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技术信息资源速递(第七十五期)
阅读次数:618   添加时间:2016-10-31

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第八期(总第75期)

(2016年10月)

行业动态:

“活化氮转移”使低温合成氨成为可能

从中科院获悉,中科院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室(筹)陈萍研究员、郭建平博士在催化合成氨研究方面取得重要进展。他们创新性地提出了“双活性中心”催化剂设计策略,并由此开发出了一系列过渡金属与氢化锂组成的复合催化剂体系,实现了氨的低温催化合成。相关研究成果于近期发表在《自然—化学》期刊上。

氨是最基本的化工原料之一,也是最主要的肥料来源。从热力学角度看,由氮气和氢气反应生成氨在常温常压条件下就可以进行。但是因为氮气分子非常稳定,难以活化,因此工业合成氨过程须在高温高压(350—500℃,50—200个大气压)条件下才能实现。如此苛刻的条件使得合成氨工业每年需要消耗全球能源供应总量的1%—2%。而我国又是合成氨生产第一大国,合成氨年产量接近世界合成氨总量的30%。所以针对我国国情,开发低温、低压、高效的合成氨催化剂具有重要的战略意义。

陈萍研究员带领的团队创造性地将氢化锂作为第二组分引入到催化剂中,构筑了“过渡金属—氢化锂”这一双活性中心复合催化剂体系,并提出了“活化氮转移”的反应机理,使得氮气和氢气的活化及中间物种的吸附发生在不同的活性中心上,从而打破了单一过渡金属上的反应能垒与吸附能之间的限制关系,使得氨的低温低压合成成为可能。实验结果显示,氢化锂的加入对第三周期过渡金属的活性均有显著的促进作用,特别是Fe-LiH和Co-LiH复合催化剂在150℃即表现出了可观量的氨合成催化活性,显示出了“双活性中心”策略的有效性和普适性。(现代化工,2016年第9期)

 

陶氏METEORTM技术获选MEGlobal美国墨西哥湾

乙二醇新工厂指定技术

陶氏化学公司宣布,EQUATE石化公司旗下全资子公司MEGlobal进行了严格评估和比较筛选,最终为其在美国墨西哥湾的乙二醇(MEG)工厂选择了陶氏METEORTM环氧乙烷和乙二醇(EO/EG)加工技术和METEORTM EO-RETRO催化剂。该工厂是MEGlobal在美国的首个生产设施。

    “非常荣幸MEGlobal公司为其美国首个乙二醇工厂选择了陶氏的环氧乙烷和乙二醇技术和催化剂,”陶氏专利技术与催化剂业务全球商业总监Faye Miller表示:“陶氏与MEGlobal的合作代表了全球顶尖技术与世界级工厂的强强联手,我们相信陶氏的催化剂技术和以精简流程为标志性特点的METEORTM工艺一定能不负众望,为MEGlobal创造最大价值。”

陶氏 METEOR TM技术是行业领先的低成本工艺,专为世界级环氧乙烷和乙二醇工厂而设计,结合了高活性和高选择性的催化剂以及流线型生产流程,能够显着降低投资与能耗,高效利用原材料,提高操作稳定性、安全性以及环保效益。迄今为止,陶氏已向世界各地的工厂授权其 METEOR TM技术,环氧乙烷年总产相当于 450 万吨。(塑料工业,2016年第9期)

 

美开发煤灰制聚氨酯复合材料

近日,美国北卡农业技术州立大学的研究人员利用废弃的煤灰,成功开发了轻量聚氨酯复合材料。研究人员表示煤灰并非废料,如果处理得当是很有价值的资源。他们发现把煤灰与聚氨酯混合后仍然能够保持化学惰性,进一步研究表明是煤灰中的尿烷在起作用。于是研究人员把煤灰作为原料来生产聚氨酯复合材料,将这种材料放在测试盆内数周,发现它既不溶解于水,也不吸收水。该材料可存储在地下数十年而不会损害环境,将它取出重新磨成粉末还可用于生产制造,如果要长期存放可注塑成大型块状体。

