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技术信息资源速递(第六十七期)
阅读次数:691   添加时间:2015-12-11

行业动态:

科思创与Reverdia携手研发生物基热塑性聚氨酯

近日消息,科思创与Reverdia达成协议,双方将共同研发并推广生物基热塑性聚氨酯(TPU)。科思创将在其ReverdiaTM品牌生物基热塑性聚氨酯生产中使用Reverdia公司的生物基丁二酸TM,进而满足制鞋行业和消费性电子产品等行业的需要。

生物基丁二酸TM采用Reverdia公司的pH酵母科技,于2012年投入商业规模生产。利用该产品,科思创将把其位于台湾生产工厂的生物基热塑性聚氨酯生产提升至工业规模。目前,生物基DesmopanTM产品可适用于多个硬度级别,比如邵氏硬度A85度、A95度和D60度。

Reverdia进行的一项模拟测验显示,与使用化石燃料产品相比,使用生物基热塑性聚氨酯可减少高达65%的碳排放量。不同硬度条件下,DesmopanTM品牌生物基热塑性聚氨酯的质量分数分别为65%(邵氏硬度A85度)、52%(邵氏硬度A95度)、42%(邵氏硬度D60度)。(现代化工,2015年第11期)

 

英国富瑞曼科技推出FT4粉体流变仪

2015年10月底,第十三届中国国际粉体加工/散料输送展览会在上海举行,期间观众领略了来自富瑞曼科技的通用多功能粉体测试仪——FT4粉体流变仪的风采。

FT4采用了具有专利的动态测试方法,通过符合ASTM D7891的全自动剪切单元,对粉体多项指标如密度、可压缩性、透气性进行测试,从流动性和可加工性的角度对粉体特性进行量化。FT4在化工、制药、硒鼓、食品、粉末涂料、金属、陶瓷以及快速成型制造业得到了广泛应用。它所提供的数据,可以加深人们对工艺和产品的了解、缩短研发和配方周期、促进产品的成功规模化生产,为长期优化粉末加工提供长期支持。(现代化工,2015年第11期)

 

陶氏化学推出高性能精密包装树脂

近日,陶氏化学公司旗下的陶氏包装与特种塑料业务部正式宣布推出INNATETM精密包装树脂产品。这个全新的树脂系列具有良好的性能,可以帮助客户有效应对当今最具挑战的包装性能问题。

INNATETM由获得专利的分子催化剂通过先进的工艺技术制造而成,实现了在挺度与韧性之间的完美结合,不仅易于加工而且更加环保,将为客户开启全新的包装市场机遇。“在开发INNATETM树脂的过程中,我们与制造商和品牌商进行了广泛讨论,并仔细分析了市场趋势。”陶氏包装与特种塑料全球业务总裁戴一诺(Diego Donoso)说道,“INNATETM在未来的包装设计中具有巨大的潜力,对此我们十分期待。”

     陶氏包装与特种塑料业务全球研发总监David Parrillo补充道:“INNATETM树脂集优异的薄膜挺度、韧性和可加工性能于一体,其背后的化学理念可以使客户以一种前所未有的方式改善产品性能,创造出一种崭新的性能标准。”

     从食品软包装到重包装、INNATETM都将为所有包装物定义新的市场领域,创造新的产品类别。陶氏包装与特种塑料业务市场总监Nestorde Mattos表示:INNATETM精密包装树脂源自获得专利的突破性催化剂和工艺技术,能创造出崭新的产品组合,为食品、消费品和工业品提供高性能包装,可以满足品牌商、零售商和制造商的各种需求。INNATETM无疑是包装树脂技术领域真正的明星。(工程塑料应用,2015年第11期)

 

Netstal全球首创叠模注压技术

瑞士注塑成型制造商Netstal与模具生产商Plastisud、自动化专家Machines Pagès公司合作,研发出世界首个应用于叠模的注塑模压成型技术。一台Netstal的ELION Hybrid系列注塑机经改装之后,能够成型容量为425g的标准包装桶,同时还能进行模内标签(IML)装饰,整个过程只需要5s。整个加工过程是在一个4-4模腔的叠模中完成。

“这是一次革命性的技术创新,整个加工过程是隐藏起来的,并不是注塑成型,而是通过注塑压缩成型加工而成,” Netstal的销售与市场部副总Markus Dal Pian解释道。“注塑压缩成型和叠模的融合是包装工业生产的完全创新。”

模腔在100毫秒ms内进行部分填充,整个过程在低压力的环境中完成,以预防材料进行扩张。高质量的模板平行度保证了模具、机器和自动化系统之间99.98%的同步运作。这种配置完美地整合了两种技术的优势。注射压缩成型能生产薄壁化和轻量化产品,从而降低单位成本。此外,最终产品(特别是盖类产品)失真迹象较少,由于材料加工过程中应用的是较低的压力,使得成品具有更高的尺寸精度。(塑料工业,2015年第11期)

 

