Please wait a minute...
本期目录
2024年 第75卷 第2期 刊出日期:2024-02-25
上一期   
    本期中英文目录、封面
    化工学报. 2024, 75(2):  0. 
    摘要 ( 16 )   PDF (15611KB) ( 24 )  
    相关文章 | 多维度评价
    综述与专论
    固废基硫掺杂多孔炭材料制备及其对CO2吸附性能研究进展
    王宝凤, 王术高, 程芳琴
    化工学报. 2024, 75(2):  395-411.  doi:10.11949/0438-1157.20230900
    摘要 ( 68 )   HTML ( 10 )   PDF (3196KB) ( 200 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    含碳固废来源广、产量大,其大量堆存严重制约了环境可持续发展,因此含碳固废资源化利用意义重大。利用含碳固废制备多孔炭材料是其清洁高效利用的重要方式之一。对多孔炭进行硫原子掺杂不仅可使材料表面的亲水性得到改善,还可以改变材料表面的化学异质性,生成有利于CO2捕集的活性位点,强化材料对CO2分子的吸附作用,从而提高其CO2吸附容量。简述了固废基硫掺杂多孔炭材料的制备方法,总结了硫掺杂多孔炭材料用于CO2吸附的最新研究进展,并对硫掺杂多孔炭材料未来发展趋势及其在CO2吸附领域的工业化应用进行了展望。

    二维MXene材料在太阳能电池和金属离子电池中的研究进展
    曹宇, 张国辉, 高昂, 杜心宇, 周静, 蔡永茂, 余璇, 于晓明
    化工学报. 2024, 75(2):  412-428.  doi:10.11949/0438-1157.20231082
    摘要 ( 24 )   HTML ( 4 )   PDF (6831KB) ( 22 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    MXene是一种新型二维材料,具有导电性髙、表面官能团丰富、层间距和能带结构可调等特点,从而在新能源器件中拥有重要的研究价值。综述了MXene在太阳能电池和金属离子电池中应用的相关进展。在太阳能电池中,基于MXene高电导率、高透明度和功函数灵活可调的特点,讨论了其在电极和载流子传输层中的相关应用研究,并对MXene功函数调整的策略进行了总结。在金属离子电池中,基于MXene独特的二维层状结构、优异的力学性能和良好的导电性,讨论了MXene作为负极材料以及与碳纳米材料、金属氧化物和硅组成的复合材料对电化学性能的提升作用,并对MXene在正极材料、集流体以及隔膜中应用也进行了介绍。最后对MXene的下一步发展进行了展望。

    热力学
    反向传播神经网络用于预测离子液体的自扩散系数
    肖拥君, 时兆翀, 万仁, 宋璠, 彭昌军, 刘洪来
    化工学报. 2024, 75(2):  429-438.  doi:10.11949/0438-1157.20230955
    摘要 ( 47 )   HTML ( 3 )   PDF (1511KB) ( 38 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    以片段活度系数类导体屏蔽模型(COSMO-SAC)获得的电荷密度分布片段面积(Sσ )和空穴体积(VCOSMO)为结构描述符,采用反向传播神经网络构建了可用于预测离子液体中阴阳离子自扩散系数的定量结构-性质关系(QSPR)模型——BP-ANN模型。考察了模型的适用范围与预测能力,并与线性回归得到的QSPR模型(模型I)进行了比较。发现BP-ANN模型适用的离子液体种类较广,模型在阳离子自扩散系数训练集、验证集与测试集中的决定系数R2均大于0.99,在阴离子的三个子集中的R2均大于0.98。阳离子与阴离子预测的平均绝对相对误差分别为2.8%和3.7%。线性回归的QSPR模型对应的值分别为14.54%和14.57%,即BP-ANN模型的预测效果要明显优于基于线性回归建立的模型。

    二氧化碳混合工质临界参数计算模型对比研究
    孙瑞, 田华, 吴子睿, 孙孝存, 舒歌群
    化工学报. 2024, 75(2):  439-449.  doi:10.11949/0438-1157.20231295
    摘要 ( 54 )   HTML ( 0 )   PDF (1744KB) ( 23 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    二氧化碳(CO2)混合工质是具有应用潜力的动力循环工质,临界参数作为CO2混合工质的关键基础热物性,对其进行准确地计算和预测具有重要意义。采用4种不同类型的计算模型,分别针对CO2+HFC、CO2+HFO和CO2+HC三类二元混合工质的临界温度和临界压力进行了推算,并与公开发表的实验数据和REFPROP数据库计算结果进行对比,分析讨论了各种计算方法对各类CO2混合工质的适用性。结果表明,Li方法形式简单,混合物临界温度的计算式仅与纯质组分的临界温度及临界体积有关,可用于CO2+HFC和CO2+HFO混合工质临界温度的快速推算。对于CO2+HC混合工质,RK方法计算偏差最小,该类混合物临界参数实验数据点数和套数较多,因此可直接通过RK方法回归得到关联式进行应用。

