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2024年 第75卷 第1期 刊出日期:2024-01-25
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    本期中英文目录、封面
    化工学报. 2024, 75(1):  0. 
    摘要 ( 112 )   PDF (1074KB) ( 145 )  
    相关文章 | 多维度评价
    综述与专论
    电子级磷酸的纯化精制技术发展现状与研究进展
    余留洋, 刘书博, 贾晟哲, 马航, 万邦隆, 苏琦雯, 王静康, 汤伟伟, 贺豫娟, 龚俊波
    化工学报. 2024, 75(1):  1-19.  doi:10.11949/0438-1157.20230655
    摘要 ( 344 )   HTML ( 50 )   PDF (6270KB) ( 530 )  
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    电子级磷酸作为一种超高纯化学试剂,主要用于微电子行业中芯片的清洗与蚀刻,其纯度会显著影响电子元器件的成品率、电性能以及可靠性。然而,极低杂质(10-9水平)的高端电子级磷酸,对于化工分离纯化技术的要求极高。从电子级磷酸在芯片清洗与蚀刻方面的应用出发,梳理了电子级磷酸产品的主要国内外标准,概述了杂质离子的主要分析监测方法。重点综述了电子磷酸的制备和纯化精制方法,特别是结晶法在磷酸深度净化方面的显著优势,最后,对电子级磷酸的净化技术发展做出了前景展望。

    柴油烃类族组成分离技术研究进展
    王尤佳, 赵亮, 高金森, 徐春明
    化工学报. 2024, 75(1):  20-32.  doi:10.11949/0438-1157.20230773
    摘要 ( 181 )   HTML ( 26 )   PDF (2897KB) ( 150 )  
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    随着我国炼油技术的不断提高与新能源的开发利用,燃料市场趋向饱和,柴油出现明显过剩。将柴油通过分离手段转油为化,实现族组分中芳烃/非芳烃的高效低碳分离,是实现柴油高值化利用、缓解过剩问题的重要途径。首先阐述了我国柴油族组成的分布规律,提出针对直馏柴油与催化裂化柴油(FCC柴油)进行分离时切入点的差异;详细介绍了柴油中芳烃与链烷烃的分离技术,如溶剂萃取、膜分离、吸附分离、尿素络合等,并分析讨论了各种分离技术的优劣势以及未来研究方向;最后对柴油中芳烃与链烷烃的分离进行了总结与展望。

    纳米粒子稳定的Pickering乳液及其液滴聚并动力学研究进展
    赵文琪, 邓燕君, 朱春英, 付涛涛, 马友光
    化工学报. 2024, 75(1):  33-46.  doi:10.11949/0438-1157.20230752
    摘要 ( 163 )   HTML ( 28 )   PDF (5034KB) ( 522 )  
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    乳液是一种良好的分散体系,可用于医药、食品、材料等领域。纳米粒子可以有效提高乳液的稳定性,因此,纳米粒子稳定乳液及液滴聚并动力学研究对于稳定乳液的制备及应用具有重要意义。纳米粒子润湿性、尺寸、形状、浓度、携带电荷类型等均会对颗粒与液滴间的相互作用产生影响,进而影响液滴间的聚并行为。对纳米粒子与液滴间的作用机制进行了介绍,并对液滴的聚并动力学研究进展进行了综述,同时对未来的研究方向进行了展望。

    微化工精馏分离技术研究进展
    郑雨婷, 方冠东, 张梦波, 张浩淼, 王靖岱, 阳永荣
    化工学报. 2024, 75(1):  47-59.  doi:10.11949/0438-1157.20230649
    摘要 ( 243 )   HTML ( 25 )   PDF (6108KB) ( 302 )  
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    综述了以微尺度结构为核心的微化工精馏分离技术的研究进展。基于传统精馏存在的节能技术落后、设备效能低以及难分离近沸点物系等问题,介绍了易于实现过程强化的微精馏分离技术,包括常规微蒸馏/微精馏、毛细管力微精馏、离心力微精馏、真空微精馏、重力微精馏等多种方法,在流动化学应用中将起到重要作用。在微尺度条件下,相间传质传热效率随传质距离的缩短显著增强,同时精馏分离流程具有安全可控、连续高效的特点。微尺度精馏分离技术具有独特优势,为化工精馏实现环保、降耗的目标提供了解决方案,也为流动化学合成系统的开发与完善提供了可能。