韩国三星电子公司开发出新型锂电池负极材料

韩国三星电子公司开发出新型锂电池(LiB)负极材料,使能源体积密度达到了700-952(W·h)/L,是现有LiB的1.5-1.8倍。新型负极材料通过用多层石墨烯对硅微粒子施加涂层处理,硅的容量密度高达约4000(mA·h)/g。

据三星公司的研究人员称,这次通过用石墨烯对硅微粒子施以涂层处理,可以成功的确保其导电性,并且还抑制了膨胀收缩时的电极老化及损坏等现象的发生。硅微粒子在发生膨胀时,石墨烯会在包住硅微粒子的状况下,通过各层的相互滑动来扩大硅储存容量,因此不会脱落。(石油化工,2015年第11期)

 

日本帝人公司开发高功能薄膜“MIRAIM”

日本帝人公司以其独自开发的微多孔膜的制膜技术为基础,开发出高功能薄膜——“MIRAIM”。高功能“MIRAIM”薄膜的孔径可以控制在20nm-3μm,与其他公司产品相比,孔径分布狭窄。孔径在3μm时,具有高于无纺布的防水高透湿性,因此可以作为燃料电池和热交换薄膜的材料使用。而且,孔隙率可以在40%-90%之间自如控制,薄膜的厚度可控制在4-200μm,对于各种孔径在相同膜厚下确保高液体通量。

新产品通过对PE薄膜的“膜厚”、“孔径”、“孔隙率”的自如控制,面向薄膜的微粒子分散技术、涂布两面异种聚合物的多孔膜技术等,以其作为液体滤膜去除微粒子用途为代表,利用配合用户的需求提供前所未有的附加值。(石油化工,2015年第11期)

 

PX发展严重滞后成为芳烃产业链短板

从2015中国芳烃产业链发展大会上获悉,中国芳烃产业链在“十三五”时期可能延续“过冬模式”,产能过剩矛盾凸显,需求增长放缓。而PX产业既是产业链核心,又是产业链发展的一大短板。只有在科技进步和安全环保上下力气,才能补齐这块短板。

      据介绍,芳烃产业链贯穿炼油、乙烯、PX、PTA、聚酯、合成纤维、塑料加工等领域,连通化工与纺织两大支柱产业,具有十分重要的地位。当前,中国PX原料紧缺与下游PTA、聚酯纤维产能过剩矛盾加剧,行业所面临的社会环境和舆论氛围趋紧。2014年我国PX产量925×104t,对外依存度超过50%;PTA产量2940×104t,产能利用率约为68%;聚酯纤维产量3580×104t吨,而产能已超过全球纺织厂需求,过剩明显。

      中国石化经济技术研究院有关指出,从国内外环境分析,“十三五”芳烃产业链的前景都不太乐观。预计全球PX产能将保持缓慢增长,涤纶产能过剩的状况会稍有好转,但由于“十二五”产能爆发式增长,PTA、聚酯等产业将继续深陷过剩泥潭,市场恢复在短期内还看不到。

    中国化工信息中心指出,近年来一系列安全事故给整个芳烃产业链造成了很大的影响,其中PX受到的影响尤甚。PX作为一种基础有机化工原料,今后必须着重发展。扭转社会认知是长期任务,而当务之急是业内企业完善自身,在科技创新和安全环保上取得实实在在的进步。

      中国石化青岛安全工程研究院事故应急救援室专家表示,化学工业的进步是在不断对事故的反思和汲取教训、改进提升的基础上取得的。PX的燃爆危险性甚至低于汽油,国外对PX的安全运营也已有丰富经验,相信只要真抓实干,PX产业一定能迈过眼下的坎儿。(石油化工腐蚀与防护,2015年第5期)

 

研发氨基功能化磁性纳米材料前景好

    功能化磁性纳米材料是近年来开发的一种新型功能材料,广泛应用于医疗成像、药物输送、生物传感、电磁导体和选择性富集等许多领域,因而引人瞩目。功能化磁性纳米材料有许多种,其中氨基功能化磁性纳米材料是极为重要的一种。由于表面带正电荷的纳米材料在药物/基因传递等方面的效果比表面带负电荷和中性电荷的纳米材料要显著得多,而氨基功能化磁性纳米材料是典型的带正电荷的纳米材料,所以,氨基功能化磁性纳米材料在生物医药领域应用前景尤其广阔,从而成为研发热点。(广州化工,2015年第21期

 

Sartomer公司推出新型脂肪族聚氨酯丙烯酸酯

    Sartomer公司最近推出了牌号为CN9030的双官能度脂肪族聚氨酯丙烯酸酯。据称该聚合物与一种抗腐蚀底涂料剂结合使用时,可生产一种在高性能UV/EB固化涂料应用的抗候性面漆。该齐聚物主要用于生产强韧的薄膜,以及验证其与一些具有挑战性物质如金属、塑料等的粘接。在测试黏结性时表明,CN9030对于大多数基材表现出明显优于常用的环氧和聚酯-丙烯酸酯齐聚物的性能。此外,它还能抗恶劣性的化学品,如甲乙酮等,且能表现出优异的光泽保留性。(化学推进剂与高分子材料,2015年第6期)

 

 

