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2023年 第74卷 第10期 刊出日期:2023-10-25
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    本期中英文目录、封面
    化工学报. 2023, 74(10):  1. 
    摘要 ( 126 )   PDF (9122KB) ( 203 )  
    相关文章 | 多维度评价
    综述与专论
    化学链制化学品工艺及循环材料研究进展
    张榕江, 张博, 刘根, 杨伯伦, 吴志强
    化工学报. 2023, 74(10):  3979-3994.  doi:10.11949/0438-1157.20230739
    摘要 ( 566 )   HTML ( 77 )   PDF (4349KB) ( 775 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    化学链技术在化学品生产过程强化方面表现出极大潜力,相较于传统工艺可提高㶲效率并降低碳排放。综述了目前常见的化学链制化学品工艺,主要包括化学链重整/部分氧化制合成气和氢气、低碳烷烃化学链氧化脱氢/选择性氢燃烧制烯烃、甲烷化学链氧化偶联制乙烯、甲烷化学链脱氢芳构化制苯、化学链选择性氧化制含氧有机化合物(如甲醇、环氧乙烷和甲酸等)。深入理解载氧体理化性质与化学链反应性能间的构效关系有助于实现载氧体理性设计。目前在载氧体设计方面已具备坚实的理论基础,从利用氧化物的热力学平衡氧分压筛选载氧体活性组分,到基于表面工程策略调控晶格氧释放动力学,再到通过合理构建结构和电子描述符,深入剖析载氧体性能强化策略。实验和密度泛函理论(DFT)计算数据驱动的可解释机器学习可实现载氧体的高通量筛选,极大拓宽了载氧体筛选范围,并降低试错成本。随着化学链技术的发展,载氧体这一概念可被进一步拓展至循环材料,如载氮体和载氯体等。光/电驱动的化学链过程为在低温或室温下实现高附加值产物的合成提供了新思路,拓宽了化学链技术的应用范围。此外,化学链技术还可用于共沸有机物分离过程强化,对低成本、低污染和低排放分离过程的开发具有重要意义。

    沥青质分子缔合作用机制、表征、理论计算与应用研究进展
    周惠敏, 田莹, 刘思亿, 邹佳航, 张润泽, 贺常晴, 何林, 隋红
    化工学报. 2023, 74(10):  3995-4019.  doi:10.11949/0438-1157.20230583
    摘要 ( 369 )   HTML ( 28 )   PDF (6129KB) ( 969 )  
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    石油中沥青质分子的缔合聚集现象对于石油(尤其是重质油或致密油藏等非常规石油)的开采、储运、加工等具有重要影响,直接决定了原油的体相和界面性质,是矿物或管道器壁表面石油组分吸附沉积、油水(固)乳化、原油高黏等现象的主要成因。系统地综述了沥青质分子间缔合现象及理论发展,从分子间非共价相互作用角度探究了沥青质分子缔合聚集的作用机制,阐述了静电与色散作用主导的非共价相互作用对于沥青质缔合聚集的决定性影响规律。在此基础上,总结了近年来分子模拟等理论计算与界面表征技术在沥青质界面现象研究中的应用现状与发展方向。最后,基于沥青质分子缔合现象与理论,探讨了其在固体表面吸脱附、沉积、分散、破乳技术开发、降黏技术开发等领域的应用与思考。

    微通道蒸发器优化两相制冷剂分配及沸腾传热研究进展
    汤志轩, 郭文华, 吴思远, 赵日晶, 黄东
    化工学报. 2023, 74(10):  4020-4036.  doi:10.11949/0438-1157.20230650
    摘要 ( 376 )   HTML ( 25 )   PDF (5682KB) ( 497 )  
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    微通道蒸发器由于低充灌量、高换热性能、低成本等优点在制冷系统得以广泛应用。微通道蒸发器性能的进一步提升有助于降低制冷剂充灌量、增加微通道换热器的紧凑性。微通道蒸发器主要由集管和微通道扁管组成,优化集管内两相制冷剂分配和强化微通道扁管内流动沸腾,可有效实现微通道蒸发器整体性能提升。本文首先阐明了影响集管内两相分配的因素和微通道扁管内流动沸腾特性,然后概括了提升两相制冷剂的分配方案和强化流动沸腾的措施,最后对提升微通道蒸发器性能的方法做出进一步展望。

    热力学
    废木油与石油沥青相容机制的分子动力学研究
    郑直, 郭乃胜, 尤占平, 王家伟
    化工学报. 2023, 74(10):  4037-4050.  doi:10.11949/0438-1157.20230656
    摘要 ( 185 )   HTML ( 21 )   PDF (5951KB) ( 214 )  
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    借助分子动力学(MD)方法,构建了AAA-1沥青分子模型、4种不同废木油(WWO)改性剂掺量的生物沥青模型及其对应的4种WWO分子模型等9种体系,并验证了上述模型的有效性,基于微观指标分析了温度和改性剂掺量对WWO与石油沥青之间相容性的影响机制。结果表明:WWO与石油沥青的内聚能密度(CED)和溶解度参数均随温度的升高而逐渐减小;非键合与范德华相互作用能更适合作为WWO与石油沥青之间相互作用的评价指标;石油沥青与生物沥青的原子径向分布函数(RDF)曲线峰值位置(1.11 Å)大致相同,且峰高随着WWO的添加而略有下降;自由体积分数(FFV)会随着探针半径的增大而减小,随着温度的升高而增大,且加入WWO后,FFV总体呈现减小趋势,但在某些条件下会出现一定程度的增大。据此推荐WWO改性剂的掺量为10%。

