杨超
澳门赌场过程工程研究所
先进事迹:反应器模拟放大是化工等工业领域亟待解决的瓶颈问题,也是化工基础研究领域的国际前沿难题之一。杨超带领团队立足工业发展需求、长期坚持应用基础研究,针对强化多相界面传递、工业反应器内多过程耦合的多尺度模型和高效的数值计算方法等三个关键科学问题,用多学科方法深入定量地研究搅拌槽等多相反应器和结晶器的多尺度特性,建立机理性数学模型并提出数值模拟新方法,基于模拟规律发明了新结构的高效反应器和结晶器。基础研究成果成功解决了重要工业问题,实现节能降耗,产生了较显著的经济和社会效益。
已发表或接受期刊论文160多篇(SCI收录98篇),大会/邀请报告39次,Elsevier出版英文专著1本。申请专利33件,授权20件(包括1件美国专利);获软件著作权11项。主持完成1项国家重大基金课题、1项国家重点基金项目、2项973课题和中石化等多个企业项目,现负责1项国家重大科研仪器研制项目。担任Journal of Natural Gas Science & Engineering 副主编,Journal of Applied Mathematics 等7个期刊编委,中国化工学会理事。指导毕业博士生和硕士生各17名,其中14人次获得科学院级奖励;在国科大和澳门赌场研究生院讲授过“化工系列讲座”和“多相流反应工程”课程。主要科研进展包括:
(一)提出反应器颗粒尺度模型和计算新方法,揭示多相反应器小尺度机理,强化多相界面传递
提出浓度变换法、镜像流体法等4种颗粒尺度模型和计算新方法,解决了水平集方法数值模拟相间传质时液滴表面浓度和梯度的双重间断带来的计算困难等颗粒尺度数值模拟的一系列难题,指导调控产生垂直于相界面的对流,显著强化了多相界面传递。该研究推进对反应器内部小尺度传递现象和机理性规律的深入认识,为建立多相反应器和结晶器的整体多尺度模型奠定了科学基础。
浓度变换法被评价为“首次提出first suggested”(Int. J. Heat Mass Transfer, 2014, 73: 399-409)、“新的数值技术novel numerical techniques”(Adv. Colloid Interface Sci., 2014, 206: 344-371),已被德法美日等国同行在30多篇论文中采用和大篇幅引用。关于剪切场中中性悬浮颗粒传质和传热的论文(Yang et al., AIChE J., 2011, 57: 1419-1433)评审人认为做出重要贡献(The work makes a significant contribution),突破了以往研究只用于Re<<1的限制;荷兰著名CFD专家Derksen教授在论文[Chem. Eng. Res. Des., 2015, 93: 66-78]中9处引用,把我们的计算方法作为检验他们算法可靠性的基准benchmark,专门设立一节Benchmarking进行比较。佛罗里达大学的Klausner教授[Phys. Rev. E, 2014, 89: 043308]文中19处引用我们论文[AIChE J., 2012, 58: 3214-3223; Chem. Eng. Sci., 2012, 79: 29-40],采用我们的计算公式,用3个表格与我们的计算结果对比,定性和定量都吻合很好,而且指出我们的算法可以计算极端条件、该文的LBE方法不能计算。
(二)针对工程应用难题,建立反应器多尺度模型并提出数值模拟新方法,认识工业多相反应器内混合、流动、传递和反应的耦合机理及过程强化规律
建立了基于相间耦合机理的高浓度多相反应器和结晶器的多尺度数学模型,提出两相显式代数应力模型、欧拉模型两相大涡模拟方法等5种反应器数值模拟新方法,首先实现了多尺度反应结晶过程(液固)、搅拌槽内两相混合(气液、液液、液固)等数值模拟计算,揭示了搅拌槽等多相反应器和结晶器的传递和反应的耦合强化规律,推动反应器设计放大从国内外常用的宏观经验和逐级试验方法向基于机理性模型和模拟计算的科学量化新方法发展。模拟计算都是基于自编程序软件。
不同于他人采用的Eulerian-Lagrangian模型,提出了基于Eulerian-Eulerian多相湍流模型的大涡模拟新方法(AIChE J., 2008, 54: 1963-1974),美国华盛顿大学国际权威的反应工程专家Dudukovic教授(Chem. Eng. Sci., 2014, 109: 264-275)认为我们是气液搅拌反应器模型模拟领域取得很大成功“much success”的2篇论文之一;澳大利亚CSIRO知名CFD专家Schwarz(Chem. Eng. Sci., 2011, 66: 3071-308; J. Comput. Multiphase Flows, 2010, 2: 165-178)认为“made the first attempt(首先尝试) to apply the Smagorinsky LES to a gas-sparged stirred tank”、“gave good idea(好想法)”、在发掘多相体系流动细节上展现了显著的成功前景“significant promise”。 意大利著名搅拌专家Paglianti [Chem. Eng. J., 2015, 279: 648–658]评价我们[Ind. Eng. Chem. Res., 2012, 51: 10124-10131]用先进的模拟技术(advanced modelling technique)成功预测(successful prediction)了气液搅拌混合时间。Bitog等的综述论文(Comput. Electron. Agric., 2011, 76: 131-147)认为我们在气升环流反应器的流体力学模拟方面(Chem. Eng. Sci., 2010, 65: 5527-5536)取得显著进展“Great progress”。
(三)基础研究成果指导发明新结构的多相反应器,实现多相界面传递与反应的协同强化,并成功应用于工业反应器的优化设计和工程放大
数学模型和数值模拟方法指导发明了新的多相反应器和结晶器,包括向心流桨等新装置,协同强化多相传递与反应,提高了物料和能量利用率及选择性。在石化、医药等领域,以机理模型和模拟计算为有效工具,协同强化界面传递与反应,进行了26套(台)大型工业反应器和结晶器的工程问题诊断、创新设计及工程放大,均取得成功,以很低的工业改造成本,实现节能降耗和行业技术提升,每年为企业新增经济效益上亿元,并消除了长周期安全生产的瓶颈。
例如:基于多相流体力学、传质、传热和结晶反应动力学的耦合数学模型,解决了中石化年产6.5万吨己内酰胺工艺放大至12万吨的反应器瓶颈问题,提出利用现有481m3硫铵反应结晶器并优化改造,一次试车成功,节省反应结晶器投资2600万元,新增利税4.56亿元,整个放大周期不到3个月(专利号ZL 200910075440.2,中石化鉴定成果);而美国Swenson公司等基于国际通用商业软件却得出不同的放大结论,认定必须新建一套反应结晶器。
已建立稳定和富有创新精神的研究团队,包括15位职工(12名博士)、20多名研究生和博士后。担任常务副主任的绿色过程与工程重点实验室,在2012年澳门赌场重点实验室评估中名列工程组第一。连续5届担任实验室支部书记,热心为党员和群众服务,所在支部曾经获得“澳门赌场京区先进党支部”荣誉称号。2003年至今先后担任所纪委委员和党委委员。