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2020年 第71卷 第7期 刊出日期:2020-07-05
    本期中英文目录、封面、广告页
    化工学报. 2020, 71(7):  0. 
    摘要 ( 1 )   PDF (97716KB) ( 13 )  
    相关文章 | 多维度评价
    综述与专论
    面向健康产业应用需求的膜技术与膜材料
    蔡媛媛,郭百涛,邢卫红,高从堦
    化工学报. 2020, 71(7):  2921-2932.  doi:10.11949/0438-1157.20191557
    摘要 ( 10 )   HTML ( 2 )   PDF (1239KB) ( 4 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    健康产业发展潜力巨大,其中,医药、医疗和保健行业占有重要地位,但其面临医药资源利用率低、生产工艺污染严重、高端产品依赖进口、质量标准体系不完善等制约因素。将膜分离技术应用于医药、医疗和保健行业,解决发展面临的诸多问题,对于推进我国健康产业发展将发挥重要作用。鉴于国内外尚无针对膜技术应用于健康产业进展的相关文献报道,本文针对面向健康产业应用的膜技术及膜材料进展进行了综述,探讨了健康产业应用对膜材料提出的要求及标准,重点研究了微滤、超滤、反渗透、纳滤、膜生物反应器、渗透汽化、气体分离、人工脏器等膜材料现状,分析了制约其发展的关键问题并提出相关建议,以期为相关部门及行业人员提供参考。

    磁响应分离膜研究进展
    王雅洁,李蕾,张倩,李倩,李望良
    化工学报. 2020, 71(7):  2933-2944.  doi:10.11949/0438-1157.20200169
    摘要 ( 3 )   HTML ( 0 )   PDF (1533KB) ( 2 )  
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    随着智能材料和纳米技术的发展,具有刺激响应的新型功能膜材料是膜分离技术发展的主要方向之一。磁响应分离膜是一种由磁性颗粒和聚合物高分子混合制备的,可以对磁场刺激产生响应的分离膜。磁响应分离膜兼具膜分离技术的低能耗、高效率等优点和磁性颗粒的磁性响应和催化性能等。磁性颗粒对磁场的响应不仅会影响膜的结构和分离选择性,还会改变膜材料的润湿性以及提高膜抗污染性能。本文从共混法、涂层法、接枝法和原位生长法对磁响应分离膜的制备方法展开论述,介绍了不同制备方法的优缺点及未来发展方向。从调控膜表面润湿性、调控膜抗污染性、调控膜孔径三部分对磁响应分离膜的磁场响应机理进行了详细阐述。并从过滤、吸附、降解、交换分离四方面对磁响应分离膜的应用领域展开论述。最后对磁响应分离膜的发展进行了总结,并对其发展前景进行了展望。

    生物合成槲皮素糖苷类衍生物的研究进展
    封悦洋, 王颖, 姚明东, 肖文海, 丁明珠
    化工学报. 2020, 71(7):  2945-2955.  doi:10.11949/0438-1157.20200070
    摘要 ( 5 )   HTML ( 0 )   PDF (1937KB) ( 3 )  
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    糖苷类天然产物是植物中次级代谢产物的主要存在形式,具有重要的生物活性。通过糖基化修饰可以改变其水溶性、稳定性,产生特殊的生物活性和功能,因此易于商品化应用,具有重要的药用价值和工业价值,尤其在抗癌药物和日化用品中有着广泛应用。近年来糖苷类产物的生物合成也取得了重大的进展。以重要的糖苷化合物槲皮素为例介绍了糖苷化合物的生物合成,从糖基转移酶和前体供应等角度阐述了生物高产糖苷类化合物的工程策略,为利用合成生物学技术获得植物糖苷的高产菌株提供了技术参考。

    废弃聚苯乙烯塑料在环境与能源中的高值化应用进展
    刘昌会,黄文博,顾彦龙,饶中浩
    化工学报. 2020, 71(7):  2956-2972.  doi:10.11949/0438-1157.20200051
    摘要 ( 5 )   HTML ( 0 )   PDF (6505KB) ( 4 )  
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    聚苯乙烯是塑料材料家族中的重要组成部分,它具有质轻、隔热、防水、廉价等一系列优点。由于它的化学稳定性优异,自然界很难将其直接降解,通常采用填埋或焚烧进行处理,不仅对环境造成了严重的污染,同时也是资源的严重浪费。近年来,由于化学及材料科学快速发展,针对废弃聚苯乙烯回收及高值化研究已经得到广泛关注。本文从环境和能源角度详细综述了近年来废弃聚苯乙烯高值化应用的研究进展,从废弃聚苯乙烯的高值化方式和产物出发分为以下三个主要部分:通过物理或化学手段将废弃聚苯乙烯塑料转化为高分子功能材料;作为模板剂或碳源制备多孔碳材料;将废弃聚苯乙烯塑料裂解为小分子有机物。

    不同亲水特性VOCs在生物滴滤工艺中的作用规律
    姜岩, 张哲
    化工学报. 2020, 71(7):  2973-2982.  doi:10.11949/0438-1157.20200026
    摘要 ( 2 )   HTML ( 0 )   PDF (1204KB) ( 2 )  
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    以亲疏水性为切入点,针对含多组分挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)的工业废气,综述了生物滴滤床技术(biotrickling filters,BTFs)的研究现状与发展趋势。重点围绕多组分VOCs之间的拮抗作用、协同作用、交互作用,总结与剖析了三大作用的研究现状与成因,从BTFs内气液/固两相传质和生物降解动力学模型入手,阐述了BTFs中VOCs的传质和生物转化过程及其相互作用机制。展望了BTFs适应当前市场需求的应用化发展前景,提出以削弱或抑制拮抗作用、构建和强化协同作用体系为研究方向,通过强化对共代谢和增溶等作用机制的理论认知,构建具有协同效应的VOCs处理体系,进而推动BTFs的理论发展和应用推广。

    热力学
    顶空气相色谱法研究柠檬醛+α-紫罗兰酮+β-紫罗兰酮体系的汽液平衡
    郑佩, 王琳琳, 梁杰珍, 陈小鹏, 童张法, 韦小杰, 唐锐
    化工学报. 2020, 71(7):  2983-2992.  doi:10.11949/0438-1157.20191515
    摘要 ( 25 )   HTML ( 0 )   PDF (1067KB) ( 1 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    采用顶空气相色谱法测定了柠檬醛(1)+ α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+ β-紫罗兰酮(2)和α-紫罗兰酮(1)+ β-紫罗兰酮(2)体系在333.15、368.15和403.15 K温度下的等温汽液相平衡数据;采用Redlich-Kister面积检验法和van Ness点检验法进行热力学一致性检验;采用Aspen plus V10.0软件、Britt-Luecke算法回归NRTL和 UNIQUAC活度系数模型参数;采用NRTL活度系数模型计算体系的超额自由焓(GE)。结果表明,所测体系的p-T-x-y数据均符合热力学一致性;柠檬醛(1)+ α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+ β-紫罗兰酮(2)和α-紫罗兰酮(1)+ β-紫罗兰酮(2)体系的气相组成(y1)的计算值与实验值的最大平均绝对偏差(AAD)分别为0.0044、0.0060和0.0032;三组二元体系 GE的正、负偏差最大值分别为0.4002、0.2315和 –0.7143 kJ·mol-1