    三元体系KCl-K2B4O7-H2O在318.15 K下热力学活度系数及相平衡实验和预测
    桑世华, 刘佳, 杨晓军, 冯振华, 谭啸天, 岑雨秋, 唐彬彬
    化工学报. 2023, 74(10):  4051-4062.  doi:10.11949/0438-1157.20230506
    摘要 ( 152 )   HTML ( 6 )   PDF (1445KB) ( 250 )  
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    四川盆地地下卤水含有丰富的液态钾硼资源,针对该卤水体系开展相应热力学性质和相平衡的研究,是揭示地下卤水中硼钾富集规律和资源开发所必需的关键性基础工作。含硼钾的KCl-K2B4O7-H2O三元体系是该卤水重要的子体系。应用离子选择性电极测量无液接电池K-ISE | KCl(m1),K2B4O7m2)| Cl-ISE的电动势,体系中混合溶液总离子强度为0.01~1.00 mol·kg-1,K2B4O7离子强度分数yb分别为0.8、0.6、0.4、0.2和0。利用测定的电动势值和Nernst方程计算出混合溶液KCl-K2B4O7-H2O中KCl的平均活度系数,然后应用多元线性回归和非线性规划求解拟合出318.15 K下K2B4O7的Pitzer模型单盐参数 β(0)β(1)CΦ以及混合离子作用参数θCl,B4O5(OH)4ψK,Cl,B4O5(OH)4。并利用拟合的Pitzer模型参数计算出混合溶液中K2B4O7的平均活度系数、渗透系数、水活度和超额Gibbs自由能。采用等温溶解平衡法开展了318.15 K下三元体系KCl-K2B4O7-H2O相平衡的实验研究,结果表明该体系相图由一个共饱点,两个固相结晶区(KCl和K2B4O7·4H2O),两条等温溶解度曲线组成。应用拟合的离子作用参数和Pitzer模型,对该三元体系相平衡进行了理论预测,预测值和实验值较为吻合。研究结果可为该地下卤水中硼钾资源的开发利用提供理论依据。

    流体力学与传递现象
    湿颗粒倾斜碰撞恢复系数的直接数值模拟
    刘道银, 范志恒, 马吉亮, 陈晓平
    化工学报. 2023, 74(10):  4063-4073.  doi:10.11949/0438-1157.20230870
    摘要 ( 271 )   HTML ( 13 )   PDF (2726KB) ( 406 )  
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    通过耦合VOF(volume of fluid)和重叠网格的方法,对表面附着液滴的“颗粒-颗粒”倾斜碰撞进行了直接数值模拟,获得了碰撞过程中液桥演变、颗粒运动、碰撞恢复系数的变化规律。在不同碰撞角度条件下,法向碰撞是液体对碰撞恢复系数影响最显著的情况。随着液体黏度的增加,法向恢复系数和总恢复系数降低,而切向恢复系数略微增加。随着碰撞速度的增加,法向恢复系数和总恢复系数增加,而切向恢复系数降低。在倾斜碰撞中,颗粒的旋转对于颗粒分离具有促进作用,液桥可对颗粒产生剪切作用使得部分切向动能转化为法向动能。研究结果可以为发展湿颗粒碰撞简化模型提供基础数据。

    涡流空气分级流场中颗粒运动及分布规律研究
    于源, 刘克润, 李兴帅, 刘家祥, 焦志伟
    化工学报. 2023, 74(10):  4074-4086.  doi:10.11949/0438-1157.20230732
    摘要 ( 169 )   HTML ( 9 )   PDF (4650KB) ( 601 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    为探究粗细颗粒在分级机内分离过程,基于颗粒-涡相互作用模型和离散元软球模型研究了涡流空气分级流场中湍流脉动对颗粒运动及切割粒径d50的影响,探索了分级过程中颗粒的分布规律。湍流脉动主要影响小颗粒的运动轨迹,对大颗粒运动轨迹影响不大,对切割粒径d50无明显影响;在风速12 m·s-1,转笼转速1200 r·min-1工况下,从径向分布来看,小于20 μm的细颗粒主要分布在转笼区,接近切割粒径d50的颗粒在环形区内做旋流运动,大于25 μm的粗颗粒会在靠近导叶的区域聚集,由于颗粒间的相互作用导致一些较细的颗粒会掺混在这些粗颗粒中,从而产生“鱼钩效应”;从轴向分布来看,小于20 μm的细颗粒主要分布在分级机内靠近顶部区域,粗颗粒会逐渐向下沉降,粒径越大沉降越快。

    肋密度对齿状翅片管外冷凝换热和流动的影响
    李猛, 陶乐仁, 黄理浩, 金程
    化工学报. 2023, 74(10):  4087-4096.  doi:10.11949/0438-1157.20230603
    摘要 ( 147 )   HTML ( 8 )   PDF (4944KB) ( 140 )  
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    采用数值和实验相结合的方法研究了齿状翅片管周围的冷凝流动和传热特性。利用经过验证的计算模型,分析了齿状翅片管在周向和轴向上的膜流动特性和冷凝传热系数,提供了有关高性能管中冷凝过程的信息。结果表明,齿状翅片管的周向和轴向薄膜厚度随着肋密度的增加而增加。对齿状翅片管特殊的传热结构进行了研究,发现复杂的传热结构导致表面张力的变化,从而改变了液膜的分布。齿状翅片管的局部冷凝传热系数对液膜分布非常敏感。得到了与最大总传热系数相对应的最佳肋密度,表明齿状翅片管的强化传热机理是传热面积和液膜厚度的共同作用。