    非金属催化剂在环氧化物和环状酸酐共聚中的研究进展
    张强, 王宪飞, 王凯, 骆广生, 路忠凯
    化工学报. 2024, 75(1):  60-73.  doi:10.11949/0438-1157.20230662
    摘要 ( 190 )   HTML ( 26 )   PDF (2766KB) ( 302 )  
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    环氧化物与环状酸酐的开环共聚是一种新型的脂肪族聚酯合成技术,其技术核心之一是催化剂的选择与应用。与金属催化剂相比,非金属催化剂在简易性、低毒性、单体适应性、经济性等方面表现出潜在优势,得到迅速发展。针对非金属催化剂在环氧化物和环状酸酐共聚领域的研究进展进行了综述,总结并评述了近年来有机碱、Lewis酸碱对以及其他非金属催化剂在开环共聚反应中的工作机制认识和催化实施效果,对其发展方向和工业化应用潜力进行了展望。

    电子顺磁共振技术在化工基础研究中的应用进展
    王欣雨, 王永涛, 姚加, 李浩然
    化工学报. 2024, 75(1):  74-82.  doi:10.11949/0438-1157.20230672
    摘要 ( 166 )   HTML ( 18 )   PDF (1569KB) ( 155 )  
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    电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance, EPR)技术能够检测自由基、过渡金属离子及缺陷等顺磁性物质,谱图具有高特异性,背景信号少,既可以检测溶液样品,也可以检测固态样品,且检测限低。在化工基础研究中,尤其是自由基相关过程研究中,EPR技术的优势是其他谱学无可比拟的。但是化工领域的科学家们使用EPR技术并不广泛。综述了EPR在化工基础相关研究中应用的一些例子,包括催化材料的表征、活性中间体的表征、溶剂性质表征及材料性能表征四个方面,希望能让更多化工领域工作者了解EPR技术,并使用EPR技术解决化工问题。

    电子级多晶硅原料中痕量硼磷杂质的脱除研究进展
    闫可欣, 姜洪涛, 高维群, 郭晓晖, 孙伟振, 赵玲
    化工学报. 2024, 75(1):  83-94.  doi:10.11949/0438-1157.20230668
    摘要 ( 140 )   HTML ( 16 )   PDF (1640KB) ( 373 )  
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    三氯氢硅和氢气中痕量硼磷杂质的含量是影响多晶硅品质的主要因素。提高硼磷杂质的脱除效率有利于电子级多晶硅的大规模生产,实现我国能源信息产业升级。综述了三氯氢硅和氢气中硼磷杂质脱除方法的研究进展,重点介绍了各类提纯方法的特点。其中,反应-吸附-精馏耦合技术集合了精馏法和化学提纯法的优点,是三氯氢硅精制过程中最具有发展前景的方法;吸附法凭借其负载的活性物质对硼磷杂质的高选择性,成为氢气精制最常使用的工艺。最后,系统探讨了吸附剂结构特点及与吸附性能的构效关系,在此基础上总结并展望了多晶硅原料中硼磷杂质脱除面临的挑战和发展方向。

    微反应器内环酯类锂电池添加剂合成研究进展
    王婷, 王忠东, 项星宇, 何呈祥, 朱春英, 马友光, 付涛涛
    化工学报. 2024, 75(1):  95-109.  doi:10.11949/0438-1157.20230653
    摘要 ( 118 )   HTML ( 11 )   PDF (6712KB) ( 122 )  
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    锂电池电解液添加剂是一类在锂电池中用量不大,但对改善锂电池高低温性能,提高使用寿命和循环次数等方面发挥重要作用的高附加值电子化学品。随着锂电池等下游应用长期向好地发展,添加剂的需求量不断增长,但传统的釜式反应器由于传递性能不佳导致产品质量稳定性较差且污染严重。微反应器在微米尺度对流体有着高效分散和混合的优势,能显著提高生产效率、降低生产成本,在锂电池添加剂合成方面受到越来越广泛的关注。本文结合微反应器优异的传递性能,系统综述了微反应器在环酯类锂离子电池电解液添加剂合成中的应用进展,并对添加剂的微化工合成领域的研究方向进行了展望。