这种新材料的生产过程不需要额外的热能,可利用烧煤工厂的任何类型煤灰直接加工,在消除热能的同时降低了生产成本,还可改善环境,是一项清洁技术。这种材料中包含了质量分数75% 的煤灰,并有可能提高到80%。混合后的材料可以模塑成外饰板、盖板和内饰模等。目前,研究人员正在研究如何利用这种材料开发出具有商用价值的产品。(化学推进剂与高分子材料,2016年第5期)

 

首款石墨烯基锂离子电池研发成功

2016年7月8日,世界首款石墨烯基锂离子电池产品在京发布。专家认为,该产品的研发成功,彻底打开了石墨烯在消费电子锂电池、动力锂电池以及储能领域锂电池的应用空间。首款石墨烯基锂离子电池产品由上市公司东旭光电的子公司上海碳源汇谷推出,并命名为“烯王”。该产品性能优良,可在-30℃—80℃环境下工作,电池循环寿命高达3500次左右,充电效率是普通充电产品的24倍。据东旭集团董事长李兆廷介绍,上海碳源汇谷是一家专注于石墨烯规模化制备、应用技术开发的高新技术企业,也是目前国内唯一一家可实现低成本、高品质、单层石墨烯规模化制备(年产量达吨级)的企业。其中试生产线制备的石墨烯单层率超99%、纯度高达99.9%。上海碳源汇谷首席科学家郭守武教授表示,此次发布的石墨烯基锂离子电池技术不仅解决了锂离子电池的快充问题,还突破了国际上对“碳包覆磷酸铁锂技术”的技术封锁。(化学推进剂与高分子材料,2016年第5期)

 

聚乳酸研究取得突破性进展

西班牙塑料技术中心 Aimplas成功完成欧洲 Innorex 研发项目,这一项目的目标是寻找开发创新方法,不使用金属催化剂,且过程中采用替代能源来生成聚乳酸 PLA。 该研发项目已经产生成果,发现了改进型 PLA,这种改进型产品阻抗力较通常产品高出 200%,可作为聚丙烯的潜在替代材料。其创新之处在于采用挤出工艺将丙交酯原料加工成聚乳酸(PLA)。生产中还通过反应挤出工艺使用了开环聚合法(ROP)。 Aimplas 与欧盟另外 11 家公司和技术中心一起参与了欧洲 Innorex 项目,项目总协调是德国弗朗霍夫化工技术研究所。(浙江化工,2016年第9期)

 

日本开发出了全固态锂电池的新型负极材料

“穿孔石墨烯分子”

日本东北大学与东京大学组成的研究小组于近日宣布,开发出全固态锂电池的新型负极材料“穿孔石墨烯分子(CNAP)”。该材料比通用石墨电极的大容量高2倍以上,在充放电65次后仍能够维持原本的容量。

长期以来,作为锂电池的负极材料一直使用重量轻、电容量大的石墨。最近,市场上出现了石墨烯、碳纳米管等纳米碳的新型碳材料,使电池容量可以扩大2~3倍。但纳米碳是结构不唯一的复杂混合物,目前还不能证明大容量化的原理。因此,开发具有部分纳米碳结构的分子性物质成为了研究人员关注的焦点。这次新开发的穿孔石墨烯分子就是一种分子中央有纳米级微孔的大环有机分子。用这种分子的固态物质作为电极制备电池,检测结果表明,该分子是一种优良的电极材料。(石油化工,2016年第9期)

 

日本夏普公司开发出转换率高达31.17%的太阳能电池模块

近日,日本夏普公司称该公司开发出三层堆叠式化合物类太阳能电池,在非聚光时的模块效率高达31.17%。模块尺寸达968 cm2。虽然夏普公司开发的1.047 cm2的太阳能电池单元的转换效率已达37.9%,但对于大型模块来说,全球最高水平的转换效率为31.17%。