    旋流作用下水基炭黑纳米流体集热性能研究
    于晓宇, 安瑛, 左夏华, 李凯, 张锋华, 焦志伟, 杨卫民
    化工学报. 2023, 74(10):  4097-4108.  doi:10.11949/0438-1157.20230825
    摘要 ( 149 )   HTML ( 5 )   PDF (4862KB) ( 299 )  
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    主动强化技术是提升集热器效率的有效手段。本研究利用管式有源强化集热装置,系统研究了旋流作用下辐照强度、纳米流体浓度、转子转速、转子数量及排布方式、转子颜色及类型等对水基炭黑纳米流体集热性能的影响。结果表明,光热转换效率随辐照强度的增加而显著增加;炭黑-胶原蛋白的加入使介质同时间段的全程光热转换效率提升了56.6%~216.7%,质量分数为0.005%的水基炭黑纳米流体光热转换效率最高的同时能效比也较高;转子转速在150 r/min时,全程光热转换效率最终提升了30.32%,继续提升转子转速不会增加纳米流体的集热效率;转子均匀排布时,将转子数量减少一半几乎不会影响集热效率;转子颜色及类型的搭配对不同浓度的纳米流体集热效率具有协同作用,黑色低流阻转子在纯水及高浓度纳米流体中集热效果较好,白色两叶片转子在中低浓度的纳米流体中集热效果较好。本研究明确了转子旋流下影响纳米流体集热性能的规律,为太阳能光热利用提供了新的思路。

    纳米相变微胶囊在蓄热结构化填充床中的应用模拟
    黄志国, 孙志高
    化工学报. 2023, 74(10):  4109-4128.  doi:10.11949/0438-1157.20230888
    摘要 ( 192 )   HTML ( 19 )   PDF (19536KB) ( 310 )  
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    利用相变材料的潜热储能,是解决可再生能源不连续问题的有效途径之一。以钛酸四丁酯(TBT)为前体,采用界面水解-缩聚法制备了纳米相变微胶囊。纳米相变微胶囊的热导率提高到原材料的215%,约为0.43 W/(m·K),相变温度为42.4℃,相变潜热达到234.7 J/g,纳米相变微胶囊强化了相变材料的传热性能蓄热,适用于太阳能热水系统。建立了三维计算模型,利用Fluent软件对填充床进行了数值模拟,研究了顺排结构(SS)和叉排结构(CS)填充床的蓄/放热性能。分析了两种结构化填充床在不同流速下,液相率、温度场和蓄/放热功率的变化情况。结果表明,随着流速的增大,SS和CS的熔化/凝固速率均加快。在相同流速下,CS比SS熔化/凝固更快。SS和CS在不同的阶段升温速率不同,与SS相比,CS的温度变化更加均匀。在较低流速(2 L/min)下,SS和CS蓄/放热持续时间较长,变化较小。在不同的流速(2、4和6 L/min)下,CS的峰值蓄热功率是SS的1.7倍~1.9倍,峰值放热功率是SS的1.8倍~2.0倍。

    换热管内插螺旋阻垢性能及污垢微观特征
    彭德其, 张寓川, 武洋, 俞天兰, 谭卓伟, 吴淑英, 陈莹, 唐明成, 彭建国
    化工学报. 2023, 74(10):  4129-4139.  doi:10.11949/0438-1157.20230805
    摘要 ( 112 )   HTML ( 8 )   PDF (3487KB) ( 569 )  
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    为研究管内插螺旋阻垢性能及阻垢机理,实验研究了不同流速下换热管内插三种螺旋对污垢热阻、总传热系数的影响,同时从微观角度,对污垢粒径、孔隙率进行量化表征得到污垢微观结构分布规律。结果表明:在实验条件范围内,随流速增大内插螺旋污垢热阻渐进值最大降幅为63%,传热系数稳定值较未结垢时均降低20%以上,且节距为20 mm的内插螺旋具有最好的除垢性能;污垢从近壁面区到表面区粒径、孔隙率逐渐升高,污垢层间具有明显晶型过渡特征;污垢层表面区与过渡区孔隙率随流速增大进一步增大,内插螺旋流场特征改变污垢内部结构是阻垢性能出现差异的根本原因。

    液体介质对上升气泡几何形态和运动特征的影响
    徐生玮, 宋龙波, 康灿
    化工学报. 2023, 74(10):  4140-4152.  doi:10.11949/0438-1157.20230642
    摘要 ( 169 )   HTML ( 12 )   PDF (3312KB) ( 479 )  
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    利用高速摄像技术观测了不同液体介质(去离子水、离子水、5#白油和水-白油溶液)中气泡的上升行为。采用了三种不同直径的注气喷嘴。对比分析了气泡在不同工况条件下的上升速度、当量直径、纵横比和曳力系数。结果表明,气泡在不同的单一介质中的上升轨迹及运动特征不同,介质的黏度和表面张力均对气泡的形状和尺寸有着重要影响。此外,观测并分析了气泡穿过水-白油界面的行为,发现当气泡离开界面较远时,其运动形态与在单一介质中相似;气泡穿过界面时被液膜包覆,然后液膜自气泡表面脱离。小尺寸气泡在单一油中和穿过水-白油界面后的几何形态和运动特征相似,而大尺寸气泡在穿过水-白油界面后呈现曲折的运动轨迹,其纵横比发生明显变化。

