过程强化理论与装备研发相结合,提升研究生工程化意识

化学工业作为国民基础支柱产业,其重要性不言而喻,随着国外对诸多技术的垄断控制,国家迫切需要一批能满足国家和企业要求的高质量人才,一方面可以应用相关专业知识解决实际生产问题,另一方面,也要打破国外垄断、突破技术瓶颈,建立拥有自主知识产权的先进化工装备。过程强化理论与技术是化学工业中一个快速发展的重要研究方向,目前已经在诸多领域中得到了广泛应用。而化学反应过程涉及一系列复杂的非线性动力学知识,这就要求学生掌握牢固的理论基础,而另一方面,培养单位也需要瞄准国家重大战略需求开展相关研究生培养工作,例如各种新兴技术的工业化、产业化和市场化等。建设和发展与生产实践相适应的教学内容及课程体系,是教学改革的重要发展方向。本文提出以化工过程强化理论与装备研发相结合的教学理念,形成产教融合的发展模式,助力培养高层次化工人才的工程意识、创新能力和战略思维。

纳米气泡浮选过程强化研究进展

浮选是低品质矿及煤分选提质的有效手段,其中微细粒浮选难题突出,而纳米气泡则是解决该难题的重要途径,但关于纳米气泡浮选过程强化的诸多基础科学问题仍未解决。为促进微细粒纳米气泡浮选过程强化技术的开发,重点围绕浮选过程中纳米气泡的界面选择性成核动力学、界面纳米气泡超常稳定性机理及纳米气泡强化颗粒-气泡捕获效率微观作用机制等三个关键科学问题,介绍了笔者团队在纳米气泡浮选过程强化方向的最新研究进展。研究结果表明:纳米气泡的选择性成核是纳米气泡浮选过程强化的关键,而纳米气泡的稳定性则是纳米气泡浮选过程强化的前提;纳米气泡浮选过程强化的机制主要包括促进颗粒絮团与缩短诱导时间,其内在作用机制来自纳米气泡长程疏水引力与边界滑移的协同作用。笔者团队的研究阐明了纳米气泡固-液界面选择性成核的能量作用机制,提出了基于界面高密度气层自动补偿的界面纳米气泡稳定性机理,建立了微纳力学-边界滑移协同驱动的纳米气泡强化浮选界面作用机制,进一步丰富发展了现代浮选基础理论,为开发微细粒纳米气泡浮选过程强化技术提供了一定的指导。

相平衡关系在《化工原理》单元过程强化中的应用

相平衡条件是传质过程的热力学极限,借此可以确定分离级数、液气比等操作参数,设计和优化分离工艺,探索体系极限。本文列举了蒸馏、吸收、萃取单元操作中相平衡的内容,说明通过改变温度、压力、浓度或增加促进剂可以改善相平衡,调整传质过程的控制步骤,从而对化工过程实现精准设计和调控,是过程强化的重要手段。对于这些能源密集型单元过程,相平衡模型的准确预测或模拟是高效分离或纯化、减少能耗和原料损失的必要保障。

泡沫分馏技术的过程强化策略及其在食品工业中的应用研究进展

泡沫分馏是一项绿色、经济的初级分离技术,在食品工业领域具有良好的应用前景。然而,由于操作参数对界面吸附和泡沫排液具有截然相反的影响,泡沫分馏间歇操作很难同时获得较高的富集比和回收率。为了解决这一难题,研究者们开发了多种泡沫分馏过程强化策略。本文首先对近年来界面吸附和泡沫排液过程强化的相关研究进行概括总结,并分析了各种方法的优缺点。随后,综述了泡沫分馏在蛋白质、酶类、皂苷、多酚类物质和生物防腐剂的分离中的研究进展。基于文献梳理和问题分析,未来可开展以下三方面研究以促进泡沫分馏的工业应用:开发能够同时强化界面吸附和泡沫排液的新方法;开发能够特异结合非表面活性物质且可重复使用的新型捕收剂;抑制解吸过程中的蛋白质变性。

