微化工精馏分离技术研究进展

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。

基于人工神经网络的工质基础物性预测

烃类及卤代烃是制冷及余热发电等热力学循环系统潜在的理想工质,但其数量繁多且多数物性参数未知,建立准确的物性预测模型对新型工质的开发至关重要。从多个公开数据库中收集了2500多种烃类及卤代烃分子(含C,H,F,Cl)的基础物性参数,包括正常沸点(T_(b))、临界温度(T_(c))、临界压力(p_(c))、偏心因子(ω),构建了一个工质物性数据库;进一步,通过改进基团贡献-人工神经网络(GC-ANN)的方法,模型的输入参数除基团频率外,还加入相对分子质量、T_(b)、约化维纳指数,建立了预测烃类及卤代烃分子T_(b),T_(c),p_(c),ω的神经网络模型,所开发模型的预测误差小于传统的GC-ANN的误差。

镍催化可控/活性自由基聚合反应研究进展

可控/活性自由基聚合是近年来发展的温和、聚合反应进程可控、分子结构可设计性强的自由基聚合反应技术,其核心在于活性自由基中间体与催化剂/链转移剂的可逆活化/失活过程,常用于极性单体聚合制备结构多样的有机高分子材料。镍催化剂具有多变的中心金属价态及多样的聚合反应机理,在可控/活性自由基聚合领域存在独特的优势。对近年来原子转移自由基聚合(ATRP)和有机金属控制的活性自由基聚合(OMRP)中的镍催化剂结构、聚合反应机理、反应行为和产物结构特征进行了综述,并对镍催化的可控/活性自由基聚合未来发展方向和应用前景进行了展望。

图神经网络预测烃类工质的热力学性质

有机朗肯循环(ORC)因其低温热电转换的能力而备受关注,寻找高效环保工质,以代替具有较高全球变暖潜能值(GWP)的氢氯氟烃(HCFC)和氢氟烃(HFC),是推动ORC应用的重要任务之一。构建一个基于图神经网络(GNN)的ORC烃类工质热力学性质预测模型,通过图神经网络学习分子结构的特征,并将分子结构信息与温度结合,利用多层感知机(MLP)构建热力学性质预测模型。模型基于2508种C_(2)~C_(10)的链状烃、环烃和芳香烃分子构建训练集,所得模型在预测临界温度、蒸发焓、气相摩尔热容和液相摩尔热容上均取得良好效果,优于文献的预测效果。此外,应用所得模型预测了超43万个氢氟烯烃(HFO)的热力学性质。

烷基铝氧烷合成技术研究进展

基于传统釜式反应器的烷基铝氧烷生产技术仍存在过程危险、控制难、收率低、经济性差等问题,首先回顾了传统烷基铝水解路线中将水以不同方式引入反应体系的过程,重点介绍了应用3D打印和流动化学技术的烷基铝氧烷合成系统设计,包括甲基铝氧烷(MAO)与异丁基铝氧烷(IBAO)合成、产物在线监测、反应焓测定以及改性甲基铝氧烷(MMAO)合成。流动化学系统将水以单分散微水滴的形式引入反应体系,提高了反应的传热、传质性能,实现了烷基铝氧烷的小型化、连续化、安全化生产,产品收率高,其助催化活性均达到或超过市售产品水平,并可通过微反应器放大技术进一步扩大生产能力。流动化学合成烷基铝氧烷的技术具有广阔应用前景,也为其他快速、强放热、多相反应提供了解决方案。

初生态聚乙烯聚集态结构调控研究进展

聚集态结构是实现聚乙烯高性能化的关键因素之一,本文从初生态聚乙烯聚集态结构设计出发,针对初生态超高分子量聚乙烯(UHMWPE)普遍存在的缠结过多、黏度过大、加工成型困难等问题,综述了初生态聚乙烯链缠结的表征方法、调控手段及其在聚乙烯产品高性能化中的作用等研究进展。重点从催化剂结构设计和聚合工艺设计两方面介绍了初生态聚乙烯链缠结的调控方法,提出在催化剂表面增大活性链生长间距(空间尺度)和聚合过程中引入“纳微气泡辅助的活性链休眠工艺”强化链结晶速率(时间尺度),缩小“链增长-链结晶”的“剪刀差”。上述两种调控方法为满足工业苛刻的生产要求基础上,实现低缠结聚乙烯的高效制备提供了理论指导。