    分子动力学模拟预测天然气密度和黏度的可行性研究
    吴凡, 彭旭东, 江锦波, 孟祥铠, 梁杨杨
    化工学报. 2024, 75(2):  450-462.  doi:10.11949/0438-1157.20231028
    摘要 ( 36 )   HTML ( 6 )   PDF (4673KB) ( 34 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    天然气作为相对清洁、低碳的能源,在我国的一次能源消费占比持续增长,其物性的精准预测对天然气集输利用过程分析至关重要。通过收集文献中天然气在不同温度和压力下的物性实测数据,对比分析了分子动力学模拟和常用经验模型计算天然气密度和黏度的预测精度,明确了不同组成天然气适用的最佳物性预测模型。结果表明,分子动力学模拟在预测天然气黏度方面具有较强的适用性,尤其是在高温高压条件下,当温度为444.4 K时,平均相对误差小于5%;天然气密度则采用现有相对成熟的经验模型更合适,而采用分子动力学模拟方法的几种力场模型预测其精度均不高;天然气密度和黏度预测模型的预测精度,不仅受温度和压力范围的影响,还与天然气组成有关。

    六氟化铀及氟化物汽液相平衡数据预测及精馏过程模拟
    杨同, 王欢, 邓春
    化工学报. 2024, 75(2):  463-474.  doi:10.11949/0438-1157.20230960
    摘要 ( 47 )   HTML ( 2 )   PDF (2003KB) ( 39 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    精馏技术提纯六氟化铀是铀转化工艺的重要环节,该精馏工艺的模拟可为工艺设计及操作优化提供关键支撑。然而,由于六氟化铀及氟化物汽液相平衡数据及物性数据的缺乏,六氟化铀提纯精馏工艺的建模和模拟难以开展。为此,利用COSMOtherm和Turbomole软件,预测UF6与TiF4二元体系汽液相平衡数据。通过预测已知的WF6-UF6二元体系汽液相平衡实验数据以间接验证COSMO-RS模型预测的准确性。利用Aspen Plus软件的物性常数估算系统(property constant estimation system),估算出缺失的无限稀释水溶液Gibbs生成能等物性参数。文献中UF6饱和蒸气压实验数据与模拟值进行对比,相对误差在1.76%以内。根据文献中的实验数据和预测的汽液相平衡数据,利用Aspen Plus软件回归NRTL模型的二元交互作用参数。针对六氟化铀及氟化物的分离,设计直接分离序列和间接分离序列提纯UF6的两种方案。设定UF6产品纯度,以总年度费用(TAC)最小化为目标,采用灵敏度分析对塔板数、进料位置和回流比的关键参数进行优化,结果表明,间接分离序列提纯UF6方案的TAC更低。

    含R1234yf混合工质汽液相平衡的混合规则评估与预测研究
    王林, 江荣鼎, 张春晓, 李修真, 谈莹莹
    化工学报. 2024, 75(2):  475-483.  doi:10.11949/0438-1157.20231129
    摘要 ( 29 )   HTML ( 0 )   PDF (880KB) ( 15 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    含R1234yf混合工质具有系统性能优良且对环境友好的特点,在当前制冷剂迭代中受到了广泛关注。汽液相平衡性质是混合工质的基础热物理性质,其理论计算至关重要。为提高含R1234yf混合工质汽液相平衡数据的计算精度,选取PR状态方程结合vdW、WS、MHV1三种混合规则和NRTL活度系数模型评估了16种含R1234yf二元混合工质的汽液相平衡性质。结果表明,WS混合规则和MHV1混合规则计算性能优于vdW混合规则;vdW混合规则对大多数混合工质计算性能较好。最后提出一种预测模型预测含R1234yf混合工质汽液相平衡性质,预测的相对压力偏差值为0.49%,气相摩尔分数绝对偏差值为0.0031,预测偏差满足工程应用。

    流体力学与传递现象
    基于Hurst指数的严重段塞流多尺度分形特性
    李乃良, 刘常松, 杜雪平, 张一帆, 韩东太
    化工学报. 2024, 75(2):  484-492.  doi:10.11949/0438-1157.20231089
    摘要 ( 22 )   HTML ( 0 )   PDF (1886KB) ( 15 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    基于多尺度方法和Hurst分析方法,分析了严重段塞流的多尺度结构及其非线性特征。以空气、水两相混合物作为实验介质,利用高速数据采集板获得了集输立管内气液两相严重段塞流的压差波动信号。使用db4小波在1~8尺度下对压差信号进行分解和重构,提取不同尺度的系统动力学特征,发现严重段塞流气液喷发和液体回落的瞬态过程主要体现在d5~d8尺度的细节信号上。通过对压差波动信号不同尺度下的分解信号进行Hurst指数分析,发现严重段塞流存在显著的双分形特征,同时受正持久性和反持久性两种动力学因素的制约,但概貌分量和细节分量表现出截然相反的分形结构,概貌分量具有正持久性,而细节分量具有反持久性。d1尺度下的细节分量描述了微尺度的气泡与气泡之间的相互作用;d2~d5尺度下的细节分量描述了微尺度的液体与气泡之间的相互作用;d6~d8尺度下的细节分量描述了宏尺度的气液两相与管壁之间的相互作用。压差波动信号的能量主要分布于宏尺度上。