动态题录:

PVC/聚氯乙烯共聚物薄膜电导率的温度依赖性(聚氯乙烯,2015年第10期)

含有用生物相容的柠檬酸固定的氧化锌的新型PVC纳米复合膜的设计与表征(聚氯乙烯,2015年第10期)  

霍尼韦尔发布新型PTM6000先进热管材料(现代化工,2015年第11期)

气液法流化床工艺升级PE-LLD(工程塑料应用,2015年第11期)

道达尔携手RPC推出超高透明度PP膜(工程塑料应用,2015年第11期)

亨斯迈在华加强协同创新(上海化工,2015年第11期)

霍尼韦尔推进新型低全球变暖潜值产品(上海化工,2015年第11期)

英威达Novadyn透明聚酰胺产品获得2015塑料行业-荣格技术创新奖(上海化工,2015年第11期)

PX发展严重滞后成为芳烃产业链短板(塑料工业,2015年第11期)

普力马获得医疗应用批准(塑料工业,2015年第11期)

全球建设热潮将提振塑料管材需求(石油化工,2015年第11期)

钢铁矿业公司由钢铁厂废气生产生物燃料(石油化工,2015年第11期)

采用新型催化剂提升基于乙醇的燃料电池性能 (石油化工,2015年第11期)

2020年成化肥行业转型节点(石油化工腐蚀与防护,2015年第5期)

石油业中下游或将引入非国有资本(石油化工腐蚀与防护,2015年第5期)

全球聚氨酯弹性体市值有望超730美元(化学推进剂与高分子材料,2015年第6期)

 

 

 

专利文摘:

一种基于电荷转移的电催化氧化还原系统

该专利公开了一种电催化氧化还原系统,该系统包括:氧化还原介体、氧化还原催化剂和与介体接触的电极。氧化还原介体为电解质溶液;氧化还原催化剂分散在电解质溶液中直接与电解质溶液相接触,氧化还原催化剂的组成为:钴金属氧化还原催化剂与苯醌类氧化还原介体联合使用,另一种形式为氮氧化物氧化还原催化剂与硝酰类氧化还原介质的联合使用。该系统可以在电化学电池中使用,其特征在于:阳极或阴极中包括一种昂贵的金属(如铂)。(石油化工,2015年第11期)

 

使用熔融碳酸盐燃料电池集成发电

该专利提供了一种用于熔融碳酸盐燃料电池和涡轮机集成发电的操作方法。该集成方法优于选择燃料电池操作条件的方法,该方法最大化提高了燃料电池的电效率,过量的可重整燃料可以被传递到燃料电池的阳极,以增加燃料电池的化学能量输出。增加的化学能量输出可用于额外发电,例如给氢涡轮机提供燃料。(石油化工,2015年第11期)

 

一种用于蛇管流体反应器的组件

    该专利提供了一种用于蛇管流体反应器的组件,该组件可应用于一个或多个目标函数,如:压降、腐蚀速率、污损率、积炭和操作成本的优化等。该组件由计算机单独或组合模拟工业操作条件而成,其中流路的横截面基本上是圆形设计。然后,在多个操作条件下进行建模和比较其他模型而得到的数值进行迭代,直到目标函数的值被优化或目标函数的变化率驱近于零。(石油化工,2015年第11期)

 

用于存储、处理和传输处理液体的方法及设备

该专利提供了一种用于控制一种或多种流体混合的方法和设备,所述方法和设备需要采用一种具有一个或多个划分区的容器,划分区用于最大限度的减少一个或多个流体之间的相互混合。某些特定的方法和设备可采用含有曲折流动路径的容器,另外的方法和设备可采用具有一个或多个划分区的容器。(石油化工,2015年第11期)

 

 

专利题录:

一种均相无汞催化生产氯乙烯的方法(聚氯乙烯,2015年第10期)

一种减少颗粒表面皮膜、提高孔隙率的聚氯乙烯树脂制备方法(聚氯乙烯,2015年第10期) 

一种防老化的ABS复合材料及其制备方法(工程塑料应用,2015年第11期)

一种烯烃聚合固体催化剂及其制备方法(石油化工,2015年第11期)

脱除一氧化碳混合气中氢气的方法(石油化工,2015年第11期)

聚丙烯纤维改性方法及组分(石油化工,2015年第11期)

 

 

 

论文摘要:

板式微通道的液-液两相分离作用研究

    构造板式微通道用于互不相溶的液-液两相分散体系的连续快速分离。通过改变上板的材料可以构造GS-PTFE、SS-PTFE和PTFE-PTFE 3种类型的板式微通道。萃取后产生油水分散体系在微通道中通过与通道上下壁面的相互作用实现油水两相的快速分离,分离后的油相从微通道的油相出口流出,水相从水相出口流出。微通道的分离效率与微通道的高度、液-液分散体系在通道中的体积流率、微通道与液-液分散体系的接触时间以及微通道的类型有关。高度为100μm的GS-PTFE型微通道在体积流率低于4.8mL/min的条件下可以实现油水两相的完全分离,其分离效率为100%。相比于传统的重力沉降分离方式,板式微通道极大地节约了液-液两相分离的时间,提高了工作效率。(现代化工,2015年第11期)