喷嘴结构对射流鼓泡反应器混合和传质性能的影响

喷嘴结构对射流鼓泡反应器的混合和传质性能具有重要的影响。以空气-水作为模拟介质,使用双探头电导探针、电解质示踪法和动态溶氧法,对比研究了缩径式圆形喷嘴和旋扭三角形喷嘴对射流鼓泡反应器中气泡尺寸分布、平均气含率、液相混合时间和气液传质系数的影响规律。实验发现,随着气速或液体射流Reynolds数的增大,两种喷嘴对应的平均气含率、液相混合时间和气液传质系数具有相同的变化规律;与缩径式圆形喷嘴相比,采用旋扭三角形喷嘴的射流鼓泡反应器中气泡尺寸更小,平均气含率更高,宏观混合时间更短;当气体输入功占总输入功比例超过20%时,喷嘴结构对气液传质系数的影响较小,当气体输入功占总输入功比例小于20%时,旋扭三角形喷嘴的气液传质性能优于缩径式圆形喷嘴。研究结果可为工业射流鼓泡反应器喷嘴结构的优化提供理论指导。

聚乙烯颗粒间范德华力的原子力显微镜测量

聚乙烯颗粒团聚结块问题是影响乙烯聚合流化床反应器稳定运行的技术难题。以高密度聚乙烯(HDPE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)为研究对象,采用原子力显微镜和胶体探针,测量了聚乙烯颗粒之间的范德华力并与模型计算值进行了比较。在本研究实验条件下,HDPE颗粒间范德华力和LLDPE颗粒间范德华力为9.70~17.77 nN,处于同一数量级,但数值略有差异。聚乙烯颗粒间范德华力与颗粒表面粗糙度及粒径相关,表面粗糙度的影响更大。根据实验结果对范德华力计算公式中的Hamaker常数进行修正,计算得到的范德华力随颗粒间距离变化的趋势与实验结果吻合较好。研究结果可为乙烯聚合流化床反应器中颗粒团聚调控提供基础数据。

液-液喷射混合装置微观混合特性的研究进展

液-液喷射混合装置具有优异的微观混合特性,特别适用于液-液快反应体系。在研究不同液-液喷射混合装置的微观混合特性时,选取合适的研究方法和定量指标非常关键。本文对比分析了液-液喷射混合装置中常用的微观混合特性研究方法(化学探针法、激光诱导荧光技术和计算流体力学方法),包括其优缺点、适用范围、选用原则和应用要点,并总结了表征微观混合特性的定量指标。其次,对液-液喷射混合装置进行了系统性的分类,分别介绍了不同液-液喷射混合装置中微观混合特性的影响因素和研究进展,后者主要包括3种研究方法在研究微观混合机理、微观混合特性时间、微观混合过程强化和装置结构优化等方面的进展。最后总结了罐中喷射混合装置和管状喷射混合装置微观混合特性研究存在的不足和后续研究方向。

基于产学研联合创新的化工人才培养路径探索与实践——以联合化学反应工程研究所为例

创新型化工人才培养能够有效推动我国石化产业的持续创新与发展,为实现我国化学工程技术的跨越式发展提供了人才支撑。文章梳理了当前我国化工人才培养中的培养目标与行业需求存在差距、知识体系和教学方式有待改进、科教产教融合度有待提升等问题,并以浙江大学、华东理工大学与中国石化联合设立的联合化学反应工程研究所为例,介绍了基于产学研联合创新的化工人才培养模式和实践路径,总结了培养成效和经验,以期为高校化工人才培养提供参考。

基于停留时间分布的缠绕管内二次流研究

缠绕管内二次流能够显著强化管内传质、传热性能。通过测量缠绕管内液体的停留时间分布,利用无量纲方差σ2表征二次流强度,研究了缠绕直径、缠绕角度、缠绕管管径等结构参数对二次流的影响。结果表明:在径向流动未达到极限迁移距离的缠绕管中,随着液体Reynolds数Re的增大,σ2先减小后增大,对应缠绕管内依次出现的湍流作用区和二次流作用区;在径向流动达到极限迁移距离的缠绕管中,随着Re的增大,σ2先减小后增大最后趋于平稳,对应缠绕管内依次出现的湍流作用区、二次流作用区和二次流极限区。从湍流作用区转变为二次流作用区的临界Reynolds数ReS随缠绕管缠绕直径和管径的减小而减小,缠绕角度对ReS的影响较小。