    起伏振动水平管气液两相流型及转变机理
    刘起超, 张世博, 周云龙, 李昱庆, 陈聪, 冉议文
    化工学报. 2024, 75(2):  493-504.  doi:10.11949/0438-1157.20231294
    摘要 ( 22 )   HTML ( 3 )   PDF (1665KB) ( 15 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    起伏振动下气液两相流型的准确判定对漂浮核电站参数设计有重要意义。对起伏振动水平管气液两相流型特性进行实验研究,定义了起伏振动新流型并得到了气液相分布变化规律,揭示了管径、振频和振幅对流型转变界限的影响规律,建立了泡状流-间歇流和间歇流/分层流-环状流的转变关系式。结果表明,在起伏振动下水平管内出现泡状流、间歇流、分层流以及环状流四种流型,其中间歇流包括泡-弹间歇和弹-塞间歇两种,且气液相分布随振动位置的变化呈规律性改变。在气相折算速度不变的条件下,管径、振频、振幅增加会使泡状流-间歇流边界向上移动,间歇流-分层流边界向下移动。在液相折算速度一定的条件下,管径、振频、振幅增加会使间歇流/分层流-环状流边界向右移动。考虑了振动的影响,建立适用于低频高幅起伏振动的间歇流向泡状流与环状流转变模型,预测和实验结果的相对误差绝对值的平均值分别为7.62%和12.68%。

    基于气-液传质强化的湿法烟气脱硫CFD模拟研究
    李文俊, 赵中阳, 倪震, 周灿, 郑成航, 高翔
    化工学报. 2024, 75(2):  505-519.  doi:10.11949/0438-1157.20231100
    摘要 ( 26 )   HTML ( 2 )   PDF (2181KB) ( 19 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对燃煤电厂烟气脱硫过程中,高硫煤燃烧产生的高含硫烟气高效脱硫难题,通过计算流体力学(CFD)开展了钙法烟气SO2高效脱除研究,提出了基于塔内筛板构件及喷淋系统优化的多手段耦合增效方法。建立了宏观脱硫塔尺度下涵盖喷淋吸收-筛板鼓泡吸收的SO2多形式吸收脱除耦合模型,获得了浆液下落过程中的pH及SO2吸收速率变化规律,并研究了湍流构件对脱硫塔内的气液混合流动、相内相间传质、浆液内部化学反应等过程的影响机制。探究了筛板对于脱硫塔脱除效率的强化机制,并进一步开展了筛板布置位置优化设计研究。同时,针对脱硫塔喷淋系统开展了优化设计研究,通过对比研究获得了喷淋系统优化后布置方案。基于所提出的脱硫塔多手段耦合增效方法,研究了包括液气比、浆液粒径及入口烟气SO2浓度等不同参数影响下的脱硫塔SO2脱除性能,发现通过塔内筛板构件及喷淋系统优化多手段协同增效后,可实现不同工况下脱硫塔SO2脱除效率提升3%~8%。

    基于水电解制氢的梯度多孔传输层中气液流动可视化实验研究
    刘志鹏, 赵长颖, 吴睿, 张智昊
    化工学报. 2024, 75(2):  520-530.  doi:10.11949/0438-1157.20231165
    摘要 ( 44 )   HTML ( 5 )   PDF (3473KB) ( 276 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    在电解水制氢的过程中,多孔电极内的孔隙会发生气泡阻塞现象,这会妨碍气体扩散以及电解液在多孔电极内的流动,从而导致电极传质电阻的增加,进而影响电解水制氢的速率和能耗。采用3D金属打印技术制备了LSL-PTL、MMM-PTL和SLS-PTL三种规则的镍铁合金电极扩散层,进行了可视化的水电解实验,定量地记录了不同电流密度下梯度多孔传输层中气液两相流动的变化,包括气泡形态、孔隙含气率和气泡脱离速率等参数,研究扩散层梯度对气液传质过程的影响,并分析了不同电极梯度结构对电解过程中阻抗和过电位的影响。实验结果显示,与SLS-PTL和MMM-PTL相比,LSL-PTL的梯度结构从催化层即逐渐增大孔隙尺寸,始终保持较低的容积含气率,可以加速气泡在扩散层中的迁移,使气液交换更加频繁,有效减小气液传质阻力,并获得更低的传质阻抗和电解过电位,三种梯度电极在相同电流密度下的电解电势关系为ELSL<EMMM<ESLS。因此,在水电解中采用LSL-PTL梯度的扩散层可以提高制氢效率,减少能耗损失。这项研究为水电解制氢中气液传质过程的主动控制和电解池多孔传输层的结构设计提供了直观依据,对电解水制氢技术的进一步发展具有积极推动作用。