    催化、动力学与反应器
    玉米秸秆化学链热解过程铁基复合载氧体的载氧-催化性能
    何笑, 刘晶晶, 李文瑶, 刘永卓, 郭庆杰
    化工学报. 2023, 74(10):  4153-4163.  doi:10.11949/0438-1157.20230709
    摘要 ( 217 )   HTML ( 12 )   PDF (2890KB) ( 262 )  
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    生物质化学链热解利用载氧体将生物质热解-气化反应解耦为不同温度下进行的两级反应,能够同时得到高品质生物油/化学品和清洁合成气。本研究采用溶胶-凝胶法,分别选择碱土金属(Ca、Sr、Ba)和过渡金属(Co、Ni、Cu)制备了六种铁基复合载氧体,并研究了它们在玉米秸秆生物质化学链热解过程中的载氧-催化性能。研究表明:六种还原态铁基复合载氧体对生物质热解液体产物具有良好的催化裂解、酮基化反应和加氢脱氧能力,显著减少生物油中含氧化合物的含量,增加烃类化合物的生成,在气化阶段将热解焦氧化成以CO为主要组成的合成气。其中,Ca-Fe复合载氧体使生物油中酸类化合物的含量从无载氧体时的29.4%降低到0.3%,合成气中CO产率达到330 L/kg生物质。在650℃、生物质-载氧体质量比为3∶6的优化条件下,对Ca-Fe复合载氧体的10次热解-气化循环进行了研究,结果表明,10次循环过程中Ca-Fe复合载氧体具有优异的催化、脱氧和氧化性能,但多次循环后存在铁相分离和团聚现象。因此,高效稳定铁基复合载氧体仍是未来生物质化学链热解的研究重点。

    Pt/ZSM-22催化剂酸性原位调控及加氢异构性能
    高善彬, 李梦晨, 于宏悦, 沈雨歌, 乔亮, 迟克彬, 史得军
    化工学报. 2023, 74(10):  4164-4172.  doi:10.11949/0438-1157.20230362
    摘要 ( 195 )   HTML ( 18 )   PDF (2434KB) ( 313 )  
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    采用水热法合成ZSM-22分子筛并制备催化剂载体,通过负载贵金属Pt,制备出高分散Pt/H-ZSM-22加氢异构催化剂。以n-C12为原料,考察催化剂的加氢异构性能,在正构烷烃加氢异构反应过程中,通过在原料油中引入一定量含氮物种二正丁胺,使其在催化剂酸性位上发生化学吸附,对催化剂酸性进行原位调控,考察催化剂性能变化。结果表明,随着反应温度提高,酸性调控后的Pt/N-ZSM-22液体收率下降缓慢,且转化率达到85%以上时,Pt/N-ZSM-22的异构选择性比Pt/H-ZSM-22高出约3个百分点。酸性调控后的Pt/N-ZSM-22可通过提高反应温度进行含氮物种脱附,恢复催化剂酸位点的可接近性。采用酸性调控后的催化剂用于以加氢裂化尾油为原料的加氢异构反应,基础油收率均较调控前催化剂有明显提高。

    氨甲环酸异构化过程的反应动力学研究
    章蕾, 宋孝辉, 张建庭, 屠美玲, 杨阿三
    化工学报. 2023, 74(10):  4173-4181.  doi:10.11949/0438-1157.20230629
    摘要 ( 236 )   HTML ( 8 )   PDF (1226KB) ( 363 )  
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    反式氨甲环酸(trans-TXA)作为氨甲环酸异构体中主要的活性组分具有凝血功能而在医药工业被广泛应用,其合成主要通过顺式氨甲环酸(cis-TXA)异构化得到。采用第一性原理模拟计算得到异构化反应焓变、Gibbs自由能和反应过程的结构变化等理论数据。再以实验考察453.15~513.15 K下,cis-TXA异构化成trans-TXA的反应过程,获得了反应动力学数据:正反应活化能64.9 kJ∙mol-1、指前因子2.15×105 s-1;逆反应活化能53.8 kJ∙mol-1、指前因子4.72×103 s-1;反应焓变10.4 kJ∙mol-1和11.0 kJ∙mol-1。其中实验计算得到反应焓变与模拟计算得到值11.2 kJ∙mol-1和12.1 kJ∙mol-1基本吻合。实验及模拟数据为该物质工业化设计提供了理论数据及依据。

    螺旋微通道反应器贝克曼重排制备己内酰胺
    李晨亚, 刘捷, 王建芝, 刘艳萍, 林笑, 喻发全
    化工学报. 2023, 74(10):  4182-4190.  doi:10.11949/0438-1157.20230820
    摘要 ( 188 )   HTML ( 14 )   PDF (1492KB) ( 537 )  
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    利用螺旋微通道反应器实现贝克曼重排制备己内酰胺。通过原位溶剂气化与二次流技术,克服了该高黏度反应体系在微反应器内流动阻力大、易造成局部热点、产能小等问题。探究了反应温度、溶剂气化、螺旋直径、管道内径、原料浓度、流量等因素对反应的转化率和选择性的影响。实验结果表明,在2 mm内径螺旋管道中,二氯乙烷为溶剂,酸肟摩尔比1.1前提下,预热温度80℃、重排温度90℃、环己酮肟溶液10%~20 %(质量分数),停留时间15 s、螺旋直径20 mm时,转化率可达100%,选择性达99%以上。同时实现了单管20.2 g/min的产能,按每年8000 h计算将达到9.7 t/a。本研究结果可为高通量、高效率的微通道反应器设计与开发提供理论指导,为高黏体系的微反应器提供解决方案。

