化学工程中的介尺度科学与虚拟过程工程:分析与展望

传统的过程工程研发具有周期长、风险大、费用高等特点,制约了过程工业的快速发展。解决这一问题应从介尺度科学和虚拟过程工程两方面入手。首先,这一问题的科学根源在于化学和过程工程中的多尺度和多层次结构;而介尺度作为其中的难点和瓶颈,目前的认识还比较有限。认识和理解介尺度复杂性对研究材料的构效关系、反应器混合与传递、系统集成等具有重要意义。只有实现了流动、传递和反应在介尺度的耦合,才能够准确理解、预测和调控多相反应器中的多尺度结构。另一方面,基于介尺度科学的虚拟过程工程将成为一种全新的过程研发模式,不仅可以大幅度缩短过程放大周期,也使产品精细化成为可能。虚拟过程工程是连接介尺度科学与新技术新工艺开发的桥梁,它是一种实体化、功能化的开发和分析工具及知识库,将实验室成果快速应用于过程开发,将大幅提升我国过程工业对核心技术的研发能力。传统的理论和超级计算尚不足以支撑虚拟过程工程,而介尺度科学则为虚拟过程工程带来前所未有的发展机遇。虚拟过程工程涉及多学科交叉,不仅是模拟计算人员的任务,也是实验室和过程研发人员共同的责任;它甚至在未来可以与云计算相结合,使过程工程进入大数据时代。

高硫煤焦化过程气体返回耦合脱硫实验研究

通过模拟工业焦化过程,针对一种高硫煤考察了不同气体种类、气体流量及加热速率下,气体返回焦化过程对固体产物焦炭中硫含量变化及气相中H2S气体逸出行为的影响.结果表明,焦化过程中通入H2,CH4和N2气体可以抑制热解气中的硫在逸出过程中返回到固体焦炭中,H2达到的焦炭脱硫量最大,其次是CH4和N2;气相中硫逸出行为表明,煤热解第一高峰阶段也是硫析出时的高峰阶段,800℃后均可达到总析出硫量的90%;增大气体流量、减小加热速率有利于使硫向气相转移,从而使固体焦炭中的硫分配降低;固体焦炭中硫含量变化亦表明,H2气氛下脱硫效果较佳,在空塔速度0.8,1.3,2.1mm/s和3.0,1.5℃/min两种加热速率下可使焦炭中硫含量分别降低0.36%～0.39%和0.46%～0.56%.

2009-2018年国家自然科学基金在防治阿尔茨海默病药物药理学研究领域资助项目分析

2009-2018年间,在防治阿尔茨海默病(AD)药物药理学研究领域的国家自然科学基金(NSFC)资助项目增加显著。分析发现,AD防治药物研究逐步由围绕β淀粉样蛋白(Aβ)级联学说和tau蛋白异常修饰学说的相关机制靶点,过度到针对自噬和炎症、表观遗传修饰、肠道菌群失衡等的新机制和新靶点。NSFC针对AD动物模型资助的研究也由早期的Aβ动物模型,逐渐过度为综合考虑AD自身发病因素和AD特征或危险因素(如胰岛素耐受、炎症和自然衰老等)的动物模型。综合看,我国目前AD基础研究能紧跟国际前沿和热点问题,但仍缺乏连续、深入的研究和有创新性、有独特构思的工作。NSFC在AD防治药物资助策略上更应鼓励学科交叉和临床转化,使其成为一个突破口并带领多领域的后续发展。

从多尺度到介尺度——复杂化工过程模拟的新挑战

化工过程普遍面对具有多尺度结构的复杂系统,而作为从基本单元相互作用形成系统整体行为与功能的关键环节,介尺度结构对化工过程的定量描述和定向调控具有重要意义。同时,化学、材料、生物、物理和系统科学等领域也都逐步认识到各自的介尺度问题及其共同特性。这表明对介尺度结构与行为共性的深入研究将对科学界产生全局性的影响,同时也表明这样的研究必须通过多学科充分交流、紧密合作才能取得重大进展。本文试图从多尺度研究的背景出发探讨化工及相关过程中介尺度模拟的意义、挑战和方法,并展望其发展。

烟煤固体热载体低温快速热解实验研究

以连续式热解装置为实验平台,藁城和府谷煤为原料,石英砂为热载体,考察了460～520℃范围内热解所得气、液产物收率、组成和性质的变化规律.结果表明,在考察的温度范围内,提高热解温度,热解气、液产物收率增加,液体产物收率最高可达12%左右.热解温度对热解产物中不凝气组成影响显著,热解煤气热值高达25MJ/Nm3以上.焦油组分中酚衍生物含量最高,稠环烃、芳香烃、链烃组分的含量也较高,酚含量随热解温度增高有所降低,而芳烃含量则显著提高.根据实验结果提出了酚-芳烃转化的可能路径.