    声共振混合器高黏度流体混合的功耗特性研究
    詹小斌, 王会彬, 蒋亚龙, 史铁林
    化工学报. 2024, 75(2):  531-542.  doi:10.11949/0438-1157.20231168
    摘要 ( 32 )   HTML ( 3 )   PDF (2384KB) ( 18 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    声共振混合利用机械共振产生高加速度振动,从而促进流体流动,其功耗特性对于其设计及应用具有重要作用。为研究声共振混合器的功耗特性,基于CFD建立了声共振混合过程仿真模型,分析了高黏度流体声共振混合过程壁面对物料的作用力和做功功率,探究了黏度和振动参数改变对混合器功耗特性的影响,并建立了声共振混合器混合功率的预测函数。研究结果表明,在混合过程中,壁面对液相做功的瞬时功率呈现先减少后稳定波动的趋势,而有效功率呈现先增加后稳定波动的趋势,这种不同的变化趋势是由于两者的相位差发生变化所导致的。增加振幅、频率或等加速度下低频大振幅都能够增加瞬时功率和有效功率,并减少液相进入稳定流动阶段所需吸收的外界能量。

    连续进出料鼓泡流化床停留时间分布的相似准则研究
    屠楠, 刘晓群, 王驰宇, 方嘉宾
    化工学报. 2024, 75(2):  543-552.  doi:10.11949/0438-1157.20231195
    摘要 ( 21 )   HTML ( 1 )   PDF (2065KB) ( 109 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    以连续进出料鼓泡流化床为研究对象,在Glicksman相似准则的基础上引入了扩散准则数,获得了具备颗粒停留时间分布(RTD)相似性的流化床相似放大准则,并明确了颗粒RTD的相似转换关系。对缩尺流化床模型与原型的流动行为及颗粒RTD进行了数值模拟分析,发现在给定的几何相似常数范围内(1<k<200),缩尺模型计算时长可由22.8天降至1.4天,且颗粒分布规律与原型相似,最大误差不超过9.24%。缩尺模型的颗粒RTD经相似转换后能够较好地预测原型颗粒RTD规律且关键特征值最大误差为17.8%。此外,改变颗粒流量、流化气速及静床高度后,缩尺模型仍能准确预测原型的颗粒RTD,其关键特征值最大误差不超过10.32%,证实了该相似准则在变工况下具有适用性,可用于快速、准确预测大型流化床颗粒RTD。

    适用欧拉-拉格朗日方法模拟气液泡状流的气泡破碎模型
    韩东, 高宁宁, 唐新德, 龚升高, 夏良树
    化工学报. 2024, 75(2):  553-565.  doi:10.11949/0438-1157.20231145
    摘要 ( 48 )   HTML ( 4 )   PDF (2118KB) ( 39 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    欧拉-拉格朗日方法已被广泛应用于模拟鼓泡塔等气-液反应器内的流型、气泡尺寸(或气含率)及其分布。文献中该方法主要基于临界Weber数观点来描述气泡破碎行为,且破碎后的子气泡尺寸由随机数确定。但现有实验和理论研究表明,临界Weber数约束不能体现气体密度等物性参数和泡内气体重分布对气泡破碎行为的影响。针对这些不足,提出了适用欧拉-拉格朗日框架且考虑泡内气体重分布贡献的气泡破碎机理模型,并利用开源软件OpenFOAM开发了基于新破碎模型的求解器。新模型预测结果能较好地吻合实验测量的时均轴向液速、气泡尺寸及其分布等实验数据。特别地,考虑泡内气体重分布现象的破碎机理模型成功预测了实验观测的气泡尺寸双峰分布特征。

    同轴微通道内管结构对液滴生成的影响规律研究
    宋仕容, 刘宏臣, 米晓天, 许超, 杨梅, 尧超群
    化工学报. 2024, 75(2):  566-574.  doi:10.11949/0438-1157.20231245
    摘要 ( 32 )   HTML ( 4 )   PDF (989KB) ( 31 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    研究了同轴微通道内水-硅油体系的液滴生成过程。在不同的连续毛细数Cac和分散相Weber数Wed下,观察到滴出流和喷射流两种不同的流型。实验考察了两相流量、黏度和内管结构对液滴尺寸和液滴生成频率的影响。结果表明液滴尺寸随着分散相流量增加而增大,而随着连续相流量和黏度的增加而降低。此外,随着Wed的增加,流型会从滴出流过渡到喷射流,而更大尺寸的内管会更早过渡到喷射流,从而得到更大的液滴尺寸。对于液滴生成频率,其随CacWed的增加均呈现先快速增加后变缓的趋势。当内管通道尺寸基本相同时,不同结构的内管通道在固定Cac时其液滴生成频率相差不大,且随着通道尺寸的减小,液滴生成频率逐渐增加。基于实验结果,建立了液滴尺寸预测模型,预测值与实验值吻合较好。