目前,化合物太阳能电池主要用于人造卫星等。一般而言,多层堆叠式化合物太阳能电池的价格是同面积硅类太阳能电池的几十倍。因此,新型三层堆叠式化合物类太阳能电池除在人造卫星这种高尖端特殊场合使用外,用途并不广泛。今后,公司计划将进一步研究提高模块的转换效率,降低成本,并且还将开拓对轻 量化要求很高的移动体等的太阳能电池模块的地面用途。(石油化工,2016年第9期)

 

赢创工业化生产生物表面活性剂

2016年7月,来自赢创中国的消息称,赢创工业集团正工业化生产生物表面活性剂。

迄今为止,表面活性剂几乎完全是经合成工艺生产的。最常用的原材料是石油和热带油,例如棕榈仁油和椰子油。但事实上,微生物(例如酵母和细菌)也可以生产表面活性剂。赢创是全球第1家使用生物技术批量生产高品质表面活性剂的企业。该成果是赢创生物技术、工艺工程和界面化学领域的专家历时5年多研发工作的结晶。公司主要将这种新型生物表面活性剂推向具吸引力的增长市场,应用于民用和个人护理产品。

首款含有赢创生物表面活性剂的家用清洁剂已在超市中有售。该产品含有槐糖酯,这种物质由酵母天然产生,也存在于雄峰的蜂蜜中以及其它来源。赢创位于斯洛伐克的工厂生产槐糖酯。赢创计划与主要的国际客户紧密合作,加速槐糖酯的应用。公司的科学家们亦在努力改进生产工艺,以期实现更大规模地生产。 

      赢创还计划开发并推广另1种生物表面活性剂——鼠李糖酯。该物质具有优异的发泡性,有望开辟新的应用领域。目前,位于斯洛伐克的生产基地正建设试点工厂,将通过发酵的方式生产鼠李糖酯。(现代化工,2016年第8期)

 

苏州纳米所研发新型可穿戴离子型无源力学传感器取得新进展

随着可穿戴设备的爆发式发展,与其密切联系的可穿戴传感技术也迅速发展。目前研究较多的柔性力学传感器主要为电阻型和电容型,它们不易检测出不同方向的力学变形,不利于复杂多维运动的监测。日前,中科院苏州纳米所陈韦研究团队发展了基于离子压电效应的可穿戴离子型无源力学传感器,并且实现了对于人体多尺度多维活动的实时监测。相关成果发布于《微尺度》。

这种离子型传感器以贵金属材料或者石墨烯材料作为电极材料,以离子液体作为电解质。在受到力学形变作用下,其内部可移动离子会发生定向移动,由于离子液体中阴阳离子的移动速度不同,导致两侧电极上离子的非平衡分布,从而产生电压输出。与传统的压电特性相类比,这种通过离子运动将机械能转化为电能的特性被称之为离子压电效应。与电阻式以及电容式传感器相比,该离子型传感器无需外部电源,并且可以对力学变形的方向进行识别。

该离子型无源传感器可直接贴敷在人体皮肤或衣物上进行实时监测,对大范围不同方向的手腕运动、坐姿变化、剧烈运动前后的微弱脉搏波信号变化,以及手指触摸运动等不同类型不同范围的人体活动,离子型传感器都能实现良好的监测和分辨。(化工新型材料,2016年第9期)

 

阿科玛提升特种聚酰胺全球产能

   阿科玛中国张家港基地(江苏省)主要生产生物源特种聚酰胺,阿科玛目前正不断提升该基地的混配产能。到2017年,阿科玛将在基地内现有PA10 工厂基础上,投产两条Rilsan®  PA11生产线。Rilsan® PA11因其出众的抗冲击性、耐化学腐蚀性、轻质及易加工等特性,成为汽车、消费电子和体育用品领域客户的优选材料,满足客户的特定需求。

