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2022年 第73卷 第2期 刊出日期:2022-02-05
    本期中英文目录、封面、广告页
    化工学报. 2022, 73(2):  0-0. 
    摘要 ( 220 )   PDF (12429KB) ( 143 )  
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    综述与专论
    我国盐湖锂资源分离提取进展
    蒋晨啸, 陈秉伦, 张东钰, 葛亮, 汪耀明, 徐铜文
    化工学报. 2022, 73(2):  481-503.  doi:10.11949/0438-1157.20211207
    摘要 ( 1003 )   HTML ( 82 )   PDF (6714KB) ( 494 )  
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    锂及其化合物是国民经济和国防建设的重要战略资源,在储能电池、精细化工、原子能热核聚变等领域有着重要应用。中国是锂资源消耗与生产大国,但我国锂消费量对外依存度达70%以上,同时我国锂资源主要储存在西部地区的盐湖卤水中,低锂浓度、高镁锂比的问题提升了盐湖提锂的难度。针对我国盐湖提锂现存的问题,本文系统总结了盐湖锂资源分离提取常见的传统方法,并重点阐述了新型膜分离材料及新型膜分离过程在盐湖卤水高效提锂方面的重要进展,特别是我国科研工作者在盐湖提锂应用中所取得的最新成果。

    钙钛矿催化剂在生物质热化学利用领域的研究进展
    董晓珊, 李健, 颜蓓蓓, 陈冠益
    化工学报. 2022, 73(2):  504-520.  doi:10.11949/0438-1157.20211000
    摘要 ( 560 )   HTML ( 27 )   PDF (3251KB) ( 199 )  
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    钙钛矿催化剂优异的氧化还原性能、离子迁移率、热稳定性和较低的生产成本,使得其在生物质热化学利用领域具有广阔的应用前景。基于生物质热解/气化、生物质重整制氢和生物质下游产物化学合成等应用场景,重点阐述并总结了钙钛矿催化剂的催化性能和机制。聚焦于金属阳离子的催化作用和晶格氧的氧化还原作用,从A/B位离子取代、空间结构改变等方面总结了钙钛矿催化剂的优化设计方法。为钙钛矿催化剂在生物质热化学利用领域的应用与优化指明了方向。

    胞内生物传感器提高微生物细胞工厂的精细调控
    孙怡, 张腾, 吕波, 李春
    化工学报. 2022, 73(2):  521-534.  doi:10.11949/0438-1157.20211164
    摘要 ( 634 )   HTML ( 34 )   PDF (1500KB) ( 237 )  
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    在当今倡导化合物绿色制造的背景下,利用微生物细胞工厂合成新化合物或提高化合物的产量是绿色化工技术发展的重要方向之一。但目标化合物的低产是微生物细胞工厂合成的常见问题。解决这个瓶颈的有效方法之一是在微生物细胞中设计生物传感器来监测和调控化合物的生物合成。详细介绍了胞内生物传感器的种类和作用机制,重点阐释了生物传感器如何与微生物细胞工厂中产物合成途径设计相结合,从而提高细胞工厂的精细调控和目标产物的合成能力。最后还讨论了目前胞内生物传感器设计所面临的挑战和可行的解决方案。

    脉动热管强化传热及其应用研究进展
    赵佳腾, 吴晨辉, 戴宇成, 饶中浩
    化工学报. 2022, 73(2):  535-565.  doi:10.11949/0438-1157.20211144
    摘要 ( 567 )   HTML ( 23 )   PDF (4768KB) ( 309 )  
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    脉动热管作为一种新型热管技术,由于其结构简单、传热性能好以及环境适应性强等优点,在热管理、太阳能集热、余热回收等热传输领域都极具应用潜力。高热通量器件、热能的利用和回收等领域的快速发展,对传热装置的传热性能和工况适应性提出了更高的要求。为进一步强化内部两相流传热以及适应不同工况,结构多样的新型脉动热管应运而生。针对新结构脉动热管的研究进展,主要从强化传热性能的内部结构优化、适应不同应用需求的外部新结构及新结构脉动热管的应用研究三个方面进行总结。后续的研究应该在明晰运行机制的基础上,设计出通用性的新结构脉动热管。

    丁烯基多杀菌素高产菌株的选育和改造策略
    王靖楠, 庞建, 秦磊, 郭超, 吕波, 李春, 王超
    化工学报. 2022, 73(2):  566-576.  doi:10.11949/0438-1157.20210898
    摘要 ( 336 )   HTML ( 11 )   PDF (2123KB) ( 130 )  
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    丁烯基多杀菌素(butenyl-spinosyn)是一种由须糖多孢菌(Saccharopolyspora pogona)产生的杀虫剂,兼具生物农药的安全性和化学农药的速效性。当前,野生型须糖多孢菌合成丁烯基多杀菌素效率低,达不到工业生产要求,获得高产菌株是亟待解决的问题。目前关于丁烯基多杀菌素的相关研究较少,由刺糖多孢菌(Saccharopolyspora spinosa)产生的多杀菌素是丁烯基多杀菌素的结构类似物,具有相似的生物合成途径,本文介绍了两者的基本特性,借鉴多杀菌素的研究经验总结了丁烯基多杀菌素高产菌株已有及可用的选育和改造策略,包括传统的理化诱变方法以及代谢流调控、途径基因调控、转录调控、异源表达等更加精准的基因工程方法,以期为后续丁烯基多杀菌素的深入研究提供思路。

    热力学
    以[Li(TX-7)]SCN/H2O为工质对的第二类热泵特性研究
    许昊, 陈伟, 李邹路
    化工学报. 2022, 73(2):  577-586.  doi:10.11949/0438-1157.20211050
    摘要 ( 309 )   HTML ( 16 )   PDF (1296KB) ( 74 )  
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    通过静态法测量了[Li(TX-7)]SCN/H2O溶液在283.15~443.15 K温度条件下的饱和蒸气压,通过差式扫描量热法测量了离子液体[Li(TX-7)]SCN在温度T=73.15~423.15 K条件下的比热容,并建立了经验关联式,通过Wilson模型对[Li(TX-7)]SCN/H2O溶液组分活度系数的关联预测了其过量焓,并通过预测值计算了二元溶液的比焓,建立了[Li(TX-7)]SCN/H2O的热力学模型。基于实验数据与热力学模型对以[Li(TX-7)]SCN/H2O为工质对的第二类热泵的理论循环特性进行了仿真分析,研究了各部件不同工作温度对系统性能参数的影响,并与其他吸收式系统的性能参数进行了比对。[Li(TX-7)]SCN/H2O系统的性能优于LiBr/H2O系统,适用于发生温度和蒸发温度较低的工况。

