新型多格室粪便堆肥反应器设计与试验

针对常规粪便堆肥反应器进料自动化程度不高、堆肥效率低和产物质量差的问题,设计并构建出一种“连续进料—反应—出料”运行模式的新型多格室粪便堆肥反应器。对反应器的通风单元、加热单元进行优化设计,并以厕所粪便为处理对象,进行反应器运行性能试验。试验结果表明,经反应器堆肥处理后,粪便臭味减弱、颜色由棕黄色变为棕褐色,堆料高温期(≥50℃)维持在6 d以上,反应器不同运行阶段堆肥产品的种子发芽指数分别为104%、81%和128%,表明堆肥成品已实现完全腐熟和无害化。堆肥产品总养分、有机质和种子发芽指数均达到相关要求。

热化学硫碘制氢系统中硫酸分解反应器的换热性能

硫酸分解反应器作为热化学硫碘制氢系统中的重要设备,其换热需要匹配系统的产氢量换热需求。为研究硫酸分解反应器不同结构对换热的影响,使反应器的换热满足系统需求,同时满足制造工艺的限制。通过试验对硫酸分解反应进行反应动力学参数标定并建立反应动力学模型,用gPROMS软件对反应器进行仿真,得到反应器内的压力、温度、流量和各组分浓度等参数。结果表明:反应器总长度不变,调整预热段和反应段长度比或提高填充颗粒热导率无法提升总转化率。反应器增加预热段长度可显著增加总转化率,关键原因是预热段长度决定了反应器内温度能否达到SO3分解反应所需最佳温度850℃。减小反应器直径并不能增加总转化率,虽然反应器的直径减小有利于传热,但由于整体入口流量不变,流体流速显著提高,减少了反应物的停留时间,同时还会显著增加反应器流阻。采用套筒环腔内、外加热结构作为反应器预热段可有效提高总转化率。采用内外同时加热时,增加了换热面积,有利于缩短预热段长度,预热段长度仅需900 mm左右反应器出口温度即可达到850℃,得到了符合要求的反应器结构设计。

卧式单轴捏合反应器结构对流体流动与混合特性的影响

为进一步分析卧式单轴捏合反应器内流体流动与混合特性,采用有限元方法与粒子示踪技术,通过数值模拟方法研究了高黏牛顿流体在不同结构卧式单轴捏合反应器内的流动与混合过程。首先,采用有限元方法对不同结构反应器内流体流动过程进行模拟,以分析反应器结构变化对流体速度分布、剪切速率分布和混合指数分布的影响规律;然后,采用粒子示踪技术对不同结构反应器内流体混合过程进行分析,以探究反应器结构变化对流体分布混合过程、拉伸率及混合效率的影响规律。结果表明:分布混合的实验结果与数值模拟结果吻合较好;高速度、高剪切区域的面积随捏合杆侧边长度的增加而增大;反应器内混合指数分布大于0.7所占的比例,随静态捏合杆数目和捏合杆侧边长度的增加而先增大后减小;增加静态捏合杆数目有利于强化分布混合过程;平均对数拉伸率随静态捏合杆数目和捏合杆侧边长度的增加而增大;平均时均混合效率随静态捏合杆数目的增加而先增大后减小,随捏合杆侧边长度的增加而增大。该研究得到的反应器结构变化对流体流动与混合特性的影响规律,可为卧式单轴捏合反应器的优化设计提供理论指导。