    超临界二氧化碳介质中晶圆清洗与选择性刻蚀研究进展
    张泽欣, 郑伟中, 徐益升, 胡冬冬, 卓欣宇, 宗原, 孙伟振, 赵玲
    化工学报. 2024, 75(1):  110-119.  doi:10.11949/0438-1157.20230669
    摘要 ( 205 )   HTML ( 14 )   PDF (2352KB) ( 298 )  
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    随着集成电路特征尺寸的逐渐减小,器件结构会要求更高的纵横比,常规湿法清洗由于表面张力很难进入晶圆深沟槽结构内部,不能满足更细线条工艺要求和高深宽比结构,直接影响沟槽内的污染物去除效果;常规湿法刻蚀各向异性差、结构坍塌严重、深沟槽刻蚀效果不明显;而等离子体干法刻蚀则存在刻蚀速率慢、光刻胶脱落和黏附、结构损伤、废气处理等一系列问题。超临界清洗和刻蚀技术是最具有前景的环境友好、无损伤技术,能够耦合刻蚀、清洗与干燥工艺为一体,且可以循环使用,安全环保,是晶圆制造过程中常规清洗和刻蚀的首选替代技术。综述了超临界二氧化碳中晶圆清洗与选择性刻蚀的研究进展,重点介绍了超临界二氧化碳共溶剂、微乳液体系在光刻胶剥离以及含硅基底选择性蚀刻中的应用,展望了超临界二氧化碳晶圆清洗和刻蚀存在的问题和发展趋势。

    烃类催化裂解高选择性制低碳烯烃的分子筛催化剂
    刘琦, 陈子康, 朴宇, 肖鹏, 葛亚粉, 巩雁军
    化工学报. 2024, 75(1):  120-137.  doi:10.11949/0438-1157.20230845
    摘要 ( 145 )   HTML ( 13 )   PDF (5131KB) ( 127 )  
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    乙烯、丙烯等低碳烯烃是化学工业重要的基础原料。近年来,全球低碳烯烃的需求量持续增加,发展不同原料催化裂解增产低碳烯烃的技术仍将是主流方向。围绕催化裂解高效制备低碳烯烃工艺,阐述了分子筛催化剂制备及其催化裂解性能的研究进展,尤其是基于ZSM-5分子筛综述了催化裂解催化剂的研制及性能调控的研究进展,包括用于增产低碳烯烃的ZSM-5分子筛的高效合成及结构形貌控制,探讨了通过元素改性、多级孔结构制备对ZSM-5分子筛的织构性质、酸性质的调变,分析总结了其对原料转化率、低碳烯烃选择性和催化剂稳定性的影响,阐明了不同微观结构性质的ZSM-5分子筛催化剂上催化裂解增产低碳烯烃的构效关系,为精准调控ZSM-5分子筛的结构性质研究提供新思路,为设计烃类催化裂解制低碳烯烃工艺关键催化剂奠定基础。

    氢气分离有机膜
    朱娇, 栾丽萍, 从深震, 刘新磊
    化工学报. 2024, 75(1):  138-158.  doi:10.11949/0438-1157.20230652
    摘要 ( 140 )   HTML ( 16 )   PDF (1669KB) ( 186 )  
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    氢气是重要的化工原料和燃料,其分离纯化的效果将直接影响使用成本。有机聚合物膜具有成本低、可加工性强、结构多样、性能稳定等优点,已成为H2分离领域应用最多的膜材料。介绍了H2分离有机膜的分离机理,讨论了H2分离有机膜的种类、制备方法和性能,综述了其应用现状,并对未来的发展前景进行了展望。

    微通道中毛细流动及其工程应用的研究进展
    李亚婷, 王忠东, 董艳鹏, 朱春英, 马友光, 付涛涛
    化工学报. 2024, 75(1):  159-170.  doi:10.11949/0438-1157.20230654
    摘要 ( 162 )   HTML ( 5 )   PDF (2879KB) ( 447 )  
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    毛细现象在人类的生产生活中广泛存在,它源于微观分子间的相互作用力,其影响又表现在宏观层面。探究微观分子层面毛细作用规律,可用来指导多相流驱替、微流体芯片中的被动运输、微反应器设计等工程实践,具有重要的研究价值。对微通道中毛细填充动力学的研究进展进行了综述,总结了毛细流动在工程中的应用。分析了毛细现象的动力学规律,并对毛细流动的研究进行了展望,可为微通道中流体动力学理论发展及其应用提供参考。