综合热分析法研究催化剂对煤粉燃烧过程的影响

利用综合热分析仪研究了Ce2(CO3)3,CeO2,CaCO3,CaO四种化合物对煤粉燃烧过程的影响.重点研究了稀土金属化合物Ce2(CO3)3在不同添加量和不同粒度时对煤粉燃烧过程的影响.结果表明,Ce2(CO3)3能够显著促进煤粉的燃烧过程,降低着火点温度.添加量为1.0%时,煤粉着火温度降低约30℃,助燃性能优于其他3种催化剂.在添加量小于1.0%时,Ce2(CO3)3添加量越大,着火温度越低.在Ce2(CO3)3不产生团聚的情况下,催化剂粒径越小,煤粉的着火温度越低.

Fe2O3催化无烟煤燃烧燃点降低机理的实验研究

TG-DTG and DTA determination indicated that ignition temperature of anthracite was lowered from 458℃ to 405℃ by addition of 10% catalyst Fe2O3.Based on the nature of anthracite ignition temperature,pyrolysis conversion and pyrolysis gas composition during the catalytic combustion were examined.The results showed that with Fe2O3 addition anthracite pyrolysis conversion was 3.0% at 405℃ and components with higher heating value increased in the pyrolysis gas.However,without Fe2O3 addition pyrolysis conversion was 1.8% at ignition temperature.It could be concluded that the heat from the homogeneous combustion of catalytic combustion was higher than that of non-catalytic combustion.TG-DTG indicated combustion conversion of 10 % at ignition.SEM images of chars indicated rough surface of char with plenty of small pores.BET of char from catalytic combustion was 170 m2·g-1 while BET of char from non-catalytic combustion was only 128 m2·g-1,which could be the main reason for lowering ignition temperature.The results from oxygen adsorption experiment showed increased oxygen content of coal with catalyst addition,which caused faster oxygen adsorption at a lower temperature and shortened the time to get required oxygen concentration and heat accumulation for ignition,thus the ignition temperature was lowered.

基于过程强化与反应调控的煤定向热解制高品质油气产物基础研究及中试验证

对比了现有煤热解制油气技术的特点,从反应工程"三传一反"的角度系统分析和概括了煤热解过程中挥发分在颗粒内生成和释放、颗粒间扩散和反应器中停留等关键步骤中的热量、质量传递和挥发分二次反应对油气品质的影响,揭示了目前碎煤热解制油气技术普遍存在的目标产品产率低、品质差、含尘量高等技术难题的根源,并总结出煤定向热解调控的有效措施,即在挥发分生成和半焦缩聚段采用高温加热和快速传递的传热方式,在挥发分扩散过程中利用半焦床层重整焦油和过滤灰尘,在反应器中设置气体通道导流挥发分的定向溢出。针对研究团队前期开发的内构件移动床定向热解理念,介绍了导热板和集气腔等内构件的作用机制,即通过导热板和中心集气腔等内构件进行传热强化、热解气流动的有序引导,实现热量和挥发分的同向扩散和传递;通过移动床中颗粒的缓慢运动和床层的过滤作用除尘;概述了1-5 kg/次基础实验、反应器结构内传热和流动模拟,100 kg/次模试分析和1000 t/a中试验证的研究结果,充分证实了该技术在同步提高油气质量与品质、降低油中尘含量等方面的优势和对碎煤原料的适用性;基于上述研究形成了内构件定向热解技术及基于该技术的热/电-油-气联产技术。