    邻甲酚-间二甲苯-乙二醇液液平衡数据的测定与关联
    何莉, 邹雄, 叶昊天, 李香琴, 董宏光
    化工学报. 2020, 71(7):  2993-2999.  doi:10.11949/0438-1157.20200181
    摘要 ( 3 )   HTML ( 0 )   PDF (908KB) ( 2 )  
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    乙二醇可从含芳烃组分油品中选择性萃取酚类,为支撑焦化含酚油中的酚类化合物萃取分离新工艺开发,针对其组分特点,在现有相平衡数据基础上选定代表物,利用液液平衡釜法测出常压下303.15、313.15和323.15 K时邻甲酚-间二甲苯-乙二醇体系液液相平衡数据,并利用Othmer-Tobias方程、Hand方程、Bachman方程分别进行实验数据可靠性检验,其线性相关系数的平方均大于0.99。同时分别用NRTL和UNIQUAC活度系数模型对实验数据进行关联,回归得到不同温度下的模型参数,模型计算值与实验数据对比后发现其均方根偏差小于1.8%,说明NRTL和UNIQUAC模型均可较好地描述该三元体系相平衡行为。

    p型掺杂剂Cp2Mg在MOCVD气相中的反应机理研究
    张红, 唐留
    化工学报. 2020, 71(7):  3000-3008.  doi:10.11949/0438-1157.20191354
    摘要 ( 1 )   HTML ( 0 )   PDF (3193KB) ( 1 )  
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    采用量子化学的密度泛函理论计算,提出并研究了金属有机化学气相沉积(MOCVD)气相过程中p型掺杂剂Cp2Mg的反应机理。特别判断了不同温度下各反应进行的可能性。发现Cp2Mg主要有两条相互竞争的反应路径,加合路径和氢解路径。对于加合路径,在293~573 K的温度范围内,会形成络合物Cp2Mg∶NH3或Cp2Mg∶(NH3)2。对于氢解路径,气相中的H自由基是一把“双刃剑”。一方面H自由基对Cp2Mg的分解有积极的辅助作用,明显降低了Cp2Mg的分解温度;另一方面由于钝化作用会形成Mg-H气相络合物,影响p型掺杂效果。

    正己烷–异丙醇共沸体系液液相平衡数据测定及关联
    杨冲, 林旭枫, 张金锋, 陈宏, 肖业鹏, 王慧, 程丽华, 欧阳新平
    化工学报. 2020, 71(7):  3009-3017.  doi:10.11949/0438-1157.20191001
    摘要 ( 3 )   HTML ( 1 )   PDF (1117KB) ( 2 )  
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    为了给溶剂萃取分离正己烷–异丙醇混合物的过程设计和流程模拟计算提供基础数据,以二甲亚砜、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、乙腈、糠醛和N,N-二甲基甲酰胺为萃取剂,测定了30℃下萃取分离正己烷–异丙醇混合物的液液相平衡数据,并利用分离因子评价不同萃取剂的萃取分离性能。根据Hand方程对实验数据进行一致性和可靠性检验,拟合方程的相关系数都在0.98以上。随后,采用Aspen Plus软件选取NRTL活度系数模型对相平衡数据进行关联,得到相应的二元交互作用参数,并以此计算相应的相平衡组成。结果显示,计算值和实验值的均方根偏差小于1.0%,表明NRTL模型能够准确描述三元体系的液液相平衡。

    流体力学与传递现象
    基于EMMS的循环流化床流域研究
    陈恺成, 田于杰, 李飞, 吴昊, 王维
    化工学报. 2020, 71(7):  3018-3030.  doi:10.11949/0438-1157.20200062
    摘要 ( 7 )   HTML ( 1 )   PDF (2983KB) ( 6 )  
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    流化床的设计、放大和优化需要对流域有基础的认识,然而气固系统的流域划分至今仍存在诸多争议。总结了气固流化系统流域划分的研究现状,并分析了流域划分的主要争议,发现文献中对快速床的界定存在分歧。通过耦合基于稳态EMMS的曳力模型开展双流体模拟,对不同气速和颗粒浓度下的循环流化床进行了数值研究。模拟结果捕捉到了颗粒回流、节涌等现象,据此确定了快速床的操作边界并绘制了流域图,该流域图能够展示循环床中的各流域形态。

    气固流化床外取热器内流动和换热特性分析
    李建涛, 姚秀颖, 刘璐, 卢春喜
    化工学报. 2020, 71(7):  3031-3041.  doi:10.11949/0438-1157.20191588
    摘要 ( 10 )   HTML ( 0 )   PDF (1748KB) ( 8 )  
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    外取热器是维持催化裂化反应-再生系统热平衡和保持装置平稳运行的关键设备之一。外取热器的优化设计和合理调控,要求深入理解外取热器内的流动特性、换热特性及两者之间关系。在一套大型冷模热态实验装置上,分别考察了表观气速、颗粒质量流率对换热管附近的局部固含率和气泡频率、床层与换热管间传热系数的影响。结果表明:增加表观气速可以降低局部固含率、增加局部气泡频率、强化床层与换热管间换热;随着颗粒质量流率增加,局部固含率和局部气泡频率均增加;在较低表观气速下,增加颗粒质量流率不利于换热,而在较高表观气速下,传热系数随颗粒质量流率逐渐增加。不同流型下,气固流动特性对换热特性的影响不同。在鼓泡床流型下,过高的局部固含率不利于颗粒在换热表面的更新,增加换热管附近的局部气泡频率可以明显强化换热;而在湍流床流型下,换热管附近的局部固含率和气泡频率的增加,均使传热系数逐渐增大。建立了针对不同流型的换热经验关联式,预测值与实验值的平均相对偏差分别为6.9%和1.3%。

    绝热状态下板壳式换热器壳侧的流型与压降
    吴鹏飞, 王科, 赵珏
    化工学报. 2020, 71(7):  3042-3049.  doi:10.11949/0438-1157.20200109
    摘要 ( 3 )   HTML ( 0 )   PDF (1980KB) ( 2 )  
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    实验研究了板壳式换热器波纹通道内垂直向上气-液两相流动的流型和压降特性,讨论了圆形波纹通道内流型特征及转变机理,根据相界面形态特征将流型划分为泡状流、弹状流、膜状流和搅混流;同时分析了流型与压降之间的关系,发现泡状流中的压降波动幅值最小,弹状流与膜状流次之,搅混流中压降波动幅值最大;获得了波纹通道内单相以及气-液两相压降的分布规律,拟合了单相压降关联式,并基于Lockhart-Martinelli理论,通过分析两相摩阻系数与Martinelli参数的关系拟合了波纹通道内两相流动压降关联式,发现Chisholm参数C的值与Chisholm最初建议的光滑管内层流-层流的值接近。