基于机器学习的CO_(2)催化加氢制航空煤油筒式反应器数学模拟分析与优化

借助Fe基催化剂,CO_(2)通过加氢反应可成功转化为高附加值的航空煤油,具有很好的工业应用潜力。目前缺少准确适宜的CO_(2)加氢合成航空煤油的反应器模型,因此亟需对其反应模型进行构建,为相关工艺的工业化提供参考。通过机器学习探究实验条件和关键组分CO和CO_(2)物质的量分数关系,构建了关键组分CO和CO_(2)预测模型;基于Anderson-Schulz-Flory分布规律,构建了碳链增长模型,进一步构建了产物分布模型;基于催化床层物料衡算、热量衡算和压降计算,建立了筒式固定床反应器的一维拟均相模型;通过模拟一定工艺条件得到了CO_(2)加氢合成航空煤油的反应结果,并对工艺条件进行了模拟优化。模拟结果表明,反应器进口温度升高、空速增大,CO_(2)转化率降低,航空煤油集总组分C_(11)H_(24)时空产率增加;操作压力增大,CO_(2)转化率增加,C_(11)H_(24)时空产率在反应压力为2.0 MPa时最高;饱和沸腾水温度升高,CO_(2)转化率和C_(11)H_(24)时空产率增加。最佳CO_(2)加氢制航空煤油反应条件:反应器进口温度为275℃、进口压力为2.0 MPa、空速为4000 h-1和饱和沸腾水温度为294℃。此时CO_(2)转化率为21.95%,C_(11)H_(24)时空产率为12.14g/(L·h),床层压降为0.20MPa。

合成生物学表型测试生物反应器及其装备化研究进展

合成生物学经过多年的发展,形成了典型的细胞工厂创制“设计-构建-测试-学习”(design-build-testlearn,DBTL)循环,成为支撑面向加速生物制造发展的智慧生物育种的重要方法。其中,测试环节是对前期所设计与构建的生物体系进行表型测试,以提供大量数据用于后续的学习和迭代升级。测试阶段的通量主要依赖于细胞自身或其培养测试所使用的生物反应器及其装备,是整个DBTL流程的限速步骤。本文系统综述了合成生物学表型测试所开发的面向不同通量的生物反应器及装备,从单细胞检测和筛选及不同尺度生物反应器包括皮纳升级生物反应器、微升级生物反应器、毫升级生物反应器和升级生物反应器等,系统地介绍了各自的特点和应用场景。同时,指出了现有生物反应器及其装备的应用潜力、面临的挑战与发展趋势,为合成生物学表型测试技术研究提供重要参考。

低浓度甲烷热氧化流向变换反应器的动态行为及余热回收研究

废弃煤矿的低体积分数甲烷(1%-3%)通常被直接排放到大气中,但其较高的升温潜势带来了严重的环境问题。在流向变换反应器中直接热氧化甲烷是一种有吸引力的解决方案,但潜在的爆炸和不稳定燃烧等风险限制了其应用。阐明低含量甲烷在流向变换反应器中热氧化的动力学行为是开发工业级反应器的基础。为此,采用数值模拟的方法分析了低含量甲烷热氧化流向变换反应器的自热操作边界,深入研究了热空气导出量对流向变换反应器行为的影响。结果显示,甲烷体积分数超过0.2%即可实现自热操作;甲烷体积分数从0.5%提升至3.0%,最高床温仍维持在1200℃左右。当甲烷体积分数超过0.5%,可以回收部分热量;相同甲烷含量条件下,最高床温随着热气抽出量的增加而增加;随着甲烷体积分数从0.5%提升到3.0%,允许导出的热空气从12.5%几乎线性地增加到32%。进一步研究发现,以30-50 s的时间间隔反向流动可以确保甲烷的完全转化和床温稳定。上述结果表明,甲烷体积分数在1%-3%时,采用热氧化处理可以实现余热回收;此外,通过调整换向时间和热空气导出量可以实现床层温度控制。

加热温度对工业规模CeCl_(3)喷雾焙烧反应器影响的数值模拟

CeO_(2)颗粒由于具有优异的性能,市场对CeO_(2)颗粒的需求逐年增加。为探究使用在氧化铁颗粒工业化生产的Ruthner型喷淋焙烧反应器生产CeO_(2)颗粒的可能性,结合单液滴失重试验,使用ANSYS Fluent软件,分别探究550、650、750和850℃四种不同加热温度对反应器的影响。单液滴失重试验表明,氯化铈和氯化铁、氯化亚铁的热解过程基本一致,使用该型反应器制备CeO_(2)颗粒理论上可行。对小型工业反应器进行等比例建模,研究反应器内部化学反应的具体过程。结果表明,550℃是最合适的温度,对工业生产具有一定指导意义。

