【北京】数字化工中国科学院过程工程研究所解说词

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在人们的印象中，化工是一门实验科学，依赖大量的实验和经验。化工生产过程的实现是一个逐级放大的试验研究过程。许多化工过程在高温、高压、高危条件下进行，例如，合成氨、催化裂化、双氧水的制备等，研发难度大，成本高，一直是困扰化学工程师的难题。

随着化学工程理论的日益完善和计算机技术的迅猛发展，对实际化工过程进行模拟计算，引起了化学工程师的广泛兴趣。一种更准确、更高效、更智能的化工过程开发模式呈现在我们面前，这就是数字化工。流体流动是化工过程的普遍现象，揭示不同化工设备内流体流动的流体力学状况和变化规律，对于化工过程及设备的精准设计和稳定运行至关重要。

搅拌釜反应器是一类典型的与流体流动相关的化工设备，占行业总产值50%左右的化学品的生产与搅拌釜有关。搅拌釜的核心是搅拌桨。借助计算流体力学方法，可以快速计算出不同搅拌桨、不同操作条件下反应器内流体的速度分布、压强分布、气含率分布等，为搅拌桨和反应器的设计及操作提供重要依据。颗粒加工是另一类典型的化工过程，在医药、食品、石化、冶金等领域有广泛应用。与流体不同，颗粒系统是离散的，涉及的颗粒数量巨大，颗粒的形状、硬度、粘结性的差异等，都增加了颗粒运动的复杂性，很难用实验方法开展研究。研究人员开发了很多数学模型对颗粒运动进行描述，其中*具代表性的是离散单元法。该方法通过跟踪每个颗粒的运动，获得颗粒体系演化的规律。

这是对一个圆锥形药物混合器中，约66万颗粒混合过程的数值模拟结果。发现未倾斜的混合器以30转每分钟的转速，旋转20圈时仍有明显分界。而倾斜45度，采用相同转速，旋转15圈就混合均匀，可见倾斜混合器的混合效果更具优势。离散单元法还可以处理具有复杂结构的反应器，如工业螺旋输送器中的热量传递、质量传递过程。还有很多化工过程，既要考虑流体运动，又要考虑颗粒运动，对数值模拟提出了更高的挑战。为此，科学家们提出了多种解决方法，其中能量*小多尺度法，简称EMMS模型，是中国科学家提出的、应用较为广泛的一种。

流化床反应器是石化工业中应用非常广泛的装置。在流化床反应器中，颗粒跟随流体运动的过程称为流态化。随着气体速度的增加，流化床的颗粒层会形成膨胀、鼓泡、湍动、快速流化和稀相输送等一系列变化，很难用简单的数学模型进行描述。依据EMMS模型，将反应器定义为宏观尺度，颗粒聚团定义为介观尺度，单个颗粒定义为微观尺度，分别用相应的数学模型对它们进行描述，可以既精确又快速地对流化过程进行数值模拟。

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