    流体力学与传递现象
    煤沥青球气固流化磨损特性实验研究
    周楠, 王簪, 邵应娟, 钟文琪
    化工学报. 2022, 73(2):  587-594.  doi:10.11949/0438-1157.20211322
    摘要 ( 285 )   HTML ( 5 )   PDF (1936KB) ( 112 )  
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    固体颗粒的流化磨损是流态化技术重要的基础问题之一,气固流动过程中颗粒的磨损特性以及两种磨损机制的研究,对流态化技术的应用具有重要意义。针对煤沥青球设计可视化冷态流化实验系统,研究表观气速、初始粒径和高径比对颗粒流化磨损行为的影响,探讨颗粒流化磨损机理。结果表明:经过流化磨损后,仍在初始粒径范围内的煤沥青颗粒球形度增加,表面更光滑;流化磨损过程受到体相断裂和表面剥层两种磨损机制的共同作用:高速磨损阶段由表面剥层主导,低速磨损阶段表面剥层和体相断裂同时存在,稳态阶段再次由表面剥层主导;提高表观气速和高径比、降低初始粒径均会加剧流化磨损过程,流化数从2.7增加到3.9,体相断裂和表面剥层程度分别增加了3.6%和1.4%。

    低质量流率蒸汽真空水平管内凝结传热特性的实验研究
    谷雨, 龚路远, 郭亚丽, 沈胜强
    化工学报. 2022, 73(2):  595-603.  doi:10.11949/0438-1157.20211180
    摘要 ( 275 )   HTML ( 12 )   PDF (1529KB) ( 63 )  
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    对换热长度为3.4 m、内径为38 mm的真空水平管内的蒸汽凝结流动换热特性进行了实验研究。分析了蒸汽质量流率小于9 kg/(m2·s),蒸汽饱和温度为50、60和70℃,换热温差为3~7℃时对凝结过程的影响。通过对分层流动冷凝换热机理分析,建立了热分区角计算模型。实验结果表明,热分区角随着质量流率的增加而增加,随着传热温差的增大而增大;饱和温度对管内凝结的局部传热系数和热分区角影响较小。通过以热分区角为分区界限,建立了局部传热系数经验关联式,在预测实验工况下,对于管顶部膜状冷凝区,预测精度在±25%以内;对于管底部冷凝液对流换热区,预测精度在+25%~-35%。

    同轴四通道喷嘴气流式雾化特性影响因素研究
    徐祖良, 汪宇昊, 赵辉, 周骛, 蔡小舒, 刘海峰
    化工学报. 2022, 73(2):  604-611.  doi:10.11949/0438-1157.20211350
    摘要 ( 248 )   HTML ( 4 )   PDF (1167KB) ( 103 )  
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    提出一种新型同轴四通道喷嘴——由内到外采用气-液-气-液设置,最外环液体可以将合成气和氧气隔离,大幅降低喷嘴出口温度,可望延长气化炉中喷嘴使用寿命。为研究喷嘴雾化效果的影响因素,以水和空气为介质,利用马尔文激光粒度分析仪对同轴四通道喷嘴的气流式雾化液滴索特平均直径进行实验研究。发现对雾化效果影响程度从大到小依次为通道三、通道四、通道二和通道一;增大通道二、四液量分配比可以降低雾化粒径;增大外环液膜厚度会增大雾化粒径;通道一、三气量分配比对雾化颗粒的影响是非单调性的,雾化粒径先增大后减小。基于实验结果进行数值分析,拟合获得了同轴四通道喷嘴雾化液滴粒径关系式。

    含油R32管内流动沸腾换热特性测试及关联式开发
    李广, 庄大伟, 谢丽懿, 丁国良, 郑立宇, 龙春仙, 江波
    化工学报. 2022, 73(2):  612-621.  doi:10.11949/0438-1157.20210838
    摘要 ( 252 )   HTML ( 4 )   PDF (1015KB) ( 202 )  
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    R32作为低温室效应制冷剂得到广泛应用,空调器中循环的介质是制冷剂与润滑油的混合物,掌握R32-润滑油混合物的流动沸腾特性是R32空调器优化设计的关键。本文的目的是参照空调器实际运行工况,测试R32-润滑油混合物的管内流动沸腾换热特性,开发传热系数关联式。新搭建了具有防爆功能的R32-润滑油混合物管内换热性能测试台,采用换热管为7 mm铜管,测试的质流密度200~400 kg/(m2·s)、干度0.2~0.7、油浓度0~5%。实验结果表明,R32-润滑油混合物管内流动沸腾传热系数随质流密度的增大而增大;在中低干度下传热系数随油浓度的增大而增大,在高干度下随油浓度增大先增大后减小并于3%油浓度处取得最大值。基于混合物物性与流型开发了传热系数关联式,预测值与85%的实验数据的误差在±20%内。

    基于阶跃射流的撞击流反应器流场动态特性分析
    张建伟, 安丰元, 董鑫, 冯颖
    化工学报. 2022, 73(2):  622-633.  doi:10.11949/0438-1157.20211135
    摘要 ( 241 )   HTML ( 4 )   PDF (2105KB) ( 70 )  
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    利用实验与数值模拟方法对动态阶跃型撞击流反应器流场特性进行研究,分析不同入口速度条件下流体流动规律、湍流特性以及能量水平。结果表明,动态阶跃型入口条件下,撞击面在两喷嘴之间周期性移动,流动参数也会发生周期性变化。随着入口平均速率的增大,驻点速度逐渐增大;随着两喷嘴入口速率差的增加,撞击面移动速度加快,撞击区流体湍流强度逐渐增加;随着入口平均速率与入口速率差的增大,XOZ平面在一个周期内的平均湍动能逐渐减小。对比动态撞击流反应器与稳态撞击流反应器内流场特性,探究动态入口条件对撞击流反应器流场特性的影响。结果表明,动态阶跃撞击流反应器湍流黏度、湍流强度和湍动能等参数均明显高于稳态撞击流反应器,撞击轴线上的湍动能梯度分布大于稳态撞击流反应器。动态入口条件下撞击流反应器流体湍动更剧烈,能量水平更高,有利于增加流场内流体扰动与促进混合。

    圆筒电极抑制换热表面CaCO3污垢沉积特性研究
    王兵兵, 王超, 徐志明
    化工学报. 2022, 73(2):  634-642.  doi:10.11949/0438-1157.20211297
    摘要 ( 231 )   HTML ( 4 )   PDF (2090KB) ( 79 )  
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    将一圆筒柱面电极布置在换热器入口管道处,并与高压电源正极连接,研究圆筒电极形成的非匀强电场对实验段换热表面CaCO3污垢沉积的影响。作为对比,同时分析了平行板电极(匀强电场)作用下CaCO3污垢沉积行为。结果表明,施加平行电极与圆筒电极均可抑制换热表面CaCO3污垢的沉积,抑垢率随施加电压(0~5000 V)的增加呈现先升高后降低的变化趋势。当施加平行电极时,最佳抑垢电压值为1000 V,最佳抑垢率为 73.27%。当施加圆筒电极时,最佳抑垢电压为500 V,最佳抑垢率为83%。因此,施加圆筒电极具有更好的抑垢效果,同时最佳抑垢电压更低,可降低电的消耗。此外,在无电场作用时,换热表面CaCO3晶体主要为树枝状文石结构,当施加圆筒或平行电极时,CaCO3晶体主要为块状方解石结构。

