計(jì)算化學(xué)工程講座

計(jì)算化學(xué)工程2010年04月17日——化學(xué)工程研究的一個(gè)新方向內(nèi)容提要1．計(jì)算流體力學(xué)（數(shù)值模擬）方法

對(duì)自然界及人類工程中的流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行數(shù)值分析；2．計(jì)算化學(xué)（分子模擬）方法

用計(jì)算機(jī)以原子水平的分子模型來(lái)模擬分子的結(jié)構(gòu)與行為，進(jìn)而模擬分子體系的各種物理化學(xué)性質(zhì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展……一．引言1．計(jì)算流體力學(xué)：Euler的連續(xù)介質(zhì)假說

考察流體的宏觀行為，是大量分子組成的流體微團(tuán)的宏觀概念，是宏觀意義上大量分子團(tuán)平均物理參數(shù)在空間上的連續(xù)性、平均值和宏觀尺度上的無(wú)限逼近；2．計(jì)算化學(xué)：物質(zhì)的微觀世界

用量子力學(xué)法、MonteCarlo法,分子力學(xué)法及分子動(dòng)態(tài)法等研究分子的結(jié)構(gòu)、相互作用、化學(xué)反應(yīng)路徑、過渡態(tài)、反應(yīng)機(jī)理等分子水平上的問題。方法的基礎(chǔ)：一．引言1．?dāng)?shù)值模擬：化學(xué)工程學(xué)的新方向

（1）單元操作 （2）傳遞過程 （3）化學(xué)反應(yīng)工程 （4）分離工程2．分子模擬：化學(xué)工程學(xué)的新方向

（1）熱力學(xué) （2）反應(yīng)動(dòng)力學(xué) （3）材料學(xué) （4）催化劑方法的應(yīng)用：一．引言一．引言大量研究之后，我們提出并形成了……1．?dāng)?shù)值模擬2．分子模擬一級(jí)學(xué)科：化學(xué)工程與技術(shù)新的研究方向一．引言計(jì)算化學(xué)工程中心一．引言計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算化學(xué)化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)？為什么提出：計(jì)算化學(xué)工程？化學(xué)工程學(xué)的新研究方向？

計(jì)算流體力學(xué)

ComputationalFluidDynamics，簡(jiǎn)稱CFD。

流體力學(xué)

求解描述流體運(yùn)動(dòng)的各類微分方程組的科學(xué)。二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介（1）Newton提出了粘性定律（1687年）；（2）Bernouli的《流體力學(xué)》（1738年）；（3）達(dá)倫貝爾獲得了連續(xù)性方程（1752年）（4）Euler的理想流體力學(xué)（1775年）（5）Navier－Stokes的粘性流體力學(xué)（1845年）（6）Reynolds的湍流流體力學(xué)（1900年左右）（7）Prandtl的邊界層理論（1904年）。1．流體力學(xué)的發(fā)展二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介（相互補(bǔ)充、相得益彰）2．流體力學(xué)的三個(gè)重要分支理論分析－理論流體力學(xué)（Euler方程和Navier-Stokes方程）

實(shí)驗(yàn)研究－實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算－計(jì)算流體力學(xué)用數(shù)值方法求解流體運(yùn)動(dòng)的各類方程組，它的解是對(duì)微分方程精確解的近似。二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介3．計(jì)算流體力學(xué)（CFD）基于流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、燃燒學(xué)及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本原理，用數(shù)值方法不經(jīng)任何簡(jiǎn)化直接求解非線性聯(lián)立的動(dòng)量、熱量、質(zhì)量及組分守恒的偏微分方程組，對(duì)自然界及人類工程中的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行三維的數(shù)值模擬。二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介4．計(jì)算流體力學(xué)的步驟由質(zhì)量守恒定律、牛頓第二定律、熱力學(xué)第一定律建立質(zhì)量、動(dòng)量、能量、組分、湍流特性等守恒方程組。聯(lián)立的非線性偏微分方程組（1）建立基本守恒方程組二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介4．計(jì)算流體力學(xué)的步驟湍流模型及多相流模型化學(xué)反應(yīng)速率方程輻射傳熱模型多相流的相間動(dòng)量、熱量及質(zhì)量傳遞模型（2）建立或選擇模型或封閉方法二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介4．計(jì)算流體力學(xué)的步驟（3）確定邊界條件（4）建立離散化方程（5）制定求解方法:

GENMIX、SIMPLE、SIMPLER、IMPLEST、PSIC、IPSA、LEAGAP等二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介4．計(jì)算流體力學(xué)的步驟（6）編寫計(jì)算程序及調(diào)試程序大型商業(yè)CFD通用軟件：

FLUENT、CFX、

FLOW－3D、PHOENICS、TIGAR等。二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介4．計(jì)算流體力學(xué)的步驟（7）模擬與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比（8）改進(jìn)模型與解法反復(fù)的理論設(shè)想、計(jì)算實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)測(cè)量二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介5．計(jì)算流體力學(xué)守恒方程的通用形式封閉性、形式統(tǒng)一性、耦合性、非線性時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)源項(xiàng)

i－通用變量（各相1、速度、焓、組分等）二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介5．計(jì)算流體力學(xué)守恒方程的通用形式時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)源項(xiàng)可派生出：

連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、組分方程、輻射方程、湍能方程等……二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介6．計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對(duì)描述自然界及人類工程中的流動(dòng)、傳熱及反應(yīng)過程的非線性聯(lián)立的動(dòng)量、熱量、質(zhì)量及組分守恒方程組進(jìn)行三維數(shù)值求解，預(yù)報(bào)流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)的過程細(xì)節(jié)，給出整個(gè)流場(chǎng)中各個(gè)變量的時(shí)空分布。二．計(jì)算流體力學(xué)方法簡(jiǎn)介化學(xué)工程學(xué)是研究大規(guī)模地改變物料的機(jī)械和物理性質(zhì)及化學(xué)組成的工程技術(shù)學(xué)科。針對(duì)過程工業(yè)的共性規(guī)律，把“化學(xué)工程”逐步擴(kuò)展為“過程工程”。三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)什么是“化學(xué)工程”？（1）單元操作；（2）傳遞過程；（3）化學(xué)反應(yīng)工程；（4）分離工程；（5）化工熱力學(xué)；（6）化工系統(tǒng)工程。三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)1．化學(xué)工程學(xué)主要內(nèi)容（1）傳遞過程基本內(nèi)容：（1）體系內(nèi)部三傳過程的多維微分描述；（2）動(dòng)量、熱量及質(zhì)量傳遞方程的分析求解。三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)2．CFD方法與化學(xué)工程學(xué)的結(jié)合點(diǎn)連續(xù)性方程動(dòng)量傳遞方程熱量傳遞方程質(zhì)量傳遞方程與CFD方法具有相同的理論基礎(chǔ)傳遞過程……傳遞方程的分析解CFD方法……傳遞方程的數(shù)值解（1）傳遞過程三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)2．CFD方法與化學(xué)工程學(xué)的結(jié)合點(diǎn)是一門研究化學(xué)反應(yīng)的工程問題的科學(xué)。

