作者:孙爱民 来源:中国科学报 发布时间:2013-7-17 8:25:01
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中科院过程工程研究所:研究气泡的乐趣
 
在中科院过程工程研究所,有这样一群科研工作者,他们通过研究气泡如何影响化学反应中的动量和质量传递,帮助化工、能源等企业解决实际问题。
 
■本报见习记者 孙爱民
 
高大的铁门时而紧闭、时而敞开,各种发动机的轰鸣声在面积不大的空间里交相呼应,穿着白大褂的工作人员在高达二三十米的设备上上下穿梭,时不时拿着钳子、扳手敲敲这里,拧拧那里。
 
这不是哪家企业的生产车间,而是中科院过程工程研究所的一间实验室。
 
近日,记者走进了这间隶属于多相复杂系统国家重点实验室的“厂房”,第一眼见到的是一个由透明塑料管围成的设备。这台设备正在运转,水从底部被不断注入。注满水后,一串串气泡从底部冒出蹿向顶部。
 
“这个装置是做什么实验的?”
 
“这是一个研究气液两相流的装置,主要用于研究气泡如何影响化学反应中的动量和质量传递。”
 
“里边装的是水吗?”
 
“对。我们实验时装的是水,但在工业生产中,里边就有很多浆、非牛顿流体。”
 
研究员杨宁站在这个长度约6米的环形设备前,仔细观察着水中气泡,眼神随气泡由下往上,不时和同事讨论。
 
“气泡的尺寸是多少?大气泡与小气泡的数量是多少?气泡的形态和轨迹是如何动态变化的?这些都是需要我们观察、记录的。”在一旁记录的科研人员告诉记者,观察气泡已经成了他们的职业习惯。
 
“我们有时候出去开会,会观察酒店水族箱里的气泡是怎么变化的。”杨宁说,“内部的气速、压力等参数影响气泡的变化,气泡的大小变化又影响了化学反应中质量和热量的传递,所以我们可以通过控制气泡来控制化学反应。”
 
在科研人员的身后,一个20多米高的大家伙引起了记者的注意。
 
“这是一个用于中试实验的设备,里边的各种设计便于我们了解气泡的产生和原料的反应过程。”杨宁告诉记者,在化工领域,一项技术从实验室到工业生产需要经历小试、中试、工业示范、工业化四个逐级放大的过程。“企业里的反应器都是几十米高,为了保证里边的原料与催化剂充分发生化学反应,反应器的设计至关重要。”
 
从上世纪80年代开始,一套模拟化学反应器流动的双流体计算流体力学模型被广泛应用,通过这个模型,气泡研究在一台计算机上就能实现。
 
“这套模型的基础是反应器微元内颗粒均匀分布,但实际情况是颗粒很容易形成聚团,而且会呈现上稀下浓的S型分布。”杨宁告诉记者,很早以前他们便对这个模型提出了质疑。
 
杨宁所在的研究团队经过多年的积累,发展了一个应用于气固快速流态化系统的多尺度曳力模型,弥补了双流体CFD模型的薄弱环节,并在最近将这一方法用于揭示气液鼓泡体系的多尺度结构和机理。
 
新模型在学术界与产业界引起了广泛关注。记者在杨宁办公室的一份资料里看到,美国、德国、英国、澳大利亚等国的多家研究机构都迅速报道并应用了该模型。
 
在虚拟过程平台实验室里,一块宽大的LED墙正在显示密密麻麻的数据。杨宁解释说,墙上显示的数据分别是计算机系统通过模型模拟的化学反应过程与实际实验的过程。“我们利用模型模拟的反应器中气泡的产生变化过程与中试结果一致,这在墙上能明显看到。”
 
杨宁说,研究团队已经跟国内外多家大型化工、能源、食品企业进行了项目合作,用这个模型为他们解决反应器设计的科学问题。
 
其实,最令这些科研工作者感到欣慰的是国际同行的认可。目前,国外研究团队不仅在论文中引用、讨论、印证了新模型的科学性,还将其用于科学实验与工业生产。
 
“国外研究团队可能在硬件、测试技术方面比我们先进,但是在软件、模拟模型方面,我们走在了前列。他们希望能通过与我们课题组的合作,提高他们的模拟能力。”杨宁告诉记者。
 
“以前我们国内的学者是跟着他们的研究方向走,现在是他们跟着我们走。”杨宁自豪地说。
 
《中国科学报》 (2013-07-17 第1版 要闻)
 
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