    起伏振动倾斜上升管气液两相流摩擦阻力分析与计算
    周云龙, 刘起超
    化工学报. 2022, 73(2):  643-652.  doi:10.11949/0438-1157.20211106
    摘要 ( 251 )   HTML ( 6 )   PDF (1494KB) ( 62 )  
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    起伏振动下气液两相流摩擦压降的准确计算对海洋核动力的发展有重要意义。实验研究了不同振动和流动工况下30°倾斜上升管气液两相流摩擦压降的变化规律。结果表明,起伏振动下摩擦压降波动幅度和平均值显著增大。与静止状态相比,起伏振动下摩擦压降的多尺度熵值除泡状流外明显增大,且呈现大幅振荡现象,流动不稳定性更加显著。静止状态摩擦压降模型计算结果与实验值误差较大,现有模型对于起伏振动状态不适用。分析流动和振动参数对摩擦阻力系数的影响,发现其与均相雷诺数成反比,与振动幅值以及频率成正比。以大量实验数据为基础,建立了适用于起伏振动状态的摩擦阻力系数计算关系式,计算与实验结果吻合较好。

    微通道内超临界氮气三维热流场实验与数值模拟
    韩昌亮, 辛镜青, 于广滨, 刘俊秀, 许麒澳, 姚安卡, 尹鹏
    化工学报. 2022, 73(2):  653-662.  doi:10.11949/0438-1157.20211034
    摘要 ( 319 )   HTML ( 5 )   PDF (3211KB) ( 145 )  
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    利用实验与数值模拟相结合的方法研究了超临界氮气(SCN2)三维热流场特性,在用实验数据验证数值方法可靠性基础上,分析了压力(3.6~7 MPa)和质量流速[800~1200 kg/(m2?s)]对SCN2对流传热特性的影响,揭示了微通道圆管不同圆周方向上SCN2热流场规律。结果表明:在低压力和高质量流速下,同一轴向位置处,径向内壁温最大值出现在圆管90°处;质量流速越大,内壁温最大值和对流传热系数最小值由圆管180°向90°处发生了转移;当浮升力系数Gr*/Re2>1时,浮升力有利于强化圆管底部区域流体传热能力;基于获得的数据,提出了一个新的适合预测微通道圆管内SCN2对流传热特性的无量纲换热关联式,预测误差小于20%。研究结果为微通道换热器优化设计提供了参考。

    基于不同类型溶液蒸气压特性的太阳能界面蒸发实验研究
    王洁冰, 高金彤, 徐震原
    化工学报. 2022, 73(2):  663-671.  doi:10.11949/0438-1157.20210916
    摘要 ( 270 )   HTML ( 13 )   PDF (1986KB) ( 129 )  
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    太阳能界面蒸发可实现高效太阳能海水淡化和蒸发式污水处理,但目前的研究大多局限于纯水或NaCl溶液。实际脱盐或废水处理中溶质会与此不同,导致溶液蒸气压变化并影响蒸发性能。本文首先分析了溶液表面蒸气压曲线类型,将其分为上凸型、下凹型和直线型。针对这几种蒸气压曲线进一步选取[EMIM][OTf]、[EMIM][Ac]和NaCl水溶液作为代表溶液,在不同辐照强度和浓度下进行了实验研究,并与纯水的蒸发作对比。实验结果表明:低浓度下[EMIM][OTf]水溶液展现出了良好的蒸发性能, 主要原因是由于其蒸气压处于上凸区间;当溶液浓度升高或辐照强度提升时,[EMIM][OTf]溶液的蒸发速率提升较NaCl水溶液小,主要原因在于蒸发过程的浓度极化导致气液界面处的[EMIM][OTf]浓度升高,蒸气压相差较小;不同工况下[EMIM][Ac]水溶液的蒸发速率均较慢,纯水的蒸发速率最快,体现了蒸气压对蒸发性能的关键影响,原因是低蒸气压导致高蒸发温度,并带来更多的能量损失。

    催化、动力学与反应器
    Cu/SSZ-13催化剂脱硝活性中心与催化性能构效关系的研究
    周微, 王福烨, 贺宁, 于海斌, 马新宾, 刘家旭
    化工学报. 2022, 73(2):  672-680.  doi:10.11949/0438-1157.20211230
    摘要 ( 480 )   HTML ( 15 )   PDF (1519KB) ( 146 )  
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    NH3选择性催化还原NOx(NH3-SCR)是目前最有应用前景的柴油车尾气净化技术,该技术的核心是开发具备优异催化性能的催化剂。以具有菱沸石(chabazite,CHA)结构的小孔分子筛SSZ-13为载体制备的Cu/SSZ-13催化剂,因具有优异的催化性能和水热稳定性能而受到广泛关注。制备了系列Cux/SSZ-13催化剂,并通过CO原位漫反射红外光谱(DRIFT)和H2-TPR等方法能够确定具有高催化活性的铜离子在SSZ-13分子筛上的落位和存在状态。CO红外吸附实验发现,采用Cu(NO3)2水溶液离子交换法制备的Cu/SSZ-13催化剂上存在多种落位的Cu+活性中心。在较低的Cu+交换度条件下,Cu+优先落位于SSZ-13分子筛的八元环位置,随着交换度的提高,Cu+开始落位于SSZ-13分子筛双六元环的位置。H2-TPR结果表明Cux/SSZ-13催化剂上也存在大量落位在八元环位置不稳定的Cu2+,这些Cu2+很容易被还原为Cu+。Cux/SSZ-13催化剂经800℃水蒸气连续老化16 h,分子筛骨架崩塌程度随着Cu含量的增加而提高,骨架铝的脱除,导致Cu物种发生团聚,而第二金属Ce元素的引入能够在一定程度上提高Cu/SSZ-13的水热稳定性。催化剂构效关系研究表明,具有一定量稳定存在的Cu+,并且拥有大量不稳定存在Cu2+的催化剂具有较宽温度范围的脱硝性能。

    含杂萘联苯结构的环氧树脂固化动力学分析
    王哲, 祖愿, 胡方圆, 蹇锡高
    化工学报. 2022, 73(2):  681-688.  doi:10.11949/0438-1157.20211019
    摘要 ( 300 )   HTML ( 13 )   PDF (1308KB) ( 167 )  
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    采用差示扫描量热法(DSC)对含杂萘联苯结构环氧单体(3EPZ)与聚醚胺(ED-2003)的固化过程进行研究。采用Starink模型及自催化模型获得了不同转化率下体系的活化能及相关动力学参数,并建立了动力学方程。实验结果曲线与模型计算结果曲线的相关系数大于99%,表明所建立的自催化动力学模型能够较好地描述体系的固化过程。