    催化、动力学与反应器
    碳负载Cs和Cu基催化剂用于1,1,2-三氯乙烷的气相脱氯化氢
    盖星宇, 岳玉学, 杨春华, 张子龙, 蔡天姿, 张海丰, 王柏林, 李小年
    化工学报. 2024, 75(2):  575-583.  doi:10.11949/0438-1157.20231104
    摘要 ( 38 )   HTML ( 4 )   PDF (2593KB) ( 35 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    采用浸渍法制备了Cs/AC和Cu/AC催化剂,并在1,1,2-三氯乙烷的气相脱氯化氢反应中进行了评价。在浸渍过程中,活性炭表面产生高度分散的Cs物种和少量结晶的Cu物种。Cs/AC催化剂具有优异的催化性能,在573 K、1000 h-1的反应条件下,转化率稳定在86.7%。实验和理论计算表明,CsCl物种促进了1,1,2-三氯乙烷的吸附和活化,从而提高了原料转化率。这项工作为探索高效经济地合成偏二氯乙烯提供了一种很有前景的策略。

    分离工程
    喷雾耦合降温强化旋风分离器脱除细颗粒物的研究
    陶明清, 慕明昊, 程滕, 王博
    化工学报. 2024, 75(2):  584-592.  doi:10.11949/0438-1157.20231175
    摘要 ( 16 )   HTML ( 3 )   PDF (935KB) ( 11 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    通过在冷凝换热器前耦合喷雾的方式,将雾化团聚和水汽相变团聚结合以提高旋风分离器对细颗粒物的脱除效果,用于湿式除尘器后近饱和高湿烟气的深度处理。通过开展实验室试验和某金属冶炼厂烟气旁路试验,考察了该技术对颗粒物的脱除特性。实验室研究结果表明,典型工况下喷雾耦合降温能够显著增强旋风分离器对颗粒物的脱除,比单独喷雾或降温具有更好的增强效果。提高喷雾量和换热器温降,细颗粒物脱除效率先升高后趋于稳定,在温降6℃、喷雾量0.046 L/m3时达到最优脱除效果。烟气温度越高,湿度越接近饱和,细颗粒物脱除效率越高。工业烟气旁路试验表明,该系统适用于湿式除尘后的近饱和高湿烟气,且对波动工况的适应性强,当入口颗粒物浓度不超过2000 mg/m3时,出口颗粒物浓度可保持在20 mg/m3以内,平均脱除效率超过99.2%。

    过程系统工程
    基于注意力模块化神经网络的城市固废焚烧过程氮氧化物排放预测
    蒙西, 王岩, 孙子健, 乔俊飞
    化工学报. 2024, 75(2):  593-603.  doi:10.11949/0438-1157.20231081
    摘要 ( 54 )   HTML ( 1 )   PDF (2210KB) ( 52 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    氮氧化物(nitrogen oxides,NO x )浓度的实时精准检测是实现脱硝过程闭环控制的前提,对提高城市固废焚烧(municipal solid waste incineration,MSWI)过程脱硝效率具有重要意义。为此,提出了一种基于注意力模块化神经网络(attention modular neural network,AMNN)的MSWI过程NO x 排放预测方法。首先,模拟脑网络“分而治之”处理复杂任务的特性,利用模糊C均值(fuzzy C-means,FCM)聚类算法将待预测任务划分为多个子任务,从而降低预测任务复杂度;其次,针对各子任务,设计一种自组织模糊神经网络(self-organizing fuzzy neural network,SOFNN)构建子模型,通过神经元增删机制和二阶学习算法提高子模型的学习效率和学习精度;然后,提出了一种基于注意力机制的子模型整合策略,进一步提高预测模型的泛化性能;最后,通过基准实验Mackey-Glass时间序列预测和北京某MSWI厂实际数据验证了AMNN的可行性和有效性。