近年来,阿科玛对张家港基地不断投资,总额达到1000万欧元。加之阿科玛旗下Rilsan® 品牌生物源聚酰胺材料在亚洲工厂生产的灵活性,阿科玛正在显著加强在该领域的供货能力。

在美国,阿科玛在其宾夕法尼亚州伯兹伯勒基地的新投资,将为体育用品和电子产品市场生产新型Pebax® 生物源规格产品。此举将完善阿科玛Pebax® 热塑性弹性体产品种类,特别提升其轻质及-40℃低温下的高抗冲击性、高坚固性和高柔韧性。

这些举措也将助力阿科玛进一步研究和发展轻质材料、材料设计、电子产品解决方案和生物源产品等。(化工新型材料,2016年第9期)

 

 

动态题录:

巴斯夫发布大中华区发展报告(化学推进剂与高分子材料,2016年第5期)

旭化成东京分公司全球首个研发出可回收氨纶(化学推进剂与高分子材料,2016年第5期)

我国首创化学合成无氯氟聚氨酯化学发泡剂(化学推进剂与高分子材料,2016年第5期)

赢创研发可生物降解的高强度复合材料(化学推进剂与高分子材料,2016年第5期)

美国化学文摘社秉承科学与创新的宗旨,甄选全球26位2016年SciFinder 化学未来领袖(上海化工,2016年第9期)

霍尼韦尔推出新型高性能FPVE树脂(浙江化工,2016年第9期)

3M公司发明不粘涂料PTFE 3D打印专利(浙江化工,2016年第9期)

福特公司将把捕获的二氧化碳转化为汽车零部件(石油化工,2016年第9期)

韩国Songwon公司和Heraeus公司携手合作开发和营销高端特种化学品(石油化工,2016年第9期)

瑞士Evolva公司与美国海军共同开发先进的复合材料(石油化工,2016年第9期)

无富勒烯聚合物太阳能电池刷新世界记录(石油化工,2016年第9期)

纸类添加剂母料用于多层膜产品(石油化工,2016年第9期)

苏州纳米所制备超薄纳米材料取得重要进展(化工新型材料,2016年第9期)

陶氏微生物控制技术助力涂企建造绿色未来(化工新型材料,2016年第9期)

 

 

论文摘要:

CFD优化管线式高剪切混合器停留时间分布

 基于计算流体力学(CFD)的方法,采用Fluent软件,结合大涡模拟(LES)湍动模型和组分物料运输模型(SPE)对中试规格的管线式叶片-网孔型高剪切混合器的停留时间分布(RTD)进行预测,与实验结果相比,其误差在14%以内,说明此方法具有较高的可靠度。基于此方法,研究了定子开孔形式、腔室结构及定转子安装方式对停留时间分布的影响,使其适用于快速反应过程。结果表明:圆形、菱形、“S”形以及齿形4种不同开孔形式的定子,圆孔开孔定子效果最优;轴向长度缩短至与出口管径相同,蜗壳形状的腔室外壳,出口管与腔室相切时效果最优;定转子偏心安装能够改善其效果,但功耗增加。经过优化后的反应器具有广泛的应用,特别的是将其用于许多快速化学反应过程时,由于停留时间短、混合效果好,其混合性能明显优于许多传统的反应器。(化工进展,2016年第10期)

 