    负载型Co基双功能催化剂上戊酸酯生物燃料的制备
    王吴玉, 史玉竹, 严龙, 张兴华, 马隆龙, 张琦
    化工学报. 2022, 73(2):  689-698.  doi:10.11949/0438-1157.20211319
    摘要 ( 267 )   HTML ( 6 )   PDF (3652KB) ( 100 )  
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    采用浸渍法制备了HZSM-5、HY、Hβ以及MCM-22四种载体上负载Co的催化剂,在高压反应釜中,开展了以乙酰丙酸乙酯为原料一步法加氢脱氧合成戊酸乙酯以及戊酸生物燃料的研究。采用XRD、XPS、TEM、FT-IR、NH3-TPD、H2-TPR、py-FTIR、ICP-AES等对催化剂进行表征。结果表明,10Co/HZSM-5催化剂由于Co在HZSM-5上分布均匀,并且B酸酸性、总酸量以及还原性能最优,在保持较高的反应性能的同时,提高了产物的选择性,具有较高的催化性能。进一步对反应温度、反应压力等进行优化,在反应温度为240℃、压力为3 MPa、反应3 h时,以正辛烷作溶剂,催化剂表现出较高的催化性能,乙酰丙酸乙酯的转化率达到100%,戊酸酯和戊酸的总收率可达90%。

    生物质三组分与低密度聚乙烯共催化热解制取轻质芳烃的协同作用机理
    黄明, 朱亮, 丁紫霞, 毛一婷, 马中青
    化工学报. 2022, 73(2):  699-711.  doi:10.11949/0438-1157.20211387
    摘要 ( 307 )   HTML ( 10 )   PDF (2584KB) ( 121 )  
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    生物质与废塑料共催化快速热解是制取轻质芳烃的重要途径。 采用不同种类的分子筛催化剂,首先研究了分子筛种类对杨木、生物质三组分和低密度聚乙烯(LDPE)单独催化快速热解轻质芳烃产率的影响,其次研究了生物质三组分与LDPE在共催化热解过程中的协同作用机理。结果表明:在杨木、生物质三组分和LDPE单独催化快速热解时,HZSM-5(25)催化剂体现出最高的轻质芳烃产率;在杨木和LDPE共催化快速热解时,随着LDPE质量的增加,轻质芳烃的产率呈先升高后降低趋势;在生物质三组分和LDPE共催化快速热解时,纤维素和半纤维素热解的呋喃类中间产物与LDPE热解的轻烯烃中间产物易发生“双烯合成”反应,表现出较强的协同催化作用,促进轻质芳烃的生成,而木质素则抑制轻质芳烃生成。

    四乙基氢氧化铵改性对HMOR分子筛结构及二甲醚羰基化性能的影响
    苏畅, 冯晓博, 张立云, 陈峰, 赵小燕, 曹景沛
    化工学报. 2022, 73(2):  712-721.  doi:10.11949/0438-1157.20210987
    摘要 ( 264 )   HTML ( 8 )   PDF (1815KB) ( 93 )  
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    合成气经二甲醚(DME)羰基化合成乙酸甲酯(MA),MA进一步加氢制备乙醇是一种新型高效的煤基合成气制备乙醇路线。采用温和的后处理方法改性DME羰基化分子筛,进一步提高DME羰基化效率,对其工业应用具有重要意义。本研究利用四乙基氢氧化铵(TEAOH)对HMOR分子筛改性处理,探讨了有机碱改性处理对HMOR分子筛的结构和DME羰基化催化性能的影响。研究发现,TEAOH浓度为0.3 mol/L时,HMOR分子筛介孔孔容增大约26%,外比表面积增大约10%,DME的转化率增幅达68%。TEAOH水解产生的OH-能够温和脱除HMOR分子筛中的骨架硅,获得介-微多级孔结构,提高DME羰基化反应过程中的传质速率。此外,水解的TEA+在分子筛表面富集,抑制了OH-的过度脱硅,保护分子筛基本骨架结构不被更深层次破坏。

    常见离子对玉米秸秆为牺牲剂的光催化制氢影响
    周云龙, 林东尧, 叶校源, 孙博
    化工学报. 2022, 73(2):  722-729.  doi:10.11949/0438-1157.20210926
    摘要 ( 263 )   HTML ( 4 )   PDF (1426KB) ( 122 )  
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    以玉米秸秆为牺牲剂、Pt/TiO2为催化剂,研究玉米秸秆不同部位、不同组分以及液相环境的pH、常见阴阳离子的加入对光催化制氢的影响。利用XRD、TGA和UV-vis DRS表征玉米秸秆的组分和光吸收特性。结果表明,在pH=5~7时制氢量适中、pH<5和pH=8~10时制氢受到抑制、pH>10时制氢得到提升;强酸阴离子、强碱金属离子对该体系制氢无影响;CO32-HPO4-对制氢有不同程度的促进作用;Fe3+、Cu2+和Zn2+因其氧化性强弱顺序和弱电离性对制氢有不同程度的抑制作用。综合上述实验结果分析了不同离子对制氢影响规律和作用机理。

    分离工程
    锆基MOF次级结构单元调控及轻烃吸附分离性能增强
    王洒, 温怡静, 郭丹煜, 周欣, 李忠
    化工学报. 2022, 73(2):  730-738.  doi:10.11949/0438-1157.20210683
    摘要 ( 454 )   HTML ( 16 )   PDF (2272KB) ( 132 )  
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    从天然气中回收C2/C3轻烃组分具有重要的工业价值,吸附分离技术可在常温常压下实现轻烃的回收。对MOF材料进行次级结构单元(SBU)调控,可在继承其晶体结构和发达孔道的同时,优化孔道化学微环境并引入新的吸附位点。使用三嗪(TZ)取代Zr-TBAPy(NU-1000)SBU中的配位水分子,在其孔道内构筑对轻烃吸附质具有更强限域作用的碱性表面化学微环境,得到了高选择性的新型TZ@Zr-TBAPy吸附剂。TZ的引入在分子尺度上提高了孔道的表面粗糙度,同时强化对轻烃吸附质的限域作用,提高材料对烷烃的吸附容量和选择性。常温常压下,TZ@Zr-TBAPy对丙烷和乙烷的吸附容量分别为10.08和4.19 mmol?g-1,比Zr-TBAPy提高了27%和9%,是目前国际上已报道的丙烷吸附容量最高的吸附剂之一。此外,丙烷/甲烷的IAST选择性为1518,是原材料的6.27倍;乙烷/甲烷的IAST选择性为11.7,比原材料提高了22%。更为重要的是,以TZ@Zr-TBAPy吸附剂为核心的固定床吸附过程可实现在常温常压天然气中乙烷和丙烷的一步分离回收。

    能量分解前提下萃取剂的选择策略
    贝鹏志, 李文英
    化工学报. 2022, 73(2):  739-746.  doi:10.11949/0438-1157.20211086
    摘要 ( 266 )   HTML ( 2 )   PDF (1868KB) ( 81 )  
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    煤焦油物质丰富、组成复杂,其中,含杂原子的芳香族化合物以及稠环芳烃具有极高的工业应用价值,但是难以通过石化行业获取。如何“破坏”杂原子芳香族化合物和稠环芳烃间的缔合作用,是高效分离的关键和萃取剂选择难点。若对待分离体系中各物质之间的“缔合结构”有清晰的认识,便可根据不同的能量范围设计萃取剂。据此,基于分子力场分析,获得了氮/硫杂原子芳香族化合物色散作用能的范围,约为 -15~-70 kJ/mol,比照分析低共熔溶剂萃取氮/硫杂原子芳香族化合物研究动态,对增强分子间相互作用的调控手段归类,印证了可以根据待分离体系不同的能量范围来选择萃取剂,这种萃取剂选择方法可以作为分离杂原子芳香族化合物和稠环芳烃的一种新策略。

