基于MVVM的ReaxFF MD模拟的化学反应数据系统的建立

基于反应力场(reactive force field,ReaxFF)的反应分子动力学模拟的结果分析具有挑战性。国际首个ReaxFF MD化学反应分析及可视化工具VARxMD(visulization and analysis of ReaxFF molecular dynamics)可自动生成不同时刻之间完整的化学反应列表,通过物种检索进一步对反应路径进行分类。但VARxMD目前的反应分析针对的是某一确定条件下单一的ReaxFF MD模拟轨迹,利用VARxMD分析获得一次模拟的完整反应列表需要消耗大量计算资源和时间。本文提出基于数据库来储存VARxMD反应分析结果数据,基于数据库检索进一步分析反应的思路,并采用MVVM(model-view-view model)的系统设计模式、结合渐进式框架Vue.js建立了ReaxFF MD模拟的化学反应数据系统ReaxMDDB(reaction database of ReaxFF MD simulation)。系统应用于多个RP-3模型热解和氧化模拟反应数据的结果表明:该系统不仅实现了多个ReaxFF MD模拟的详细反应的统一分析和化学反应的2D分子结构显示,而且可永久保存模拟获得的反应数据集以备后续进一步分析反应机理。ReaxMDDB具有很好的通用性,为认识不同反应模拟所揭示的共性化学反应机理提供了方便的平台。

基于Open CV的图像信息处理系统的开发与应用

本论文工作针对移动床内颗粒物料卸料特性的CCD摄像图片,开发了基于Open CV的图像识别处理程序和颗粒追踪测速程序,以刻画移动床卸料过程中的流型演化和颗粒运动信息。为检验程序的准确性,以离散单元法数值模拟得到的颗粒图像为对象,对比了所开发图像后处理程序分析结果与离散单元法数值模拟数据,发现两者能定量吻合。

基于产排预测的园区固废管理系统设计与应用

针对现有园区信息化系统缺乏生产调优支撑功能的问题,融合固废产生和利用生产线生产监控、产品质检等多源数据,设计基于产排预测的园区固废信息管理系统。该系统依托机器学习算法,重点突破多源异构固废管理关联数据采集和管理、生产线运行状态和相关固废排放实时预测、生产系统资源环境综合效益分析等技术和方法,实现企业和生产线层面固废动态追踪、预测预警和综合分析功能,为企业和园区固废产排全过程智能管控提供支撑。

难选高铁软锰矿流态化磁化焙烧-磁选浸出工艺

【目的】提高难选高铁软锰矿的资源利用效率,缓解我国锰矿资源依赖进口的现状。【方法】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,对云南省某地区的难选高铁软锰矿进行流态化磁化焙烧。对还原后的焙烧矿进行磨矿-弱磁磁选,得到铁精矿和锰精矿。最后,对锰精矿中的锰进行酸浸浸出。【结果】在500℃流态化还原焙烧10 min,该难选高铁软锰矿即可达到最佳的还原状态效果,当样品的磨矿粒径<30μm的颗粒的质量分数为65%时,即可达到最佳的解离效果。选别后铁精矿铁品位和回收率分别为57.24%和76.55%,锰精矿锰品位和回收率分别为24.41%和73.84%,锰精矿的铁浸出率仅有1.94%。【结论】考察难选高铁软锰矿流态化磁化焙烧-磁选浸出规律,可以降低反应温度,缩短反应时间,低碳节能;抑制过还原反应的发生,可以提高铁资源利用率,降低浸出酸耗和除铁剂消耗。低能耗、低消耗和高利用率可以极大地提高难选高铁软锰矿的经济性,解决这部分资源难于利用的困境。

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.

绿色过程系统工程

发展从源头消除污染的绿色技术是过程工业可持续发展的必然要求,任何单元技术的突破对过程工程的绿色化都是不可或缺的。然而过程工程是一个系统科学,不仅要考虑单个技术,重点还要考虑从原料替代、介质创新到单元强化及系统集成的整个链条,归根到底是要通过新介质(如催化剂、溶剂等)的原始创新和新工艺集成创新实现过程工业的绿色化。基于系统论的科学思想综合考虑过程工程这一复杂大系统,以离子液体介质创新为核心,综述了在原料替代、新型介质设计、传递规律、系统集成方面的新进展,以期为绿色化工技术的发展提供重要的科学基础。

CFD-DEM-IBM方法探究流化床倾斜挡板内构件受力特性

在密相床层内安装内构件可显著改善工业流化床的流化质量、强化气固传质和提高化学反应效率。由于长时间受气体和颗粒的挤压和冲击,流化床内构件可能会发生变形或断裂。为实现流化床内构件设计的科学性,确保其长周期可靠性,需要明确其受力机理与不同操作条件下受力特性。利用粗粒化CFD-DEM-IBM方法,实现了利用笛卡儿网格模拟流化床中倾斜挡板内构件受力特性的定量模拟,该方法拓展原有挡板应力统计方法,获得了不同倾斜角度对挡板所受应力的定量影响规律。模拟所得挡板受力随时间的演化曲线与实验报道较为一致,在流化床启动阶段会出现较大的峰值,同时成功复现在启动阶段的峰值受力总体与挡板在水平面上的投影面积成正比。模拟结果显示,在启动阶段,挡板受力中颗粒挤压作用力占主导,但在流化阶段,除颗粒作用力达到极大值外的大部分时间中挡板受到的气相压差力要大于颗粒作用力。当挡板倾斜角度较小时,挡板受力较大但抑制床内返混效果较好,因此在工业流化床内构件设计中应兼顾强化传递及长周期可靠性的需求,当挡板倾斜角度较小时应选择强度大的挡板材料。