    电化学脱盐机理及相关研究进展
    齐元帅, 彭文朝, 李阳, 张凤宝, 范晓彬
    化工学报. 2024, 75(1):  171-189.  doi:10.11949/0438-1157.20230661
    摘要 ( 914 )   HTML ( 175 )   PDF (8203KB) ( 1140 )  
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    电化学脱盐技术通过可逆的电化学过程实现离子固定化,是一种很有前途的节能水处理技术。有关脱盐机理的研究有助于深入了解离子传输和去除特性,进而为材料和电池的设计提供理论支持。根据电化学基本原理,可以将电化学脱盐机理分为电吸附机理与电荷转移机理两大类,后者包括氧化还原活性导电聚合物、离子插入(或插层)反应、转化反应以及氧化还原活性电解质。先进表征技术(包括原位X射线技术、原位波谱技术以及其他技术)和计算机建模与仿真(包括分子动力学模拟、密度泛函理论、有限元分析)在机理分析中起到关键作用。

    热力学
    聚苯基甲基硅氧烷分子量-折射率模型研究
    钟东霖, 介素云, 杜淼, 潘鹏举, 单国荣
    化工学报. 2024, 75(1):  190-196.  doi:10.11949/0438-1157.20230735
    摘要 ( 77 )   HTML ( 6 )   PDF (1083KB) ( 50 )  
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    聚硅氧烷是应用广泛的一种特种有机硅材料,折射率是衡量聚硅氧烷性能的重要指标。应用基团贡献法建立了适用于聚苯基甲基硅氧烷体系的分子量-折射率模型,结合自由体积理论对模型进行了修正。修正后的模型能够根据分子量和温度有效地预测聚苯基甲基硅氧烷的折射率,相对误差在±0.2%范围内。根据修正后的模型阐述了分子量、温度对折射率的影响:折射率随着分子量的增大而升高,最终趋于一定值;折射率随着温度的升高明显下降。研究结果可为高折射率聚硅氧烷的设计与合成提供参考。

    流体力学与传递现象
    亚毫米气泡和常规尺寸气泡气液两相流流动与传质特性对比
    崔怡洲, 李成祥, 翟霖晓, 刘束玉, 石孝刚, 高金森, 蓝兴英
    化工学报. 2024, 75(1):  197-210.  doi:10.11949/0438-1157.20230782
    摘要 ( 111 )   HTML ( 6 )   PDF (4617KB) ( 291 )  
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    通过实验和数值模拟系统研究了亚毫米气泡鼓泡塔与常规鼓泡塔在流动和传质特性上的区别,并建立了适用于亚毫米气泡气液两相流流动和传质过程的数值模拟方法。研究结果表明,相比常规鼓泡塔,相同操作条件下亚毫米气泡鼓泡塔的气泡尺寸分布更窄,平均尺寸降至前者3%左右,气含率提高2倍以上,比表面积提高2个数量级。另外亚毫米气泡气液两相流中气液径向分布更均匀,轴向返混程度更小。亚毫米气泡鼓泡塔的相界面积是强化传质的关键控制因素,其液相传质系数虽低于常规鼓泡塔,但依靠巨大的相界面积,其体积传质系数是常规鼓泡塔的10倍左右。针对大规模鼓泡塔反应器的模拟结果也表明,亚毫米气泡可使反应器达到更均匀的气含率分布,受初始气液分布的影响小。

    微分散液滴的光纤检测研究
    温唯谷, 袁志宏, 王凯, 骆广生
    化工学报. 2024, 75(1):  211-220.  doi:10.11949/0438-1157.20230676
    摘要 ( 76 )   HTML ( 7 )   PDF (3359KB) ( 65 )  
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    微分散是微化工技术的重要组成部分,传统利用显微摄像分析和统计微分散液滴的方法成本高,不易推广。提出了一种基于光纤传感的微分散液滴在线检测技术,该方法基于漫反射光纤、光纤传感器、数据采集卡和LabVIEW程序实现了微通道内液滴生成频率和长度的在线检测,满足0.21 mm以上直径液滴的检测,检测频率上限为500 Hz,当液滴通过光纤时间超过15 ms时,还可检测液滴长度。研究结果表明光纤直径和光纤传感器响应时间是影响该方法检测性能的主要因素,与相似平台对比,以较低的成本实现了较高检测性能。