 

天冬氨酸-赖氨酸共聚物的阻垢性能研究

    天冬氨酸-赖氨酸共聚物(PAL)是聚天冬氨酸的改性新产品,为将其用作阻垢剂,考察了不同条件下PAL对碳酸钙、硫酸钙阻垢性能的影响。结果表明,在温度为80℃,成垢离子浓度积为0.045(0.15mol/L Ca2+、0.30mol/L HCO3-)、恒温时间为14h,PAL投加量为4mg/L的条件下,PAL对碳酸钙的阻垢率可达70%左右;在温度为80℃,成垢离子浓度积为0.04(0.20 mol/L Ca2+、0.20mol/L SO42-),恒温时间为14h,PAL投加量为4mg/L的条件下,对硫酸钙的阻垢率达到80%左右。表明改性新产品PAL可作为一种新型阻垢剂。(现代化工,2015年第11期)

 

废旧LiFePO4正极材料的循环利用及电化学性能

以回收并经过除杂处理的废旧LiFePO4 正极材料为原料,采用固相法补加不同摩尔分数的Li2CO3,在N2气氛中经焙烧修复补锂,获得再生的LiFePO4/C 正极材料。结果表明,向废旧正极材料中补加摩尔分数为10%的Li2CO3可以有效弥补可循环锂的损失,再生后的正极材料有优异的倍率和循环性能。在0.1 和20 C 倍率下其放电比容量分别为157 和73 mA·h/g,经200 次循环后,容量几乎没有衰减。说明此方法可有效再生提高废旧LiFePO4正极材料的电化学性能,为大规模有效回收再利用废旧LiFePO4正极材料提供一条可行的途径。(硅酸盐学报,2015年第11期)

 

MBfR中表面改性疏水性PVDF中空纤维膜污染特性研究

    针对膜生物反应器(MBfR)研究中疏水性微孔膜供氧能力不足、耐污染性较差等问题,采用界面聚合法对自制疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜进行表面改性,研究制备适用于MBfR技术的中空纤维复合膜。选取典型有机污染物牛血清白蛋白(BSA)、腐殖酸(HA)、海藻酸钠(SA),考察原膜及表面改性膜的抗污染性能。结果表明,表面改性膜的BSA、HA、SA吸附量均低于原膜,分别为原膜的58.6%、56.1%及96.0%;进一步的氧传质实验结果表明3种有机物污染后,改性膜的氧总转移系数衰减率分别为14.4%、15.5%及21.1%,均低于原膜(分别为23.8%、26.8%及38.9%),显示表面改性膜具有良好的抗污染性能。(水处理技术,2015年第11期)  

 

乙酸戊酯酯化反应精馏过程系统控制模拟及分析

反应精馏技术是将反应和精馏两个单元操作耦合在一个设备中同时进行,其非线性给反应精馏过程的平稳操作和过程控制提出了更高的要求。目前,反应精馏过程控制研究都是针对特定反应体系进行的有针对性的研究,对于乙酸戊酯反应体系的控制研究少有报道。本文利用Aspen Plus和Aspen Dynamic 软件对乙酸戊酯的反应精馏过程进行动态模拟,针对塔釜产品组成要求提出温度控制和组成控制两种不同的控制方案,对两个控制系统分别进行±10%的进料流量扰动测试和酸醇比为1:1、1.2:1的进料组成扰动测试。研究了不同扰动对产品质量的影响并比较了两种方案在不同扰动干扰下的控制效果。结果表明:进料组成扰动会对两个控制方案造成较大影响;温度控制方案的控制稳定性要好于组成控制方案。(化工进展,2015年第12期)

 

Gemini型表面活性剂在离子液体中构筑的溶致液晶

通过差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、热台偏光显微镜(POM)和红外光谱仪等手段研究了Gemini表面活性剂在硝酸乙基铵(EAN)中构筑的溶致液晶体系(lyotropic liquid crystal,LLc)的性质。结果表明,在液晶区内,所形成的溶致液晶均为层状介晶A相(SmA),且EAN主要存在于液晶相分子层的极性亚层中;液晶相稳定存在的温度区间随Gemini表面活性剂的浓度、尾链长度的增加而变大,随联接链的增加表现出先增大再减小的趋势;羟基削弱了离子头基与反离子间的相互作用,进而缩小了液晶相稳定存在的温度区间。(化工进展,2015年第12期)

 

基于RKPM的n-octadecane熔化过程光热特性数值模拟与验证

建立求解一维半透明材料相变过程的辐射导热耦合计算方法,了解正十八烷(n-octadecane)在辐射源作用下的相变熔化过程,获得材料内部温度分布,验证数值方法准确性。基于无网格RKMP方法,采用修正等效热容法处理相变潜热的吸收与释放,利用梯度折射率的方法处理变折射率介质内的辐射传输问题。实验测量了n-octadecane在红外辐照加热条件下的熔化过程温度响应特性。结果表明数值模拟值和实验值在温度水平和时间特性两方面都符合良好,验证了计算方法具有良好的精度。(化工学报,2015年第12期)