    过程系统工程
    催化裂化装置反再系统动态模拟精细化与控制系统“工艺优先”配对设计
    张兴硕, 罗雄麟, 许锋
    化工学报. 2022, 73(2):  747-758.  doi:10.11949/0438-1157.20210953
    摘要 ( 267 )   HTML ( 6 )   PDF (1664KB) ( 102 )  
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    催化裂化是目前炼油厂中的核心加工工艺,其反应-再生系统是一个多变量紧密耦合的复杂系统,动态模拟和控制系统设计难度较大。目前,催化裂化装置在进行动态建模时设置了大量假设条件,与实际状况存在诸多不符,另外当前的控制回路配对方法未考虑工艺要求,也不适用于催化裂化这样的开环不稳定系统。基于以上原因,以已建立的反应-再生系统数学模型为基础,建立精细化动态模型,对反应器和再生器模型进行真实逼近,不再忽略气相动态变化,将原模型中气相对时间的导数项恢复,通过离散化的分布参数系统模型,对离散化模型中每段提升管和烧焦罐的时变变量加入时滞。仿真结果表明,精细化动态模型更加接近实际化工生产过程。根据上述模型搭建仿真平台,通过对不稳定的反再系统进行工艺优先的控制系统设计,首先根据化工工艺设计控制回路保证系统的稳定性,然后基于相对增益阵方法设计剩余变量配对,在降低了高维系统设计复杂度的同时保证了生产过程安全。设计结果表明,对于催化裂化装置反再系统,基于工艺特性完成控制回路配对后,剩余变量无须再添加多余的控制回路就能保证控制系统的稳定性和适当的控制性能。

    基于全周期缓慢结垢的多效蒸发海水淡化慢时变系统优化设计
    王天媛, 陈春波, 孙琳, 罗雄麟
    化工学报. 2022, 73(2):  759-769.  doi:10.11949/0438-1157.20211022
    摘要 ( 266 )   HTML ( 3 )   PDF (1374KB) ( 138 )  
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    多效蒸发(MED)是最主要的海水淡化方法之一,作为典型的慢时变系统,该系统在长期运行的过程中,往往会由于结垢导致蒸发器传热效率降低,造成减产甚至停工。为避免出现这种问题,工艺设计者会采取冗余设计,增大传热面积,这会导致设备投资的显著增加。为保证MED系统能够全周期运行,且尽可能减少总传热面积,提出了一种全周期优化设计方法。该方法以总传热面积最小为目标,对决策变量在整个周期内进行分段优化,同时考虑结垢过程、工艺变化以及控制方面的需求,对各效传热面积进行裕量设计,通过一步优化求解得到最优操作条件与最小传热面积,实现对慢时变系统的优化设计。最后,以八效MED海水淡化装置为例,同时用等面积法、等温差法、稳态优化设计方法以及全周期优化设计方法对系统进行设计。结果表明,全周期优化设计方法能够最大限度减少传热面积,大大降低了系统的设备投资,是一种有着良好应用前景的多效蒸发海水淡化系统优化设计方法。

    甲醇模块化生产中分时储热系统的优化设计
    孔昕山, 黄仁星, 康丽霞, 刘永忠
    化工学报. 2022, 73(2):  770-781.  doi:10.11949/0438-1157.20211315
    摘要 ( 281 )   HTML ( 9 )   PDF (1985KB) ( 141 )  
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    以“数量放大”为特征的模块化化工生产为克服原料供给和产品市场需求波动的生产流程优化操作提供新途径。为了提高生产系统的能量利用效率,需对生产系统中随时间变化的流股预热、冷却和反应热分时段进行储存和调度。针对可再生能源驱动的甲醇模块化生产系统,本文提出了分时储热策略,通过储罐设置及流股匹配、储罐储热温区确定和储罐容量配置及调度三步对甲醇模块化生产中分时储热系统进行优化设计,获得了分时储热系统的最优配置和优化调度方案。研究表明:在甲醇模块化生产系统中,分时储热系统可将前阶段的热量储存供后续阶段调用,以实现系统能量的最大化利用,而储热的适量废弃可降低储热系统的投资费用。本文所提出的储热系统优化方法可为波动生产过程中分时储热系统的优化设计提供分析工具。

    基于迁移学习的2,6-二甲酚纯度近红外光谱在线检测
    邬云飞, 栾小丽, 刘飞
    化工学报. 2022, 73(2):  782-791.  doi:10.11949/0438-1157.20210791
    摘要 ( 271 )   HTML ( 2 )   PDF (2062KB) ( 122 )  
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    使用近红外光谱分析技术,对2,6-二甲酚(2,6-DMP)单体分离工段精馏提纯过程的产品纯度进行在线检测。由于2,6-DMP产品塔的产品纯度较高(通常为99.10%~99.95%),样本的纯度值集中分布在一个较小的范围,样本数据之间的变异系数小,样本之间的区分度低,导致所采集光谱与产品纯度之间缺乏相关性,因而无法建立可靠的近红外模型。为了准确检测2,6-DMP产品塔的产品纯度,从而对产品质量进行实时调控,引入迁移学习算法,充分利用2,6-DMP精馏提纯过程中不同塔之间近红外光谱数据的相似性,借助于其他塔中较低2,6-DMP纯度的近红外光谱数据,改善产品塔中较高2,6-DMP纯度的近红外模型性能。通过对某合成材料公司2,6-DMP精馏提纯过程的产品纯度建立近红外在线检测模型,验证了所提方法的有效性。分析结果表明,借助于不同样本数量以及纯度范围的近红外光谱数据,所建模型精度有所不同,说明迁移学习算法不仅可以有效解决样本区分度低情形下的建模问题,且建模精度与所借助光谱的样本数量以及纯度范围密切相关。

    基于平衡理论的模拟移动床工艺参数鲁棒寻优
    魏朋, 陈珺, 王志国, 刘飞
    化工学报. 2022, 73(2):  792-800.  doi:10.11949/0438-1157.20211281
    摘要 ( 223 )   HTML ( 6 )   PDF (1512KB) ( 159 )  
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    在模拟移动床的实际工作过程中,由于进料浓度和温度变化以及色谱柱填充不一致等因素影响,初始工艺参数作业下的分离性能可能会出现下降。首先对模拟移动床的机理模型进行了分析;然后在色谱分离平衡理论的基础上,使用有限元正交配置法求解模型得到新的工艺参数点;最后以果葡糖浆组分分离为对象,使用所提方法求解有扰动作用时的优化工艺参数,结果显示果糖纯度的合格率从81%提高到99%,证明其具有良好的鲁棒性。