    分离工程
    溶酶菌蛋白质结晶的多目标优化与模拟
    周光正, 王学重, 周浩宇
    化工学报. 2023, 74(10):  4191-4200.  doi:10.11949/0438-1157.20230757
    摘要 ( 134 )   HTML ( 11 )   PDF (1705KB) ( 211 )  
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    晶体形式的蛋白质药物在活性组分可控释放、生化稳定性等方面有较大优势,但蛋白质结晶的优化控制很复杂。通过基于晶体形貌的群体平衡模型与多目标遗传算法的耦合求解,研究了鸡蛋清溶酶菌冷却结晶的多目标优化问题,目标包括晶体尺寸均一、晶体形状相同、产品收率最大。冷却策略采用十个区间依次降温,但各区间降温速率独立线性变化。Pareto解是三个目标相互平衡的结果,收率目标与形状目标朝极值演化的趋势一致,而晶体尺寸分布目标与上述两者相反。随着不同Pareto解的收率增加,相应结晶过程的各段降温速率总体增加,平均过饱和度也变大且普遍高于常见小分子结晶的过饱和度。由于过饱和度对晶体两个法向距离的增长速度具有不同影响,导致更高收率的Pareto解对应的最终平均晶体尺寸更大,且形状更扁平。

    PSA-低温甲醇洗-膜分离耦合的氢气分离系统建立与模拟
    麻蓉, 张桥
    化工学报. 2023, 74(10):  4201-4207.  doi:10.11949/0438-1157.20230895
    摘要 ( 354 )   HTML ( 16 )   PDF (1045KB) ( 657 )  
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    氢能作为实现可持续发展的重要载体,对构建清洁低碳高效的能源体系、实现“双碳”目标具有重要意义。通过提出变压吸附(PSA)-低温甲醇洗-膜分离的耦合氢气分离系统,并借助Aspen Plus等软件进行模拟和分析,实现了多种分离技术的优势结合。多项分离工艺集成有效利用了PSA尾气中的氢气,提高了氢气回收率;打破了单一膜分离提纯氢气的纯度瓶颈,获得产品氢气浓度高达99.67%;实现了CO2的富集和CH4的循环回收,减少了制氢原料的损失。整个系统相比于现存的装置运行分离效果和经济性更好,为其他氢气提纯问题提供了新思路和一定的实用价值。

    过程系统工程
    基于数据挖掘的玉米淀粉果糖生产流程的关键位点筛选
    张忠义, 张磊, 王宇, 董亚超, 陶进, 李义, 佟毅, 庄钰, 刘琳琳, 都健
    化工学报. 2023, 74(10):  4208-4217.  doi:10.11949/0438-1157.20230858
    摘要 ( 153 )   HTML ( 11 )   PDF (2871KB) ( 444 )  
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    玉米深加工制果糖生产流程存在着控制落后,生产加工缺乏精细化的问题,然而由于其流程复杂,基于机理的模型难以建立与优化。大数据技术提供了有效解决方案,通过大量的生产数据来挖掘流程中知识、筛选出关键位点。首先,选取了该工艺流程的关键目标变量并利用大数据技术对生产流程中的原始数据进行缺失值处理、异常值处理、降噪和降维等预处理,然后构建了随机森林(RF)、极端梯度提升树(XGBoost)和人工神经网络(ANN)三种机器学习模型,其模型的R2均达到0.90以上,最后利用SHAP方法对不同的机器学习模型进行解释,验证模型的可信性,得到不同模型的特征对预测结果的贡献程度,并综合不同模型解释的结果,得到生产流程中不同位点的重要程度排序,结合生产经验进行机理分析,得到最终的关键位点表。

    数字孪生驱动的热交换器降阶建模及智能感知方法研究
    籍帅航, 王金江, 蔡睿, 孙雪皓, 葛伟凤
    化工学报. 2023, 74(10):  4218-4228.  doi:10.11949/0438-1157.20230707
    摘要 ( 229 )   HTML ( 12 )   PDF (2403KB) ( 172 )  
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    管壳式热交换器是能源系统中的重要组成部分,长时间的运行容易在导热管内造成结垢故障,导致热交换器传热效率下降、流动阻力增加、耗能增加、系统压力下降等问题。结垢故障往往隐藏在设备内部,通过运行数据监测或者仿真手段往往不足以感知和预测多工况下的设备状态,数字化的热交换器状态监测技术为解决问题提供了新思路,但存在数字孪生体难以构建、降阶效果不理想、结垢数据难以获取等问题。为了能够建立数字孪生驱动的热交换器高保真降阶模型,提出了一种基于本征正交分解的径向基自适应模型降阶方法。基于物理信息的自适应采样算法采集更有效的样本数据,利用POD-RBF建立高保真降阶模型,开展热交换器的结垢故障的仿真实验,通过BP神经网络进行热交换器的结垢感知和预测。实验结果表明所建立的自适应采样降阶模型与不使用采样的降阶模型相比求解效率提高了1倍,与全阶模型的误差在4%左右,通过降阶模型快速生成更符合物理机理的结垢数据,预测误差保持在0.0554 mm左右,能有效地对换热器的结垢进行感知和预测。