 

活性炭纤维吸附石化废水中苯酚的吸附平衡及动力学

以活性炭纤维(ACF)为吸附剂,研究了ACF对石化废水中苯酚的吸附平衡及动力学。在25、40、55及65℃下测定了吸附平衡等温线,采用Langmuir、Freundlich和Redlich-Peterson等温方程对吸附平衡数据进行了拟合,结果表明吸附平衡数据更符合Langmuir与Redlich-Peterson方程。体系温度从25、40、55升高到65℃时,ACF对模拟废水中苯酚的吸附能力随温度升高而降低,而ACF对石化废水中苯酚的吸附能力并不完全随温度升高而降低。ACF对石化废水与模拟废水中苯酚的吸附过程均符合拟二级动力学方程。颗粒内扩散模型对吸附动力学实验数据的拟合结果表明,吸附初期吸附速率主要受颗粒内扩散控制且石化废水中苯酚吸附的kid随温度升高而增大,吸附中后期吸附速率除了受颗粒内扩散控制外还受到外扩散的影响。热力学分析表明,石化废水中ACF吸附苯酚过程的ΔG<0,由于石油类物质对苯酚吸附的影响,温度升高ΔG的数值变化不大。(化工学报,2015年第12期)

 

2,6-二羟基-3,5-二硝基甲苯的合成新工艺

2,6-二羟基-3,5-二硝基甲苯(MDNR)是合成聚对苯撑甲基苯并二唑(MPBO)单体的重要中间体。本文以2,6-二氯甲苯为原料经过硝化反应获得2,6-二氯-3,5-二硝基甲苯(DCDNT),纯度为99.79%、收率98.40%;再经低温CH3O-的亲核取代制得2,6-二甲氧基-3,5-二硝基甲苯(DMDNT),纯度为96.90%、收率88.36%;最后在硫酸中酸性脱甲基反应合成MDNR,纯度为99.40%,收率93.15%。MDNR的结构经过FT-IR、MS、1H-NMR 准确定性和表征。合成过程已呈现原料价廉易得,操作方便,产品质量优异,总收率80%以上,易于产业化等优点,为进一步研发合成甲基改性PBO纤维及其新单体提供关键中间体及技术来源。(精细化工,2015年第12期)

 

光聚合型聚硅氧烷改性聚醚聚氨酯丙烯酸酯低聚物的合成、表征与性能

本文以羟烷基聚硅氧烷(Q4-3667)、聚丙二醇(PPG-2000)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二乙醇胺和丙烯酸β-羟乙酯(HEA)为原料合成了一种光聚合型有机硅改性聚醚聚氨酯丙烯酸酯低聚物(Si5E5PUA),并用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、核磁共振氢谱(1H NMR)、核磁共振硅谱(29Si NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)对其结构进行了表征。详细研究了Si5E5PUA与不同单体配比体系的黏度、光聚合性能、聚合过程的体积收缩及其固化膜的玻璃化转变温度。结果表明,Si5E5PUA与丙烯酸酯单体具有良好的相容性;其体系具有优异的光聚合性能,最终双键转化率达90%以上,单体官能度的增加可以提高固化膜的玻璃化转变温度,Si5E5PUA体系的体积收缩在 3.3%-5.6%之间。(精细化工,2015年第12期)

 

 

论文题录:

诺贝尔自然科学奖:设立、评选及获得者国别、性别分析(科技导报,2015年第20期)

诺贝尔奖得主论文及引用:文献综述与实例分析(科技导报,2015年第20期)

从专利角度分析医药制剂技术在农药制剂加工中的应用趋势(现代化工,2015年第11期)

新型环境友好燃油系统防冰剂的研究(现代化工,2015年第11期)

点击化学法制备四硅型偶联及性能研究(现代化工,2015年第11期)

新型捕垢器处理工业循环水质的实验研究与工业应用(现代化工,2015年第11期)

SPEEK/PANI/PWA复合质子交换膜的制备及性能(现代化工,2015年第11期)

基于DEA模型对我国化工业生态效率的分析 (现代化工,2015年第11期)

辊压法制备高效空气阴极及该电极产H2O2性能研究(水处理技术,2015年第11期)  

限氧条件下亚硝化的稳定运行及动力学(化工进展,2015年第12期)

乙醇-水体系分离提纯过程新技术的研究(化工进展,2015年第12期)

静电层层自组装改性SPPESK/PWA质子交换膜(化工进展,2015年第12期)

CO2/N2开关型脒基表面活性剂软模板制备介孔二氧化硅(化工进展,2015年第12期)

酸浸工艺脱除微硅粉杂质离子及其对热碱溶解过程的强化(化工进展,2015年第12期)

污水换热器流态化在线防、除垢实验(化工进展,2015年第12期)

黏度随温度变化对三角形螺旋夹套内湍流流体流动及换热的影响(化工学报,2015年第12期)

SCV蛇形换热管内超临界LNG传热特性数值模拟(化工学报,2015年第12期)