反應(yīng)器理論……也就是研究如何在工業(yè)反應(yīng)器中更有效而理想地實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。本質(zhì)：考慮工程傳遞過程條件下的反應(yīng)情況（2）化學(xué)反應(yīng)工程三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)2．CFD方法與化學(xué)工程學(xué)的結(jié)合點(diǎn)1）強(qiáng)化和改進(jìn)現(xiàn)有反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備，提高效能；2）開發(fā)新的技術(shù)和設(shè)備；3）指導(dǎo)和解決放大問題；4）實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的最優(yōu)化；5）發(fā)展反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法。關(guān)鍵問題：反應(yīng)過程的定量（2）化學(xué)反應(yīng)工程——任務(wù)三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)2．CFD方法與化學(xué)工程學(xué)的結(jié)合點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)器模型流動(dòng)模型質(zhì)量、動(dòng)量、熱量傳遞規(guī)律及本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)質(zhì)量衡算方程動(dòng)量衡算方程能量衡算方程組分衡算方程三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)1）平推流模型（一維）；2）多級(jí)混合模型（一維半）；3）擴(kuò)散模型（一維半）；4）組合模型；5）擬均相模型（一維或二維）；6）流化床模型（一維半）；7）全混釜模型（零維）。三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)2．CFD方法與化學(xué)工程學(xué)的結(jié)合點(diǎn)（2）化學(xué)反應(yīng)工程——常用流動(dòng)模型CFD方法用于反應(yīng)工程學(xué)！

CFD方法可提供準(zhǔn)確的傳遞過程模型，并有效地耦合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)2．CFD方法與化學(xué)工程學(xué)的結(jié)合點(diǎn)（2）化學(xué)反應(yīng)工程——與CFD工作方程相同時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)源項(xiàng)建立化學(xué)反應(yīng)器模型之根本是準(zhǔn)確描述流體流動(dòng)的規(guī)律！時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)源項(xiàng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以源項(xiàng)出現(xiàn)在組分傳遞方程中三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)（2）化學(xué)反應(yīng)工程——與CFD工作方程相同2．CFD方法與化學(xué)工程學(xué)的結(jié)合點(diǎn)三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)（3）化學(xué)器的“放大效應(yīng)”2．CFD方法與化學(xué)工程學(xué)的結(jié)合點(diǎn)新反應(yīng)過程開發(fā)工作中的重要環(huán)節(jié)；化學(xué)反應(yīng)工程研究的一個(gè)重要方面。狀況：本質(zhì)：放大效應(yīng)并不具有科學(xué)的必然性；是由于在大裝置中未能創(chuàng)造出與小裝置中相同的傳遞條件而出現(xiàn)的差異。三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)2．CFD方法與化學(xué)工程學(xué)的結(jié)合點(diǎn)CFD方法可消除反應(yīng)器“放大效應(yīng)”！1）CFD方法可提供相同的傳遞條件；2）CFD方法考慮了反應(yīng)器幾何尺寸和邊界條件的影響；3）可用CFD方法對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)

的操作條件。（3）化學(xué)器的“放大效應(yīng)”三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)（4）化學(xué)器熱穩(wěn)定性分析2．CFD方法與化學(xué)工程學(xué)的結(jié)合點(diǎn)時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)源項(xiàng)反應(yīng)熱以源項(xiàng)出現(xiàn)在熱量傳遞方程中1）反應(yīng)器內(nèi)溫度場(chǎng)；2）按時(shí)間變化求解三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)袁乃駒教授：分離與反應(yīng)工程的“場(chǎng)”“流”分析1）科學(xué)的分工愈來(lái)愈細(xì)，分支學(xué)科愈來(lái)愈多是科學(xué)發(fā)展的一個(gè)規(guī)律，但隨著對(duì)事物本質(zhì)認(rèn)識(shí)的深化，可以發(fā)現(xiàn)許多表面上毫不相干的現(xiàn)象受到相同規(guī)律的制約，服從同一的定律，因而可以用一些簡(jiǎn)單的基本定律和法則，來(lái)研究和解決不同學(xué)科領(lǐng)域中各種復(fù)雜的問題。2）對(duì)事物規(guī)律的認(rèn)識(shí)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜在到簡(jiǎn)單是科學(xué)發(fā)展的另一規(guī)律。在研究各類化工過程的模擬中，可以發(fā)現(xiàn)各類分離過程和反應(yīng)工程的模擬方程的形式十分相似。因而就萌發(fā)了一個(gè)想法，即能否采用一個(gè)統(tǒng)一的模型來(lái)加以描述，使化學(xué)工程這個(gè)龐大的學(xué)科從復(fù)雜向簡(jiǎn)單化發(fā)展。