滚筒式堆肥反应器通风搅拌系统设计与试验

针对有机废弃物堆肥过程中物料溶氧效率低导致的堆体起温速率慢、发酵不彻底等问题,设计了一种高效堆肥通风搅拌系统,该系统由分段式通风系统和组合式搅拌装置构成,通过对两个主要装置进行理论设计和DEM-FEM耦合仿真,实现堆肥通风和搅拌工艺优化。结果显示,通风系统中的最大应力出现在通风管上,为13.064 MPa,最大形变量为0.038126 mm,搅拌装置中最大应力出现在抄板上,为190.31 MPa,最大形变量为0.34417 mm,符合设计要求。在此基础上,以食物垃圾和梧桐叶为原料,进行为期14 d的堆肥试验,监测堆肥过程中关键参数变化并测定发酵产物相关指标,完成通风搅拌系统性能验证试验。试验结果表明:使用该通风搅拌系统的滚筒式堆肥反应器,其内部堆体温度在3 d时达到53.34℃,堆肥过程中堆体最高温度可达69.56℃,堆体高温期(大于50℃)可持续6 d以上;试验结束后其产物含水率降至27.21%、pH值升至8.4、种子发芽指数最高可达131.4%,符合有机肥料测定标准(NY/T 525—2021),滚筒反应器运行成本仅65.51元/t。

采用温度梯度的干燥反应器H_(2)O穿透深度评估方法

针对空间站CO_(2)去除系统中干燥反应器对H_(2)O穿透深度缺乏直接评估手段的问题,提出利用干燥反应器内部温度传感器的温度梯度特性来间接评估的方法;根据硅胶材料吸附H_(2)O放热、脱附H_(2)O吸热的物理特性,结合温度传感器在干燥反应器中的深度位置,分析了不同边界条件下温度传感器数据曲线在吸附及解吸周期内的变化特性,提出反映干燥反应器H_(2)O穿透深度的指标集和评估方法;并对所提方法在系统的密闭舱试验中进行了验证,验证结果表明了指标集的合理性和所提方法的有效性。

基于温度原位监测的微反应器在HNS微流道制备过程中的应用

针对含能材料微流道制备过程中缺乏温度原位监测手段的问题,提出一种集成薄膜温度传感器的微反应器系统;微反应器由包含薄膜温度传感器的玻璃基片与包含微流道的硅基片键合组成;微流道的上游、中游、下游分别放置了3个温度传感器,以实现微反应过程中高空间分辨率的温度测量;基于该微反应器,搭建了六硝基茋(HNS)连续化微流道制备系统,实时监测了HNS微纳米化及球形化过程中的温度变化。结果表明,微反应器具有精度高、耐腐蚀、可观测的优点;HNS微纳米化是一个放热反应,流体最大温升为6.4℃,由于HNS的逐渐析出,流体中的固体含量增大,流速变慢,流体温度的分布发生变化;在HNS球形化过程中,两相流体的混合是一个放热过程,流体最大温升为2.3℃;微流道中游处的温度明显高于上游与下游,说明当液滴流动至中游时,HNS微球已经制备完成。