结构催化剂耦合反应精馏的化工过程强化技术在化工分离工程实验教学中的设计与探索

设计了一个结构催化剂耦合反应精馏技术一步合成乙酸环己酯同时利用精馏过程分离环己烯/环己烷的化工分离工程专业实验。首先,采用浸渍涂敷法合成高效稳定的Nafion-SiO_(2)/SS-fiber结构催化剂。然后,对结构催化剂的物理化学性质进行表征。最后,通过单因素实验和响应面优化分析反应精馏工艺参数对催化剂性能的影响。本实验的开展有助于学生理解和掌握精馏章节的相关理论知识和技术工艺,能够帮助学生正确使用精馏装置,理解精馏计算的基本原理。化工过程强化等化工前沿技术融入化工分离工程实验教学将有助于培养学生的科研素养,拓宽学生知识创新视野。

超重力过程强化技术制备片状MFI分子筛及其催化性能

使用超重力过程强化技术合成了片状MFI分子筛,并将其应用于烯烃催化裂解(OCC)反应中。研究了进料方式、循环时间、晶化时间、晶化温度等超重力过程参数对片状MFI分子筛合成的影响。实验结果表明,采用等比例进料方式、增加混合液在超重力反应器中的混合循环时间,可有效提高试样的颗粒均匀性;超重力过程强化可明显加快分子筛的结晶生长,降低粒径大小;超重力可促进原料母液在结晶之前快速均匀混合,使得成核、结晶在均匀的环境中进行,进而影响硅源、铝源重排及结晶过程,得到晶粒粒度可控、粒径分布窄且具有较高结晶度的纳米颗粒;使用超重力过程强化技术制备的片状分子筛具有较小的粒径,较强的红外特征峰,较高的酸量,用于OCC反应中表现出较高的转化率及稳定性,具有优异的催化性能。

溶液结晶过程强化

溶液结晶是化学工业中最重要的产品分离、纯化和功能化技术之一,广泛应用于医药、食品、精细化工等领域。溶液结晶中晶体的成核和生长过程将决定最终晶体产品的晶型、晶习、粒度、纯度等关键质量指标。因此,对溶液结晶过程,尤其是晶体成核和生长过程进行强化既有利于提高过程效率,也有助于满足晶体产品不同的性能需求。本文围绕晶体成核和生长强化这一关键问题,从受限空间、物理场、添加剂和模板剂等方面系统综述了溶液结晶中的过程强化策略。探讨了各种过程强化策略的优点和局限性,并总结了溶液结晶过程强化策略的主要研究重点和发展前景。

汽油中大分子硫醇催化转化反应过程强化

选择性脱除加氢后催化裂化汽油中的大分子硫醇硫,是低成本高效生产国六清洁汽油的有效方法。采用孔饱和浸渍法制备孔径不同的CoMo/Al2O3加氢催化剂,破碎至不同粒径后,对其进行硫化处理;在固定床反应器中分别使用模拟催化裂化汽油和加氢后催化裂化真实汽油进行评价,并考察工艺条件对催化剂脱除大分子硫醇的反应效果,采用原位吸附反应过程强化方法,强化大分子硫醇的选择性脱除。结果表明:加氢后催化裂化汽油中的硫醇是汽油中烯烃与硫化氢化合生成的大分子硫醇,种类多,每一种硫醇的含量低;再生成硫醇的脱除反应在低温下受传质限制,硫化氢与烯烃再生成硫醇的化学反应达到热力学平衡,依靠目前MoS2类催化剂无法高效脱除,通过减小催化剂粒径和增大催化剂孔径的手段可有效减弱硫醇脱除反应的扩散限制,提高催化剂硫醇脱除效果,同时通过原位吸附反应过程强化方法将硫醇脱除反应过程中生成的硫化氢移出反应区,避免硫化氢与烯烃再结合反应发生,可以在反应温度160℃、体积空速4h−1、反应压力0.3MPa、氢油体积比10的缓和条件下高效脱除大分子硫醇,低成本生产清洁汽油。

基于最优周期bang-bang控制的乙醇生产过程强化

随着纤维素预处理和酶水解技术的突破,发酵过程已成为制约乙醇生产的主要因素。本文从乙醇发酵的简化模型出发,分析了半连续发酵过程的稳定性以及在乙醇抑制条件下系统的失稳条件。基于最优周期控制理论,探讨了周期操作开关生产的最优准则,以及恒化器模型采用周期操控实现过程强化的最优化方案。结果表明:对于具有Monod生长函数的经典恒化器系统,周期性的bang-bang控制(在本文中指控制输出补料操作的开启及关闭)可获得较稳态操作更优的基质转化率。

