计算能力的提高使得化学过程的建模和模拟能力得到了改善。计算流体动力学（CFD）是研究工艺在进行几何和操作修改后的性能的有用工具。CFD 适用于确定发生化学反应、热量和质量传递的复杂几何形状工艺内部的流体动力学。近年来，CFD 受到了研究人员的广泛关注。本书收录了发表在 MDPI 各种期刊上的 11 篇手稿。
摘要 第 1 章：氢可能是一种很有前途的源燃料，通常被认为是一种清洁能源载体，因为它可以用乙醇生产。乙醇是一种可再生原料，易于运输，可生物降解，毒性低，含氢量高，易于储存和处理。与其他碳氢化合物燃料相比，乙醇蒸汽的重整温度相对较低，并且由于氢气的生成量高而被广泛研究。本研究开发了一种新的乙醇蒸汽转化（ESR）计算流体动力学（CFD）模拟模型。重整系统模型由乙醇燃烧器和催化床反应器组成。液态乙醇在火箱内燃烧，然后燃烧器的辐射热通量传递到催化床反应器，将乙醇蒸汽混合物转化为氢气和二氧化碳。拟议的计算模型由两个阶段组成–使用火灾动力学模拟软件（FDS）（5.0 版）模拟乙醇燃烧器，以及对转化器内部发生的蒸汽转化过程进行多物理场模拟。在这项工作中使用了 COMSOL 多物理场软件（4.3b 版）。该软件可同时求解流体流动、传热、扩散与化学反应动力学方程以及结构分析。结果表明，乙醇燃烧器产生的热释放率可以提供维持重整过程所需的热通量。研究发现，氢气和二氧化碳的质量分数沿重整器轴线增加。氢气的质量分数随着辐射热流量的增加而增加。研究表明，冯米塞斯应力随着热通量的增加而增加。此外，还讨论了有关钢套结构完整性的安全问题。这项工作清楚地表明，通过使用温度转化率低的乙醇，钢管结构强度的下降幅度很小。数值结果清楚地表明，在乙醇转化的正常条件下（钢的温度约为 600 °C 或 1112 °F），HK-40 钢合金的断裂时间大大增加。在这种情况下，断裂时间大于 100,000 h（超过 11.4 年）。
[1] 乙醇蒸汽转化制氢系统的 CFD 仿真.ChemEngineering 2018, 2, 34. https://lnkd.in/dffFk4fs
摘要 第 2 章：压缩气体或过热液体中积累的内能推动了不同类型的爆炸。此类爆炸的一个著名例子是装有压力液化物质的容器爆裂，即沸腾液体膨胀蒸汽爆炸（BLEVE）。热 BLEVE 事故的主要原因是罐体蒸汽侧的钢外壳直接加热（池火或喷射火）至超过 400 °C 的温度。储罐周围的隔热材料可大大减少和延缓火灾中储罐外壳的过度加热。这将使消防员有足够的时间到达事故地点，冷却 LPG（液化石油气）储罐以避免 BLEVE、灭火或疏散事故附近的人员。所提出的算法涉及 BLEVE 事故及其缓解的多个方面：利用火灾动力学模拟器（FDS）软件，通过大涡流模拟（LES）对喷射火进行计算流体动力学（CFD）模拟；利用撞击喷射火理论计算对流和辐射热通量；利用 FDS 软件（第 5 版）对容器的玻璃编织乙烯基酯涂层进行热化学和传热分析；利用 COMSOL Multiphysics（第 4 版）进行热力学分析。在复合材料的加热阶段，使用 FDS 软件（版本 5）对玻璃编织乙烯基酯涂层进行热化学和传热分析；使用 COMSOL Multiphysics（版本 4）对玻璃编织乙烯基酯涂层进行热化学和传热分析；使用热力学第一和第二定律计算液化丙烷蒸发所需的时间。
[2] 喷射火焰引起的沸腾液体膨胀蒸汽爆炸（BLEVE）的CFD模拟与缓解.化学工程，2019，3，1. https://www.mdpi.com/2305-7084/3/1/1
第 3 章摘要：根据美国能源部的建议，乙酰丙酸（LA）已被列为未来生物精炼厂的 “十大 “构件之一。基于其与现有工艺的兼容性、市场经济性以及作为重要衍生物合成平台的工业能力，它被认为是生产精细化学品和燃料的最重要平台分子之一。LA 加氢生成 γ-戊内酯（GVL）是一个活跃的研究领域，因为 GVL 本身有可能用作生物燃料，也有可能随后转化为烃类燃料。本文介绍了利用高沸点有机流体将乙酰丙酸转化为γ-戊内酯（GVL）的简单、经济、安全的氢化反应器的新设计。氢化反应器由加热源-有机流体（称为 “DOWTHERM A “或 “thermex”）和催化反应器组成。高沸点流体的优势，以及石油和天然气行业推动的加氢裂化和重整技术的进步，使得有机流体概念更适合、更安全地用于加热加氢反应器（冶金行业普遍认为水接触液态金属会引起蒸汽爆炸）。本研究采用 COMSOL 多物理场软件 4.3b 版，同时求解连续性方程、纳维-斯托克斯方程（流体流动）、能量方程（热传递）、扩散方程和化学反应动力学方程。结果表明，DOWTHERM A 有机流体提供的热通量可以满足维持氢化过程所需的热通量。研究发现，氢气和乙酰丙酸的质量分数沿反应器轴线下降。GVL 的质量分数沿反应器轴向增加。