表面完整性对制氢反应器材料耐腐蚀性影响

为研究某制氢反应器用钢表面完整性对其耐腐蚀性的影响,基于制氢反应器所产生的酸性介质腐蚀工况,对某制氢反应器用钢开展静态腐蚀试验。分别分析了不同表面粗糙度、不同表面残余应力对某制氢反应器用钢腐蚀速率、腐蚀后表面粗糙度与拉伸性能衰退的影响规律,并从晶间应力等方面分析表面完整性对耐腐蚀性的影响。通过试验发现:粗糙度较大的试样随腐蚀时间增加腐蚀速率降低,当表面粗糙度Ra为0.05μm时试样腐蚀速率随腐蚀时间增加而增大;腐蚀后粗糙度较大的试样表面粗糙度增大,而较小的试样表面粗糙度减小;腐蚀后材料的力学性能出现随表面粗糙度先增大后减小的趋势;随试件表面残余应力增大,腐蚀速率出现先减小后增大的趋势;腐蚀后表面粗糙度随初始残余应力的增大而增大;当初始表面残余应力为-293 MPa时,试样腐蚀后力学性能相对较好。

氯化铈液滴在喷雾焙烧反应器热解过程的数值模拟研究

Ruthner型喷雾焙烧反应器具有节能、环保和副产物可回收利用等诸多优点,其已被广泛应用于回收钢铁工业酸洗液,但在CeO_(2)颗粒制备领域还没有应用。当前对实心球形CeO_(2)颗粒的需求不断扩大,使得应用Ruthner型喷雾焙烧反应器规模化生产CeO_(2)颗粒具有诱人的前景。由于焙烧反应过程难以通过试验表征,使用ANSYS Fluent仿真软件对焙烧反应过程进行仿真模拟,可直观表现出CeCl_(3)热解生成CeO_(2)颗粒的过程。本研究首先通过热重试验,验证了铁元素的氯化物和铈元素的氯化物的热解过程完全一致,只是温度不同:CeCl_(3)液滴在200℃时完全失去自由水,在500℃时完全反应;FeCl_(2)液滴在180℃完全失去自由水,在420℃时完全反应;FeCl_(3)液滴在160℃完全失去自由水,在410℃时完全反应,因此使用处理酸洗液的反应器生产CeO_(2)颗粒理论上可行。进一步,通过使用仿真软件包中的两相流、组分输运等模型,探究反应器内温度场、速度场和浓度场等分布,结果表明在反应器内部,某区域内温度越高,对应的气流、颗粒运动速度就越快。

新型反应器在纳米颗粒制备中的应用研究进展

总结了应用于液相的高速旋转式反应器、微通道反应器和应用于气相的气相流动反应器,阐述了旋转盘式反应器、旋转填充床反应器、高剪切搅拌反应器和管套管旋转环隙反应器4种高速旋转式反应器和液滴型微通道反应器及激光气化流动反应器、气溶胶反应器和连续流非热等离子体反应器3种连续气相反应器的设计原理、流场分布及在氧化物、核壳结构等诸多无机纳米颗粒及金属纳米棒等制备中的研究现状并分析了其优缺点。这些反应器均能制备粒径更为均一、结构独特的纳米颗粒;但在设备加工工艺、通道堵塞和放大等方面面临挑战。后续需充分利用其各自的特点开发出新的纳米材料和进行反应器放大规律研究,还要开发新型反应器来满足科技对纳米材料的要求。

转子-径隙式水力空化反应器空化性能优化研究

旋转型水力空化反应器因其空化强度大,空化率高,已被广泛应用于杀菌消毒,污水处理等工业领域。文章提出一种弧形转子,通过数值计算分析弧形转子与原转子在不同转速下反应器内部空化性能,分析定子与转子之间的相互作用,研究改变弧形转子叶片入口安装角对反应器内部空化性能的影响。结果表明,在不同转速下,弧形转子均极大提高反应器内部空化强度,提高空化率。转子区域,空化发生于转子叶片吸力面,与低压区相对应;定子区域,转子叶片转过定子盲孔时,对流体进行强剪切,盲孔内部与进出口分离区压力降低涡量增大,发生剪切空化以及涡空化。增大叶片入口安装角度可以极大增加空化强度,提高反应器性能。