    基于动态模式分解的精馏吸收状态变量非设计条件下的重构与预测
    党青梅, 李强, 丁晖殿, 贾胜坤, 钱行, 苑杨, 黄克谨, 陈海胜
    化工学报. 2023, 74(10):  4229-4240.  doi:10.11949/0438-1157.20230716
    摘要 ( 171 )   HTML ( 14 )   PDF (3131KB) ( 97 )  
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    精馏和吸收作为典型的非线性过程,其操作过程中存在大量描述系统特征的状态变量。为了对这些状态变量进行重构和预测,实现精馏吸收过程的实时数字孪生,通过动态模式分解算法(DMD)获取非线性系统的近似线性化模型,用于快速获取精馏吸收过程中各级浓度、流量、温度和持料量等状态变量。在此基础上,应用Kalman滤波器对DMD生成的线性模型进行实时校正,使得在非设计和有限测量条件下,也可以有效地预测吸收或精馏的状态变量,而无须重新训练模型。

    表面与界面工程
    高压工况上游泵送机械密封热力变形与密封性能分析
    谢玉汉, 孟祥铠, 赵文静, 王禹衡, 洪先志, 彭旭东
    化工学报. 2023, 74(10):  4241-4251.  doi:10.11949/0438-1157.20230880
    摘要 ( 152 )   HTML ( 5 )   PDF (2109KB) ( 292 )  
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    为研究高压工况下上游泵送机械密封的性能,考虑密封环与润滑液膜间的流固热力耦合作用,建立了其热弹流润滑模型,基于有限单元方法求解液膜润滑方程、密封环热传导方程和热力变形方程,采用三重迭代算法实现膜压、膜厚、温度和变形之间的耦合求解,研究了转速、密封压力和介质温度对上游泵送机械密封端面变形的影响规律,分析了热力变形作用下密封的上游泵送能力。研究结果表明,高压工况下密封端面产生了沿上游泵送方向收敛的液膜间隙,高密封压力下的力变形是主要原因,热变形部分抵消了压力变形带来的影响;随转速的增大,液膜沿上游泵送方向的收敛程度减小,上游泵送率增大,摩擦因数增大;随着密封介质压力的增大,液膜收敛程度增大,摩擦因数减小,上游泵送率大幅减小;随密封介质温度的升高,液膜收敛程度减小,摩擦因数减小,上游泵送率有所增加。研究结果可为高压上游泵送机械密封环的结构优化和设计提供理论参考。

    能源和环境工程
    镍基载氧体化学链燃烧过程中宁夏QH和YCW煤分子结构演化特征及对比分析
    张金鹏, 王强, 王艳美, 严舒, 吴建波, 张慧, 白红存
    化工学报. 2023, 74(10):  4252-4266.  doi:10.11949/0438-1157.20230747
    摘要 ( 133 )   HTML ( 10 )   PDF (3649KB) ( 442 )  
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    化学链燃烧(CLC)技术是全球深刻变革时期能源清洁加工和高效转化的重要研究方向。煤等固体燃料和载氧体的反应是CLC研究的核心科学问题之一。然而,其作用规律及转化机制仍不明确,尤其缺乏从原子分子尺度上理解煤等大分子固体在燃料反应器中分子结构演变和官能团转化的微观尺度描述。基于煤的大分子结构和反应力场分子动力学(ReaxFF MD)模拟,研究了宁夏庆华(QH)和羊场湾(YCW)煤与氧化镍载氧体的化学链燃烧过程。通过QH-NiO和YCW-NiO体系的CLC过程分析总结获得了体系总能量、总分子数、产物分布和气体转化率的规律。基于ReaxFF MD模拟过程直接获得了煤的大分子结构在CLC过程中的动态演化过程。随着CLC反应的进行,煤的大分子结构由于旧键断裂和新键生成逐步解离生成各种中间产物、CO x 、H2O等小分子。揭示了QH-NiO和YCW-NiO体系CLC过程中载氧体释氧量和释氧速率的规律和影响机制。结果显示,相较于QH煤,YCW煤的变质程度较低,反应活性较高。因此,YCW-NiO体系总势能更低、生成的分子片段数较多,且生成非烃气体的含量也较多,可使载氧体更早开始释放晶格氧。随着CLC反应的进行,载氧体表面形成氧空位导致次外层和内部的晶格氧向表面迁移并释放。

    阴极过量系数与流场布置对风冷燃料电池性能影响的数值模拟
    彭明, 夏强峰, 蒋理想, 陈黎, 陶文铨
    化工学报. 2023, 74(10):  4267-4276.  doi:10.11949/0438-1157.20230894
    摘要 ( 152 )   HTML ( 8 )   PDF (4436KB) ( 572 )  
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    风冷燃料电池性能较差仍然是限制其商业化应用的关键问题。采用数值模拟研究了阴极氧气过量系数以及氢/空布置方式对风冷燃料单电池性能的影响。结果表明,阴极过量系数过低时,风冷燃料电池无法满足散热需求,提高过量系数有利于风冷燃料电池热管理,提升膜电极中膜态水含量和电池性能,为了保证风冷燃料电池运行安全,需尽量维持风冷燃料电池运行在中高过量系数。与氢/空顺流布置相比,氢/空逆流布置策略受阳极入口干氢气影响膜电极呈现局部脱水状态,导致性能略微降低。