[3] 使用高沸点有机流体将乙酰丙酸转化为γ-戊内酯（GVL）的加氢反应器的 CFD 设计.ChemEngineering 2019, 3, 32. https://lnkd.in/daHnvenT
摘要 第 4 章：为了分析原油在再沸器管内流动的再沸腾过程的性能，我们开发了一种先进的算法。所提出的模型由庚烷火加热器和管阵列组成。燃烧器产生的热通量传递给管内流动的原油。计算模型由两个阶段组成–使用火灾动力学模拟软件（FDS）5.0 版模拟火灾，然后对原油进行核沸腾计算。FDS 代码是根据火灾加热器的 CFD（计算流体动力学）制定的。原油的热物理性质（如：导热系数、热容量、表面张力、粘度）是通过经验相关性估算的。利用 Chen 相关性计算了蒸发的两相原油混合物通过在壁面产生气泡（核沸腾）而产生的热量传递。假定总对流传热系数由核沸腾对流系数和强制湍流对流系数组成。前者由 Forster Zuber 经验公式计算得出。后者由 Dittus-Boelter 关系计算得出。为了验证成核沸腾传热系数，我们将其与通过 Mostinski 方程获得的成核沸腾对流系数进行了比较。核沸腾对流传热系数之间的相对误差为 10.5%。FDS 的数值求解采用了大涡流模拟 (LES) 方法。通过使用 COMSOL Multiphysics 软件，这项工作进一步扩展到再沸器金属管的结构完整性方面。结果发现，计算应力小于 AISI 310 钢合金的极限抗拉强度。
[4] 强制再循环燃烧加热再沸器的 CFD 仿真。过程 2020，8，145。 https://lnkd.in/de3CuY_J
第 5 章摘要：石油焦是一种富含碳的黑色固体。尽管石油焦的开采会对环境造成危害，但它仍被广泛用作发电厂和水泥生产厂的沸腾和燃烧燃料。由于其较高的热值、含碳量和较低的灰分，它被认为是煤电厂的理想替代品。本研究开发了甲烷蒸汽转化的计算流体动力学（CFD）计算模型。制氢系统由石油焦燃烧器和催化剂床反应器组成。石油焦燃烧产生的热量被用于催化剂床的对流和辐射加热，以维持甲烷转化为氢气和一氧化碳的蒸汽转化反应。该计算算法由三个步骤组成–使用火灾动力学模拟器（FDS）软件模拟石油焦燃烧，同时对燃烧器衬里进行热结构分析，并对催化剂床内发生的甲烷蒸汽转化（MSR）过程进行多物理场计算。燃烧器内衬的结构分析是通过热传导方程、达西多孔介质蒸汽流动方程和结构力学方程的解耦进行的。为了验证 FDS 计算得出的气体温度和一氧化碳摩尔分数，与文献结果进行了比较。燃烧模拟得到的最高温度约为 1440 ℃。计算得出的温度与报道的温度相似，也接近 1400 ℃。二氧化碳的最大摩尔分数读数为 15.0%。COMSOL 多物理场软件同时求解了甲烷蒸汽转化催化剂床反应器的催化剂介质流体流动、热量和质量以及化学反应动力学传输方程。甲烷转化率约为 27%。蒸汽和甲烷沿着催化剂床反应器以相同的斜率衰减。据文献报道，在 MSR 温度为 510 ℃ 时也有类似的数值。氢气质量分数增加了 98.4%。
[5] 应用甲烷蒸汽转化系统进行石油焦燃烧器和制氢的多物理场设计。Clean Technol.2021, 3, 260-287. https://lnkd.in/dZKBgmcC