Ti-Si-O双功能催化吸附材料的汽油光催化-吸附耦合脱硫性能(化工学报,2015年第12期)

基于LTSA和MICA与PCA联合指标的过程监控方法及应用(化工学报,2015年第12期)

Linde-Hampson制冷机混合工质充灌量分析及实验研究(化工学报,2015年第12期)

双温低品位热驱动新型吸收制冷循环性能(化工学报,2015年第12期)

高性能定形复合相变储能材料的制备及热性能(化工学报,2015年第12期)

环保型抗菌剂BBAB的合成及其抑菌性能研究(化学与生物工程,2015年第11期)

微波消解-ICP-OES法测定干荷叶中的矿质元素(化学与生物工程,2015年第11期)

N-正丁基硫代磷酰三胺的绿色合成研究(精细化工,2015年第12期)

一种氟硅表面活性剂的合成及其表面活性(精细化工,2015年第12期)

氯化1-(三甲基硅甲基)-3-癸基咪唑的合成及性能(精细化工,2015年第12期)

Ag掺杂V2O5/TiO2催化氧化3-甲基吡啶 脱甲基效应(精细化工,2015年第12期)

 

 

 

综述:

穿流-柔性组合桨强化搅拌槽中流体混沌混合特性

国家重点基础研究发展计划项目;国家自然科学基金项目;

引言

机械搅拌反应器广泛应用于化工、湿法冶金、炼油、制药等过程工业,其作用是向流体提供所需要的能量和适宜的流场结构,以强化流体的混合。传统的刚性桨依靠剪切作用实现混合,在搅拌槽内容易形成两种不同的混合区域:混沌混合区和混合隔离区。在混沌混合区内,由于动力学扰动的存在,流体颗粒以Lyapunov 指数的规律被拉伸,颗粒运动高度复杂,混合效果好。而在混合隔离区内,流体颗粒运动轨迹的周期性较强,能量传递按分子扩散的方式进行,混合效率较低。因此,调控流场的混合隔离区,强化混沌混合,是提高混合效率的有效方法。

随着非线性科学的发展,控制混沌已成为比较热门的研究领域。常见的增强混沌混合的方法有变速搅拌、偏心搅拌和往复搅拌。变速搅拌通过改变桨叶的转速大小和方向增强扰动,从而破坏流场的隔离区。Nomura 等靠改变搅拌桨叶的转动方向破坏了搅拌槽内流场的混合隔离区;Yao 等在桨叶以周期性速度变化的条件下研究了不同搅拌方式对混合时间的影响,发现变速搅拌可诱发并改善混合效果。偏心搅拌是通过改变搅拌轴的位置,使其偏离搅拌槽的中心,达到破坏搅拌槽空间对称结构来实现槽内流场对称性改变。Karcz 等研究了轴流式推进桨和HE3 桨在偏心搅拌下的混合性能,并得出偏心率与混合时间、能量消耗等因素之间具体的数学表达式;刘作华等研究了偏心空气射流搅拌槽内流场的混沌特性参数,证实多场耦合可诱发混沌混合,提高气液混合效率。往复搅拌能增强流体的轴向循环流动,破坏混合隔离区。Komoda 等研究了往复式搅拌对流体混合效果的影响,并分析了搅拌槽在功耗和混合时间两方面的性能。以上方法分别从时间混沌混合和空间混沌混合两方面来调控流场结构,但缺点是对驱动设备(如电动机、减速器等)要求较高,使设备结构复杂化,不利于搅拌操作保持长时间的稳定。刘作华等提出了刚-柔组合桨,并将其应用于锰矿浸取过程中,明显缩短了浸取时间。王能勤等提出了穿流桨,即一种在桨叶上开设穿流孔的搅拌器,它能较好地克服传统桨叶搅拌效率低、能耗高的缺点。目前对搅拌桨的结构优化研究较多,但对于柔性桨与穿流桨组合强化流体混合的应用研究还很少。

本研究通过改进传统刚性桨叶的结构,提出穿流-柔性组合桨,来强化流体的混沌混合。在搅拌转动过程中,末端固定有柔性材料(如硅橡胶)的搅拌桨叶和液体介质间相互作用,使柔性材料向多个方向摆动,由此造成桨叶附近的扰动,破坏隔离区的稳定,从而让更多的流体进入混沌状态。实验中用Labview 软件采集搅拌槽内壁的压力脉动信号,结合Matlab 软件,运用G-P 算法计算混沌特性参数Kolmogorov 熵值,并对穿流-柔性组合桨强化流体混沌混合的机理做了初步探索,以期为桨叶结构的优化提供依据。

 

1  实验部分

1.1  实验装置

实验装置如图1 所示。实验在圆柱形平底有机玻璃搅拌槽中进行,槽内径T=0.48 m,液面高度H=0.90 m,沿搅拌槽内壁均匀分布4 条宽度为0.05m 的挡板。实验采用双层桨(图2),按顺时针方向旋转,桨叶间距为T,上层桨叶距液面0.18 m,下层桨叶离底部高度0.24 m。