    螺旋折流板换热器质心当量矩形通用计算模型
    郑舒星, 朱子龙, 陈亚平, 吴嘉峰
    化工学报. 2020, 71(7):  3050-3059.  doi:10.11949/0438-1157.20200085
    摘要 ( 2 )   HTML ( 0 )   PDF (2213KB) ( 2 )  
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    现有螺旋折流板换热器(HBHXs)螺旋通道的截面积是按照通道中被管排阻挡的最小截面计算的,而实际的螺旋通道截面是由最小截面和管间的最大截面共同构成的,螺旋流是逐步通过最小截面的。由于按此最小截面公式计算的Reynolds数不准确,因此无法获得预测Nusselt数和摩擦因子与Reynolds数关系的通用关联式。提出了一种新型质心当量矩形(MCER)模型,以更精确地计算螺旋折流板换热器的螺旋通道的截面积和壳侧流体Reynolds数,并采用商用软件HTRI和文献的实验数据对MCER模型进行了验证,获得了较满意的结果。在相同条件下,按MCER模型计算壳侧Nusselt数Nuo的结果与采用换热器设计软件HTRI所计算结果的误差在-10%~5%范围内,与两组文献实验结果的误差分别在±18%和-5%~15%范围内,但其摩擦因子的公式结果与上述来源结果比较的误差都比较大,需要进一步完善。

    自然循环窄矩形通道内过冷沸腾两相摩擦阻力特性
    杨宽, 阎昌琪, 曹夏昕
    化工学报. 2020, 71(7):  3060-3070.  doi:10.11949/0438-1157.20191379
    摘要 ( 1 )   HTML ( 0 )   PDF (2744KB) ( 2 )  
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    采用去离子水作为实验工质,在低压低流速自然循环工况下开展了单面加热可视化窄矩形通道内的过冷沸腾摩擦阻力特性实验研究。实验中测量了实验段内的压降数据,并通过高速摄影仪拍摄了窄矩形通道内的气液两相图像,提出了过冷沸腾条件下的两相摩擦压降的剥离计算方法。基于本实验中获得摩擦压降数据,对分别基于均相流模型和分液相模型的经典两相摩擦压降计算关系式进行了评估,实验结果表明:采用不同等效黏度计算方法的均相流模型计算结果比实验值明显偏小;而分相流模型中,Sun and Mishiba关系式和Tran关系式均能够较好地预测摩擦阻力,计算值与实验值的平均相对偏差在±15%以内。结合实验数据,以分相流模型方法为基础,考虑全液相Reynolds数、Martinelli参数和Laplace数的影响,获得了计算分液相折算系数的经验关系式,与实验数据符合较好, 平均相对误差在10%范围内。

    基于分子运动学的水汽在细颗粒表面异质核化的数值模拟
    余廷芳, 高巨, 熊桂龙, 李水清, 姚强
    化工学报. 2020, 71(7):  3071-3079.  doi:10.11949/0438-1157.20191605
    摘要 ( 1 )   HTML ( 0 )   PDF (1356KB) ( 2 )  
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    为研究过饱和水汽在细颗粒表面异质核化特性,准确预测成核参数,基于分子运动学异质核化理论建立了过饱和水汽在燃煤细颗粒表面异质核化的运动学模型。数值分析了液滴晶核长大过程中水汽分子和水分子两种扩散凝结机制对晶核长大的促进作用及其相对重要性,数值预测了水汽过饱和度和宏观接触角对成核速率的影响;数值计算了不同温度和宏观接触角下细颗粒的临界过饱和度。结果表明:当液滴晶核尺寸小于临界晶核半径时,颗粒表面吸附水分子扩散凝结速率与水蒸气分子直接扩散凝结速率的比值大于100,颗粒表面吸附水分子的扩散凝结机制对晶核长大起主导作用。提高水汽过饱和度或减小宏观接触角均可显著提高液滴晶核的成核速率;成核速率随水汽过饱和度增大呈指数型增长。提高气相主体中水汽温度或减小细颗粒物的宏观接触角均可显著降低异质成核的临界过饱和度;对于粒径小于0.1 μm的细颗粒物,随着细颗粒粒径的增大,异质核化的临界过饱和度显著减小。

    基于内置换热器有机闪蒸循环的热性能研究
    黄桂冬, 张凇源, 葛众, 解志勇, 相华江, 鄢银连, 袁志鹏
    化工学报. 2020, 71(7):  3080-3090.  doi:10.11949/0438-1157.20191294
    摘要 ( 4 )   HTML ( 0 )   PDF (1710KB) ( 3 )  
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    构建了内置换热器有机闪蒸循环(internal heat exchanger organic flash cycle, IHE-OFC)系统模型,采用100~200℃地热水作为热源,以R600a、R600、R601a、R601、R236ea、R227ea、R245fa、R123作为循环工质。研究了IHE-OFC系统的热性能,并以净输出功率为目标函数,对系统进行了优化。结果表明:当热源温度≤160℃时,R601 IHE-OFC系统的净输出功率最大;当热源温度≥190℃时,R601传统OFC系统的净输出功率最大;当热源温度为170℃时,R601a IHE-OFC系统的净输出功率最大;当热源温度为180℃时,R601a传统OFC系统的净输出功率最大。此外,每一工质均存在一个特征温度,为工质的0.85Pcri所对应的温度与加热器夹点温差之和。且因工质特征温度的影响,IHE-OFC系统的最优闪蒸压力、IHE冷流体温升和系统效率随热源温度的升高而均呈先增大后不变的趋势。

    单个固体颗粒促进薄液膜破裂的格子Boltzmann研究
    刘学文, 李金京, 全晓军, 熊伟
    化工学报. 2020, 71(7):  3091-3097.  doi:10.11949/0438-1157.20200027
    摘要 ( 2 )   HTML ( 0 )   PDF (1168KB) ( 2 )  
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    采用等温格子Boltzmann方法两相流模型结合颗粒运动模型对单个颗粒与薄液膜之间的相互作用进行了研究。通过模拟直观展示了单个球形疏水颗粒导致液膜破裂的详细过程,模拟结果表明与薄液膜接触的球形疏水颗粒会导致液膜弯曲变形从而产生毛细力,毛细力会驱动液膜在颗粒表面移动从而导致液膜破裂。疏水颗粒的接触角对液膜破裂的时间有明显影响,模拟发现接触角为106.7°的疏水颗粒导致液膜破裂时间最短。此外,当液膜的厚度发生变化时,颗粒导致液膜破裂的时间也会不同。

    催化、动力学与反应器
    小麦秸秆水热预处理半纤维素降解动力学研究
    张晗, 付乾, 廖强, 夏奡, 黄云, 朱贤青, 朱恂
    化工学报. 2020, 71(7):  3098-3105.  doi:10.11949/0438-1157.20200053
    摘要 ( 1 )   HTML ( 0 )   PDF (1675KB) ( 1 )  
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    水热预处理是木质纤维素原料高效能源转化的主要工艺流程之一,但是以小麦秸秆为原料的水热预处理的反应路径与反应机理仍有研究不足之处, 制约该预处理过程的优化及实际生产应用。本文以小麦秸秆为研究对象,实验研究了木质纤维素水热预处理过程反应动力学。研究发现,在水热预处理过程中,小麦秸秆的主要降解过程是半纤维素降解产生低聚木糖、木糖以及糠醛的过程,半纤维素在水热过程中几乎完全降解。随着预处理温度的升高,水解液中低聚木糖和木糖的浓度降低,而糠醛的浓度增加;随着保温时间的延长,低聚木糖与木糖的浓度先增加后减小,糠醛的浓度会趋于稳定。根据实验结果提出反应路径并拟合获得动力学速率常数和反应活化能,所获的动力学模型可以很好地解释反应物浓度的变化,与实验数据吻合良好。该模型可以为小麦秸秆水解预处理系统的设计提供参考。