过程强化技术在化工中的应用研究进展

在化学工业中,过程强化技术是通过采用新装备和新方法显著提升传递或反应过程速率的技术。它能够发挥催化剂、工艺、装备等的全部潜能,使化工设备体积更小、化学反应速度更快,安全性更高,成本更低。本文从新材料(介质)强化、外场协同强化、核心反应器强化、系统耦合强化等方面综述了典型化工过程强化技术的原理及应用,以期促进化学工业向节能、环保、高效、绿色发展模式转变。

超重力过程强化技术在偏氯乙烯皂化工艺中的研究与应用

介绍了超重力过程强化技术在偏氯乙烯皂化工艺中的开发与应用。通过超重力工程技术基本原理制备VDC超重力反应器,在超重力反应器作用下,分析比较不同生产负荷下的偏氯乙烯皂化运行数据,其应用结果表明各项工艺运行控制指标达到要求,产能增加两三倍,具有很好的经济效益和社会效益。

粗颗粒浮选过程强化研究进展及展望

粗颗粒浮选不仅能够有效拓宽浮选粒度上限、减少碎磨能耗,而且对建设绿色矿山和提高资源利用率具有重要意义。目前,针对粗颗粒浮选过程强化,国内外学者做了大量相关研究并取得了显著成果。从粗颗粒的难浮机理出发,重点综述了当前粗颗粒浮选过程强化技术新进展,并分析了不同分选技术的作用机理、优势与不足,以期为粗颗粒浮选实践提供理论指导与技术借鉴。浮选矿浆的高紊流环境是造成粗颗粒难浮的根本原因,基于此,为了降低粗颗粒紊流效应,更多研究聚焦于高效粗颗粒浮选装备开发,如矿冶科技集团有限公司研制的CLF粗粒浮选机和美国Eriez公司设计的流态化浮选设备——水力浮选机。最后提出了未来粗颗粒浮选技术的新发展方向,主要包括低紊流高相含率的浮选环境下浓相流态化浮选机理、大型流态化浮选智能装备开发以及由此带来的新型浮选工艺开发设计。

乙烯丙烯生产过程强化技术进展及思考

归纳提炼了乙烯丙烯行业现状、发展趋势以及化工过程强化内涵,深入分析了外场协同强化、核心反应器/设备强化、系统耦合强化和新材料(介质)强化在乙烯丙烯生产过程中的最新关键进展及趋势,研究提出了包括加快成熟/近成熟过程强化技术在重点生产流程中的试点与推广,推进研发颠覆性、平台性过程强化技术,重视耦合工艺技术对乙烯丙烯生产过程中的整体优化,以及发挥先进信息化技术对于乙烯丙烯生产过程的加速作用等在内的四点关于过程强化技术在中国石化行业中乙烯丙烯生产过程的发展建议,为制定我国石化行业烯烃产业链过程强化技术发展战略提供重要参考。

基于撞击流调控的煤泥水混合过程强化研究

煤泥水中一般含有大量高分散性悬浮颗粒,固液分离难度大。通过调控湍流来强化流体混合和颗粒碰撞是实现固液分离的有效途径。颗粒碰撞絮凝大多发生在湍流环境中,细微颗粒的运动受湍流最小涡尺度影响较大。研究借助撞击流对湍流涡进行调控以强化两种不同密度悬浮液混合及悬浮液中细微颗粒的碰撞。利用两种不同的解算模型对混料桶中悬浮液混合状况及颗粒的分布进行了三维仿真,进入混料桶的水相被视为连续相,固体颗粒被视为连续相(悬浮液)或二次离散相(颗粒),分析了不同入料密度下不同流速比对混料桶内湍流特征参数及颗粒分布的影响。结果表明:相互垂直碰撞的射流形成的撞击流可诱导产生发卡涡、展向涡和轴向涡等湍流宏观涡。颗粒在湍流宏观涡中移动的速度顺序为:大粒度大密度>大粒度小密度>小粒度大密度>小粒度小密度。涡-涡之间、涡-主流之间的交互作用显著提高湍流动能、降低涡尺度,最终形成的最小尺度涡有利于颗粒聚集碰撞;混料桶内流场中产生的最小涡尺度主要以小于平均最小涡尺度的涡为主。上-侧入料流速比v_(up)∶v_(side)从1.258∶1.87增大至1.882∶1.258,最小涡尺度呈现增大趋势,与入料密度无关。当流速比相近,仅流速增大时,最小涡尺度减小。适当增大上-侧入料流速比有助于流体混合及颗粒聚集碰撞,且上-侧入料流速比在1.40~1.50时,混合密度、表观黏度、颗粒聚集均达到最优效果。此外,在同一流速比时,上入料口入料密度大于侧入料口入料密度的情况下,混合均匀性和混合强度均优于上入料口入料密度小于侧入料口入料密度的情况,更有利于流体混合及颗粒碰撞。研究通过对流体水力条件的调控促进混料桶中煤泥水混合及细微颗粒凝聚,为液液混合和固液分离过程强化方式提供了一种新的思路。