    表面与界面工程
    超临界二氧化碳螺旋槽干气密封热流耦合润滑临界阻塞特性研究
    朱芝, 许恒杰, 陈维, 毛文元, 邓强国, 孙雪剑
    化工学报. 2024, 75(2):  604-615.  doi:10.11949/0438-1157.20231101
    摘要 ( 23 )   HTML ( 1 )   PDF (1930KB) ( 78 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    在密封稳定运行的前提下,促成密封端面出口形成阻塞流动以提升气膜开启力、降低端面泄漏不失为干气密封性能优化的有效途径。以超临界二氧化碳(CO2)螺旋槽干气密封为研究对象,综合考虑实际气体、离心惯性、湍流和阻塞流效应,采用有限差分法耦合求解压力和温度控制方程,定性研究了热流耦合润滑下的临界阻塞特性(临界阻塞进口压力po_cir、临界阻塞转速N_cir、临界阻塞膜厚h0_cir和阻塞临界失稳膜厚hsc)。结果表明:等温流动和绝热流动模型下超临界CO2干气密封端面间隙出口均存在阻塞发生工况区间,进口压力、膜厚、转速对应的阻塞发生区间分别为po>po_cirh0_cir<h0<hscN<N_cir;转速升高可以对临界阻塞进口压力和临界阻塞膜厚产生持续增强作用,增大膜厚则会导致临界阻塞压力降低、临界阻塞转速上升,高压进口将使阻塞零刚度对应的膜厚(阻塞临界失稳膜厚hsc)下行;相较于等温流动假设,气膜热效应对超临界CO2干气密封临界阻塞特性参数的影响程度较为显著,且影响规律各有不同。

    生物化学工程与技术
    氨基酸修饰的MOF-808催化降解神经毒剂的模拟酶性质研究
    刘克清, 崔燕, 于琼, 陈立坤, 郑永超, 乔智威, 郑禾
    化工学报. 2024, 75(2):  616-625.  doi:10.11949/0438-1157.20231210
    摘要 ( 49 )   HTML ( 1 )   PDF (1771KB) ( 33 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    通过后合成修饰方法制备了一系列不同氨基酸(amino acid,AA)接枝的MOF-808-AA催化剂,研究了孔结构和孔道微环境对神经毒剂模拟剂催化性能的影响,探索了MOF-808和MOF-808-AA的模拟酶性质。结果表明:氨基酸修饰造成MOF-808的孔结构和孔道微环境发生变化,从而影响催化剂对模拟剂的催化性能。其中,氨基酸侧链提供的氢键以及疏水作用使得MOF-808-AA对模拟剂的亲和力有所提升;氨基酸接枝后,MOF-808原始结构中的活性金属位点数量减少造成了降解速率的降低;氨基酸侧链官能团的酸碱性会导致孔道微环境差异,当侧链为氨基等碱性官能团时,催化效率明显提高,而当侧链为羧基时,催化效率则明显降低。

    能源和环境工程
    热通道内典型碳氢燃料的热解结焦行为
    李浩文, 兰昊, 郑幼丹, 孙勇辉, 杨子昕, 宋谦石, 汪小憨
    化工学报. 2024, 75(2):  626-636.  doi:10.11949/0438-1157.20231190
    摘要 ( 19 )   HTML ( 0 )   PDF (4145KB) ( 31 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    燃料分子结构是影响主动冷却通道内热解结焦过程的重要因素。在预氧化的STS304(Φ3.0 mm×0.5 mm×1.0 m)流动反应管内,600~800℃、1.0 MPa下对比了正庚烷(nC7H16)、异庚烷(iC7H16)、甲基环己烷(MCH)、正十二烷(nC12H26)、甲苯(A1CH3)的热解结焦行为。实验定量获取了热解气液产物并计算了燃料反应热沉,通过称重法对比了非稳态结焦特性和沿程结焦分布规律。结果表明,较低温度650℃下链烷烃的转化率较高,环烷烃次之,A1CH3在高于775℃转化率骤增。低温下MCH和nC12H26结焦速率较低,高温下MCH和A1CH3的结焦速率显著提高。直链烷烃裂解双烯含量最高,稳定的环状结构均有利于提供高热沉。iC7H16nC7H16更稳定且结焦趋向更弱,但甲基的存在,产物烷烃化程度增加。五种典型燃料的结焦过程均呈现三阶段非稳态生长规律,低温下链烷烃结焦速率较大,高温下MCH和A1CH3结焦贡献显著提高。

    大功率质子交换膜燃料电池电堆膜电极一致性研究
    陈宏, 江坤, 唐廷江, 黄易元, 池滨, 廖世军
    化工学报. 2024, 75(2):  637-646.  doi:10.11949/0438-1157.20230745
    摘要 ( 39 )   HTML ( 4 )   PDF (4024KB) ( 31 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    随着燃料电池应用领域的拓宽以及应用规模的不断扩大,大功率燃料电池电堆的需求也不断上升。大功率燃料电池电堆的电压一致性是衡量或影响电堆性能的重要指标。对某公司生产的65 kW大功率电堆进行了单电池一致性的研究,考察不同运行条件对于电堆一致性的影响,并对其产生的可能原因进行了深入的研究和讨论。研究结果表明:在额定功率和给定的运行条件下,电堆表现出了较好的一致性;电堆输出功率、电堆温度和温差、反应气体计量比、气体湿度等对电堆膜电极一致性均有较大的影响。其中输出功率、空气计量比、气体湿度对于电堆一致性的影响最为强烈,输出功率增高、空气计量比和空气湿度降低均会大幅度降低电堆的一致性。在研究结果的基础上,提出了保持大功率燃料电池电堆一致性的运行条件的建议。可为改善大功率电堆的设计和优化大功率电堆的运行条件,及促进我国燃料电池技术及产业的发展提供参考。