    Ba、Co共掺MnOx复合氧化物低温选择性催化还原NO研究
    刘涛, 张书廷
    化工学报. 2020, 71(7):  3106-3113.  doi:10.11949/0438-1157.20191520
    摘要 ( 2 )   HTML ( 0 )   PDF (3020KB) ( 2 )  
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    利用柠檬酸络合法制备了一系列Ba、Co掺入MnOx脱硝催化剂,研究了Ba、Co掺入对MnOx低温NH3-SCR性能的影响。测试结果表明:Ba单独掺入时抑制了MnOx的催化性能,Co单独掺入时促进了MnOx的催化性能;而当Ba、Co共掺时,催化剂性能出现了最大的提升,其中3BaMnCoOx表现出了优异的脱硝活性,反应温度高于180℃时其脱硝性能在99%以上,且表现出了良好的抗水硫性能。采用XRD、SEM、NO-TPD、NH3-TPD、H2-TPR和NO吸附原位红外等表征手段对催化剂进行了表征。结果表明,Co掺杂后形成了MnCo2O4.5固溶体,赋予了催化剂优异的氧化还原性能;Ba掺杂为催化剂提供了新的NO吸附位点,导致了新的活性硝酸盐吸附物种形成,显著促进了催化剂的NO吸附性能。这些特性使得BaMnCoOx低温脱硝催化剂展现出了优异的脱硝性能。

    分离工程
    结构化5A分子筛吸附床结构及工艺参数对N2/H2吸附性能的影响
    王鹏, 刘京雷, 张胜中, 范得权, 张英, 徐宏
    化工学报. 2020, 71(7):  3114-3122.  doi:10.11949/0438-1157.20191349
    摘要 ( 1 )   HTML ( 0 )   PDF (1153KB) ( 5 )  
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    利用吸附等温线获得动力学参数,建立了CFD模型,模拟了氢气/氮气在结构化5A分子筛吸附床中的吸附过程,研究了吸附剂层片间距、吸附剂厚度等结构参数和吸附压力、进气流量等工艺参数对混合气吸附效果的影响。结果表明:减小层片间距和吸附剂厚度可显著提高传质系数和床层利用率。增大吸附压力可提高床层利用率,但会减小传质系数。进气流量对传质系数的影响不明显,但当流量较大时,吸附容量和床层利用率均呈减小趋势。结构化5A分子筛吸附剂吸附性能良好。

    离子液体-微波辅助从黄连提取小檗碱的实验与分子模拟
    吴玉花,丁欣,李小露,高红凤,冯炜,白红存,郭庆杰
    化工学报. 2020, 71(7):  3123-3131.  doi:10.11949/0438-1157.20191365
    摘要 ( 1 )   HTML ( 0 )   PDF (2003KB) ( 5 )  
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    从黄连中高效提取小檗碱等生物活性物质对于中药资源有效利用具有重要意义。然而,黄连中异喹啉类生物碱具有较为相近的化学结构和理化性质,导致高效提取难度增大。离子液体作为优异的反应介质在天然活性物质提取中显示出良好的前景。同时,微波作为新型辅助手段有利于天然植物中药物活性组分的提取和分析研究。以黄连为研究对象,采用离子液体-微波辅助联合方法,提取药用植物中的有效成分小檗碱,实现过程强化与高效提取。研究以离子液体-水溶液为溶剂的微波辅助法,重点考察提取过程中离子液体种类以及固液比、溶液pH、微波时间、微波加热温度、微波功率等工艺条件对提取收率的影响。此外,基于现代密度泛函理论的分子模拟计算,研究微波外场和不同离子液体在小檗碱提取过程中的作用,从分子尺度上揭示离子液体与小檗碱相互作用的物理本质。

    环己醇精馏残液催化加氢分离二环己基醚工艺研究
    霍二福, 李迎春, 杨帅, 冯明, 程伟琴, 王柏楠, 魏新军
    化工学报. 2020, 71(7):  3132-3139.  doi:10.11949/0438-1157.20191212
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    针对环己醇精馏残液中各组分沸点相近,常规分离方法分离难度大等技术问题,采用催化加氢的方法将环己醇精馏残液中的3-环己基环己烯、1-环己基环己烯和环己亚基环己烷还原为双环己烷,扩大分离组分间的沸点差,经减压精馏分离,得到高纯度的双环己烷和二环己基醚。以Pd/C为催化剂,通过对比实验获得了环己醇精馏残液中的3-环己基环己烯、1-环己基环己烯和环己亚基环己烷催化加氢转化为双环己烷的最佳工艺条件:反应温度120℃、反应压力4 MPa、反应时间4 h、搅拌速度550 r/min、Pd/C催化剂用量为物料质量的0.4%,原料转化率为98.7%,双环己烷的选择性大于99.5%;经减压精馏分离后,双环己烷和二环己基醚的纯度大于99.5%。

    过程系统工程
    延迟焦化加热炉热效率的机理建模与实时估计应用
    黄健, 赵众
    化工学报. 2020, 71(7):  3140-3150.  doi:10.11949/0438-1157.20191072
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    在延迟焦化装置中,焦化炉热效率是操作先进性关键评价指标,然而实际工业生产中难以在线测得加热炉热效率。本文基于机理建模,推导了管式加热炉状态空间预测模型。为降低干扰影响,提出了一种基于粒子滤波的联合估计方法来修正加热炉热效率模型预测,并分析了其收敛性。实际应用结果证实了所提方法的可行性和有效性,为实现延迟焦化装置先进控制奠定了基础。

    基于主成分分析与支持向量机的热泵系统制冷剂泄漏识别研究
    于仙毅, 巫江虹, 高云辉
    化工学报. 2020, 71(7):  3151-3164.  doi:10.11949/0438-1157.20191139
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    为了研究热泵系统制冷剂泄漏识别的数据挖掘理论方法和实验验证,首先建立空气源热泵系统制冷剂泄漏实验台,进行热泵系统正常工况、干扰工况、泄漏工况的实验参数测试;其次,采用主成分分析法对测试数据进行特征提取处理,采用支持向量机对数据进行分类识别,建立了用于热泵系统的制冷剂泄漏识别的主成分分析-支持向量机模型,在二分类和多分类模式下验证了模型的性能,并研究了泄漏速率和不同故障工况对模型的影响。采用RefliefF特征选择算法对原始特征参数进行筛选,简化了识别模型的特征参数。研究结果表明:对于空气源热泵热水系统,PCA-SVM泄漏识别模型在多种验证集中对泄漏工况的识别准确度达100%,缓慢泄漏的诊断识别性能弱于快速泄漏,同一模型在不同故障诊断识别中性能不同,对系统运行影响轻微的故障诊断识别性能弱于其他故障。RefliefF特征选择方法将原始41个系统特征参数精简至10个特征参数,参数筛选优化后的泄漏识别模型识别精度也维持在较高水平,优化的泄漏识别模型更利于实际应用。

    基于混合赛博模型的微生物代谢状态估计
    潘妍如, 刘飞
    化工学报. 2020, 71(7):  3165-3171.  doi:10.11949/0438-1157.20191310
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    微生物发酵过程中组分异常复杂,物化和生化反应混合交叠,多数状态不能直接测量。混合赛博模型结合了基元模式分析和赛博(cybernetic)模型控制作用,既考虑细胞内产物信息和代谢行为,又引入控制变量来调节催化酶的活性和合成,从而建立了微生物代谢过程的动力学方程,基于该模型可以实现对微生物体代谢状态的实时监测。针对聚羟基丁酸发酵过程,在代谢途径和基元模式分析基础上,对其混合赛博模型中非线性动态进行线性化,再采用扩展卡尔曼滤波对代谢过程状态进行估计。仿真结果表明,对于微生物代谢中一些重要状态变量具有良好的估计效果。