    缩口T型微通道内纳米流体吸收CO2的流动与传质研究
    赵若晗, 黄蒙蒙, 朱春英, 付涛涛, 高习群, 马友光
    化工学报. 2024, 75(1):  221-230.  doi:10.11949/0438-1157.20230601
    摘要 ( 62 )   HTML ( 5 )   PDF (2910KB) ( 61 )  
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    构建了一种气相缩口的T型微通道,研究了二氧化硅(SiO2)纳米流体吸收CO2过程的气液两相流动与传质性能。在实验范围内,观察到了泡状流、串珠流、紧密弹状流和弹状-环状流。随着气相流速的增加,泡状流的气泡生成频率f和比表面积a快速增大,串珠流的fa变化很小,紧密弹状流的fa逐渐减小。随着连续相和分散相流速的增大以及纳米颗粒浓度的升高,液侧体积传质系数均表现出增大的趋势。与等宽T型通道相比,缩口T型微通道的最大比表面积增幅达29.6%。结果表明气相入口的缩径效应可有效提高气液两相流的传质面积,有利于气液传质性能的改善和提高。

    多喷嘴喷雾冷却表面传热特性实验研究
    李晓阳, 李东, 陶明磊, 周致富, 张灵怡, 苏力争, 张天宁, 李智, 陈斌
    化工学报. 2024, 75(1):  231-241.  doi:10.11949/0438-1157.20231114
    摘要 ( 51 )   HTML ( 2 )   PDF (4182KB) ( 41 )  
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    低沸点制冷剂(R134a)喷雾冷却能快速降低表面温度,在高性能芯片等电子设备热管理、生物医学中均具有广泛应用,可实现喷雾表面的低温高效散热。多喷嘴喷雾冷却可实现较大冷却表面的均匀冷却及冷量的灵活调控。搭建了制冷剂喷雾冷却实验台,研究了多喷嘴喷雾冷却表面传热特性,并分析了喷嘴的孔径、间距、高度、喷雾时间和喷雾压力等因素对多喷嘴喷雾冷却表面传热特性的影响。结果表明:喷嘴孔径对冷却均匀性影响最大,其次是喷嘴间距,适当的喷嘴孔径(0.4 mm)和间距(11 mm)能使制冷剂喷雾在表面合理分布,最低温Tmin能达到最小值;10 mm喷嘴高度和1.2 MPa喷雾压力可以使液滴充分雾化并延长有效冷却时间。

    T型微混合器内均相混合的数值模拟
    王俊男, 何呈祥, 王忠东, 朱春英, 马友光, 付涛涛
    化工学报. 2024, 75(1):  242-254.  doi:10.11949/0438-1157.20230665
    摘要 ( 50 )   HTML ( 4 )   PDF (5283KB) ( 58 )  
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    采用计算流体力学方法(CFD)对三种不同类型的T型微混合器的被动式混合进行了数值模拟。分析了简单微混合器内混合指数和压降与入口速度、扩散系数和管径之间的关系,同时研究了含有内构件混合器中结构参数对混合的影响。研究结果表明,层流状态下,在简单混合器中,混合指数随着Reynolds数Re、Schmidt数Sc和Peclet数Pe的增大而增大,同时压降随Re的增大而增大、随Pe的增大而减小。在T型混合器内加入肋板和障碍物后,混合指数随Re的增大先增大后减小;肋板长度越长,障碍物内径越大,混合效果越好,但相应的压降也越大。

    CFD-DEM-IBM方法探究流化床倾斜挡板内构件受力特性
    赵碧丹, 代伊杨, 王军武, 张永民
    化工学报. 2024, 75(1):  255-267.  doi:10.11949/0438-1157.20231148
    摘要 ( 81 )   HTML ( 5 )   PDF (5005KB) ( 120 )  
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    在密相床层内安装内构件可显著改善工业流化床的流化质量、强化气固传质和提高化学反应效率。由于长时间受气体和颗粒的挤压和冲击,流化床内构件可能会发生变形或断裂。为实现流化床内构件设计的科学性,确保其长周期可靠性,需要明确其受力机理与不同操作条件下受力特性。利用粗粒化CFD-DEM-IBM方法,实现了利用笛卡儿网格模拟流化床中倾斜挡板内构件受力特性的定量模拟,该方法拓展原有挡板应力统计方法,获得了不同倾斜角度对挡板所受应力的定量影响规律。模拟所得挡板受力随时间的演化曲线与实验报道较为一致,在流化床启动阶段会出现较大的峰值,同时成功复现在启动阶段的峰值受力总体与挡板在水平面上的投影面积成正比。模拟结果显示,在启动阶段,挡板受力中颗粒挤压作用力占主导,但在流化阶段,除颗粒作用力达到极大值外的大部分时间中挡板受到的气相压差力要大于颗粒作用力。当挡板倾斜角度较小时,挡板受力较大但抑制床内返混效果较好,因此在工业流化床内构件设计中应兼顾强化传递及长周期可靠性的需求,当挡板倾斜角度较小时应选择强度大的挡板材料。