外加电场对静电流化床中颗粒运动与床层粘壁的调控机制

对流化床反应器中的颗粒运动行为进行调控可达到强化反应器性能的目的。通过冷模实验研究了直流/交流电场对静电流化床中颗粒运动的影响规律与影响机制,建立了通过外加电场调控静电流化床中床层粘壁的方法。结果表明,在低场强条件下,库仑力主导外加直流电场对颗粒运动的影响,由床层壁面指向床层中心的外加直流电场使得颗粒运动强度和轴向颗粒运动分率降低,而由床层中心指向床层壁面的外加直流电场则作用相反;在高场强条件下,极化力主导外加直流电场对颗粒运动的影响,使得颗粒运动强度减弱。在外加交流电场中,无库仑力存在时,极化力仍在高电场强度下使得颗粒运动强度减弱,但当库仑力存在时,电场强度和方向的周期性改变使得颗粒发生周期性摆动,颗粒运动强度增强。在本文的实验条件下,外加交流电场是一种控制床层粘壁的良好方法。2.5 kV/cm、50 Hz的正弦交流电场使得床层粘壁下降76%。研究结果可为聚烯烃流化床反应器的安全运行和过程强化提供指导。

基于深度学习的气液固三相反应器图像分析方法及应用

气液固三相反应器中复杂的颗粒背景给流动参数的图像检测带来巨大挑战。发展了一种基于深度学习的气液固三相反应器图像分析方法,包括采集图像、制作训练集、建立图像识别模型和提取流动参数四个步骤。采用全卷积神经网络,在学习率为0.005、训练次数为2000次、训练集大小超过400张图像的条件下,图像识别误差小于5%。利用该方法可以获取三相反应器中局部相含率(气相分数和液相分数)及其空间分布、时间序列等信息,再采用时域分析、频率分析、小波分析等分析方法提取二次参数,可用于流型识别、压降预测和气液分布的均匀性判别等。将该方法用于涓流床中流动参数的检测,结果表明,局部液相分数的时间序列信号及其功率谱、概率密度分布均能清晰地区分涓流、脉冲流、鼓泡流等典型流型;时间序列信号的均值、标准差、极差和概率密度分布曲线半峰宽等特征参数可用于确定流型边界;平均液相分数可以用于预测涓流区的压降,计算值与实验测量值的平均相对偏差约为15%;液相分数空间分布的标准差可用于表征涓流床中不同流型的气液分布均匀性。该方法为气液固三相反应器的研究提供了新的工具。

颗粒黏度模型对采用欧拉多相流模型模拟超密相颗粒流动行为的影响

颗粒黏度是欧拉多相流模型计算固体流动的重要参数之一,其数值大小依赖于摩擦压力和径向分布函数。通过与实验值对比,评估了常用的摩擦压力模型(Based、Johnson)和径向分布函数模型(Lun、Syamlal O’Brien)对密相颗粒流动体系的预测能力。模拟结果表明,Johnson模型的固体体积分数预测值低于Based模型;SyamlalO’Brien模型固体流率的预测值远大于Lun模型。采用根据实验结果修正的欧根系数后,Based-Lun、Johnson-Lun和Johnson-SO模型组合预测的平均压降相对误差分别由68.6%、73.3%和78.2%降低至13.2%、29.7%和42.3%。综合考虑压降、固体出口质量流率、固体体积分数、壁面区域固体速度的模拟结果与实验值的偏差,发现Based-Lun模型组合的平均预测误差最小,适用于气固移动床的欧拉多相流模拟。研究还发现,欧根系数与内摩擦角对固体速度与压降有着显著的影响,而临界固含率对固体速度与压降的影响较小。

射流鼓泡反应器内气液分散状态检测

射流鼓泡反应器内随着射流速度的增大,先后经历气泛、载气和完全分散三种气液分散状态。本文在射流鼓泡反应器实验装置中,利用Pavlov管测量气体分布器上方壁面附近的液速波动信号,发现液速标准差和时均液速随射流速度的增大均依次出现第一平稳段、上升段、下降段和第二平稳段,其中,第一平稳段对应气泛状态,上升和下降段对应载气状态,第二平稳段对应完全分散状态。据此提出了临界射流速度的判断准则:第一平稳段与快速上升段的交点对应的射流速度为泛点射流速度ujf,下降段与第二平稳段的交点对应的射流速度为完全分散射流速度ujcd。与目测法相比,液速标准差分析得到的ujf的平均相对偏差为5.82%,ujcd的平均相对偏差为18.2%;时均液速分析得到的ujf的平均相对偏差为5.86%,ujcd的平均相对偏差为12.1%。研究还发现泛点射流速度随表观气速的增大而增大。