    基于循环自动编码器的间歇过程故障监测
    高学金, 刘腾飞, 徐子东, 高慧慧, 于涌川
    化工学报. 2020, 71(7):  3172-3179.  doi:10.11949/0438-1157.20191581
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    针对间歇过程数据非线性、动态性特征,提出一种基于循环自动编码器(recurrent autoencoder,RAE)的过程故障监测方法。采用长短时记忆(long short-term memory,LSTM)循环神经网络构建自动编码器建立监控模型,相比传统自动编码器,其能有效挖掘时序样本间的动态关联信息。该方法首先利用批次展开与变量展开相结合的三步展开方法将间歇过程数据展开成二维,并通过滑动窗采样得到模型输入序列;然后使用LSTM构建自动编码器,重构输入序列。进一步,利用重构误差构造平方预测误差(squared prediction error, SPE)统计量实现在线监测。最后将所提方法应用于青霉素发酵仿真和重组大肠杆菌发酵过程监测,结果表明,该方法能及时监测到故障,具有较好的监测性能。

    基于分离系数校正的稀土萃取流程模拟
    杨辉, 代文豪, 陆荣秀, 朱建勇
    化工学报. 2020, 71(7):  3180-3190.  doi:10.11949/.0438-1157.20191481
    摘要 ( 1 )   HTML ( 0 )   PDF (1444KB) ( 1 )  
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    由于基于稀土萃取机理的流程仿真模型没有考虑萃取槽的萃取效率,导致模型输出的各级组分含量难以符合工业实际工况,为此,本文将机理模型与数据驱动的方法相结合,建立基于分离系数校正的稀土萃取流程模拟。首先,在相对分离系数的稀土萃取流程机理模型的基础上,引入分离系数校正值,实现对稀土萃取机理模型的扩充;其次,运用数据驱动方法,利用斐波那契树优化算法对各级校正值进行优化求解,并使用MATLAB GUI,开发稀土萃取流程模拟系统;最后,结合工业现场实际数据,验证本文流程模拟在工况改变时的动态性能,结果表明本文所建流程模拟符合稀土萃取流程实际工况。

    基于SHPSO-GA-BP的成品汽油调和中加氢汽油组分辛烷值的预测
    李炜, 王晓明, 蒋栋年, 李亚洁, 梁成龙
    化工学报. 2020, 71(7):  3191-3200.  doi:10.11949/0438-1157.20191453
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    针对成品汽油调和配方建模中加氢汽油组分辛烷值难以实时获取,考虑遗传算法(genetic algorithm,GA)、粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)优化反向传播(back propagation,BP)网络存在的问题,提出了一种串行混合粒子群遗传算法(serial hybrid PSO-GA,SHPSO-GA)优化BP网络,并用于辛烷值的预测建模。该方法首先将PSO算法的输出依据适应度值分为优劣2个种群,弃劣留优;然后对留优种群再进行GA的交叉变异操作,进一步优化种群,经过每一代PSO和GA的交替优化,并将最优种群用于BP网络参数优化;最后基于该方法和工业历史数据,建立了加氢汽油组分辛烷值的预测模型,仿真结果表明,较传统BP,以及改进的GA-BP、PSO-BP、PSO-GA-BP等方法,SHPSO-GA-BP由于将PSO与GA进行更优的深度融合,具有更好的预测性能,可以用于辛烷值的预测。

    基于自适应模糊神经网络的非线性系统模型预测控制
    周红标, 张钰, 柏小颖, 刘保连, 赵环宇
    化工学报. 2020, 71(7):  3201-3212.  doi:10.11949/0438-1157.20191531
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    针对非线性动态系统的控制问题,提出了一种基于自适应模糊神经网络(adaptive fuzzy neural network, AFNN)的模型预测控制(model predictive control, MPC)方法。首先,在离线建模阶段,AFNN采用规则自分裂技术产生初始模糊规则,采用改进的自适应LM学习算法优化网络参数;然后,在实时控制过程,AFNN根据系统输出和预测输出之间的误差调整网络参数,从而为MPC提供一个精确的预测模型;进一步,AFNN-MPC利用带有自适应学习率的梯度下降寻优算法求解优化问题,在线获取非线性控制量,并将其作用到动态系统实施控制。此外,给出了AFNN-MPC的收敛性和稳定性证明,以保证其在实际工程中的成功应用。最后,利用数值仿真和双CSTR过程进行实验验证。结果表明,AFNN-MPC能够取得优越的控制性能。

    表面与界面工程
    MMAl在NH2与H混合覆盖的AlN(0001)-Al表面的吸附与扩散研究
    孙巍, 左然
    化工学报. 2020, 71(7):  3213-3219.  doi:10.11949/0438-1157.20200058
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    利用量子化学的密度泛函理论(DFT),对AlN的MOCVD生长中表面反应前体AlCH3(简称MMAl)在NH2和H混合覆盖AlN(0001)-Al面的吸附与扩散进行计算分析。通过分析表面吸附能、扩散能垒及Mulliken数量比例等,确定可能的稳定吸附结构和扩散路径。研究发现:在NH2与H混合覆盖的AlN(0001)-Al面,随着NH2与H的覆盖度变化,MMAl均稳定吸附在T4位和H3位,吸附概率相近。随着NH2比例增多、H比例减少,MMAl吸附后都向AlN表面转移电荷,同时其吸附变得相对容易,扩散变得逐渐困难。与吸附前相比,吸附后MMAl中的Al-C键长缩短,键能增强,不利于CH3的脱离,导致引入C杂质的概率增高,表明MMAl既可能是生长中主要反应物质之一,同时也是引入C杂质的主要来源之一。若AlN表面存在覆盖H,吸附后的MMAl会促使表面覆盖的H原子倾向于脱离AlN表面,有利于后续生长。

    柱面密封气膜动压效应模拟及试验
    俞树荣, 丁俊华, 王世鹏, 刘红, 丁雪兴, 孙宝财
    化工学报. 2020, 71(7):  3220-3228.  doi:10.11949/0438-1157.20191501
    摘要 ( 0 )   HTML ( 0 )   PDF (1775KB) ( 2 )  
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    航空发动机柱面密封常因动压不足导致浮环碰磨而破裂。据此利用Fluent软件对现役柱面无槽气膜和螺旋槽气膜两种模型进行了流场动压数值模拟,并进行试验验证。研究结果表明:对于无槽气膜模型,增大偏心率、转速和压差,密封动压效应增强。偏心率和压差的增大会提高模型泄漏率,但转速的改变对模型泄漏率的影响很小;对于螺旋槽气膜密封,增大偏心率、转速和压差,气膜浮升力提升。随偏心率和压差的增大,模型泄漏率随之升高。综合以上两条结论可得,转速是影响泄漏率的次要因素;螺旋槽模型相对无槽模型,动压效果好,泄漏率小,相同工况下具有更好的动压效应,此研究对于研发更优的柱面密封结构有重要参考意义。