氯化1-{2-[双(2-氨基乙基)氨基]乙基}吡啶离子液体

的合成及在ATRP反应中的应用

采用N-烷基化方法将二乙烯三胺(DETA)接枝到氯化1-氯乙基吡啶离子液体[CePy]Cl上,合成了离子液体氯化1-{2-[双(2-氨基乙基)氨基]乙基}吡啶([N3Py]Cl),通过FTIR、1H NMR和MS等测试手段对合成离子液体的结构进行了表征。采用循环伏安法对离子液体配合物[N3Py]Cl/CuBr和有机配合物PMDETA/CuBr的氧化还原电位(E1/2)进行测试,结果表明:合成的离子液体[N3Py]Cl和CuBr形成配合物的氧化还原电势为E1/2=-0.541V,比常用的有机配合物PMDETA/CuBr(E1/2=-0.142V)具有更低的氧化还原电势。将离子液体[N3Py]Cl与CuBr配位形成催化体系,在离子液体[AMIM]Cl中催化甲基丙烯酸甲酯(MMA)的原子转移自由基聚合(ATRP)反应。结果表明,当配体、催化剂和溶剂的用量分别为n(CuBr)=0.19mmol、n([N3Py]Cl)=1.13mmol、n([AMIM]Cl)=0.02mol,反应温度60℃,反应时间4h时,单体转化率高达75%,分子量分布较窄(Mw/Mn=1.24),ATRP反应具有明显的可控性能。(化工进展,2016年第10期)

 

自支撑石墨烯炭膜的制备及气体分离性能

通过溶剂蒸发法得到聚酰胺酸(PAA)与氧化石墨烯(GO)的复合石墨烯膜,并经600℃炭化制备了具有良好柔韧性的仿贝壳珍珠层结构的自支撑石墨烯炭膜。通过X射线衍射和场发射扫描电镜对薄膜微观结构进行表征,并测试不同PAA固含量制备的石墨烯炭膜对CO2和CH4的分离性能。结果表明,炭化后,GO被还原成石墨烯,呈层状堆叠,堆叠的层间填充了空穴和残炭;石墨烯炭膜的CO2渗透通量和CO2/CH4分离理想选择性随PAA加入量增加,CO2通量最高可达824 barrer,此时CO2/CH4理想选择性达38.9。石墨烯层骨架和碳分子筛构成石墨烯炭膜的气体传输通道,本研究成果为柔性自支撑气体分离炭膜的制备开辟了新思路。(化工学报,2016年第10期)

 

TiO2纳米管阵列孔径调控葡萄糖氧化酶生物传感器性能

采用电化学阳极氧化法制备出不同孔径(21、62、83、102 nm)的TiO2纳米管阵列(TNA),研究了孔径对固定化葡萄糖氧化酶(GOx)的传感器性能的影响。循环伏安测试结果表明固定在不同孔径大小的TNA上的GOx在葡萄糖溶液中均具有良好的酶活性。计时电流法和交流阻抗法测试发现,当孔径是83 nm时,灵敏度达到最大值27.2 μA·(mmol·L-1-1·cm-2。调控TNA的孔径可改变固定化GOx的活性及溶液扩散阻抗,从而显著提高生物传感器性能。(化工学报,2016年第10期)

 

壳聚糖季铵盐修饰的辅酶Q10纳米结构脂质载体的制备及表征

为了增强运载辅酶Q10的纳米结构脂质载体(CoQ10-NLC)的透皮效果,本研究采用促渗剂—壳聚糖季铵盐(QCS)对CoQ10-NLC进行表面修饰,并结合QCS分子链的自聚集行为,明确QCS-CoQ10-NLC的形成机制,得到粒径在500 nm左右的脂质载体。进一步通过体外透皮实验,考察了QCS-CoQ10-NLC的透皮吸收效果,结果显示经0.5%质量分数的QCS修饰后,脂质载体可显著增加CoQ10在皮肤中的渗透量。(精细化工,2016年第10期)

 

N-(4-(N-取代氨磺酰基)苯基)-α-龙脑烯酸酰胺化合物

为了寻找天然产物基抑菌剂,以α-蒎烯(I)为原料,经环氧化和催化异构得到α-龙脑烯醛(III),进一步转化为α-龙脑烯酸(IV)和α-龙脑烯酸酰氯(V),然后与4-(N-取代氨磺酰基)苯胺类化合物发生N-酰化反应,以32.8-78.1%的收率合成得到8个N-(4-(N-取代氨磺酰基)苯基)-α-龙脑烯酸酰胺化合物VIa~VIh。采用FTIR、1HNMR、13CNMR和ESI-MS对目标产物进行结构表征。抑菌活性测试表明,在50 µg/mL质量浓度下,目标化合物显示一定的抑菌活性,其中化合物N-[4-(N-(噻唑-2-基)氨磺酰基)苯基]-α-龙脑烯酸酰胺(Ⅵe)对小麦赤霉病菌和黄瓜枯萎病菌的抑制率分别为71.3%(活性级别为B级)和68.0%(活性级别为C级)。(精细化工,2016年第10期)