微流控等离子体:新型过程强化技术

作为一种新型高效的过程强化技术,微流控等离子体具备微流控及等离子体技术优势,能够提高反应过程的均一性及稳定性,控制反应接触界面,在增加活性物质的密度的同时避免物种的快速猝灭。介绍了微流控等离子体中的活性组分及相应的表征手段,归纳了几种反应器结构并对比了优缺点。系统阐述了微流控等离子体过程强化技术在化学合成、表面改性、材料制备、污染物检测和生物医学领域中的应用,并立足于当前研究现状对该技术的发展趋势进行讨论与展望。

化工过程强化的研究进展

化工过程强化是实现可持续发展的重点项目之一,本文分别介绍了化工过程强化的技术,包括膜技术、非传统过程、脉动燃烧干燥技术、连续床色谱技术、整体催化技术和信息技术;化工过程强化的设备,主要有超重力旋转填料床、多功能反应器、静态混合反应器、微反应器和膜反应器等;以及化工过程强化目前存在的一些问题。

工业酶催化剂构建与反应过程强化新技术

酶催化由于温和条件下的高选择性推动了化学工业可持续发展。然而,稳定性差和催化反应类型匮乏是天然酶在实际工业应用中面临的两大关键挑战。近年来,随着化工、生物、化学和材料等领域的深度融合,开发高稳定、高重复使用性的固定化酶和构建拓展催化反应类型的酶金属复合催化剂,分别为解决酶催化实际工业应用中稳定性差和催化反应类型受限的问题提供了新的方案。本文主要综述近年来在构建固定化酶和酶金属复合催化剂领域取得的一些进展,重点介绍酶纳米凝胶、酶无机纳米晶体复合物和酶金属复合催化剂方面的研究进展,并探讨该领域在未来发展中所面临的问题与挑战。

蒸馏过程强化技术研究进展

蒸馏过程强化技术作为我国现代化学工业发展的重要研究领域,是过程强化概念在化学工业成功应用的典范之一。随着近些年的发展,蒸馏过程强化技术的研究已形成了一套较完整的体系,但也出现了一系列新的难题与挑战。为此,本文针对混合物相对挥发度与气液传质两个蒸馏过程强化的基础理论本质问题,以基础理论创新、关键技术突破和关键装备研究进展为主线,从强化原理、研究进展、工业应用及发展3方面系统介绍共沸蒸馏、萃取蒸馏、反应蒸馏这3类典型的引入质量分离剂强化的蒸馏过程及其耦合技术;微波、超重力场等典型外场作用下的引入能量分离剂强化的蒸馏过程,并系统介绍以新型塔内件及新型塔结构为切入点的基于先进设备强化的蒸馏过程,为迎接这一领域新的难题和挑战提供新思路。

超临界流体技术与化工过程强化

化工过程强化是通过减小设备体积、简化工艺或提高设备生产能力达到提高效率、减少废弃物的排放、降低成本、降低物耗等的目的。与传统方法相比,超临界流体技术作为一种新兴的技术提高了效率、简化了工艺、节约了材料、无二次污染,达到了过程强化的目的。介绍了超临界流体技术的优势,从而得到过程强化的效果。

微纳介尺度气液反应过程强化

阐述了微纳介尺度气液反应过程强化的研究背景,分析了该领域面临的微纳介区域中介质分散机制的关键科学问题及研究思路。以超重力反应器、膜反应器为例,介绍了我国在气液反应过程强化方面的基础研究以及潜在的工业应用,并提出了未来的发展方向。