 

图1 实验装置

 

 

 

图2 实验用桨叶类型

 

实验分别采用3 种桨叶体系:

(1)传统刚性桨体系(以下简称传统桨)。上层桨叶为六直叶涡轮桨,下层桨叶为六斜叶涡轮桨,桨叶直径D=0.24 m。

(2)穿流桨体系。对应于传统桨,分别在六直叶涡轮桨、六斜叶涡轮桨上开设4 个直径d=5 mm的圆孔。

(3)穿流-柔性组合桨体系。在穿流桨的基础上,桨叶末端加上柔性材质(硅橡胶),硅橡胶密度ρ=875 kg·m-3,材质长度分别为L1=1 cm、L2=3 cm、L3=5 cm。

实验数据采集由压力传感器、数据采集卡以及Labview 软件3 部分组成。其中,传感器为140PC微型压力传感器(Honeywell 公司),采样点位置对搅拌槽内壁压力脉动时间序列影响不大,实验中采样点位置距搅拌槽底部0.48 m;采集卡为USB接口便捷式NI USB-6009 型多功能数据采集卡。

1.2  实验方法

实验在室温(25℃±2℃)下进行。搅拌介质选用自来水,25℃时密度ρ=998 kg·m-3,黏度μ=0.89 mPa·s。在传统刚性桨体系、穿流桨体系和穿流-柔性组合桨体系中,当转速为30、60、90、120、150、180、210、240 r·min-1 时,分别用数据采集软件Labview 采集搅拌槽内壁压力脉动信号,采样时间为10 min,采样频率fs =1000 Hz,通过小波分析对该信号的时间序列进行消噪处理,运用Matlab 软件编程计算Kolmogorov 熵。

 

2  理论分析

2.1  Kolmogorov 熵

Kolmogorov 熵反映动力系统的运动性质和状态, 是度量动力系统运动形式的特征量。Kolmogorov 熵可以判断系统的运动状态:①K=0,表示动力系统做规则运动;②K=∞,表示动力系统做随机运动;③K 取有限正值,表示动力系统做混沌运动。

实验结合G-P 算法和最小二乘法原理,计算搅拌槽内壁的压力脉动信号的Kolmogorov 熵值。计算原理可见文献。

2.2  混合时间

混合时间用来描述流体宏观混合,是表征搅拌槽内混合状况的重要参数,是评价搅拌设备混合效率的重要指标。实验采用碘液脱色法对3 种不同类型桨叶体系的流场变化进行对比分析,并测定桨叶在不同转速下流体的混合时间。首先,向搅拌槽中的自来水溶液加入50 ml 0.2 mol·L-1 碘液,混合均匀,此时溶液呈黄褐色;其次,调节转速,然后从搅拌槽的顶部位置快速加入稍过量(约52 ml)的0.2 mol·L-1 Na2SO3 溶液,在搅拌过程中亚硫酸钠被氧化,而碘被还原,主体溶液逐渐褪色,最后呈无色。

发生的化学反应可表示为

Na2SO3 + I2 + H2O—→ Na2SO4 + 2HI

用相机拍摄搅拌槽内流体混合的整个过程,并记录混合时间t。

 

3  实验结果与讨论

3.1  穿流桨对Kolmogorov 熵的影响

实验使用传统刚性桨和穿流桨,分别采集各桨叶体系不同转速时的搅拌槽内壁压力脉动信号,采样时间为10 min,用Matlab 编程计算Kolmogorov熵。结合Kolmogorov 熵随转速的变化规律,探究穿流桨对混沌混合的影响。

不同转速时两体系的Kolmogorov 熵随转速的变化如图3 所示。在30~240 r·min-1 范围内,两种桨叶体系的Kolmogorov 熵均大于0,说明体系处于混沌状态。随着搅拌转速的增加,Kolmogorov 熵呈现先增大后减小的趋势。在转速低于120 r·min-1时,流体颗粒运动并不剧烈,随转速提高Kolmogorov 熵增长速率较慢。当转速达到120r·min-1 后,Kolmogorov 熵增长速率急剧加快,混合效果明显增强。而当转速继续提高,超过180r·min-1 后,Kolmogorov 熵又迅速减小,这是因为湍流区包含大量对称结构(如大涡、尾涡等),能量难以有效传递,导致混合效率降低,混沌混合效果减弱。

 

图3 穿流桨对体系Kolmogorov 熵的影响

 

经过实验对比,可从图3 中明显看到,相比传统刚性桨体系,穿流桨体系的Kolmogorov 熵增长幅度并不大。这是由于穿流孔对较大旋涡的破坏并不彻底,没有加强搅拌槽内流体颗粒的涡流扩散,因此强化体系混沌并不明显。

3.2  穿流-柔性组合桨对Kolmogorov 熵的影响

搅拌装置普遍使用传统刚性桨。本实验使用穿流-柔性组合桨对自来水体系进行搅拌混合,操作条件同3.1 节。当柔性部分长度L 分别为1、3、5 cm时,两体系的Kolmogorov 熵随转速变化的关系如图4 所示。