生物油水蒸气气化实验研究

利用固定床反应器对生物油的水蒸气非催化气化性能进行了实验研究,考察了温度和水蒸气的加入量对气化过程的影响,对气化所得粗合成气的组成分布进行了分析。结果表明,升高温度有利于生物油向合成气转化,1 200℃时,生物油的碳转化率可达97.8%,合成气有效成分(H2+CO)的产率可达77%,其中H2/CO摩尔比为1.19;水蒸气的加入可以提高合成气中的H2/CO摩尔比,当S/C(水碳比)=4时,合成气中的H2/CO摩尔比可达3.69,与此同时,水蒸气的加入不利于合成气有效成分产率的提高;生物油气化所得气体为中热值气体。

微细氰化尾矿颗粒絮凝沉降实验研究

微细氰化尾矿颗粒沉降速度慢,脱水困难,需借助絮凝剂改善其沉降特性。文中主要将阳离子絮凝剂HLM和非离子絮凝剂PAM对3种平均粒径分别为30,14,3μm的氰化尾矿悬浮液进行了絮凝沉降及除浊实验,确定其最佳投加量,并对比了2种絮凝剂对不同粒度尾矿的絮凝性能。结果显示,对于3种不同粒度分布的悬浮液,HLM的絮凝效果均优于PAM,并且尾矿颗粒的粒径越小,阳离子絮凝剂的絮凝优势就越明显。

光滑粒子动力学方法在复杂流动中的研究进展

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是一种纯粹的拉格朗日型无网格数值方法,尤其在处理包含自由表面或多相运动界面的复杂流动问题方面具有独特优势。随着计算精度和稳定性等方面的不断完善,SPH方法已被广泛应用于科学和工程的众多领域。介绍了SPH基础理论的最新成果,重点分析了其在界面流、流固耦合、非牛顿流体等领域的研究进展,并对未来发展进行了展望。

超细碳化钨制备过程及机理研究进展

超细碳化钨(WC)具有硬度高、耐磨性好、强度高和韧性较高的特点,是制备硬质合金最基础的原料。因此,超细碳化钨的制备成为学术界和工业界关注的焦点,也是硬质合金制备领域研究的重点。从反应体系的角度综述了超细碳化钨粉体制备技术,对相关反应路径机理进行了分析,并展望了超细碳化钨制备技术的发展趋势。

软锰矿流态化低温还原实验研究

采用流化床反应器作为焙烧装置,模拟发生炉煤气气体组分作为还原气体,考察了云南某地区软锰矿还原焙烧的影响因素。结果表明:煤气中氧化性气体组分的存在降低了该锰矿的还原效率。在700℃以下还原得到的产品,在隔绝氧气的条件下静置1 h或者直接投入水中,均表现出良好的抗氧化特性。通过对工艺参数进行优化,发现在模拟发生炉煤气气氛下,500℃流态化还原焙烧8 min获得的产品经过防氧化处理后,锰的浸出率可以达到95%以上。

氰化尾矿的絮凝实验研究

经过一系列的选矿工艺处理后形成的氰化尾矿粒度较细,难以沉降,导致回水中固含量较高,直接回用会影响浮选指标,从而限制了回水利用率的提高。针对如何加速氰化尾矿沉降的问题,着重研究2个方面:(1)通过加入常用无机与有机絮凝剂GG、HPAM、PAC和PFS对氰化尾矿浆进行絮凝沉降实验,确定其最佳用量及适宜的除浊pH值范围;(2)将无机与有机絮凝剂复合探究其对氰化尾矿浆的絮凝沉降效果,从而确定二者的最佳复合用量。

颗粒流体系统的格子Boltzmann数值方法研究进展

介绍Euler-Lagrange框架下基于格子Boltzmann方法LBM(Lattice Boltzmann Method)发展的两种不同层次(即不同时-空尺度和精度)的颗粒流体系统离散模拟方法,即格子Boltzmann颗粒解析直接数值模拟(LB-based PR-DNS)方法和格子Boltzmann离散颗粒模拟(LB-based DPS)方法,总结了Euler-Euler框架下基于格子Boltzmann双流体模型(LB-based TFM)方面的探索研究。LB-based PR-DNS方法中颗粒尺寸远大于格子步长,能够直接解析出流体在颗粒表面的流动以及颗粒所受完整的动力学信息;LB-based DPS方法中格子步长远大于颗粒直径,其在计算精度、时间耗费和计算效率之间能达到很好的平衡,可获得流体的宏观平均流动及颗粒的运动轨迹信息。LB-based DNS和DPS是探索颗粒流体系统的有力手段,但LB-based TFM应用于模拟颗粒流体系统仍需进一步探索。