    应用于新型环路热管的两相引射器数值模拟
    周尧, 杨小平, 倪一程, 刘继平, 魏进家, 严俊杰
    化工学报. 2024, 75(1):  268-278.  doi:10.11949/0438-1157.20231132
    摘要 ( 84 )   HTML ( 13 )   PDF (3597KB) ( 401 )  
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    环路热管是一种高效被动式相变传热装置,广泛应用于高热流电子器件散热等领域。前期研究发现将小型两相引射器与平板式环路热管耦合,可大幅提高传热性能。然而,小型两相引射器内部流动及传热机理尚不清晰,难以对新型环路热管进行正向设计与理论建模。通过数值模拟研究了汽水参数和混合腔结构对两相引射器性能及内部流场分布的影响。结果表明,喉部下游存在凝结激波,随着背压增加,其位置逐渐向喉部移动;其强度与背压、蒸汽产量、混合腔长度呈正相关,与水温呈负相关。引射器最大工作背压在40~125 kPa,与蒸汽产量和水温呈正相关,与混合腔长度呈负相关。通过大量模拟,得到了设计功率下水温和混合腔长度对引射器工作模式和压比的影响规律。

    基于响应面法的矿用翅片管空冷器参数优化
    王义江, 孙莉, 刘梦涵, 杨金宏, 王国元
    化工学报. 2024, 75(1):  279-291.  doi:10.11949/0438-1157.20231186
    摘要 ( 128 )   HTML ( 18 )   PDF (5534KB) ( 73 )  
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    矿用空冷器是矿井降温系统常用的末端设备,优化矿用空冷器换热性能对提升矿井降温系统能效具有重要意义。采用Fluent建立了平直翅片管矿用空冷器模型,研究了翅片间距、翅片厚度、横向管间距和纵向管间距对传热因子、阻力因子和综合性能评价指标的影响规律;采用Box-Behnken响应面法,分析了双参数协同作用下传热因子、阻力因子和综合性能评价指标变化规律。结果表明:随着翅片间距、横向管间距的减小,以及翅片厚度增加,传热因子、阻力因子和综合性能评价指标逐渐增加;综合性能评价指标则随纵向管间距的增加而先增加后降低;横向管间距、翅片厚度是影响空冷器传热及流动性能最显著的两个参数,而翅片间距、纵向管间距的影响最小;得到了平直翅片管矿用空冷器的最优参数,传热因子提升16.3%、阻力因子增加26.3%、综合性能评价指标提升8.3%。研究结果可为矿用翅片空冷器设计参数优化提供指导。

    催化、动力学与反应器
    电内加热Pt/NPC催化剂高效催化甲基环己烷脱氢反应研究
    王雪杰, 崔国庆, 王文涵, 杨扬, 王淙恺, 姜桂元, 徐春明
    化工学报. 2024, 75(1):  292-301.  doi:10.11949/0438-1157.20230848
    摘要 ( 120 )   HTML ( 16 )   PDF (5532KB) ( 272 )  
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    高效储氢技术研发是实现氢能规模化应用的关键。甲基环己烷(MCH)作为理想的有机液体储氢介质,具有质量储氢密度高、储运安全方便等优势,但其脱氢过程仍存在反应温度高、效率低等难题,开发高效脱氢催化剂并引入有效的过程强化是解决上述问题的关键。以不同焙烧温度得到的氮掺杂多孔碳(NPC)作为载体,通过浸渍法制备了系列NPC负载Pt的催化剂(Pt/NPC),在新型电内加热(IEH)模式下,研究了其对MCH脱氢反应性能的影响规律。研究结果表明,随着NPC焙烧温度的升高,Pt2+占比先增加后减少,并在550℃达到最大值。在MCH脱氢反应中,Pt2+占比与反应速率呈近似线性正相关。在优化的Pt/NPC催化剂上,IEH模式下的释氢速率约为传统外加热(CEH)模式的3倍。组合温度测量、反应热与传热计算、性能评价和原位红外表征结果阐明了IEH模式下高的加热速率与传热速率,以及增强的MCH吸附是提升催化性能的重要原因。本研究可为新型电内加热反应方式及与之相匹配高效催化剂的设计研发提供指导。