    碱辅助四氧化三锰降解磷酸三丁酯及磷元素回收研究
    童文华, 李义隆, 张永奎, 王雅博
    化工学报. 2023, 74(10):  4277-4285.  doi:10.11949/0438-1157.20230574
    摘要 ( 145 )   HTML ( 8 )   PDF (3428KB) ( 573 )  
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    磷酸三丁酯(TBP)有机危废的无机化和资源化处置技术是一项重要的环保需求。基于化学链燃烧(CLC)的原理和TBP碱水解的机理构建碱辅助Mn3O4热氧化降解TBP的反应体系,开发TBP无机化同步磷元素资源化的新工艺。在TBP、NaOH、Mn3O4为1 ml∶6 g∶13 g的较优比例下,220℃反应3 h后,磷元素从TBP向无机相转移的转化率可达到77.47%,同时TBP降解后气相产物中非甲烷总烃(NMHC)浓度仅为27.28 mg/m3,低于相关环境标准限值。采用乙醇沉淀法分离回收无机磷产物,通过X射线衍射(XRD)分析得知,含磷产物的主要成分为Na3PO4、NaPO3、Na2HPO4和Na3PO4·8H2O。根据TBP降解中间产物的质谱分析结果提出了TBP降解和磷元素迁移的可能路径。电子顺磁共振(EPR)分析证实羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O2-)对TBP的降解过程具有重要的促进作用。

    钡含量对(La0.5Sr0.51-x Ba x Fe0.6Co0.4O3化学链甲烷干重整性能的影响
    杨柳青, 赵子瑞, 张军社, 魏进家
    化工学报. 2023, 74(10):  4286-4301.  doi:10.11949/0438-1157.20230687
    摘要 ( 181 )   HTML ( 51 )   PDF (12151KB) ( 67 )  
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    化学链甲烷干重整可将CH4和CO2转化为各种增值产品,是一种具有低分离要求的高效反应技术,并可助力碳中和。目前,该技术面临的一个主要挑战是设计和开发具有良好反应性和稳定性的载氧体。合成了Ba取代的具有锚定纳米颗粒的(La0.5Sr0.5)1-x Ba x Fe0.6Co0.4O3钙钛矿氧化物,将其用作化学链甲烷干重整的载氧体,通过多种表征手段和性能评价,研究了该类材料的物化性质和氧化还原性能。结果表明,在所有样品中,La0.35Sr0.35Ba0.3Fe0.6Co0.4O3在甲烷部分氧化过程中可实现84.3%的甲烷转化率、15.23 mmol·g-1的合成气产量以及最高的氧消耗量(5.29 mmol·g-1),显示出优异的氧扩散速率,同时具有95.8%的合成气选择性、70.0%的CO选择性和1.36 mmol·g-1的积炭。对甲烷还原过程中气体生成速率的分析表明,Ba取代可以优化载氧体的晶格结构,导致高的离子迁移率,促进氧在体相中的快速扩散,进而提升CH4转化。此外,氧化还原循环测试表明该载氧体具有较优异的结构稳定性和较好的再生能力。

    生物质发酵余热回收系统优化设计与性能分析
    贺巍, 曹永娜, 尚宏儒, 李崯雪, 郭超, 于艳玲
    化工学报. 2023, 74(10):  4302-4310.  doi:10.11949/0438-1157.20230641
    摘要 ( 211 )   HTML ( 12 )   PDF (1025KB) ( 729 )  
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    为了解决生物质好氧发酵热能难以有效回收的问题,以玉米秸秆为主要原料,采用热交换法,搭建了100 L规模发酵装置和热回收系统,用于回收堆肥蒸汽中的显热和潜热。利用电加热方式模拟好氧发酵产热,从流体流量、设备保温、蓄水量和换热面积多个方面对余热回收工艺进行优化设计,并测试了优化后系统的产热和热回收效果。结果表明,流体流量、水箱保温和蓄水量对系统热回收性能影响较大。在模拟产热方式下,水箱温度能够从17℃升至40℃以上。最终,采用间歇性热回收方式,系统平衡热回收效率达到57%以上,平均热回收功率达到274 kJ/h以上,实现了发酵余热的高效回收。

    水热过程中杉木屑组分的演变对木醋液的影响
    韩修远, 张守玉, 徐嘉庆, 陈旭阳, 张邢佳, 徐梓航, 胡南, 吴玉新
    化工学报. 2023, 74(10):  4311-4318.  doi:10.11949/0438-1157.20230776
    摘要 ( 107 )   HTML ( 7 )   PDF (1097KB) ( 415 )  
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    以杉木屑为研究对象,经180~280℃水热预处理后热解制备木醋液。采用范氏法定量分析了不同水热温度下杉木屑组分的演变,并利用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)、酸度计等测试手段考察了水热预处理后杉木屑组分演变对木醋液产率、有机组分和理化性质的影响。结果表明:随水热温度升高,水热杉木屑中的半纤维素含量持续降低;纤维素含量呈先升高后降低趋势;木质素含量逐渐升高。随水热温度升高至230℃,木醋液中酚类和醛类化合物含量逐渐增加,分别与木质素和纤维素含量变化趋势一致;酸类化合物含量略微减少,与半纤维素和纤维素总含量变化呈正相关趋势,半纤维素和纤维素是酸类化合物的主要来源。当水热温度为180~230℃时,水热杉木屑中半纤维素的大量分解导致纤维素和木质素含量增加使得木醋液密度更高、pH更低,而产率仅在200℃前增加。通过水热预处理优化杉木屑三组分占比,可制取更高品质的木醋液。