劣质油加氢反应动力学及过程模拟研究进展

加氢技术是一种重要的劣质油加工提质过程,开展加氢反应动力学及过程模拟研究对深入理解加氢反应机理及工艺开发均具有重要的理论和现实意义。本文详细综述了国内外加氢反应动力学模型的研究进展,对比了离散集总模型、连续集总模型、结构导向集总模型及单事件动力学模型的特点、使用范围及优缺点,指出分子动力学模型的开发将成为加氢反应动力学研究的发展方向。同时,也系统地介绍了基于动力学模型的加氢过程模拟研究进展,并对未来的发展前景进行了展望。

湍流系统的能量最小多尺度模型研究进展

湍流一直被视为经典物理中百年未解的难题,也被认为是检验新理论和新方法的试金石。新兴的介科学,由气固流态化中能量最小多尺度(energy-minimizationmulti-scale,EMMS)模型发展而来,基于各主导因素在竞争中协调的观点,致力于分析挑战性的介尺度现象。基于介科学框架,介绍了湍流系统中介尺度行为的共性原理和最新的介尺度观点,包括黏性机制和惯性机制的竞争中协调、湍流稳定性条件。在此基础上发展了EMMS湍流模型并实现与计算流体力学(computationalfluiddynamics,CFD)的耦合,贡献于层湍转捩预测和全球气候模型的改进。EMMS湍流模型复现了介区域内黏性控制机制与惯性控制机制的竞争中协调,为介科学理论作为复杂系统的普适理论提供依据。

焦炭固定床燃烧氮氧化物排放实验研究

为降低锅炉NO的排放,研究焦炭在固定床中燃烧时的氮氧化物排放特性,分析焦炭数量对NO排放的影响。在其他条件不变的情况下,取焦炭质量分别为0.5、1.0和2.0 g的煤样进行燃烧实验。结果表明:焦炭燃烧NOx排放与燃烧过程密切相关,在固定床中有还原层存在时,NO排放处于低水平稳定状态。随着焦炭还原层的消失,NO转化率迅速增加。在设计层燃燃烧锅炉时,加大燃煤炉中焦炭层的厚度,可以降低锅炉NO的排放,焦炭层厚度增加4倍,NOx排放降低73.86%。

基于能量最小多尺度曳力模型的搅拌槽内气液两相流计算液体力学模拟及实验研究

采用双电导探针和欧拉-欧拉双流体模型对涡轮桨搅拌槽内局部气液分散特性分别进行了实验和三维计算流体力学(CFD)数值模拟研究。重点研究了转速对搅拌槽上下循环区局部气含率分布、全槽液相流场和湍动动能的影响。实验表明,转速对上循环区气含率分布的影响大于下循环区,且上循环区气含率随转速的增大而增大。CFD模拟比较了TOMIYAMA曳力模型和基于能量最小多尺度理论(EMMS)的DBS-Local曳力模型对局部气含率的预测结果。结果显示DBS-Local曳力模型能够较好地预测出不同搅拌转速下搅拌槽循环区气含率径向分布;TOMIYAMA曳力模型只能定量预测出低搅拌转速下(140r/min,280r/min)循环区的气含率分布,高转速下(420r/min,560r/min)该曳力模型不能模拟出下循环区壁面附近的气体,且低估了上循环区气含率。

飞灰辐射特性与表面温度关联的实验研究

为降低燃煤、垃圾焚烧和生物质锅炉高温换热器传热管失效泄漏甚至爆管的风险,提出基于高温内窥镜光学测温方法的高温换热器表面积灰和温度状态监测系统。采用多元扩散Hencken燃烧器和细颗粒振荡给粉技术,开展了3种飞灰可见光段辐射特性与温度的关联规律研究。结果表明:由于3种飞灰理化性质不同,其辐射-温度关联曲线区别明显;光学频道选择不同也会显著影响结果的准确性,在实际应用前应进行系统的实验室标定,以获取更为精确的结果。