化工过程中的时空多尺度结构及其效应

乳液多尺度分子效应
乳液多尺度分子效应是指乳液中多个尺度范围内的分子之间相互作用所产生的效应。

这些分子可以包括表面活性剂、溶剂、乳化剂等。

在小尺度上，乳液中的分子之间存在着分子间相互作用，如范德华力、静电吸引力等。

这些相互作用使得乳液中的分子能够相互靠近，并形成分散相和连续相之间的界面。

这种较小尺度效应可以影响乳液的稳定性、黏度和流变性质。

在中尺度上，乳液中的分子聚集成胶束或微乳滴。

胶束是由表面活性剂分子组成的一种结构，其在溶液中形成一种球状或椭球状的结构，并包裹溶剂或油滴。

微乳滴则是由乳化剂和连续相分子组成的一种结构，其中乳化剂在连续相中形成一个油滴。

这些中尺度结构对乳液的稳定性和流变特性起着重要作用。

在大尺度上，乳液中的分子之间的排斥作用会导致乳液的分相行为。

当乳液中两个连续相具有不同的化学性质时，由于分子排斥作用，乳液可能出现相分离现象。

这种大尺度效应可以导致乳液的不稳定性和相位行为的变化。

综上所述，乳液多尺度分子效应包括小尺度的分子间相互作用、中尺度的胶束和微乳滴形成以及大尺度的相分离现象。

这些效应共同影响乳液的性质和行为。

探讨化学工程中的结构问题1 结构的定义及其时空多尺度特征“结构”在《辞源》中有如下定义:1)连接构架;2)物体构造的式样;3)诗文书画各部分的组织与布局。

结构具有多尺度和随时空变化的特征。

如太阳系由太阳、地球、月亮等不同尺度的星体构成,它们在万有引力的相互作用下处于有序而不停的运动之中。

又如一棵树由不同尺度的树干、树枝和树梢组成,相互依分数维的规律连接形成一个有机整体。

化学工程同样具有多层次、多尺度并随时空变化的结构,一般可分为从分子到颗粒的小尺度区、从颗粒到单元设备的中尺度区和从单元设备到系统流程的大尺度区。

各区中均有各自不同的结构。

小尺度区中的结构,如超分子和离子液体结构。

2 多相流结构的预测结构需要若干参数来定量表达,以工业快速流化床提升管中的流动结构为例,需要 8 个参数来描述,分别为密相表观气速、密相颗粒表观速度、聚团平均直径、密相空隙率、密相体积分率、稀相表观气速、稀相颗粒表观速度、稀相空隙率。

李静海、郭慕孙在研究快速流态化床的局部结构时,提出了能量最小多尺度作用模型。

(Energy-Minimization Multi-Scale Model,EMMS)。

该模型认为在快速床中流体用于颗粒的悬浮输送能最小,并以此作为系统的稳定性条件,与稀密两相的动量守恒方程、等压降方程、气固两相的质量守恒方程、聚团尺寸方程一起求解,成功预测了反映快速床局部结构的 8 个参数。

借鉴 EMMS 模型的方法,结合研究不同床型、内构件、外力场对多相流动的影响规律,可望建立各种类型流态化床结构参数的预测模型。

3 结构—性能关系众所周知,物质的分子结构与其热力学特性密切相关;材料的微观结构、介观结构与其宏观的物化和力学性能密切相关,如金刚石与石墨同样都是由碳元素组成的物质,由于碳原子排列的方式不同,金刚石坚硬无比,而石墨则非常柔软。