3．“場(chǎng)”“流”的概念與觀點(diǎn)“流”：系統(tǒng)中整個(gè)體相在運(yùn)動(dòng)的物料……主體流動(dòng)“場(chǎng)”：使系統(tǒng)中物料粒子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)的力

……具體的力和抽象的力構(gòu)成了“場(chǎng)”

……是系統(tǒng)中各種物理量在空間的分布由“流”和“場(chǎng)”的特點(diǎn)和兩者的相互作用，決定了化工過程的本質(zhì)。什么是“場(chǎng)”？什么是“流”？三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)3．“場(chǎng)”“流”的概念與觀點(diǎn)CFD方法與“場(chǎng)”“流”觀點(diǎn)的一致性！時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)源項(xiàng)“流”

主體流動(dòng)“場(chǎng)”抽象力場(chǎng)“場(chǎng)”具體力場(chǎng)三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)3．“場(chǎng)”“流”的概念與觀點(diǎn)Lagrange導(dǎo)數(shù)項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)源項(xiàng)“流”

主體流動(dòng)“場(chǎng)”抽象力場(chǎng)“場(chǎng)”具體力場(chǎng)三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)3．“場(chǎng)”“流”的概念與觀點(diǎn)CFD方法與“場(chǎng)”“流”觀點(diǎn)殊途同歸！基本分析：所有過程工業(yè)都可歸納為氣、液、固三種物質(zhì)在不同尺度下的流動(dòng)、傳遞、分相、反應(yīng)及這些過程的動(dòng)態(tài)變化。方法目標(biāo)：將四種過程（流動(dòng)、傳遞、分相和反應(yīng)）在五個(gè)空間尺度（分子、納/微、單元、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)）不同時(shí)域下的行為和同一尺度下不同過程共存和相互影響的規(guī)律，通過分尺度研究和多尺度綜合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜現(xiàn)象的量化。4．李靜海院士提出的“過程工業(yè)多尺度法”三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)三傳一反可在CFD工作方程離散網(wǎng)格尺度內(nèi)解決()()()iSgraddivudivtiiij+jG=jr+rj??在眾多不同領(lǐng)域的復(fù)雜現(xiàn)象背后，都存在著一些共性的規(guī)律，都受一些簡(jiǎn)單的基本定律和法則的制約，可以采用一個(gè)統(tǒng)一的模型方法來(lái)加以描述，使化學(xué)工程這個(gè)龐大的學(xué)科從復(fù)雜向簡(jiǎn)單化發(fā)展，使不同領(lǐng)域的過程工業(yè)能夠達(dá)到高度量化，也就是定量描述，對(duì)這些過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與操作。5．趨勢(shì)——三．CFD方法與化學(xué)工程結(jié)合點(diǎn)四．CFD方法應(yīng)用舉例重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的工作：等催化裂化提升管反應(yīng)器數(shù)值模擬乙烯裂解爐內(nèi)傳熱及反應(yīng)過程綜合數(shù)值模擬催化裂化沉降器流動(dòng)過程數(shù)值模擬兩段提升管催化裂化反應(yīng)歷程數(shù)值模擬催化裂化汽提過程氣固流動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬大差異多元顆粒氣固流化床流動(dòng)反應(yīng)過程數(shù)值模擬催化裂化提升管反應(yīng)器數(shù)值模擬四．CFD方法應(yīng)用舉例重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的工作：催化裂化過程重質(zhì)石油餾分柴油氣體焦炭縮合產(chǎn)物汽油石油烴類催化裂化復(fù)雜的平行－順序反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)圖柴油汽油以重油催化裂化提升管反應(yīng)器流動(dòng)反應(yīng)數(shù)值模擬為例，介紹CFD方法在化學(xué)工程研究中的應(yīng)用。過程簡(jiǎn)介反應(yīng)溫度：500℃左右反應(yīng)壓力：0.2~0.3MPa劑油比：~6催化劑：固體酸性催化劑四．CFD方法應(yīng)用舉例★年加工量1.2億噸★商品汽油的80%★商品柴油的35%2006年我國(guó)原油加工量3.2億噸，占37.5％提高輕質(zhì)油收率是催化裂化技術(shù)發(fā)展不竭的動(dòng)力！如果輕質(zhì)油收率提高1個(gè)百分點(diǎn)，每年將增產(chǎn)120萬(wàn)噸輕質(zhì)油品！非常重要催化裂化過程四．CFD方法應(yīng)用舉例以重油催化裂化提升管反應(yīng)器流動(dòng)反應(yīng)數(shù)值模擬為例，介紹CFD方法在化學(xué)工程研究中的應(yīng)用。過程核心催化裂化過程關(guān)鍵科學(xué)問題典型的有代表性的復(fù)雜化學(xué)工程問題！發(fā)生著快速?gòu)?fù)雜的平行順序反應(yīng)氣、液粒、固三相湍流流動(dòng)系統(tǒng)三相間存在動(dòng)量、熱量及質(zhì)量傳遞過程高度耦合提升管反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)料噴嘴提升管反應(yīng)器出口快分再生催化劑四．CFD方法應(yīng)用舉例以重油催化裂化提升管反應(yīng)器流動(dòng)反應(yīng)數(shù)值模擬為例，介紹CFD方法在化學(xué)工程研究中的應(yīng)用。