 

聚苯乙烯球负载金纳米粒子的制备及其催化性能研究

研究了聚苯乙-金复合粒子在水相中催化硼氢化钠(NaBH4)还原对硝基苯酚(p-NP)至对氨基苯酚(p-AP)的催化活性。已经制备好的AuNPs通过热力学驱动的异相凝聚法快速地负载到PS微球上。之后,PS微球负载AuNPs(PS-Au复合粒子)催化还原p-NP至p-AP的表观速率常数(kapp)为4.7×10-3s-1及内在活性参数(kiap)为0.47 s-1,这要高于此前大多数的报道。这些优越的催化性能可以归功于负载的小尺寸的AuNPs以及蓝莓形貌的复合粒子催化剂。 (应用化工,2016年第10期)

 

反应路径和反应器网络同步寻优

反应过程优化主要包括反应路径综合和反应器网络综合,反应路径综合研究原料到目标产物的化学转化途径,反应器网络综合的任务在于寻求适宜的反应器类型、尺寸以及反应器单元间的连接关系,并确定各反应器的最优操作条件。传统的研究将二者孤立,文中以功能性催化剂排列为切入点,提出了同步优化反应路径和反应器网络的超级结构法。通过优化生产目标产物反应过程中多种功能性催化剂的排列,得到生产目标产物的最优反应路径,并同步优化得到装填特定功能性催化剂反应器的网络结构。用提出的方法优化设计了对二甲苯的生产工艺流程,得到装填功能性催化剂反应器的网络,与装填单催化剂的反应器相比,等反应时间下,对二甲苯产率提高22.73%,实例验证了方法的有效性。化学工程,2016年第9期)

 

不同截面螺旋通道的热阻及熵产特性对比分析

工程应用中螺旋夹套流道截面形状常为半圆形、矩形和三角形。为确定其中何种截面螺旋通道的传热性能和综合性能最佳,在等截面积、等加热面积及等进口流量条件下,采用数值方法对比分析3种螺旋通道的热阻及熵产特性。由结果可知:相同操作流量(或泵功)下,矩形螺旋通道的热阻最小,三角形次之,半圆形最大,表明矩形螺旋通道中的对流换热量最大,经济性能最好;研究范围内总熵产率可用于评价螺旋通道的综合性能,相同雷诺数下,矩形螺旋通道总熵产率最小,三角形次之,半圆形最大,表明矩形螺旋通道的热能利用程度最高,综合性能最优。化学工程,2016年第9期)

 

用于控制膜污泥的新型泄压式脉冲工艺研究

    为减轻膜污染,设计了1种新型泄压式脉冲工艺。考察了影响脉冲工艺的3个参数,即脉冲周期、脉冲振幅(低压与高压流量之比)、脉冲时间比(低压与高压持续时间比)。结果表明,经过正交优化,对通量的影响顺序为周期>脉冲时间比>振幅,其优化组合为周期5s、振幅1.3、脉冲时间比3/7。虽然平均操作压力比无脉冲工艺低22.5%,但是通过减轻膜污染,脉冲工艺获得的通量比无脉冲工艺高14.9%。说明该种脉冲工艺可以有效减轻膜污染(主要是滤饼层),提高膜通量,是一种可行的膜污染控制方法。(水处理技术,2016年第9期)

 

 

论文题录:

微波合成淀粉基水凝胶的Pb2吸附性能(精细化工,2016年第10期)

耦合透性化辅酶循环制备手性(R)-苯基乙醇(精细化工,2016年第10期)