    1-硝基丙烷引发正己烷热解的机理研究
    陈睿哲, 刘永峰, 殷晨阳, 王龙, 张璐, 宋金瓯
    化工学报. 2023, 74(10):  4319-4329.  doi:10.11949/0438-1157.20230859
    摘要 ( 142 )   HTML ( 11 )   PDF (4180KB) ( 129 )  
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    为研究1-硝基丙烷(1-NP)引发正己烷(n-C6H14)热解的作用机理,结合分子动力学(MD)模拟和同步辐射实验对添加1-NP前后的n-C6H14热解过程进行了分析。利用SVUV-PIMS技术鉴定并量化了n-C6H14和添加10% 1-NP的n-C6H14热解产物;利用ReaxFF MD模拟了不同温度下n-C6H14和1-NP/n-C6H14的热解,分析了温度和1-NP对n-C6H14热解速率、热沉以及产物分布的影响;根据模拟得到的物种演变与轨迹信息,探究了1-NP引发n-C6H14热解的反应路径。结果表明:向n-C6H14中添加1-NP后,C2H4产量显著增加,在2103 K温度下添加10%1-NP的n-C6H14热解产生的C2H4约为纯n-C6H14的2.2倍;添加1-NP提高了燃料的热沉,降低了燃料的活化能;1-NP引发n-C6H14热解的主要通道为:1-NP首先裂解产生NO2,NO2再与H反应生成OH,夺取n-C6H14的H生成C6H13,最后C6H13进一步裂解为1-C3H7、1-C4H8、1-C5H10和2-C6H12

    材料化学工程与纳米技术
    高选择性PEI@MOF-808吸附剂在潮湿烟气中的碳捕集性能研究
    张鑫琦, 张宸, 张舵咏, 宣涛, 干桌臻, 朱炫灿, 王丽伟
    化工学报. 2023, 74(10):  4330-4342.  doi:10.11949/0438-1157.20230584
    摘要 ( 416 )   HTML ( 50 )   PDF (4385KB) ( 649 )  
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    以Zr基金属有机框架MOF-808为载体,采用聚乙烯亚胺(polyethylenimine, PEI)进行官能化,得到PEI@M-808复合材料,用于选择性捕集潮湿烟气(10% CO2+90% N2+10 kPa H2O)中的低浓度CO2。采用XRD、FT-IR、SEM以及BET等表征了吸附剂的物理化学性质,并评估改性方案的可行性。由于MOF-808表面PEI的负载引入了丰富胺基官能团,使复合吸附剂在低浓度CO2下的吸附性能大幅提升。PEI300-30@M-808在典型烟气温度(343 K)的低压CO2吸附量相比原材料由0.052 mmol/g上升到0.89 mmol/g,增加了约16倍。此外,CO2/N2吸附选择性在0.1 bar(1 bar=105 Pa)时能达到5524.65,相比原材料提升了约56倍。更重要的是,当吸附剂放置到5% RH工况中时吸附量由0.89 mmol/g提高到1.47 mmol/g,证明了水分对其CO2吸附起着良好的促进作用。经过5次循环后,PEI300-30@M-808的CO2饱和吸附量仍可维持在90.7%。

    过程安全
    低温氢气爆炸实验腔体预冷过程研究
    邵翔宇, 蒋敏, 杨晓静, 蒲亮, 雷刚, 高建良
    化工学报. 2023, 74(10):  4343-4351.  doi:10.11949/0438-1157.20230843
    摘要 ( 170 )   HTML ( 6 )   PDF (2103KB) ( 177 )  
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    为了深入研究低温条件下受限空间内的氢气火焰传播规律及爆炸波特性,设计了爆炸腔体并对其预冷过程开展了研究。实验腔体采用双层结构,通过通入低温氮气来实现腔体预冷,以此保证低温氢气/空气预混气温度维持在设定实验温度。基于热力学基本理论,采用稳态法,建立了腔体预冷过程数学模型,分析了保温层与腔体壁厚对预冷过程的影响,探究了预冷介质流量对预冷时长、介质消耗量的影响规律。研究发现,保温层厚度达到30 mm时环境漏热显著降低;相较于10、5 mm壁厚工况,3 mm时预冷时长分别降低了70.11%、39.01%,消耗量分别降低了70.12%、39.00%;增大预冷介质流量,可以有效缩短预冷时长,但预冷介质消耗量的变化幅度不显著。

    聚磷酸铵对聚乙烯粉尘爆炸特性及热解动力学影响研究
    江丙友, 丁大伟, 苏明清, 鲁昆仑
    化工学报. 2023, 74(10):  4352-4366.  doi:10.11949/0438-1157.20230915
    摘要 ( 146 )   HTML ( 6 )   PDF (5488KB) ( 376 )  
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    为了减小聚乙烯(PE)粉尘爆炸事故所带来的危害,使用20-L爆炸球以及自主搭建的粉尘爆燃火焰传播测试系统进行爆炸抑制实验,从爆炸压力行为和火焰传播行为探究了聚磷酸铵(APP)对PE粉尘的抑制特性。通过同步热分析仪分析了APP对PE粉尘热解特性的影响,采用Coats-Redfern方法计算了PE和APP-PE混合粉尘(I=1.0)在快速热解阶段的反应动力学参数,并结合爆炸产物探究了其抑制机理。结果表明:APP可有效降低PE粉尘的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率以及火焰传播速度,当抑制比为1.0时,PE粉尘爆炸压力峰消失,标志着在该抑制比下被完全抑制。此外,通过分析热解动力学模型发现PE粉尘在快速热解阶段遵循A3模型,添加APP后遵循R2模型,其平均活化能分别为137.34 kJ/mol和228.52 kJ/mol,活化能的增加,说明APP的加入减缓了PE粉尘的氧化和热分解,表现出显著的抑制效果。研究结果可为防治PE粉尘爆炸提供理论依据和技术支撑。