    Fe2+/Mn2+活化亚硫酸盐降解盐酸土霉素的机理研究
    贾艳萍, 阴东旭, 徐静仪, 张海丰, 张兰河
    化工学报. 2024, 75(2):  647-658.  doi:10.11949/0438-1157.20231088
    摘要 ( 51 )   HTML ( 4 )   PDF (2092KB) ( 35 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    盐酸土霉素常被用于治疗畜禽疾病,但是它不能被畜禽完全代谢,残留的盐酸土霉素进入水体危害水环境的健康。铁锰作为常见的过渡金属,通常以二价态活化亚硫酸盐来降解有机污染物,反应条件温和、操作简单,但是单独的二价铁与二价锰氧化还原电势低,活化亚硫酸盐效果较差。本研究采用Fe2+/Mn2+共活化Na2SO3降解水中的盐酸土霉素,考察药剂用量、pH、溶解氧、氯离子、碳酸根及腐殖酸对Fe2+/Mn2+/Na2SO3体系降解盐酸土霉素的影响;通过焦磷酸盐实验、自由基淬灭实验和EPR实验分析Fe2+/Mn2+/Na2SO3体系中的活性物种;利用紫外可见光谱、傅里叶红外光谱、气相色谱-质谱联用仪识别盐酸土霉素的官能团及其降解中间产物的变化,推断盐酸土霉素的降解途径。结果表明:当Fe2+/Mn2+/Na2SO3浓度比为1∶4∶20(浓度分别为0.1、0.4和2 mmol/L)时,在反应45 min、pH为9.0条件下,盐酸土霉素的去除率和矿化率最高,分别达到94%和49%。随着溶解氧从9 mg/L下降至1.89 mg/L,盐酸土霉素去除率从94%下降至17%;氯离子、腐殖酸和碳酸根均对盐酸土霉素的降解产生抑制作用。Mn(Ⅲ)和SO4-是降解盐酸土霉素的主要活性氧化剂,盐酸土霉素的降解经过电子转移、开环与酰基化等过程。

    熔渣气化炉喷嘴燃烧区行为的数值模拟研究
    王学云, 郁肖兵, 彭万旺, 沈岩松
    化工学报. 2024, 75(2):  659-674.  doi:10.11949/0438-1157.20230681
    摘要 ( 27 )   HTML ( 0 )   PDF (4157KB) ( 25 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    燃烧区是熔渣气化炉的重要区域,其对熔渣气化炉的工作状态具有明显影响。基于双欧拉模型探究了燃烧区的速度场、温度场和组分场的分布特征及燃烧区空腔的形成过程。研究发现:工业级熔渣气化炉燃烧区呈“羽”状,其先向炉中心延伸再斜向上发展;气体在熔渣气化炉中心区域的流动速度为2.5 m/s 左右,但未形成“高速对撞区”;高温区出现在燃烧空腔外表面附近特别是正对喷嘴且靠近炉中心的区域,该区域的温度可以达到约2000℃;氧气主要分布在气化剂喷嘴前端约0.5 m的空腔内,一氧化碳的分布区域与水蒸气在空间上有较大程度重叠,二氧化碳主要在喷嘴前端空腔外壳附近生成,氢气浓度较高的区域则出现在燃烧区对应空腔的上沿;沿喷嘴轴线方向,气体温度呈先升至峰值再逐渐下降的趋势。随着气化剂流量的增大,燃烧温度极大值出现的位置逐渐朝炉中心处移动,并呈较明显的线性变化规律。

    电晕放电与介质阻挡放电净化氰化氢的机理
    张欣, 薛宇, 马懿星, 王学谦, 王郎郎, 谢妮霏, 陈怡, 周晓霞
    化工学报. 2024, 75(2):  675-684.  doi:10.11949/0438-1157.20231039
    摘要 ( 21 )   HTML ( 3 )   PDF (2501KB) ( 28 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    利用电晕放电以及介质阻挡放电两种低温等离子体产生方式净化氰化氢(HCN),同时对二者的反应机理进行探讨。结果表明,在电晕放电中当输入能量比(SIE)达到8.3 kJ/L,HCN净化效率为76%,在介质阻挡放电中当SIE为11.9 kJ/L时,HCN净化效率为94%;通过Gaussian 软件利用密度泛函理论(DFT)引入外电场,计算分析了两种不同放电方式在HCN净化过程中的差异,在引入外电场之后HCN分子的分子结构以及体系能量均发生了变化,在不同的放电方式中,HCN转化的中间产物—OCN在电晕放电中主要转化为CO2与N2,而在介质阻挡放电中HCN更容易与体系中—OH结合生成H2O与—CN,—CN会在介质阻挡放电中的高电子、粒子密度的作用下聚合为C3N4