摘要 第 6 章：本工作对有机郎肯循环 (ORC) 进行了热力学分析。石油焦燃烧器为丁烷锅炉提供所需的热通量。石油焦燃烧的模拟是通过 Fire Dynamics Simulator 软件 (FDS) 5.0 版进行的。通过比较气体混合物的温度和 CO2 摩尔分数。结果发现，它们与文献中报道的相似。对这项工作进行了人工智能（AI）时间预测分析。人工智能算法应用于温度和烟尘传感器读数。为了预测热电偶读数的时间行为，应用了两个 Python 库：统计模型–ARIMA（自回归整合移动平均）和 KERAS–深度学习库。ARIMA 是一类能捕捉时间序列数据中不同标准时间结构的模型。Keras 是一个用于深度学习的 python 库，在 Tensor-Flow 上运行。开发它的目的是为了在研究和开发中尽可能快速、轻松地执行深度学习模型。模型准确率和模型损失图显示了可比较的性能（训练和测试）。丁烷被用作 ORC 的工作流体。丁烷被认为是放能效率最好的纯流体之一。与乙烷和丙烷相比，它的比辐射强迫（RF）较低。此外，它的臭氧消耗潜能值为零，全球变暖潜能值较低。它被认为是易燃、高度稳定和无腐蚀性的。应用 ASIMPTOTE 在线热力学计算器计算了丁烷的热力学特性，以评估热率和功率。结果表明，计算得出的 ORC 循环净功率与文献报道的净功率相似（相对误差为 4.8%）。拟议的 ORC 能量系统符合热力学第一和第二定律。循环的热效率为 20.4%。
[6] 基于石油焦燃烧的有机郎肯循环（ORC）的热力学设计。化学工程 2021，5，37。 https://lnkd.in/dX7czfm7
摘要 第 7 章：FAME（生物柴油）是一种可从植物油中生产出来的替代燃料。人们对研究和开发可再生能源的兴趣与日俱增。一种可能的解决方案是利用富含油脂的生物质生产可用于压燃式发动机（柴油发动机）的生物燃料。本文介绍了一种利用高沸点流体（称为苯基萘）生产 FAME（生物柴油）的酯化反应器的新型安全设计。利用甲基咪唑硫酸氢离子液体生产生物柴油的 CFD 模拟已经完成。离子液体（IL）由阴离子和阳离子组成，在相对较低的温度下以液体形式存在。离子液体具有许多优点，如化学和热稳定性、低可燃性和低蒸汽压。在本研究中，离子液体作为溶剂和酯化反应的催化剂被应用于有机反应中。高沸点液体的优良品质以及石油和天然气工业的进步，使有机概念更适合、更安全（水与液态金属接触可能导致蒸汽爆炸危险）地用于加热酯化反应器。COMSOL Multiphysics 代码可同时求解连续性方程、流体流动方程、传热方程、扩散方程和化学反应动力学方程。结果表明，热通量可提供维持酯化过程所需的必要热通量。研究发现，甲醇和油酸的质量分数沿反应器轴向降低。二甲醚的质量分数沿反应器轴向增加。酯化反应器中生物柴油的最大产率为 86%。这一数值与 Elsheikh 等人的实验结果非常相似。
[7] 用高沸点苯基萘液加热脂肪酸甲酯（生物柴油）酯化反应器的热工水力学和热化学设计》。流体 2022，7，93。 https://lnkd.in/d47S9GRi
摘要 第 8 章：对有机郎肯循环 (ORC) 部件（锅炉、蒸发器、涡轮机、泵和冷凝器）进行了大涡流模拟 (LES) 和热力学研究。石油焦燃烧器为丁烷蒸发器提供所需的热通量。高沸点液体（称为苯基萘）已应用于有机热电联产中。高沸点液体用于加热丁烷流更为安全（可防止蒸汽爆炸危险）。它具有最佳的能效。它无腐蚀性、高度稳定且易燃。为了模拟石油焦燃烧并计算热释放率 (HRR)，使用了火灾动力学模拟器软件 (FDS)。在锅炉中流动的 2-苯基萘的最高温度远低于其沸点温度（600 K）。采用 THERMOPTIM 热力学代码计算了评估热率和功率所需的焓值、熵值和比容。拟议设计的 ORC 更为安全。这是因为易燃的丁烷与石油焦燃烧器中产生的火焰分离了。拟议的 ORC 遵循热力学的两个基本定律。计算得出的净功率为 3260 千瓦。这与文献报道的净功率十分吻合。ORC 的热效率为 18.0%。
[8] 基于丁烷工作流体和高沸点苯基萘液体加热系统的有机郎肯循环的大涡流模拟和热力学设计.熵 2022，24，1461。 https://lnkd.in/dZrkKhaK