研究思路四．CFD方法應(yīng)用舉例創(chuàng)新性地跨學(xué)科將計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法引入催化裂化過程！全面揭示提升管反應(yīng)器多相湍流流動(dòng)、傳熱及裂化反應(yīng)規(guī)律！反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型原料液霧氣化過程?；嘞嗤牧髁鲃?dòng)規(guī)律模化多過程耦合的收斂14集總動(dòng)力學(xué)模型原料液霧單獨(dú)一相處理k-

-kp多相湍流模型分步松弛迭代等

研究創(chuàng)新難點(diǎn)創(chuàng)新★油劑擬均相★等溫平推流★過度簡(jiǎn)化流動(dòng)傳熱影響★不考慮反應(yīng)器結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)方法14集總動(dòng)力學(xué)模型k-

-kp多相湍流模型提升管反應(yīng)器流動(dòng)反應(yīng)綜合數(shù)值模型提升管反應(yīng)器氣液固三相流動(dòng)反應(yīng)物理模型四．CFD方法應(yīng)用舉例1．各物理量分布極不均勻2．原料氣化與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)影響大

3．普遍存在反應(yīng)深度不優(yōu)化改變了多年來(lái)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)：提升管為平推流反應(yīng)器并定量確定提升管流動(dòng)狀態(tài)離平推流狀態(tài)多遠(yuǎn)（在本工作以前無(wú)法得到）

研究發(fā)現(xiàn)四．CFD方法應(yīng)用舉例提升管反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)料噴嘴提升管反應(yīng)器出口快分系統(tǒng)再生催化劑轉(zhuǎn)化率汽油柴油焦炭裂化氣提升管高度，m產(chǎn)物收率，m%051015202501020304050以注入終止劑為工藝的催化裂化反應(yīng)深度控制技術(shù)

終止反應(yīng)冷卻介質(zhì)四．CFD方法應(yīng)用舉例創(chuàng)新思路：終止反應(yīng)工藝技術(shù)：注入冷卻介質(zhì)

位置優(yōu)化種類優(yōu)化工程實(shí)施

創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)2003年中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)

創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)輕質(zhì)油收率，m%020406080100556065707580日期，天采用前采用后60萬(wàn)噸/年裝置年效益2200萬(wàn)元四．CFD方法應(yīng)用舉例勝利油田石化總廠60萬(wàn)噸/年推廣應(yīng)用：十幾套工業(yè)裝置★★首屆中國(guó)科學(xué)技術(shù)基金會(huì)侯祥麟優(yōu)秀博士論文2001年全國(guó)百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文提名專著《重油催化裂化反應(yīng)過程分析》（第2作者）教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET-040107）★