同理,以尺度大小不同、空间分布不均的气泡、液滴、颗粒、聚团组成的化工多相流的局部结构与其流动、传递、反应行为密切相关。

多尺度模型在化学反应研究中的应用化学反应是化学学科的核心内容之一，其研究涉及到许多领域，如化学动力学、材料科学、环境科学等。

在化学反应研究中，多尺度模型是一种有效的研究手段，其应用范围广泛，可用于从分子水平到宏观水平的各种系统。

一、多尺度模型的概念多尺度模型是指在不同时间或空间尺度下，采用不同的数学模型来描述同一个系统的行为。

这种模型可以有效地将不同尺度下的信息进行整合，并对系统的动态行为进行预测和解释。

在化学反应研究中，常用的多尺度模型包括从电子结构计算到分子动力学模拟的多级别计算方法，以及从分子级到宏观级的多尺度耦合模型。

二、多尺度模型在化学反应动力学中的应用化学反应动力学是研究化学反应速率和反应机理的一门学科。

在化学反应动力学研究中，多尺度模型可以用来解释反应的动态行为，预测反应速率和反应物转化率等。

其中，从电子结构计算到分子动力学模拟的多级别计算方法是应用最为广泛的一种多尺度模型。

以分子动力学模拟为例，可以将反应物分子在分子水平上进行模拟，通过对分子间相互作用力的描述，来预测反应物分子间的碰撞和反应发生的概率。

此外，可进一步拓展到反应物分子和溶液中的其他分子之间相互作用的模拟。

在这些模拟中，通常需要采用量子化学计算方法来获取反应物分子的电荷和势能面等信息，以便进行更为准确的模拟和分析。

三、多尺度模型在材料科学中的应用材料科学是研究材料组成、结构、性能和制备等基础科学和工程技术的交叉学科。

在材料科学研究中，多尺度模型可以用来解释材料的复杂行为，预测材料的性能和寿命等。

例如，在纳米材料研究中，可以采用分子动力学模拟和从分子级到宏观级的多尺度耦合模型等方法，来研究纳米材料的热力学性质、力学性质、熔点等。

在这些模拟中，需要考虑纳米材料的表面效应、尺寸效应和量子效应等因素，以便准确地预测材料的性质和行为。

四、多尺度模型在环境科学中的应用环境科学是研究人类与环境相互作用及其环境效应的一门学科。

在环境科学研究中，多尺度模型可以用来解释环境污染的来源、转化和传递过程，预测环境污染的影响和危害。

万方数据化工学报第６１卷阳能和生物质能等可再生能源技术以及节能减排和Ｃ０：捕集、储存等技术成为化学工程和相关学科研究的一个焦点。

为了应对这些问题，不但需要考虑单一的设备与过程，更需要考虑产品的整个生命周期及其与其他产品的关系。

因此，时空多尺度结构和复杂系统更多地引起了这些学科的关注，而介于单元与系统整体间的介尺度行为可以说是其中最关键的环节。

１介尺度蕴含着复杂体系的共性基础问题目前化工和很多其他学科中的瓶颈问题具有共同的本质。

例如，人们能够测定很多材料的宏观性能（如应力应变关系）以及微观的分子结构，但很难为特定的性能设计相应的材料组成和制备工艺，因为这些分子和原子会在不同条件下形成复杂而多变的多尺度结构，从而产生截然不同的性能。

聚乙烯材料在结晶状态下能达到类似金属的强度，而如果以无规微团聚集，仅能用作一般的包装材料。

又如，一般能描述工业设备的总体操作特性，也清楚其工作原理和微元过程，但很难从理论上优化这些设备的性能，因为设备中的工质或构件的运动、传递和反应过程也具有多尺度的复杂行为。

再如，蛋白质的三维结构和氨基酸序列可以精确测定，却难以描述其折叠过程。

类似的问题还能举出很多，但都可以概括为［１］：复杂系统大多表现出不同的层次，而每个层次中又有多尺度的结构。

尽管不同层次的多尺度结构不同，但都有一个共同属性，即每个层次的边界尺度上系统的行为相对简单，易于表征、分析；而在它们之间的尺度上，系统行为大多非常复杂，还缺乏成熟理论描述，这些尺度称为介尺度。

介尺度普遍存在而且不同系统在不同层次上的介尺度行为的共性本质已逐步体现。

值得注意的是，介尺度并非一个具体的时空尺度，而是～个相对的概念，在不同问题中对应于不同的特征尺度。

但不同问题中的介尺度行为却有共性的本质，并且往往是解决该问题的瓶颈所在。

以化工过程为例，如图ｌ所示［１］，介尺度问题既出现在介于原子、分子和整个催化剂颗粒之间的表界面和内孑Ｌ尺度，也出现在介于单颗粒和反应器整体间的聚团和气泡尺度，还出现在介于设备和生态园区间的工厂尺度，而这些尺度上都呈现典型的复杂性。

存档日期：存档编号:北京化工大学研究生课程论文课程名称：计算流体力学与传热课程代号：ChE515任课教师：张建文完成日期：2012 年12 月23 日专业：化学工程与技术学号：2012200028姓名：王冰洁成绩：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿多尺度传递过程的研究进展摘要：近些年来，化学家们开始关注多尺度现象，而在更广泛的意义上是关注一门新学科—多尺度科学。

本文分析了传递过程中的多尺度现象，讨论了多尺度研究的几个主要内容和方法并分析了它们的特点。

多尺度科学应作为一门独立的科学来对待，多尺度现象将是21世纪科学家们面临的最大挑战。

关键词：多尺度、传递过程、研究进展Progress in Multi-scale transfer processAbstract：In recent years, chemists have started to pay attention to the phenomenon of multi-scale,the broader sense is concerned about a new subject - Multiscale Science. This paper analyzes the multi-scale phenomena in the transfer process, and discusses several major content and method of multi-scale research and analysis of their characteristics. The multi-scale science should be treated as an independent scientific. The multiscale phenomenon will be the biggest challenge faced by the scientists of the 21st century.Keyword：Multi-scale、transfer process、progress1 引言多尺度科学[l]是一门研究不同空间尺度或时间尺度相互耦合现象的跨学科科学，是复杂系统的重要分支之一，具有丰富的科学内涵和研究价值。