    生物化学工程与技术
    重组大肠杆菌表达17β-羟基类固醇脱氢酶全细胞催化合成宝丹酮的研究
    吴玉玲, 邵明龙, 周武林, 高惠芳, 张显, 徐美娟, 杨套伟, 饶志明
    化工学报. 2020, 71(7):  3229-3237.  doi:10.11949/0438-1157.20200011
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    宝丹酮作为一种重要的蛋白同化雄性激素类固醇,具有提升肌肉质量和耐力的功能。宝丹酮的传统合成方法是以1,4-雄烯二酮(ADD)为底物通过化学法合成,但过程复杂、污染严重。17β-羟基类固醇脱氢酶(17β-HSD)可催化甾体化合物C-17位点的氧化还原反应,实现ADD和宝丹酮的相互转化。本研究通过基因序列同源性分析,筛选到6种不同来源的17β-HSD基因并对其在大肠杆菌中进行异源表达。利用不同重组菌转化ADD合成宝丹酮,结果表明重组菌BL21/pET28a-HSDPy的ADD转化率最高,因此选择BL21/pET28a-HSDPy进行进一步研究。鉴定了重组菌的酶学性质并优化其全细胞转化条件。结果表明在生物量为36 g·L-1、底物浓度为5.40 g·L-1条件下,经过两次补料,获得了3.66 g·L-1宝丹酮,比优化前提高了4.1倍。而且在生物转化过程中未检测到副产物。为生物合成宝丹酮提供了可能。

    能源和环境工程
    基于粒子群算法的生活垃圾高热值成分热解动力学特性研究
    邓睿渠, 汪林正, 张睿智, 罗永浩
    化工学报. 2020, 71(7):  3238-3246.  doi:10.11949/0438-1157.20200034
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    以硬纸板、橡胶、松木和尼龙等典型生活垃圾(MSW)成分为研究对象,采用热重分析获得了不同升温速率下(15,40和200℃/min)各成分的热解失重特性。基于各生活垃圾成分失重曲线的特征,分别建立了有限平行反应模型,通过粒子群算法计算相应的动力学参数,并进行了交叉验证。研究表明,对于组成复杂、特性各异的生活垃圾成分,基于粒子群算法的有限平行反应模型既能准确反映各成分热解失重曲线的复杂峰结构,也能有效预测不同升温速率下失重特性的变化。

    基于直流内阻和交流阻抗特性的PEMFC水管理状态分析
    王茹, 沈永超, 卫东, 郭倩
    化工学报. 2020, 71(7):  3247-3257.  doi:10.11949/0438-1157.20191126
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    基于Randles等效电路,研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)操作温度和湿度耦合关系,建立电堆直流内阻和交流阻抗特性模型。通过两种方法相结合,研究不同操作条件下的电化学阻抗谱图和U-I输出特性曲线的变化规律,以及不同水管理状态在直流内阻和交流阻抗变化规律中体现出的对应关系,进而分析水管理状态对电堆输出性能的影响作用。仿真和实验结果表明,温湿度耦合关系下的不同水管理状态,在电化学阻抗谱图和U-I特性曲线中具有一致的变化规律和对应的量化关系;电堆输出性能中的膜干、水淹等现象,在直流内阻值和交流阻抗图的变化中具有明显的表现特征;通过研究水管理状态对两者的影响,能够实现操作条件的优化和电堆输出性能的优化控制。

    超细飞灰对烟气酸露点与酸凝结的影响研究
    魏伟, 李秀财, 孙奉仲
    化工学报. 2020, 71(7):  3258-3265.  doi:10.11949/0438-1157.20200022
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    准确预测燃煤锅炉尾部烟气的酸露点和酸凝结对深度降低排烟温度、保障尾部换热设备的安全高效运行十分重要。尾部烟气中存在的飞灰颗粒对酸露点和酸凝结液滴的发生有很大影响,不可忽略。考虑烟气中超细飞灰颗粒对酸露点和酸凝结的影响,提出了飞灰粒径对考虑局部凝结质量传输效果的酸露点和酸凝结迭代计算方法,实现了酸露点和壁面温度下酸凝结的准确预测。当飞灰粒径低于中肯半径(rash<r0)时,飞灰粒径对凝结率有显著影响;随着飞灰粒径的降低,硫酸蒸气、水蒸气以及酸液凝结率明显增加,尤其是硫酸蒸气凝结率;飞灰粒径越小,凝结越易发生。然而,过冷度超过30℃时,烟气中超细飞灰颗粒对低温壁面酸凝结的影响可以忽略不计。烟气携带而不被低温壁面捕获的凝结酸液量较少,烟气中超细飞灰颗粒对烟气酸蒸气的降低作用可以忽略不计。理论计算方法为分析现场酸-灰作用积灰层提供理论依据,对于优化燃煤锅炉尾部烟道的安全高效运行有重大指导意义。

    优化控制R744多喷射器双温超市制冷系统
    陈威, 于梅红, 赵红霞
    化工学报. 2020, 71(7):  3266-3277.  doi:10.11949/0438-1157.20191076
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    为了使R744双温超市制冷系统在任何环境温度下都能以最高效率运行,在R744平行压缩制冷系统中增加了一个多喷射器组回路(包括气气喷射器和气液喷射器),以确保系统在高温环境下仍能以较高的效率运行。并在环境温度变化的情况下,通过自动控制阀切换多喷射增压制冷模式和平行压缩制冷模式,为此建立了系统的热力学模型。计算结果表明,当环境温度低于17.32℃时,采用平行压缩制冷模式;当环境温度高于17.32℃时,采用多喷射增压制冷模式。当环境温度从21.1℃变化到36℃时,多喷射器制冷系统的COP比平行压缩制冷系统高15.91%~32.61%。

    基于棉线的微流体燃料电池阳极传质特性LB模拟
    穆嫒萍, 叶丁丁, 陈蓉, 朱恂, 廖强
    化工学报. 2020, 71(7):  3278-3287.  doi:10.11949/0438-1157.20200019
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    基于棉线的微流体燃料电池采用棉线作为流道,无须外部泵、易于微型化,是便携式微流体设备非常有前景的电源,但其性能受阳极燃料传质的限制。本文采用格子Boltzmann方法研究基于棉线的微流体燃料电池阳极耦合电化学反应的传质特性,通过构建三维的棉线流道数值模型,计算得到该流道内燃料的速度及浓度分布,并讨论燃料的进口浓度及流量对该电池阳极性能及传质特性的影响。计算结果表明:阳极极化曲线与实验结果吻合较好;燃料在棉线内部的流速较低,在不同阳极过电位下,燃料浓度沿流动方向均降低,且过电位越大降低得越多;进口燃料浓度越高时,平均电流密度越高,阳极性能升高;随着进口燃料流量的增加,棉线与反应界面接触部位的浓度与其他区域浓度之间的差异增大,而进口流量较低时,该浓度的差异较小且流道后段的浓度较低。