代表性成果四．CFD方法應(yīng)用舉例催化裂化提升管反應(yīng)器數(shù)值模擬乙烯裂解爐內(nèi)傳熱及反應(yīng)過程綜合數(shù)值模擬四．CFD方法應(yīng)用舉例重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的工作：0510152025010203040L/mX/%H2C2H4C3H6CH4C4H8C2H6c4H6反應(yīng)管軸向主要產(chǎn)物濃度變化圖反應(yīng)管軸向主要反應(yīng)物濃度變化圖02468101214010203040L/mX/%C5H12C6H14C7H16C8H181．乙烯裂解爐反應(yīng)管軸向濃度變化圖四．CFD方法應(yīng)用舉例r/RV/m.s-1

反應(yīng)管徑向上的速度分布圖r/RT/k反應(yīng)管徑向上的溫度分布圖10m20m43m43m20m10m四．CFD方法應(yīng)用舉例2．乙烯裂解爐反應(yīng)管徑向速度溫度分布圖反應(yīng)管內(nèi)乙烯濃度分布圖反應(yīng)管內(nèi)速度分布圖反應(yīng)管橫截面上的溫度分布圖反應(yīng)管橫截面上乙烯濃度分布圖橫截面溫度分布圖流線圖溫度分布圖裂解爐內(nèi)溫度分布圖燃燒室內(nèi)氣體吸收系數(shù)分布圖速度等值填充圖速度場(chǎng)四．CFD方法應(yīng)用舉例重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的工作：催化裂化提升管反應(yīng)器數(shù)值模擬乙烯裂解爐內(nèi)傳熱及反應(yīng)過程綜合數(shù)值模擬催化裂化沉降器流動(dòng)過程數(shù)值模擬催化裂化過程

催化裂化（FCC）是煉油工業(yè)最重要的重質(zhì)油輕質(zhì)化工藝，提供商品汽油80%和柴油的33%。隨摻渣率提高，F(xiàn)CC設(shè)備結(jié)焦日趨嚴(yán)重FCC結(jié)焦部位及危害提升管噴嘴處沉降器大油氣管線水平段分餾塔底循環(huán)系統(tǒng)最嚴(yán)重，危害最大因結(jié)焦造成的非正常停工次數(shù)幾乎占總次數(shù)的2/3。四．CFD方法應(yīng)用舉例四．CFD方法應(yīng)用舉例（2）外因——結(jié)焦環(huán)境

沉降器和大油氣管線內(nèi)氣粒多相流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的狀況：溫度分布、流場(chǎng)分布、組分分布。（1）內(nèi)因——易結(jié)焦組分的存在反應(yīng)油氣：氣相——裂化氣、汽油、柴油、回?zé)捰?、油漿

液相——反應(yīng)油氣中的重組分1．沉降器結(jié)焦內(nèi)外因分析四．CFD方法應(yīng)用舉例（1）油氣是否冷凝？冷凝率如何確定？（2）若存在冷凝的液相組分，它在何處形成的？又存在于何處？（3）液相組分是游離狀態(tài)還是吸附在催化劑上？（4）氣相組分和液相組分結(jié)焦規(guī)律如何？結(jié)焦比例又如何？（5）沉降器內(nèi)詳盡氣粒多相流動(dòng)傳熱及傳質(zhì)狀況如何？（6）多相傳遞狀況如何受操作條件和設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響？1．沉降器結(jié)焦內(nèi)外因分析許多不清楚：四．CFD方法應(yīng)用舉例基于上述分析，中國(guó)石油大學(xué)（北京）針對(duì)FCC沉降汽提系統(tǒng)開展了大量工作，在深入認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了模型化分析，建立了催化裂化沉降汽提系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)診斷平臺(tái)DDP