釜式反应器和降膜反应器在酯化反应中的比较应用研究

在现代化工设备规模化生产中,酯化反应大多数使用的是釜式反应器。有机酸、醇和催化剂等物质在釜式反应器中搅拌加热,高温反应后,生成酯和水。降膜反应器是一种新型的反应的装置,反应物沿着反应器壁下滑,与壁面充分接触,形成薄膜层,氮气或真空层在薄膜外表面流过,与内膜层进行物质传递。

微通道反应器内α-烯烃连续磺化工艺的实验研究

α-烯烃磺酸钠(AOS)是具有良好生物降解性、润湿性、低刺激性的阴离子表面活性剂。利用微通道反应器,分别以1-十四烯(AO)和混合烯烃为原料,SO_(3)为磺化剂,考察了磺化温度、SO_(3)/AO摩尔比、磺化剂质量分数、停留时间等工艺条件对活性物AOS含量的影响规律。结果表明:1-十四烯磺化最佳工艺条件为磺化温度40℃、SO_(3)/AO摩尔比为1.2、SO_(3)质量分数为10%;混合烯烃磺化最佳工艺条件为磺化温度50℃、SO_(3)/AO摩尔比为1.1、SO_(3)质量分数为10%。增大流速有利于强化传质过程、提高产物中活性物AOS含量;延长停留时间会加剧副反应发生、降低产物中活性物含量。微通道反应器内α-烯烃磺化是以传质为主的强放热反应,热量移除及时,反应过程易于控制,可有效提高产品质量,大大增强生产工艺的本质安全性,对于开发煤基α-烯烃下游产品具有实际意义。

生物炭强化厌氧膜生物反应器处理废水性能的研究进展

厌氧膜生物反应器(AnMBR)因其在各种废水处理中对有机物的高效降解和能量的回收能力而受到研究者的广泛关注。生物炭具有优异的吸附和导电能力,将其添加在AnMBR中用于厌氧消化处理污废水,可以提高反应器性能并促进能源回收。基于此,系统综述了生物炭的制备和改性方法对生物炭性能影响的研究,以及近年来利用生物炭强化AnMBR处理性能的研究进展,并主要讨论了生物炭在AnMBR中的作用及主要机制,指出了目前生物炭强化AnMBR研究存在的问题和未来的发展方向,为生物炭强化AnMBR处理废水提供理论依据与技术参考。

大型轴向列管式固定床反应器的设计、制造、运输

通过对大型轴向列管式固定床反应器的列管布置、管板强度计算、支持板结构、管板的焊接及热处理、壳体组装、运输等多方面优化,从设计、制造、运输三方面综合考虑,使大型轴向固定床反应器的本质安全、运行效果达到更高的要求。

切向进气结构对径向流甲醇合成反应器传热特性影响研究

为探究切向进气结构对径向流甲醇合成反应器内催化床层传热特性的影响,通过改变径向流甲醇合成反应器内外分布筒体开孔角度,将混合气入口处普通进气方式改为切向进气,建立了θ=0°、15°、30°、45°的切向进气径向流甲醇合成反应器结构,并采用CFD软件对各角度下反应器温度场进行模拟计算。研究表明,合理的切向角度下的切向进气结构可以提高反应器内流体的混合程度,增加反应物的接触面积,增强传热,不仅能提高反应器温度分布的均匀性,还提高了反应效率和产物收率。研究发现,当θ=30°时反应器内温度场分布最为均匀。

新型电化学反应器降解苯酚废水的研究

以自制钛基PbO_(2)电极为阳极,以碳纤维管为阴极成功开发了一种基于电磁感应无线供电技术的微型电解池填充式电化学反应器,从电解质浓度、pH值和输入电压等等方面探究了新型电化学反应器对苯酚废水的最佳降解条件,当电解质浓度为0.012 5 mol/L,pH值为5,输入电压为8 V时进行降解100 min,苯酚降解率可达92%,处理效果最佳。与传统平板式电化学反应器相比具有明显优势。