    一种基于并行计算的混合算法优化有分流换热网络
    周志强, 崔国民, 杨岭, 马秀宝, 肖媛, 杨其国
    化工学报. 2022, 73(2):  801-813.  doi:10.11949/0438-1157.20210909
    摘要 ( 352 )   HTML ( 8 )   PDF (1490KB) ( 155 )  
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    换热网络优化是化工过程系统工程领域的研究难点,其数学模型具有高度的非凸、非线性,在使用单一启发式算法优化时,往往具有局限性。研究以换热网络的年综合费用最小为目标,针对强制进化随机游走(RWCE)算法在优化时由于个体间独立进化,导致优化过程中信息缺乏交流的问题,提出将遗传算法(GA)与其混合。混合后的算法在保持前一半优势种群中的个体单独进化的基础上,通过周期性的交叉、变异等操作产生子代来替换掉劣势种群,从而增强了原有算法的整型变量优化能力,并弥补了弱势个体无法更新的不足。为了兼顾算法在大种群下优化有分流换热网络的计算效率,节约时间成本,使用OpenMP系统将混合算法实现了并行化设计。通过三个不同规模的换热网络问题对并行后的混合算法进行验证,结果表明该算法能在有效提升优化质量的前提下相比串行算法大幅缩短计算时间,其中两个算例突破了目前文献最优解。

    基于多元状态估计的热交换器多参数关联预警方法
    张凤丽, 潘辉, 王金江
    化工学报. 2022, 73(2):  814-826.  doi:10.11949/0438-1157.20210848
    摘要 ( 278 )   HTML ( 6 )   PDF (3275KB) ( 202 )  
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    随着流程工业快速发展及工艺过程复杂程度的不断增加,作为核心装备的热交换器存在有效故障早期预警难的问题。以管壳式热交换器为例,提出一种针对热交换器故障早期预警的新方法。该方法基于工艺流体温度、压力、流量等易测量参数构建、选取表征热交换器传热和流阻性能的监测指标,并引入指数移动平均(EMA)算法进行数据处理与指标动态特征提取;在多元状态估计理论(MSET)的基础上,构建表征热交换器健康运行状态的三维健康记忆矩阵,实现热交换器多变工况的融合,避免工况变化对监测指标的影响,然后针对设备当前运行观测值计算实时偏差,实现热交换器运行状态评估及故障预警;通过统计计算过程中各指标实时偏差贡献率锁定异常参数,实现故障精准定位。实验结果表明,该方法能够实现泄漏量占工艺流体流量1%以上泄漏故障预警及垢层厚度占管径2.2%以上结垢故障预警。

    基于加权统计特征KICA的故障检测与诊断方法
    张成, 潘立志, 李元
    化工学报. 2022, 73(2):  827-837.  doi:10.11949/0438-1157.20211295
    摘要 ( 305 )   HTML ( 3 )   PDF (3228KB) ( 120 )  
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    针对核独立元分析(kernel independent component analysis, KICA)在非线性动态过程中对微小故障检测率低的问题,提出一种基于加权统计特征KICA(weighted statistical feature KICA, WSFKICA)的故障检测与诊断方法。首先,利用KICA从原始数据中捕获独立元数据和残差数据;然后,通过加权统计特征和滑动窗口获取改进统计特征数据集,并由此数据集构建统计量进行故障检测;最后,利用基于变量贡献图的方法进行过程故障诊断。与传统KICA统计量相比,所提方法的统计量对非线性动态过程中的微小故障具有更高的故障检测性能。应用该方法对一个数值例子和田纳西-伊斯曼(Tennessee-Eastman, TE)过程进行仿真测试,仿真结果显示出所提方法相对于独立元分析(ICA)、KICA、核主成分分析(kernel principal component analysis, KPCA)和统计局部核主成分分析(statistical local kernel principal component analysis, SLKPCA)检测的优势。

    两段法固定床甲醇制芳烃产物预测多元非线性回归模型
    许雄飞, 刘鹏龙, 张玮, 许鑫, 张侃, 王俊文
    化工学报. 2022, 73(2):  838-846.  doi:10.11949/0438-1157.20211405
    摘要 ( 212 )   HTML ( 3 )   PDF (2124KB) ( 134 )  
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    针对甲醇制芳烃机理建模假设多、产物预测过程复杂、计算成本高等问题,提出了一种多元非线性回归分析的数据驱动建模方法。在两段法固定床反应系统中研究了反应压力、甲醇体积空速、一段中心温度、二段中心温度、装置运行时间、累计甲醇进料量及其交互作用对芳烃产物的影响。利用最小二乘法进行参数估计,建立四个六元二次非线性产物分布回归模型。测试结果表明,测试样本的总体决定性指标ρ2为0.9576,均方误差MSE为0.0037,相比于传统的动力学模型,具有产物预测精确度高、计算量小以及泛化性强的特点;空速和反应压力的交互作用对产物中芳烃选择性影响显著,在空速增大的情况下,产物中最大芳烃占比对应的压力峰值也随之增高。

    能源和环境工程
    环烷烃与航空煤油掺混燃烧特性研究
    罗俊仪, 吴石亮, 肖睿
    化工学报. 2022, 73(2):  847-856.  doi:10.11949/0438-1157.20211141
    摘要 ( 283 )   HTML ( 5 )   PDF (2100KB) ( 84 )  
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    双碳背景下,采用生物质基航空燃油替代传统航油成为当前的研究热点之一。生物质基航油组分与传统航油不同,生物质基航油的环烷烃由木质素加氢脱氧得到,与传统航油中的环烷烃在结构上有所差别。不同结构的环烷烃的燃烧特性有很大差别,基于此,本文通过可变压缩比内燃机研究了四种典型生物质基环烷烃(环戊烷、环己烷、乙基环己烷以及十氢萘)与RP-3航空航油掺混后的低温燃烧特性及其在压燃式发动机中对燃烧过程的影响以研究燃料单一性的可行性。结果表明提高掺混比例,十氢萘对燃烧效果有明显的促进作用,着火点提前,放热峰值有所增加,放热更为集中;乙基环己烷有着与航油相似的燃烧特性,而环己烷与环戊烷会使燃烧相位推迟,放热率下降,增大混合燃料的易压燃难度,不利于燃烧。研究对于木质素催化加氢制备环烷烃和生物质基环烷烃具有重要的指导意义。

    铵钒青铜基浓差流动电池的盐差发电性能研究
    张殷豪, 詹菲, 李城序, 于畅, 邱介山
    化工学报. 2022, 73(2):  857-864.  doi:10.11949/0438-1157.20210942
    摘要 ( 264 )   HTML ( 8 )   PDF (3046KB) ( 194 )  
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    浓差流动电池依靠法拉第电极和存在浓度差的两股盐溶液之间可逆的反应,可将盐差能转化为电能;其与传统膜基盐差能提取技术相比具有成本低、寿命长和体积小等优点。然而已报道的浓差流动电池用电极需要预充电处理而且可能产生有毒离子。铵钒青铜是一种对环境友好的法拉第电极材料。它作为电极与普通滤膜组成浓差流动电池,在不需要预充电处理的前提下,平均输出功率密度高达194.3 mW·m-2(20和500 m mol·L-1的NaCl溶液),相比于石墨烯水凝胶基盐差发电器件(141.4 mW·m-2)提升了37%。此外,盐离子价态和尺寸对盐差发电性能存在一定的影响。铵钒青铜的引入,为设计浓差流动电池中的电极材料提供了新思路。

