧道效应，探针和样品表面之间产生电子隧穿，在样品的表面针尖之间有一纳安级电流通过，电流强度对探针和样品表面间的距离非常敏感，距离变化 1?，电流就变化一个数量级左右。移动探针或样

微纳米加工技术的研究进展与应用

微纳米加工技术的研究进用展与应用 摘要： 微纳米加工技术是一个新兴的综合性的制造技术, 有良好的应用前景。纳米技术微微机电系统（MEMS）技术和纳米技术的简称，是20世纪80年代末在美国、日本等发达国家兴起的高校科学技术。微纳米技术的研究和发展必将对21世纪的航空、航天、军事、生命科学和健康保健、汽车工业、仿生机器人、家用电器等领域产生深远影响。本文对微纳米加工技术的进展与应用作了简要介绍。 关键词：微纳米加工发展应用 引言： 随着科技发展, 对超精密装置的功能、结构复杂程度、可靠性等要求越来越高, 从而使得对特征尺寸在毫米以上级别, 采用多种材料, 且具有一定形状精 度和表面质量要求的精密三维零件的需求日益迫切。微纳米加工技术是指实现微米、亚微米至纳米量级加工精度的制造技术及其相关设备。 微纳米加工技术的被加工工件尺寸在10mm~1m 之间,表面加工精度高于1μm, 形状精度高于1μm。微纳米加工技术主要包括: 微纳米加工的机理, 微纳米加工的设备制造技术, 微纳米检测技术, 微纳米加工工作环境条件等。 微纳米检测技术是实现微米, 亚微米乃至纳米量级检测的技术及其相应系统。微纳米检测技术可以大幅度提高产品制造过程中的精度, 提高计量等级, 对微纳 米产品进行直接检测和检定, 能够实现生产过程中的在线检测和控制。 因此, 纳米结构加工技术是整个纳米技术的核心基础, 是当前世界科学研 究巫待解决的难题之一。 一、光刻技术 光制造是指通过光与物质的相互作用实现材料成形与改性的过程。光刻技术是应用于光制造的典型实例。传统的光刻技术是一种利用类似于照相复制的曝光与刻蚀相结合的技术，通过曝光和显影工序把集成电光刻掩模版的版图图形转移到光刻胶上，然后通过刻蚀工艺再转移到基片（如硅片）上，在基片表面生成微、纳米尺度的集成电路图形层。其他微、纳米加工领域也都借用半导体集成电路的工艺技术，尤其利用光刻技术实现微、纳米尺度的制造。1965年，G.More在报告中指出，每隔1824个月，芯片的容量将增加1倍，后来演变成了著名的“摩尔定律”。光刻技术作为半导体工业的主流工艺技术，极大地促进了集成电路(IC) 的发展。光刻所获得的最小线宽已成为新一代集成电路的主要技术指标，光刻技术决定着集成电路工艺水平的高低。由于光刻工艺过程需要重复性，因而光刻产

第八章 传质过程导论 第九章 气体吸收

第八章传质过程导论 第九章气体吸收 1-1 吸收过程概述与气液平衡关系 1-1 在25℃及总压为101.3kPa的条件下，氨水溶液的相平衡关系为p*=93.90x kPa。试求 (1) 100g水中溶解1g的氨时溶液上方氨气的平衡分压和溶解度系数H； (2) 相平衡常数m。 1-2 已知在20℃和101.3kPa下，测得氨在水中的溶解度数据为：溶液上方氨平衡分压为0.8kPa时，气体在液体中溶解度为1g (NH3)/1000g(H2O)。试求在此温度和压力下，亨利系数E、相平衡常数m及溶解度系数H。 1-3 在总压为101.3kPa，温度为30℃的条件下，含有15%（体积%）SO2的混合空气与含有0.2%（体积%）SO2的水溶液接触，试判断SO2的传递方向。已知操作条件下相平衡常数m=47.9。 1-2 传质机理 1-4 组分A通过厚度为的气膜扩散到催化剂表面时，立即发生化学反应：，生成的B离开催化剂表面向气相扩散。试推导稳态扩散条件下组分A、B的扩散通量及。 1-5 假定某一块地板上洒有一层厚度为1mm的水，水温为297K，欲将这层水在297K的静止空气中蒸干，试求所需时间为若干。已知气相总压为101.3kPa，空气湿含量为0.002kg/（kg 干空气），297K时水的饱和蒸汽压为22.38 kPa。假设水的蒸发扩散距离为5mm。 1-3 吸收速率 1-6 采用填料塔用清水逆流吸收混于空气中的CO2。已知25℃时CO2在水中的亨利系数为1.66×105kPa，现空气中CO2的体积分率为0.06。操作条件为25℃、506.6kPa，吸收液中CO2的组成为。试求塔底处吸收总推动力?p、?c、? X和? Y。 1-7 在101.3kPa及20℃的条件下，在填料塔中用清水逆流吸收混于空气中的甲醇蒸汽。若在操作条件下平衡关系符合亨利定律，甲醇在水中的溶解度系数H＝1.995kmol/(m3·kPa)。塔内某截面处甲醇的气相分压为6kPa，液相组成为2.5 kmol/m3，液膜吸收系数k L=2.08×10-5m/s，气相总吸收系数K G＝1.122×105 kmol/(m2·s·kPa)。求该截面处

第三章 微纳制造技术_光刻

单项工艺： 光刻 1. Introduction Photolithography ? Photo-litho-graphy: latin : light-stone-writing ? Photolithography is an optical means for transferring patterns onto a substrate. It is essentially the same process that is used in lithographic printing. ? Patterns are first transferred to an imagable photoresist layer. ? Photoresist is a liquid film that can be spread out onto a substrate, exposed with a desired pattern, and developed into a selectively placed layer for subsequent processing. ? Photolithography is a binary pattern transfer: there is no gray -scale, color, nor depth to the image. Key Historical Events in Photolithography ? 1826- Joseph Nicephore Niepce, in Chalon, France, takes the first photograph using bitumen of Judea on a pewter plate, developed using oil of lavender and mineral spirits. ? 1843- William Henry Fox Talbot, in England, develops dichromated gelatin, patented in Britain in 1852. ? 1935- Louis Minsk of Eastman Kodak developed the first synthetic photopolymer, poly(vinyl cinnamate), the basis of the first negative photoresists. ? 1940- Otto Suess of Kalle Div. of Hoechst AG, developed the first diazoquinone-based positive photoresist. ? 1954- Louis Plambeck, Jr., of Du Pont, develops the Dycryl polymeric letterpress plate. transparent glass Cr patterned film 掩模版 Si 光刻胶 SiO 2 film Al film Si UV 曝光 Si 显影 Si 图形转移 Si 腐蚀Al film Patterning by lithography and wet etching 完整的光刻工艺 Wafer with mask film (e.g. SiO2, Al)带有掩 膜的晶圆片 Photoresist coating 旋涂光刻胶 Prebake (softbake)前烘 Mask alignment 对准 Exposure 曝光 Develop-ment 显影 Postbake 后烘 Removal of exposed photoresist 去除曝光的胶 Etching of mask film 腐蚀掩膜 Removal of unexposed resist 去除非曝光的胶 Next process (e.g. implantation, deposition)