气固鼓泡床结构双流体传热模型及其模拟验证

介尺度结构显著影响非均匀气固复杂系统内的流动传递反应特性。构建了结构双流体传热模型用于模拟复杂气固系统内的流动传热过程,按照流动控制机制将鼓泡床系统划分成由气体主导的气泡相和颗粒主导的乳化相两个相互渗透的连续流体,进而确立考虑介尺度结构影响的控制方程及本构关系,其中相间曳力、乳化相黏度、相间传热系数及各相热导率均采用合理的经验关联式进行封闭。利用双流体传热模型与显式解析壁面流动和传热边界层方法相结合,对安装加热管的鼓泡床系统进行了模拟。结果表明:结构双流体传热模型可成功预测鼓泡床系统内固含率的轴向分布及床层壁面传热系数的变化规律;模拟结果与实验数据吻合较好,密相区壁面传热系数模拟值与实验值的相对误差小于10%,稀相区壁面传热系数的模拟值与实验值在同一量级,表明结构双流体传热模型可准确刻画鼓泡床系统内气固两相的流动传热特性。

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.

生物质高温气化重整制氢实验研究

在自行设计的固定床气化炉实验台上开展序批式进料模式的生物质（白松木屑）高温气化实验研究,重点考察反应温度、水蒸气流率以及物料粒径等不同工况条件对生物质气化产气特性的影响,实验结果表明,在800～950℃的范围内,每千克白松木屑的氢产率为21.91～71.63g H2。不同水蒸气流率下H2平均浓度变化不大,CO平均浓度随水蒸气流率的增加略有增大,气体平均热值在11.87～12.04kJ/m3内变化。实验条件下水蒸气流率为20.2g/min时的氢气产率最大。随着生物质给料粒径的减小,气体产率和气化效率均减小。

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%.

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。

多相流动的光滑粒子流体动力学方法研究综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)具有粒子方法的无网格和全拉格朗日特征,适用于具有界面大变形、不连续性和多物理场的多相流的高精度模拟.SPH方法模拟多相流已有大量报道,具体的实现方式也大不相同.本文首先阐述了采用SPH方法模拟流体的基本控制方程,以及求解过程中需要考虑的流体压力求解、表面张力、固体边界等问题.整理和总结了基于SPH方法进行多相流模拟的主要实现方式:(1)双流体模型的拉格朗日求解器:两相离散为两组独立SPH粒子,并用显式相间作用耦合两相;(2)多相SPH方法:SPH方法对多相流模拟的自然延伸,相间作用由SPH参数隐式描述;(3)SPH与其他离散方法的耦合:差异较大的两相各自采用不同离散方法,发挥不同拉格朗日方法的优点;(4)SPH和基于网格方法的耦合:网格方法处理简单的单相流动主体,获得精度和效率间的平衡.另外,还在模拟参数物理化等方面论述了与SPH方法模拟多相流相关的一些改进和修正方法,并在最后讨论和建议了提高多相流SPH模拟效率和精度的措施.

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。

化学气相沉积法制备纳微ZnO的实验和模拟研究进展

纳/微氧化锌材料性能优良,用途广泛,制备方法较多,其中化学气相沉积法(CVD)是较常用的方法之一。详细介绍了CVD方法制备纳米氧化锌的主要影响因素,概述了计算流体动力学(CFD)模拟在化学气相沉积法方面的应用和研究现状,并指出应该采用实验研究和计算模拟相结合的方法进行研究,利用计算模拟指导实验,从而实现纳微结构的可控生长。

颗粒流体系统的流域特性及其混沌行为

应用混沌动力学方法研究了颗粒流体系统的流域特性以及流域之间的过渡，从奇异吸引子图及波动频率、平均绝对偏差（ＡＡＤ）、Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ熵（Ｋ）和相关维数（Ｄ）等动力学参数的角度出发，论证了系统随气速增大依次出现颗粒控制的固定床（Ｐａｒｔｉｃｌｅ－Ｄｏｍｉｎａｔｉｎｇ，ＰＤ）、颗粒流体协调的流化床（Ｐａｒｔｉｃｌｅ－Ｆｌｕｉｄ－Ｃｏｍｐｒｏｍｉｓｉｎｇ，ＰＦＣ）和流体控制的稀相输送（Ｆｌｕｉｄ－Ｄｏｍｉｎａｔｉｎｇ，ＦＤ）等不同流域，讨论了流域之间的过渡。

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。

复杂流动与流体行为的拟颗粒模拟

复杂流动和流体行为中的多尺度结构对化学工程的理论和应用研究都是巨大的挑战。多尺度的粒子模拟是处理复杂界面、物性以及连续介质模型难以适用的纳微和极端条件下流动的有力手段之一。本文将重点介绍本实验室近年来以拟颗粒模拟为基础的微观粒子模拟研究及其在流态化和纳微流动中的应用,并在此基础上探索离散模拟通用化的可行性。

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。