    不同碳导电剂对铁-空气电池性能的影响
    尹玉华, 方灿, 易清风, 李广
    化工学报. 2024, 75(2):  685-694.  doi:10.11949/0438-1157.20231212
    摘要 ( 12 )   HTML ( 0 )   PDF (2316KB) ( 8 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    金属-空气电池(MABs)具有成本低、环境友好、比功率和比能量高等优点,而其中的铁-空气电池(IAB)更具有资源丰富以及高比能量等特点,但IAB在充放电过程中存在的铁电极钝化、腐蚀、自放电、析氢反应以及体积变化等问题制约着其发展。考虑到在铁负极制备过程中通常使用乙炔黑作为导电与支撑活性物质的作用,为了考察其他碳材料对铁电极电化学性能的影响,分别利用乙炔黑、石墨粉和碳纳米管制备了不同的铁电极,并与Pt/C空气电极组装成相应的铁-空气电池,对这些电池进行了不同电流密度下的充放电研究并测试了放电极化曲线。结果表明,碳纳米管修饰铁负极的电池整体性能优异,表现出较高的循环稳定性、较高的充放电电压效率以及功率密度。

    海水中的污染物对逆电渗析电堆性能的影响
    王灵洁, 高海龙, 靳继鹏, 王志浩, 李见波
    化工学报. 2024, 75(2):  695-705.  doi:10.11949/0438-1157.20231166
    摘要 ( 45 )   HTML ( 2 )   PDF (2853KB) ( 30 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    海水淡化装置排出的浓缩卤水会造成盐差能的浪费,逆电渗析电堆可以有效回收这种盐差能,并直接转换为电能。但是以海水和浓缩卤水为工作溶液的电堆性能易受工作溶液中不溶性物质的影响。为揭示这种影响规律,对逆电渗析电堆进行了定期的污染物附着实验研究。首先定期测试逆电渗析电堆的输出性能,获得了电堆性能衰减的规律;进而采用扫描电镜和能谱分析仪对离子交换膜和隔垫上的污染物种类进行分析,探究各附着物引起电堆性能下降的原因。结果表明:运行初期(0~20 d),电堆的开路电压、最大功率密度、能量转换效率,以及内阻变化速度快;运行后期(20~45 d),浓缩卤水侧的压降增速较快。本研究可为逆电渗析电堆的清洗策略提供一定的理论支持。

    材料化学工程与纳米技术
    多孔二氧化钛强化的相变材料储热机理研究
    刘昌会, 肖桐, 刘庆祎, 耿龙, 赵佳腾
    化工学报. 2024, 75(2):  706-714.  doi:10.11949/0438-1157.20230728
    摘要 ( 35 )   HTML ( 4 )   PDF (2386KB) ( 107 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    相变材料在热能存储技术中的应用往往受到形状不稳定、低导热等限制。基于钛酸四丁酯的水解反应,通过一步法原位合成了基于二氧化钛的新型定型相变材料。相变材料的定型过程无须任何固化剂和有机溶剂,且无任何污染排放。此外,定型相变材料表现出理想的形状稳定性和防泄漏性能,并具有较高潜热(115 J/g)。进一步研究发现未完全干燥的样品(SP)出现异常的双峰相变行为。以干燥时间为变量,通过对SP进行质量损失测试、组分分析等研究后发现,SP中残留的非石蜡液相物质和二氧化钛的协同效应促进了(110+111)晶体结构的生长,从而增大了结晶过程中石蜡的平均晶面间距,进一步导致被封装的石蜡结晶过程中(110+111)晶面与020晶面比例失衡,最终在差示扫描量热法(DSC)曲线中出现异常的双峰相变现象。

    温度及其波动对橡胶密封硫化过程影响的仿真分析
    张兆想, 蔡茂坤, 任志英, 贾晓红, 郭飞
    化工学报. 2024, 75(2):  715-726.  doi:10.11949/0438-1157.20231213
    摘要 ( 36 )   HTML ( 3 )   PDF (2250KB) ( 32 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    硫化是橡胶密封成型过程的关键工艺,对橡胶密封产品性能有决定性影响。目前橡胶行业多采用经验式硫化成型方法,对橡胶密封硫化演变过程缺乏理解,难以理论指导橡胶密封实际生产过程。针对这一制约橡胶密封质量提升的薄弱环节,开展了橡胶密封硫化成型过程数值仿真研究。基于胶料的积分型反应动力学模型与变物性参数传热控制方程,建立了橡胶制品热-化学耦合的瞬态仿真模型,实现了橡胶制品成型过程时变温度场及硫化程度场的实时预测,并通过试验验证了模型及求解方法的正确性。进而,仿真分析了典型结构密封件的硫化过程,探讨了模具温度、胶料预热温度和温度波动行为对橡胶密封硫化成型过程的影响规律,最后为橡胶密封实际硫化生产提供了参考。