    淖毛湖煤慢速热解过程官能团相互作用
    杨英杰, 杨赫, 朱家龙, 郭双淇, 尚妍, 李扬, 靳立军, 胡浩权
    化工学报. 2022, 73(2):  865-875.  doi:10.11949/0438-1157.20211530
    摘要 ( 326 )   HTML ( 7 )   PDF (1684KB) ( 68 )  
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    采用滴管炉,在短停留时间下,制备具有一定低温反应活性而消除主要低温交联位点的淖毛湖煤(NMHcoal)快速热解半焦(NRPchar),再将NMHcoal和NRPchar混合进行慢速热解,研究官能团间的相互作用。热重分析结果表明,NMHcoal/NRPchar混合比为5∶5,温度为500℃热解时具有较强的负协同作用。固定床热解结果表明,NMHcoal热解生成的挥发物部分扩散至NRPchar中,?CH3与芳碳自由基以及?O有更多的结合概率与时间,使焦油中含甲基的萘、酚类增多,半焦中烷基化邻氧芳碳结构与醚类结构增加。析出的酚类增多,使半焦中连氧芳碳结构减少。NRPchar中生成较多的多环芳烃前体,它们与酚类物质发生反应生成多环芳烃和CO,使共热解焦油中5、6环化合物含量增加,而另一部分滞留在半焦中使其比表面积降低。

    流化床煤燃烧过程不同气氛下的气态氮释放特征
    白浩隆, 付亮亮, 许光文, 白丁荣
    化工学报. 2022, 73(2):  876-886.  doi:10.11949/0438-1157.20211020
    摘要 ( 288 )   HTML ( 11 )   PDF (3428KB) ( 146 )  
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    利用微型流化床反应装置,结合快速过程质谱仪,在850~940℃操作温度下,研究了三种不同粒度分布烟煤和无烟煤在热解、气化和燃烧反应条件下四种主要气态氮产物HCN、NH3、NO和NO2的释放规律。结果表明,微型流化床可以实时检测挥发分氮和焦炭氮的动态释放序和类型,热解、气化和燃烧反应气氛的改变主要影响HCN和NH3的释放量。热解产物的气态氮主要是来自于挥发分,燃烧反应的HCN和NH3的释放量与温度有明显关系,而气化反应的各类气态氮释放量随温度变化波动不大。煤颗粒尺寸和温度变化对烟煤和无烟煤中各类气态氮释放量产生影响比较复杂,其中NH3的释放特性是区分挥发分N释放和半焦N释放的重要特征。

    高效可见光响应微生物/光电化学耦合人工光合作用系统
    王淋, 付乾, 肖帅, 李卓, 李俊, 张亮, 朱恂, 廖强
    化工学报. 2022, 73(2):  887-893.  doi:10.11949/0438-1157.20211197
    摘要 ( 282 )   HTML ( 11 )   PDF (1526KB) ( 153 )  
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    人工光合作用系统可以利用太阳能将二氧化碳转化为高附加值的化学产品,能够有效地解决人类面临的能源与环境问题,极具发展前景。然而,人工光合作用系统面临产物选择性差、过电位高、太阳能利用率低等重大挑战。本文提出了一种新型微生物/光电化学耦合人工光合作用系统,该系统由固碳产甲烷微生物阴极和复合光阳极组成,其中复合光阳极由TiO2电极与硅太阳能电池串联组成。该耦合系统在仅输入太阳能且不施加外部偏压的条件下,可实现化学燃料甲烷的产生。甲烷产量高达(10.7±0.2) L·d-1·m-2,相比已有研究高出13倍,同时该耦合系统固碳产甲烷的法拉第效率高达98.5%±2.1%,远高于传统的人工光合作用系统。该新型人工光合作用系统的提出,为制取具有高附加值的化学产品和发展可再生能源提供了新的思路。

    一种可生物降解水合物动力学抑制剂的研究
    万丽, 梁德青
    化工学报. 2022, 73(2):  894-903.  doi:10.11949/0438-1157.20211023
    摘要 ( 267 )   HTML ( 4 )   PDF (1394KB) ( 68 )  
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    目前用于天然气水合物防治的工业动力学抑制剂主要是水溶性聚合物,如聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯基己内酰胺(PVCap)、Gaffix VC-713等,然而生物降解性低限制了其工业应用。因此,开发环保型的抑制剂具有重要意义。实验采用易生物降解的海藻酸钠与PVCap的单体接枝共聚,合成一类新型水合物动力学抑制剂NaAlg-g-PVCap,结合最大过冷度及耗气量评价了新型抑制剂在水合物生成过程中的抑制性能,并通过BOD5/COD值评价了新型抑制剂的生物降解性。结果表明低剂量[0.25%(质量)]下NaAlg-g-PVCap的最大耐受过冷度优于PVP K90,但低于PVCap,且随着添加剂量增大而微弱降低;在其最大耐受过冷度以下(ΔTsub=5℃),NaAlg-g-PVCap表现出较好的水合物成核和生长抑制作用,其体系水合物初始生长速率值约只为纯水体系的 1/10,也远高于PVP体系,且总耗气量相比纯水及PVP体系减少了60%以上,与PVCap体系接近,但随着过冷度增大,NaAlg-g-PVCap成核抑制作用下降明显,这可能是共聚物中两部分共同作用的结果;同时,NaAlg-g-PVCap相比PVCap其生物降解性提高了26%, 倾向于易降解。说明PVCap与NaAlg共聚后优化了整体的性能,表现出较好的水合物抑制性能和生物降解性。

    草屑厌氧消化预处理耦合水热炭化研究
    王燕杉, 朱小超, 宋英今, 李易航
    化工学报. 2022, 73(2):  904-913.  doi:10.11949/0438-1157.20211287
    摘要 ( 293 )   HTML ( 5 )   PDF (3523KB) ( 63 )  
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    厌氧消化(AD)耦合水热炭化(HTC)技术对园林废弃物的可持续资源化利用具有显著优势和意义。采用草为研究对象,进行了7~28 d的AD预处理,深入探究了AD预处理耦合HTC对水热炭特性及其热解和产物释放特性的影响。其中,AD促进HTC过程主要发生脱羧反应;通过改变木质纤维素构成比例和结构特征有效调控水热炭的功能特性。此外,AD打破了生物质内部致密的刚性结构,促进了水热炭丰富孔隙的形成和比表面积的增加。在生物可降解程度为17.52%(AD 7 d)时,水热炭性能最佳,质量产率、高位热值(HHV)、能量产率和能量密度分别达62.75%、23.81 MJ·kg-1、80.31%和1.28。此外, TG-MS分析结果揭示了AD预处理提高了炭的热稳定性以及热解产物中能源气体的生成,有助于热解气的提质和利用。