摘要 第9章：通过辅助通气系统提供吸入麻醉。它主要由氙或氧化亚氮、卤代烃（HHC）和氧气组成。为了降低麻醉化合物的成本，呼气中剩余的麻醉剂会被回收和重复使用，以尽量减少新鲜麻醉剂的用量。使用氢氧化碱混合物（称为碱石灰）来去除二氧化碳和氧气。2 从呼气中排出。不过，碱石灰与卤代烃反应可能会形成有毒化合物。离子液体（ILs）具有不挥发性、功能性、高碳溶解度和再生能耗低等优点。本研究对离子液体去除二氧化碳进行了数值研究。应用了 COMSOL 多物理场有限元软件。该软件可求解连续性方程、流体流动方程和扩散方程。还开发了一种新算法，用于计算二氧化碳对红外辐射的吸收。2.它的吸收系数与波长有关。气体吸收系数是通过 HITRAN 光谱数据库计算得出的。结果发现，CO2 几乎完全被 1-乙基-3-甲基咪唑鎓二氰胺 ([emim][DCA]离子液体吸收。2 在低于 1.565 μm 的区间内可以忽略不计，然后在 1.6 μm 处，它的增长速度与 CO 的增长速度相同。因此，可以检测到 CO2 通过使用能够发射波长为 1.6 μm 的红外辐射的激光二极管来实现。这个时间段是二氧化碳扩散系数的函数。2 在膜和离子液体中。
[9] 利用气体离子液体膜去除吸入麻醉系统中二氧化碳的数值研究.化学工程 2023，7，60。 https://lnkd.in/dqY7Fu9w
摘要 第 10 章：硫化氢（H2S）被认为是一种有毒的腐蚀性气体，通常存在于天然气、原油和其他化石燃料中。这种腐蚀性气体可能导致应力腐蚀开裂（SCC）。这种现象是由拉伸应力和腐蚀环境共同作用造成的。这可能会导致通常具有延展性的金属合金突然失效，尤其是在温度升高的情况下。脱硫是去除 H2S，以减少其对环境和健康的有害影响。离子液体 (IL) 作为液体吸收剂吸收 H2硫化氢萃取膜具有非挥发性、功能性、高碳溶解度和再生能耗低等优点。拟议的硫化氢萃取系统由管、膜和壳组成。由于双-（三氟甲基）磺酰亚胺（NTf2）阴离子具有高硫化氢萃取率，因此选择了 1-ethyl-3-methylimidazolium (emim) 离子液体。2S 扩散系数。在这种设计中采用了功能化氧化石墨烯（GO）高级膜。在这项研究中，H2利用离子液体对 S 的萃取进行了数值研究。采用 COMSOL 有限元和多物理场代码求解了连续性、湍流（k-ε 模型）和瞬态扩散方程。在小时间段内，H2壳段内的 S 浓度曲线。这是因为 H2离子液体中的 S 非常小，外壳部分比膜厚得多。据测定，H2S 在 3 万秒后几乎完全被离子液体吸收。
[10] 使用离子液体和氧化石墨烯膜进行硫化氢（H2S）脱硫的 CFD 模拟。燃料 2023，4，363-375。 https://lnkd.in/dniBwT98
摘要 第 11 章：烯烃是石化工业的重要组成部分，是生产塑料、合成纤维、洗涤剂、溶剂和其他化学品等各种产品的原料。在催化裂化过程中，重质石油原料被注入催化裂化装置，与催化剂混合。催化剂有助于将大碳氢化合物分子分解成较小的碎片，包括丙烯和乙烯等烯烃。这些聚合反应在高温下进行。为了控制反应器的温度，避免再生器中出现 “热点 “或局部氧化反应（以及避免再生器钢包层发生蠕变破裂），这些反应要求尽快排出热量。再生器包层表面的冷却可通过喷嘴喷出的水滴（喷雾）来实现。喷雾冷却可提供均匀冷却，并能处理单相和双相的高热流量。这项研究提供了再生器喷雾冷却系统的热液压设计。在该研究框架内，应用了火灾动力学模拟器（FDS）软件来模拟温度场和水蒸气质量分数。为了计算再生器包层内部的温度场，使用了 COMSOL Multiphysics 有限元代码。使用 FDS 软件计算得出的表面温度和热传导对流系数与 COMSOL 数值结果和以前的文献结果进行了成功验证。数值模拟针对两种情况进行。对 FDS 模型进行了网格敏感性研究。为了计算平均温度，对时间进行了数值积分。采用不同网格计算出的这四个平均温度之间的差异小于 7.4%。计算得出的表面温度和热传导对流系数成功地与 COMSOL 数值结果和先前的研究结果进行了验证。结果表明，在第二种情况下，计算温度有所降低。当喷水系统接近钢包层时，喷水系统能够更有效地冷却钢墙。
[11] 用于冷却流体催化裂化 (FCC) 再生器的喷水系统的热工水力学模拟。动力学 2023，3，737-749。 https://lnkd.in/d9hZxHEj.
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