    基于DFT的环己酮肟液相贝克曼重排机理研究
    咸国义, 陈立芳, 漆志文
    化工学报. 2024, 75(1):  302-311.  doi:10.11949/0438-1157.20230643
    摘要 ( 64 )   HTML ( 5 )   PDF (3880KB) ( 63 )  
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    为了研究质子酸催化的环己酮肟液相贝克曼重排反应机理,使用密度泛函理论中的B3LYP-D3/6-31G(d)方法研究了反应中的过渡态内禀反应坐标,并使用SMD隐式溶剂模型模拟了液相环境。利用前线分子轨道和表面静电势确定了反应的主导因素,通过频率计算获得了过渡态和中间体的Gibbs自由能,确定了速率控制步骤。重排反应不可逆,而水解可逆,环己酮肟先进行双分子重排,然后进行反向水解。低温下,少量水对反应影响较小,提出了环己酮肟最有可能发生双分子重排-水解反应路径。在乙腈溶剂中,静电效应是环己酮肟与质子发生亲电反应的主导因素,局部亲电/亲核性是质子化环己酮肟与水或环己酮肟发生亲核反应的主导因素。本研究有助于深入理解环己酮肟液相贝克曼重排过程,并为避免发生副反应的固体催化剂设计提供理论基础。

    泡沫镍负载CeO2改性CuO催化剂的碳烟燃烧性能研究
    张家琳, 徐大为, 高越, 李新刚
    化工学报. 2024, 75(1):  312-321.  doi:10.11949/0438-1157.20230677
    摘要 ( 119 )   HTML ( 8 )   PDF (6591KB) ( 201 )  
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    通过在泡沫镍基底上预沉积CeO2晶核,采用水热法成功合成出泡沫镍负载CeO2改性CuO催化剂(xCeO2-CuO/NF),同未加入CeO2的催化剂(CuO/NF)相比,其碳烟氧化活性显著提高。随着催化剂中CeO2含量的增加,Ce/Cu质量比不断增大直至趋于平稳,催化剂的催化活性随之提高直至基本不变。其中,6.5CeO2-CuO/NF的催化活性最好,T50(383℃)最低,比CuO/NF催化剂低32℃。研究结果表明,预沉积CeO2晶核一方面可促进CuO微纳结构的生长,提高碳烟颗粒与催化剂活性位点的接触效率;另一方面,xCeO2-CuO/NF中形成的Cu x Ce1-x O固溶体增强了铜铈之间的相互作用,通过Ce3+/Ce4+和Cu2+/Cu+之间氧化还原耦合循环促使活性氧物种的生成,并提升了其本征活性,从而极大地提高了其催化碳烟氧化的能力。

    POE溶液聚合反应器内混合与反应过程的CFD研究
    麻雪怡, 刘克勤, 胡激江, 姚臻
    化工学报. 2024, 75(1):  322-337.  doi:10.11949/0438-1157.20230635
    摘要 ( 145 )   HTML ( 14 )   PDF (10145KB) ( 308 )  
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    聚烯烃弹性体(POE)具有优异的性能而应用广泛,其工业生产通常采用溶液聚合方法。POE反应介质流变行为复杂,受温度、剪切速率、聚合物浓度等诸多因素影响。同时,反应介质的流变行为是决定混合效果的重要因素,进而影响反应进程。由于反应、流变和流场的相互作用,POE溶液聚合反应器的设计和生产过程控制面临着挑战。基于实测的动力学和流变数据,针对POE溶液聚合反应器建立了一个耦合计算流体力学(CFD)模型,综合考虑了流动、混合效率、反应动力学和流变特性等方面的影响,探究了不同工艺条件(搅拌转速、停留时间、进料温度)对速度场、温度场、浓度场、流变特性等参数的影响规律,为优化实际工业过程提供参考。

    过程系统工程
    考虑节点中断风险的弹性供应链设计方法
    余洋, 罗祎青, 魏荣辉, 张文慧, 袁希钢
    化工学报. 2024, 75(1):  338-353.  doi:10.11949/0438-1157.20231094
    摘要 ( 62 )   HTML ( 0 )   PDF (2780KB) ( 54 )  
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    供应链全球化发展为企业带来广阔前景,但庞大的供应链体系也造成供应链中断风险激增,为企业带来了巨大潜在风险。然而,由于供应链中断风险难以预知,针对中断的弹性供应链优化设计方法还远不成熟。在此背景下,建立了一种新颖的弹性供应链设计优化方法,旨在增强供应链抵御中断的能力。提出并定义了节点中断风险评价指标(NDII),以反映节点中断对供应链的影响程度。定义风险系数(RW)以表征供应链风险程度,避免了对风险场景及其概率分布的预测,同时体现企业对供应链弹性的重视程度。基于鲁棒优化(RO)方法,建立了对高风险节点惩罚的NDII-RO优化方法,并应用于广东省生物燃料供应链优化设计。优化结果表明该方法可实现抵御中断风险的弹性供应链设计。