    污泥水热碳化中磷的形态变化及金属浸出行为
    方俊华,唐琦,李杨,李遥瑶,吕秋颖,范准,周健,许劲
    化工学报. 2020, 71(7):  3288-3295.  doi:10.11949/0438-1157.20200042
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    在不同温度下进行污泥水热碳化实验,利用Hedley顺序提取法探究水热炭中磷的形态变化,并结合钙、铁、铝的浸出行为进一步解释含磷物质的形态分布。结果表明,磷主要富集在水热炭中,水热碳化促进有机磷(Po)向无机磷(Pi)转化,NaOH溶解态磷(NaOH-P)转化为HCl溶解态磷(HCl-P)和残渣态(Res-P)。污泥和水热炭中Ca、Fe主要以HCl溶解态为主;Al则由NaOH溶解态转化为 HCl溶解态。并且水热碳化过程促使污泥中磷形态从磷酸铝盐(Al-P)、磷酸铁盐(Fe-P)向磷酸钙盐(Ca-P)、磷酸镁盐(Mg-P)转化。通过理论分析,水热炭中Al-P可能以Al2PO43+和AlHPO4+络合物为主;羟基磷灰石是Ca-P的主要存在形态;部分磷酸盐可能被铁氧化物或氢氧化物固定。为后续水热炭的回收利用提供理论基础。

    可光助再生二氧化钛/层状双氢氧化物去除水体中有机染料
    胡京宇, 姚戎, 潘玉航, 朱超, 宋爽, 沈意
    化工学报. 2020, 71(7):  3296-3303.  doi:10.11949/0438-1157.20191579
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    利用吸附-光催化技术去除水体中有机染料,是高效节能的方法之一。然而,碳基吸附剂在光催化降解污染物过程中,由于活性氧的攻击会发生自身的逐渐氧化。本研究中,采用尿素水解水热法制备二氧化钛/层状双氢氧化物(TiO2/LDH)非碳基复合材料,不仅对水体中有机染料具有较高的吸附容量,也在光辐射后具有可重复的再生能力。对甲基橙的吸附量为527.5 mg/g,在4轮循环再生后仍具有88.6%的再生率;对亚甲基蓝的吸附量为208.3 mg/g,在4轮循环再生后仍具有94.7%的再生率。在吸附-光再生过程中,LDH基底自身具有强抗氧化能力和高吸附能力,同时提高了负载剂TiO2的光吸收效率,为水中有机污染物去除和吸附-光催化复合材料设计优化提供了可行的策略。

    集成式铁基质生物膜反应器自养反硝化深度脱氮
    胡智丰,邓时海,张超,李德生,彭帅
    化工学报. 2020, 71(7):  3304-3312.  doi:10.11949/0438-1157.20191482
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    以污水厂处理水为研究对象,采用铁基质生物载体与生物膜耦合实现高效自养反硝化脱氮。考察停留时间(HRT)对系统脱氮效能的影响,通过动力学及微生物群落结构分析,揭示耦合技术的脱氮机理。结果表明:HRT为8 h,对一级A和一级B污水厂处理水,总氮(TN)平均去除率分别为95.41%和92.55%,TN处理负荷分别为0.48 kg TN/(m3·d)和0.58 kg TN/(m3·d),硝化过程氨氮(NH4+-N)饱和常数分别为1.17 mg/L和0.72 mg/L,反硝化过程硝氮(NO3--N)饱和常数分别为0.87 mg/L和0.67 mg/L。出水水质分别达到《地表水环境质量标准》Ⅲ类、Ⅴ类水质标准。铁基质生物载体与生物膜耦合系统中微生物优势菌属为MaritimimonasRhodobacterSphaerotilus, 均为自养反硝化菌,证实了铁基质生物载体可为自养反硝化菌提供电子,实现生物自养反硝化脱氮。

    磷酸二氢钙对玉米秆灰熔融烧结特性的影响研究
    朱有健, 张显显, 陈奕名, 吴学红, 杨海平, 陈汉平
    化工学报. 2020, 71(7):  3313-3321.  doi:10.11949/0438-1157.20191566
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    农业秸秆通常含有较高的碱金属,在燃烧过程中易造成锅炉高温熔融烧结问题,影响锅炉正常运行。使用灰熔点测试仪并结合灰样烧结度测试研究磷酸二氢钙添加剂对玉米秆灰熔融烧结特性的影响规律。此外,使用固定床管式炉研究了磷酸二氢钙与两种不同钾盐之间的反应特性。结果表明燃烧温度和磷酸二氢钙与钾盐混合比例对反应产物影响显著。在碱金属盐过量时,磷酸二氢钙与碱金属盐在温度高于300℃时开始反应,300~600℃产物以Ca2P2O7、Ca(PO32、KCa(PO33为主,700~900℃反应产物主要为K2CaP2O7。当磷酸二氢钙过量时,除磷酸二氢钙与钾盐的反应外同时存在磷酸二氢钙的高温分解反应以及反应产物间的二次反应。此外,研究发现磷酸二氢钙与K2CO3的反应活性显著高于KCl。在玉米秆中添加磷酸二氢钙后可在灰分中形成高熔点的Ca9MgK(PO47和CaKPO4,显著提高生物质灰的熔融温度并在实验温度范围内有效缓解玉米秆的熔融烧结。研究成果可为磷基添加剂在缓解生物质锅炉灰熔融烧结中的应用提供理论指导。

    复合改性生物砂滤池对突发PhACs痕量污染的去除效果分析
    徐宇峰, 郭鸣, 王让, 肖伟, 刘元慧, 李思敏
    化工学报. 2020, 71(7):  3322-3332.  doi:10.11949/0438-1157.20191259
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    针对石英砂(OQS)表面特征及特性,进行表面形貌重构改性及表面涂覆改性,并根据涂覆改性差异,制备出亲水改性砂(IMS)、疏水改性砂(OMS)、阳离子改性砂(CMS)和氨基改性砂(AMS)。以实验室模拟二级处理出水为研究对象,考察以6种石英砂[4种复合改性砂、表面重构砂(对照1)及原始砂(对照2)]为核心的生物砂滤工艺对碳氮磷及突发药物活性物质(PhACs)的削减效果,分析了各组生物砂滤池微生物种群结构,并进行了生态风险评估。结果表明,各类工艺对常规污染物的去除率在24.22%~90.35%之间,CM-BSF对常规污染物的去除效果最好;6种生物砂滤工艺对5大类12种PhACs的去除率在7.9%~50.3%之间,改性砂滤工艺CM-BSF去除效果更好;高通量检测表明各组微生物物种高度相似,但丰度有差异,总体来说,具备PhACs降解能力的功能菌在复合改性石英砂覆膜生物样品中的丰度较高;通过生态风险评价方法分析,CM-BSF工艺出水产生生态风险最小。

    利用NIRS和RI技术测试石油流体析蜡温度新方法
    李思, 范开峰, 黄启玉
    化工学报. 2020, 71(7):  3333-3344.  doi:10.11949/0438-1157.20191524
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    析蜡温度是重要的石油流体性质参数,得到准确的析蜡温度是保证含蜡原油管道安全输送的前提。提出了近红外光谱温度扫描测试法和折射率测试法,改进了近红外光谱波长扫描测试法,并从可靠性、灵敏性和稳定性等方面与常用的偏光显微镜法和差示扫描量热法进行比较。结果表明,近红外光谱法和折射率法可以得到可靠的测试结果,并具有较高的灵敏性和稳定性;实验操作和数据分析方法简单,测试结果不易受到制样过程影响,尤其适合挥发性较强的油样。此外,近红外光谱法测试时油样处于运动状态,可有效减小过冷度的影响,但与实际管输条件仍存在一定差别。