 

 

 

图4 穿流-柔性组合桨对体系Kolmogorov 熵的影响

 

由图4 可以发现,随着转速的增加,Kolmogorov熵均呈先增大后减小的趋势。当转速低于180r·min-1 时,穿流-柔性组合桨体系的Kolmogorov熵值明显高于传统刚性桨体系。转速N=180 r·min-1 时,混沌达到最佳状态,此时传统刚性桨体系的Kolmogorov 熵为0.125,而穿流-柔性组合桨体系的Kolmogorov 熵在3 种不同的柔性部分长度下均高于传统桨体系,分别为0.237(L=1 cm)、0.266(L=3cm)、0.285(L=5 cm)。这是因为柔性部分的摆动破坏了桨叶尖端湍流区内对称结构的稳定,使能量向整个搅拌槽扩散,混合效果得以提高;除此之外,穿流孔在一定程度上提高了桨叶附近的速度梯度,从而增强了流体剪切力。因此,二者的共同作用使得穿流-柔性组合桨体系在低转速时达到良好的混沌效果。

为了研究柔性部分长度对体系Kolmogorov 熵的影响,使用了3 种不同长度的柔性材质,并对Kolmogorov 熵的变化情况进行了探索。不同长度时Kolmogorov 熵随转速的变化情况如图5 所示。由图5 可明显看出,N≤180 r·min-1 时,在1~5 cm 的长度范围内,Kolmogorov 熵随长度增加而增大。导致这种变化趋势的原因主要是搅拌桨柔性端长度增加使柔性部分覆盖的流场区域变大,从而桨叶破坏对称结构稳定的能力得以提高。

 

图5 柔性部件长度对穿流-柔性桨体系Kolmogorov 熵的影响

 

3.3  穿流-柔性组合桨混合性能的验证

本实验分别探究了传统刚性桨与穿流-柔性组合桨对混合时间的影响。当柔性部分长度L=1 cm时,穿流-柔性组合桨体系与传统刚性桨体系的混合时间随转速的变化曲线如图6 所示。

 

图6 转速和桨叶类型对混合时间的影响

 

由图6 可知,无论是在传统刚性桨体系还是穿流-柔性组合桨体系中,lnt 与N 均呈线性关系,分别符合以下线性方程

lnt = 4.996-0.0098N                     (1)

lnt = 4.730-0.0089N                     (2)

在30~240 r·min-1 的转速范围内,随着转速的提高,混合时间逐渐减少,穿流-柔性组合桨体系的混合时间均小于传统刚性桨体系,并且在低转速段时两者的差异尤其明显。这与之前研究的穿流-柔性组合桨能够通过自身作用强化混沌混合的结论是一致的。

穿流-柔性组合桨强化流体混合如图7 所示。柔性材质向四周波动以及穿流孔的射流调控导致刚-柔-流的耦合运动,破坏了流场的混合隔离区,从而诱发流体的混沌混合。

 

图7 穿流-柔性组合桨强化流体混合

 

图8 是两种桨叶在N=120 r·min-1 时相同时间间隔内流场的演变情况。桨叶尖端湍流区存在对称结构,严重阻碍了能量传递,从而降低混合效率。穿流-柔性组合桨通过穿流孔与柔性部分的共同作用破坏了对称结构的稳定性,增大了混沌区。如图8 所示,在混合时间t=12 s 时,穿流-柔性组合桨体系上层桨叶附近对称结构已经消失,而传统刚性桨体系还存在对称结构。t=30 s 时穿流-柔性组合桨体系流体混合均匀,传统刚性桨体系却需要36 s 才能混合均匀,穿流-柔性组合桨体系的混合时间缩短了17%,性能明显优于传统刚性桨体系。

 

图8 桨叶体系混合实验

 

4  结论

(1)穿流-柔性组合桨通过穿流孔与柔性部分的共同作用破坏桨叶附近对称结构的稳定性,并调控流场结构,强化了混沌混合。在转速为180 r·min-1时, 混沌达到最佳状态, 传统刚性桨体系的Kolmogorov 熵值为0.125,而当柔性部分长度为1、3、5 cm 时,穿流-柔性组合桨体系的Kolmogorov熵值分别为0.237、0.266 和0.285,均高于传统刚性桨体系,而且柔性部件长度的增加有利于混沌混合。

(2)穿流-柔性组合桨体系的混合时间明显低于传统刚性桨体系。通过拟合公式得出lnt 与N 呈线性关系,穿流-柔性组合桨体系的线性方程为lnt =4.730-0.0089N。在转速为120 r·min-1 时,穿流-柔性组合桨使流体混合时间缩短了17%。

 

符 号 说 明

——桨叶直径,m

H ——液面高度,m

L ——柔性部件长度,cm

——嵌入维数

N ——转速,r·min-1

——搅拌槽内径,m

——混合时间,s

ì  μ ——黏度,Pa·s

ñ ρ——密度,kg·m-3

ô τ——延迟时间,s

                                          (化工学报,2015年第12期)

 

联系人: 陈老师

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                                            Tel: 83172307



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