    基于Py-GC/MS研究热解反应中自由基的捕获反应
    罗紫藤, 周秋成, 王雨露, 席引尚, 周安宁, 陈福欣
    化工学报. 2022, 73(2):  914-922.  doi:10.11949/0438-1157.20210907
    摘要 ( 363 )   HTML ( 12 )   PDF (1398KB) ( 85 )  
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    在500℃下对类煤模型化合物1-萘甲醇与同位素示踪剂的共热解进行了机理研究。利用Py-GC/MS进行快速产物检测,同时联合自由基捕获剂来推断自由基的反应过程。结果表明,在500℃和0.2 min的条件下,1-萘甲醇的热解产物相对单一,但是自由基反应的引发、交换和湮灭极其快速,现有检测方法是对某一时间节点的平衡反应结果的分析。通过D2O和H218O同位素示踪,成功捕获到了自由基交换后的D取代产物和18O取代产物。揭示了1-萘甲醇经过1-萘甲基自由基转化为1-萘甲醛的转化过程,发现萘环上的取代基在1-萘甲醇的热解过程中起着重要作用。同时对自由基及产物进行了定性和半定量分析,发现在加入自由基捕获剂后产物的丰度较之前降低了一个数量级,说明了自由基捕获剂抑制了产物的生成。

    超低排放燃煤机组硒的迁移转化及飞灰对其富集特性
    刘轩, 苏银皎, 滕阳, 张锴, 王鹏程, 李丽锋, 李圳
    化工学报. 2022, 73(2):  923-932.  doi:10.11949/0438-1157.20210887
    摘要 ( 223 )   HTML ( 5 )   PDF (2171KB) ( 65 )  
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    采用微波消解法和氢化物发生-原子荧光光谱法考察了9台超低排放在役机组硒迁移转化规律,探究了循环流化床(CFB)和煤粉炉(PC)机组飞灰特性差异对硒吸附能力的影响。燃烧后煤中硒几乎全部呈现挥发态,底渣中残留量极低。与浓度归一化和质量分布法相比较,相对富集系数法可以客观地评价燃煤副产物中硒的富集能力,两类机组中硒均主要富集于飞灰中。CFB较低炉膛温度和添加CaO可以降低入炉煤中硒释放比例并增强飞灰对硒的吸附能力,故其底渣和飞灰中硒的富集程度均高于PC,导致脱硫石膏中硒富集程度低于PC。飞灰对硒的吸附量随比表面积或孔容积增大而增大,但随粒径或孔径增大而减小。CFB飞灰中未燃尽碳含量高、形状不规则、表面粗糙且存在较多蜂窝状孔隙,导致其对硒的富集程度高于PC飞灰。

    材料化学工程与纳米技术
    UHMWPE/PEG共混方式及配比对UHMWPE缠结行为及性能的影响
    王利霞, 毕肇杰, 史淼磊, 王晨, 王东方, 李倩
    化工学报. 2022, 73(2):  933-940.  doi:10.11949/0438-1157.20210565
    摘要 ( 516 )   HTML ( 9 )   PDF (2113KB) ( 169 )  
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    超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是常用的高性能聚合物。由于高黏度的影响,极大地限制了其加工成型与应用。聚乙二醇(PEG)具有高流动性,被广泛用来改善UHMWPE的流变行为,但复合材料中添加相的分散效果对材料的性能有重要影响。采用干粉混合、溶液混合、熔融挤出共混等方式制备了不同配比UHMWPE/PEG复合材料。基于熔融拉伸实验研究了共混方式及配比对UHMWPE缠结行为及性能的影响。结果表明,PEG的加入降低了复合材料的链缠结密度。三种混合方式中,加入5%PEG时干粉混合与挤出混合解缠作用较明显,链缠结密度均降低26%左右。

    异质结构g-C3N4@AM层状膜构筑及纳滤性能研究
    周国莉, 韩项珂, 武文佳, 王景涛, 张毛娃, 李凤丽
    化工学报. 2022, 73(2):  941-950.  doi:10.11949/0438-1157.20210869
    摘要 ( 264 )   HTML ( 6 )   PDF (3608KB) ( 148 )  
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    随着化工行业的迅速发展,利用纳滤膜对有机溶剂进行高效分离受到了越来越多的关注,但有机溶剂纳滤膜通量和选择性之间普遍存在 trade-off 效应的限制。以相对疏水的g-C3N4纳米片和亲水的直链淀粉(amylose,AM)为构筑单元,利用双针头静电雾化技术制备了异质结构的g-C3N4@AM 层状膜。亲水的直链淀粉促进了极性溶剂的溶解,相对疏水的g-C3N4纳米片实现了通道对极性溶剂的低阻力扩散;两者协同,极大地增强了膜对极性溶剂的渗透性能,而不降低分离能力。与纯g-C3N4层状膜相比,g-C3N4@AM 层状膜对极性溶剂的渗透系数提高了1~2倍,对于尺寸大于 1.5 nm 的染料分子可以实现 99% 以上的截留率。在操作稳定性、压力循环和耐酸碱测试后,膜的渗透性能和截留能力基本保持不变,衰减 < 6%,具有较好的操作稳定性。

    一步法合成二维Ti3C2及其电化学性能研究
    居涛, 李国辉, 耿凤霞
    化工学报. 2022, 73(2):  951-959.  doi:10.11949/0438-1157.20210549
    摘要 ( 278 )   HTML ( 10 )   PDF (2854KB) ( 116 )  
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    二维过渡金属碳/氮化物(MXene)是一种新型二维材料,可通过从MAX相前体中选择性刻蚀 A 原子层获得。在传统制备MXene的方法中,常用的刻蚀剂是氢氟酸。然而高浓度氢氟酸的使用,不可避免会带来安全问题,甚至破坏MXene的晶体结构,从而限制本征物理化学性能。从典型的碳化物前体Ti3AlC2出发,使用 NH4BF4作为刻蚀剂,有效降低体系中酸的使用量;在反应过程中,刻蚀 A 层的同时,NH4+进入堆垛层间,扩大层间距,弱化层间作用力。因此,仅通过简单手摇就可以实现高效剥离,得到具有完整晶体结构的二维Ti3C2。进一步测试了Ti3C2的电化学性能,结果显示,所得的Ti3C2具有优异的性能(扫描速率为5 mV?s-1时为503 F?g-1)和循环稳定性(在5 A?g-1下循环104次后电容保持率为95.8%)。本文为Ti3C2纳米片的合成及应用提供了新的思路。

    过程安全
    坑道限制条件下水平丙烷喷射火火焰行为研究
    周梦雅, 周魁斌, 王朝, 黄梦源, 王一凡, 蒋军成
    化工学报. 2022, 73(2):  960-971.  doi:10.11949/0438-1157.20211425
    摘要 ( 255 )   HTML ( 5 )   PDF (2989KB) ( 157 )  
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    通过搭建坑道限制条件下小尺寸喷射火实验装置,模拟研究埋地管道泄漏场景中引发的水平喷射火火焰特性。火焰受坑道侧壁的限制,先撞击坑道而后沿着侧壁向上发展形成垂直火焰。实验结果表明,随着泄漏质量流量的增加,火焰长度先增加后减小,而火焰宽度不断增加。同时发现,在一定条件下火焰两侧会出现涡旋对,形成一对反向旋转的火焰,为了探究其形成原因及产生条件,结合数值模拟手段进一步研究了火焰流场不稳定性。