。（5）沉降器內(nèi)詳盡氣粒多相流動(dòng)傳熱及傳質(zhì)狀況如何？（6）多相傳遞狀況如何受操作條件和設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響？回答問題：——汽提出的重組分如何流動(dòng)、冷凝、結(jié)焦的？CFD方法：沉降汽提系統(tǒng)過程模型化分析

利用歐拉模型對(duì)油氣流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)情況進(jìn)行詳盡模擬，結(jié)合顆粒軌道模型、油漿汽化率模型和油漿重餾分生焦率模型，可確定沉降器內(nèi)重油液滴的產(chǎn)生源、捕獲位置和捕獲率以及主要結(jié)焦部位和結(jié)焦量。四．CFD方法應(yīng)用舉例濟(jì)南沉降器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖長(zhǎng)嶺沉降器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2．研究對(duì)象四．CFD方法應(yīng)用舉例濟(jì)南沉降器長(zhǎng)嶺沉降器3．速度分布四．CFD方法應(yīng)用舉例渦流長(zhǎng)嶺沉降器渦流濟(jì)南沉降器3．速度分布四．CFD方法應(yīng)用舉例平均體積分率0.0026

濟(jì)南沉降器4．催化劑濃度分布四．CFD方法應(yīng)用舉例平均體積分率0.0028

長(zhǎng)嶺沉降器4．催化劑濃度分布四．CFD方法應(yīng)用舉例KK濟(jì)南沉降器長(zhǎng)嶺沉降器低溫區(qū)油漿露點(diǎn)

775.32K低溫區(qū)油漿露點(diǎn)

752.75K放大5．溫度分布四．CFD方法應(yīng)用舉例重油液滴產(chǎn)生源為沉降器內(nèi)壁附近的邊界層

放大濟(jì)南沉降器內(nèi)油漿冷凝率wt%6．重油液滴分布——液滴產(chǎn)生源四．CFD方法應(yīng)用舉例wt%重油液滴產(chǎn)生源為沉降器內(nèi)壁附近的邊界層

長(zhǎng)嶺沉降器內(nèi)油漿冷凝率6．重油液滴分布——液滴產(chǎn)生源四．CFD方法應(yīng)用舉例表4-1濟(jì)南沉降器內(nèi)重油液滴的捕獲位置和捕獲率，wt%項(xiàng)

目位

置捕獲率捕獲率，%頂旋外壁0.17粗旋外壁0.09穹頂內(nèi)壁11.31筒體內(nèi)壁87.12捕獲總計(jì)98.69逃逸率，%頂旋入口1.31重油液滴全部被沉降器內(nèi)壁所捕獲6．重油液滴分布——液滴產(chǎn)生源四．CFD方法應(yīng)用舉例表4-2長(zhǎng)嶺沉降器內(nèi)重油液滴的捕獲位置和捕獲率，wt%項(xiàng)

目位

置計(jì)算結(jié)果捕獲率，%頂旋外壁30.62粗旋外壁7.27穹頂內(nèi)壁16.82筒體內(nèi)壁2.4捕獲總計(jì)57.11逃逸率，%頂旋入口42.89重油液滴57.11wt%被沉降器內(nèi)壁所捕獲6．重油液滴分布——液滴產(chǎn)生源四．CFD方法應(yīng)用舉例工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際濟(jì)南沉降器沒有因結(jié)焦影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。長(zhǎng)嶺沉降器結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)三到四個(gè)月就得停工清焦，結(jié)焦量從幾十到二三百噸。濟(jì)南沉降器