    材料化学工程与纳米技术
    ZSM-5沸石膜用于生物油的脱水分离及其再生过程研究
    马珊宏, 叶枫, 王燕鸿, 郎雪梅, 樊栓狮, 李刚
    化工学报. 2020, 71(7):  3345-3353.  doi:10.11949/0438-1157.20200143
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    在水热条件下通过无模板剂法合成了连续的ZSM-5沸石膜,并将其用于生物油的渗透汽化以进行高效脱水分离。ZSM-5沸石膜在强酸性、多组分的生物油体系中保持了很好的化学稳定性和优异的分离选择性,但在分离过程中面临着较强的膜污染问题,导致了膜通量的大幅下降。ZSM-5沸石膜的再生研究表明,膜的渗透通量随着再生温度的升高而逐渐提高。当再生温度为220℃时,ZSM-5沸石膜的渗透通量可以恢复至初始的88%。再生的机理研究表明,ZSM-5沸石膜中大量的晶内孔在生物油体系中极易被污染,从而导致渗透通量迅速下降;而相对较大的晶间孔却难以被完全堵塞,水分子在被污染的ZSM-5沸石膜中主要通过晶间孔进行渗透。上述结果表明,通过合理调控ZSM-5沸石膜的晶间孔的数量和尺寸大小可有效提升ZSM-5沸石膜在生物油中的渗透汽化脱水分离性能。

    活性氧化铝基质新型复合吸附剂的制备和储热性能
    刘华, 彭佳杰, 余凯, 倪毅, 王芳, 潘权稳, 葛天舒, 王如竹
    化工学报. 2020, 71(7):  3354-3361.  doi:10.11949/0438-1157.20191537
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    研制了一种以活性氧化铝为基质、CaCl2为吸湿盐的新型复合吸附剂,可用于以水为吸附质的热化学吸附储热系统,并对其内部结构、吸附性能和储热性能进行了研究。利用恒温恒湿箱确定出现溶液泄漏现象的最大含盐量,并对30℃和多种相对湿度工况下的动态和平衡吸附特性进行测量,研究了含盐量和相对湿度对吸附剂的吸附特性的影响,结果表明含盐量和相对湿度越大,复合吸附剂的吸水能力越强。利用全自动比表面积与孔隙度分析仪测量材料的比表面积和孔体积,利用同步热分析仪测试了复合吸附剂的储热密度,其中含盐量最高的复合吸附剂的储热密度最高,质量和体积储热密度分别达到0.51 kW·h/kg和610.2 kW·h/m3,具有良好的储热性能。

    石蜡与石蜡/膨胀石墨熔化性能的实验研究
    刘正浩, 张小松, 王昌领, 张牧星
    化工学报. 2020, 71(7):  3362-3371.  doi:10.11949/0438-1157.20191527
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    为改善相变储能过程中石蜡(PA)的熔化性能,向PA中添加少量膨胀石墨(EG)制备了4种配比的石蜡/膨胀石墨复合相变材料(PA-EG)。通过热物性分析筛选出合适配比的PA-EG,并对其和PA在水平管壳式相变储能单元中的熔化过程进行了实验研究。根据相变材料的温度场变化以及加权法计算得到的熔化分数变化,对比分析了添加EG前后PA的熔化性能,并探究了加热温度对相变材料熔化性能的影响。结果表明,PA-EG3的热导率比PA高了7倍,且两者的相变温度和潜热相差不大。PA-EG3熔化过程中的自然对流效应弱于PA,但是较高的热导率能够显著改善相变储能单元中下部的熔化,使得其整体熔化速度快于PA。当加热温度为80℃时,PA-EG3的熔化过程比PA缩短了78.16%。此外,降低加热温度会使PA和PA-EG3的完全熔化时间都显著增加,但相同条件下PA-EG3的增加幅度更小。

    过程安全
    火灾条件下拱顶油罐弱连接结构的失效分析
    李玉, 徐春明, 韩帅, 李鸿烨
    化工学报. 2020, 71(7):  3372-3378.  doi:10.11949/0438-1157.20200030
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    拱顶油罐受外部火焰烘烤发生失效爆炸,易造成严重人员伤亡和巨大经济损失。为对火灾条件下拱顶油罐的失效爆炸进行预警,通过高温材料力学性能实验平台对拱顶油罐弱连接结构进行破坏测试,得出不同火灾温度条件下弱连接结构失效的拉断力和应力值。实验结果表明,当温度高于300℃时,拉断力和失效应力值变化显著,其中450℃为变化峰值温度。在此基础上,构建了拱顶油罐失效压力计算模型,推导出了不同容积拱顶油罐在不同火灾温度下的失效压力。所得结果可作为拱顶油罐失效的判定依据,为油罐的爆炸预警提供数据支撑。

    初始油温对变压器油燃烧特性的影响
    赵金龙, 袁杰, 田逢时, 黄弘, 杨锐
    化工学报. 2020, 71(7):  3379-3386.  doi:10.11949/0438-1157.20200122
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    为了研究变压器油初始油温对燃烧特性的影响,搭建了油池火燃烧实验平台,开展了不同初始油温及不同油池直径的池火实验,系统地分析了初始油温对油池火灾发展规律的影响,具体探讨了燃烧发展阶段、燃烧速率以及沸腾层厚度等参数随初始油温的变化规律。结果表明,变压器油池火的整个发展过程可分为:初始发展阶段、稳定燃烧阶段和火焰熄灭阶段。对于初始发展阶段,随着初始油温的升高,燃烧速率会不断增加,这主要是由于初始油温的升高降低了用于加热油品的热量;对于稳定燃烧阶段,燃烧速率会随着初始油温的升高而增加,但增幅较小。实验尺度范围内,前两个阶段的燃烧速率都会随着燃烧尺度的增加而显著增加。对于稳定燃烧阶段,除了直径20 cm的油池外,变压器油的沸腾层厚度接近2.17 mm,与初始油温无关。因此,在变电站消防设计中,应提高变压器火灾发展初期的灭火效率;同时,采用相应的阻隔措施避免泄漏油品的扩散蔓延。

    全氟三乙胺和全氟己酮混合气体的灭火效果研究
    梁天水,刘德智,王永锦,钟委,赵军
    化工学报. 2020, 71(7):  3387-3392.  doi:10.11949/0438-1157.20191526
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    全氟己酮是一种新型的哈龙替代灭火介质,但是研究人员发现全氟己酮在低浓度时具有助燃效果,未通过美国联邦航空局气溶胶爆炸实验(FAA-ACT)。为抑制全氟己酮的助燃效果,采用混合气体的方法,引入全氟三乙胺作为全氟己酮的协同灭火介质。首先利用杯式燃烧器研究不同浓度全氟己酮作用下的火焰高度、火焰宽度,并获取其临界灭火浓度;以火焰高度和火焰宽度作为助燃现象的判据,实验结果表明全氟己酮浓度为3.00%(占氧化剂体积分数,下同)左右时助燃现象最为显著,临界灭火浓度为5.80%。为研究全氟三乙胺抑制全氟己酮助燃现象的效果,在保持全氟己酮浓度3.00%不变的条件下,逐渐增加全氟三乙胺的浓度,获取火焰高度、火焰脉动频率和混合气体的临界灭火浓度变化趋势;结果表明全氟三乙胺对全氟己酮的助燃现象有抑制作用,且预测全氟三乙胺单独作用下的临界灭火浓度约为4.86%。全氟己酮和全氟三乙胺的混合灭火气体中,全氟三乙胺占灭火剂体积分数超过10.00%后,全氟己酮和全氟三乙胺具有较好的协同灭火效果。