基于静电分选解析聚乙烯颗粒生长与形貌演变

解析聚烯烃颗粒生长过程的形貌演变规律对认识聚合反应机理和调控产品性能至关重要。然而,聚烯烃复杂的颗粒生长行为导致极宽的粒径分布和较大的形貌差异,现有研究关注形貌均一的催化剂破碎生长成初级聚烯烃的过程,缺少对形貌各异的初级聚烯烃后续生长和形貌演化的系统研究。此外,亟需一种能够批量分选不同形貌聚烯烃的手段,支撑聚烯烃颗粒生长形貌的统计解析。基于同质同粒径颗粒摩擦荷电的形貌依赖性,开发了聚烯烃颗粒静电-形貌协同分选技术,实现了尺寸相近的不同形貌聚烯烃颗粒的批量分选,并基于此考察了聚乙烯颗粒生长过程中形貌的分化与演变规律。结果显示,聚乙烯颗粒生长过程中存在普遍的形貌劣化现象,随着粒径增大,颗粒形貌逐渐偏离标准球形;颗粒粒径、形貌、结晶度等的耦合解析表明聚乙烯颗粒存在两种可能的颗粒生长模式和形貌劣化路径:结晶速率过快导致的颗粒破碎和催化剂形貌复制效应导致的形貌劣化。研究方法和结果可为聚烯烃形貌研究和开发高性能聚烯烃催化剂提供重要支撑。

双膨胀自深冷分离技术在环管淤浆法聚乙烯装置尾气回收中的应用

淤浆法聚乙烯装置中尾气的高效回收具有重要的经济价值。在分析现有工艺回收系统的不足之处后,为有效提高烃类及氮气回收率、回收浓度,降低运行能耗,设计了双膨胀自深冷分离回收系统。通过模拟计算可知,乙烯和异丁烷回收率分别能达到99.34%和99.99%,回收氮气中的氮气纯度为96.3%,并且压缩机能耗至少可降低46%。双膨胀自深冷分离的应用极大地提高了烃类回收率,减少了物料的损耗,并且降低了运行能耗,是一种极具发展前景的排放气回收技术。

气液法流化床乙烯云聚合工艺开发及产品高性能化

随着国内聚烯烃产量的不断增加,聚烯烃通用料市场竞争加剧,开发新型高性能聚烯烃产品至关重要。针对气液法流化床乙烯云聚合工艺的构建以及聚乙烯产品高性能化,在气液法流化床所包含的典型介尺度结构实验和理论研究基础上,明确聚合反应条件,优化气液法流化床进料系统,最终应用于气液法流化床乙烯云聚合工艺的开发。通过对工业试验产品的分子链结构的表征分析,证明云聚合工艺是生产高性能聚乙烯产品的全新成功途径。

钒磷氧催化剂在水蒸气/空气/氮气活化气氛下的演变规律

钒磷氧(VPO)催化剂的活化过程对催化剂的正丁烷转化率、顺酐选择性具有重要影响,目前对非原位活化过程中活化条件对催化剂结构性能的影响还所知甚少。研究了非原位活化过程中水蒸气体积分数、空气体积分数、活化温度及活化时间对催化剂性能的影响规律。结合XRD、SEM、BET和XPS等表征手段研究了水蒸气对催化剂结构的影响,证明了水蒸气/空气/氮气(H_(2)O/Air/N_(2))活化气氛中水蒸气对VPO催化剂中(VO)_(2)P_( 2)O _(7)晶体的形成及V^(4+)氧化为V^(5+)的促进作用。根据不同活化时间催化剂的XRD和Raman分析结果,提出了H_(2)O/Air/N_(2)活化气氛下VPO催化剂的晶相演变过程。最后,提出了一种获取高稳态性能VPO催化剂的非原位活化方法,正丁烷氧化生成顺酐的长周期考评结果表明,该方法活化的催化剂稳态性能达到了与原位活化催化剂相同的水平,而活化时间由原位活化的超过100 h缩短至10 h。

面向CO2分离的膜-深冷耦合过程优化

二氧化碳的分离与纯化是当前的研究热点,而随着环保要求的提高,传统单一的分离手段难以满足行业要求,多种分离方法的集成逐渐得到研究者的重视。以整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)流程中二氧化碳的分离与回收环节为例,在流程模拟的基础上,拟合出该体系状态方程的多项式形式。进一步,构建耦合膜-闪蒸超结构数学模型,在设定最低产物纯度和回收率的情况下,以最小化年度费用为目标,筛选出最优的分离序列。