0.74～1.04t/a長(zhǎng)嶺沉降器

62～103t/a預(yù)測(cè)結(jié)果與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際基本吻合預(yù)測(cè)結(jié)果四．CFD方法應(yīng)用舉例（5）沉降器內(nèi)詳盡氣粒多相流動(dòng)傳熱及傳質(zhì)狀況如何？（6）多相傳遞狀況如何受操作條件和設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響？回答問題：——汽提出的重組分如何流動(dòng)、冷凝、結(jié)焦的？汽提出的油氣組分在沉降汽提系統(tǒng)內(nèi)向上流動(dòng)，并趨于離開；當(dāng)油氣所處流動(dòng)、傳熱及傳質(zhì)環(huán)境達(dá)到了重組分冷凝、結(jié)焦的條件時(shí)就造成了沉降器結(jié)焦。非均勻的速度、溫度和濃度場(chǎng)環(huán)境是沉降器結(jié)焦外因！四．CFD方法應(yīng)用舉例結(jié)合油漿汽化率、油漿重餾分生焦率模型，在獲得沉降器內(nèi)速度分布、溫度分布和重油液滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律基礎(chǔ)上，可對(duì)催化裂化裝置沉降汽提系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和診斷。催化裂化沉降汽提系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)診斷平臺(tái)DDP四．CFD方法應(yīng)用舉例Disengager-StrippingSystemDiagnosticPlatformforFCCUnits1．湍流模型：世紀(jì)性難題，科學(xué)家們前仆后繼2．兩相流模型：氣固、液固、氣液、液液3．傳遞性質(zhì)：粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)4．熱力學(xué)參數(shù)：氣液平衡常數(shù)、溶解度、狀態(tài)方程等5．化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)6．計(jì)算方法和專用軟件四．CFD方法應(yīng)用舉例應(yīng)用基礎(chǔ)四．CFD方法應(yīng)用舉例1．不能用連續(xù)的本構(gòu)方程進(jìn)行工作2．離散化改變了方程的定量精度，也改變了定性性質(zhì)3．不能準(zhǔn)確計(jì)算湍流4．給出離散數(shù)據(jù)，不提供任何函數(shù)關(guān)系5．理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值計(jì)算的相互補(bǔ)充相得益彰6．計(jì)算速度應(yīng)用局限分子力學(xué)法：MolecularMechanics半經(jīng)驗(yàn)法：Semi-Empirical量子力學(xué)法：AbInitioMonteCarlo法：MonteCarloDynamics分子動(dòng)態(tài)法：MolecularDynamicsLangevin動(dòng)態(tài)法：LangevinDynamics靜態(tài)動(dòng)態(tài)五．計(jì)算化學(xué)方法簡(jiǎn)介模擬分子的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為！

考察分子的相互作用力場(chǎng)

用經(jīng)典的力學(xué)方程來(lái)描述物質(zhì)分子的勢(shì)能和物理性質(zhì)因此一個(gè)分子可以用簡(jiǎn)單的解析函數(shù)描述成分子相互作用的原子的集合1．分子力學(xué)法五．計(jì)算化學(xué)方法簡(jiǎn)介2．量子力學(xué)法Schr?dingerEquation:

H·

=E·

TheSchr?dingerequationliesattheheartofmuchofmodernscience.TheSchr?dingerequationcontainstheessenceofallchemistry.Theunderlyingphysicallawsnecessaryforthemathematicaltheoryofalargepartofphysicsandthewholeofchemistryarethuscompletelyknown.P.A.M.Dirac,Proc.Roy.Soc.(London)123,714(1929)五．計(jì)算化學(xué)方法簡(jiǎn)介2．量子力學(xué)法Schr?dingerEquation:

H·

=E·

量子理論能夠在今天用于化學(xué)計(jì)算應(yīng)該歸功于后來(lái)許多科學(xué)家的杰出工作；最有代表性的是1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主：WalterKohn和JohnA.PopleWalterKohn提出了電子密度泛函理論（DFT）JohnA.Pople實(shí)現(xiàn)了分子軌道理論的計(jì)算（MOT）五．計(jì)算化學(xué)方法簡(jiǎn)介瑞典皇家科學(xué)院的頒獎(jiǎng)公報(bào)說：

量子化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為廣大化學(xué)家使用的工具，將化學(xué)帶入了一個(gè)新時(shí)代里，實(shí)驗(yàn)和理論能夠共