    基于Adaboost-PSO-SVM的铝电解槽健康状态诊断方法研究
    尹刚, 钱中友, 曹文琦, 全鹏程, 许亨权, 颜非亚, 王民, 向禹, 向冬梅, 卢剑, 左玉海, 何文, 卢润廷
    化工学报. 2024, 75(1):  354-365.  doi:10.11949/0438-1157.20231066
    摘要 ( 50 )   HTML ( 2 )   PDF (5561KB) ( 44 )  
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    针对铝电解槽在铝电解生产过程中故障频发的问题,提出了一种基于支持向量机(support vector machine, SVM)的铝电解槽健康状态诊断模型,考虑传统的支持向量机只能适用于二分类问题,采用自适应推进算法(adaptive boosting, Adaboost)将支持向量机的二分类问题转化为多分类问题用于求解铝电解槽健康状态诊断问题,充分考虑了子模型的权重,强化了模型的适用性。并利用粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)对其超参数寻优,提高模型的预测精度。实验结果表明,提出的铝电解槽健康状态诊断模型的准确率和Macro-F1分数分别达到94.70%和0.9453,相较于其他传统模型均有显著提升。

    材料化学工程与纳米技术
    石墨负极颗粒对锂离子电池容量衰减及SEI膜生长影响的模拟研究
    闻文, 王慧艳, 周静红, 曹约强, 周兴贵
    化工学报. 2024, 75(1):  366-376.  doi:10.11949/0438-1157.20230659
    摘要 ( 130 )   HTML ( 13 )   PDF (2494KB) ( 84 )  
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    以石墨为负极材料的锂离子电池在新能源领域应用广泛,但其长时间充放电循环后的容量衰减会显著缩短电池的使用寿命。负极表面固体电解质界面层(SEI)是影响电池循环寿命的主要因素之一,其生成反应除了受电解质组成和制备工艺影响外,还取决于石墨负极材料的结构。基于SEI膜的生长动力学,构建了电池容量衰减模型,模拟计算了石墨负极颗粒粒径对于电池容量衰减及SEI膜生长过程的影响。结果表明,负极材料颗粒粒径越大,SEI膜厚增加速度越快,电池使用寿命显著降低;在充放电循环过程中,首次循环容量衰减速度最快,随着后期SEI膜厚的增加,老化速率减缓并趋于稳定;溶剂在SEI膜中的扩散系数和SEI层孔隙率的降低,会减缓电池容量衰减速度;溶剂通过SEI膜向内扩散至电极表面的步骤是SEI膜连续生长过程中的控速步骤。研究结果可为锂离子电池石墨电极涂层制备工艺优化提供基础知识及指导。

    6N电子级氘气的制备与纯化技术研究
    孟祥军, 花莹曦, 张长金, 张弛, 杨林睿, 杨若昔, 刘鉴漪, 许春建
    化工学报. 2024, 75(1):  377-390.  doi:10.11949/0438-1157.20230685
    摘要 ( 126 )   HTML ( 12 )   PDF (5269KB) ( 332 )  
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    电子级氘气在集成电路制造的高温退火工艺中起到关键作用,高端制程工艺要求其纯度高达6N。提出了完整的6N氘气电解制备与纯化技术路线,包括:(1)设计出高效FeNi@ClBC OER催化剂,性能显著优于商用催化剂,提高了催化效率并降低整体能耗;(2)提出了电解阳极端氧气气提脱除重水中氮气等杂质的工艺流程,重水杂质的减少降低了氘气纯化的难度;(3)提出了深度脱氧、脱水工艺流程,筛选出最佳脱氧催化剂和脱水吸附分子筛并对工艺参数进行了优化,实现产品中杂质氧和水含量(体积分数)分别低于1×10-8和1.65×10-7的目标。实验得到的超高纯氘气产品指标达到了6N,满足先进制程集成电路制造需求,为低成本生产超高纯氘气提供了参考。