环糊精聚合物吸附分离姜黄素类化合物(精细化工,2016年第10期)

脂肪醇聚氧乙烯醚型阳离子聚氨酯表面活性剂的制备与性能(精细化工,2016年第10期)

二维平行平板内分散气泡对液相表观黏度影响的数值研究(化工进展,2016年第10期)

一种新型Powell粒子群算法同步综合换热网络(化工进展,2016年第10期)

连续流动状态下纳米碳管负载镍催化剂催化苯乙炔选择加氢反应(化工进展,2016年第10期)

褐煤气化半焦对地下水有机污染的模拟脱除(化工进展,2016年第10期)

Ca2+环境下水质参数变化对板式换热器铁细菌微生物污垢的影响(化工进展,2016年第10期)

P-图理论在过程网络综合中的应用研究进展(化工学报,2016年第10期)

二段式吸收塔强化水洗技术提纯沼气过程(化工学报,2016年第10期)

沉浸式汽化器壳程流体传热实验与数值模拟(化工学报,2016年第10期)

冷源温度对小型ORC低温余热发电系统的影响(化工学报,2016年第10期)

水解-刻蚀法制备CuMnO2纳米片阵列薄膜及其催化性能(化工学报,2016年第10期)

水吸收CO2过程界面对流的激光诱导荧光观测(化工学报,2016年第10期)

环糊精聚氨酯磁性吸附剂制备、表征及对柯里拉京的吸附(化工学报,2016年第10期)

锂硫电池石墨烯/纳米硫复合正极材料的制备及电化学性能(化工学报,2016年第10期)

典型PPCPs与纳米铜颗粒理化性质的交互影响(化工学报,2016年第10期)

微反应器应用于可控制备纳米CeO2晶体的研究(应用化工,2016年第10期)

交联羧甲基纤维素的制备及对染料吸附性能的研究(应用化工,2016年第10期)

海藻酸钠/钠化累托石接枝衣康酸凝胶膜的制备及性能研究(应用化工,2016年第10期)

MMA-St-BA-AA共聚乳液的制备工艺条件研究(应用化工,2016年第10期)

新型两级介质阻挡放电降解甲基橙的机理研究(化学工程,2016年第9期

酯交换法合成仲丁醇的动力学研究(化学工程,2016年第9期

负载型纳米Mn-Fe双金属配合物的制备及催化性能(化学工程,2016年第9期

水热法制备花状氢氧化镍的研究(现代化工,2016年第9期

载银阴离子PS微球制备及催化性能(现代化工,2016年第9期

球形活性炭的制备及其对低浓度丙酮的吸附(现代化工,2016年第9期

基于UD-Aspen的间歇精馏过程优化设计研究(现代化工,2016年第9期

移动床序批式反应器同步脱氮除磷改性及功能菌分析(水处理技术,2016年第9期)

生物-纳米Fe2O3改性砂对微污染氨氮的预处理与强化去除效果(水处理技术,2016年第9期)   

过渡金属离子掺杂四氧化三锰纳米催化剂(无机盐工业,2016年第9期)

 

 

 

综述:

基于充分混合、均匀分布准则的化工过程强化:

青岛科技大学的实践

(国家自然科学基金面上项目)

化工过程强化是指在生产和加工过程中应用新技术和新设备,极大地减小设备体积,或者极大地增加设备生产能力,显著提高能量效率,大量地减少废物排放。即能显著减小体积,高效、清洁、可持续发展的技术都是过程强化。化工过程强化技术被认为是解决化学工业“高能耗、高污染和高物耗”问题的有效技术手段,可望从根本上变革化学工业的面貌。通常认为化工过程强化包括设备和方法两个方面的内容。经过多年的基础研究和技术开发,我国在化工过程强化技术方面形成了自己的特色与优势,形成了诸多新设备、新方法。设备方面包括静态混合反应器、膜反应器、微型反应器、旋转盘反应器、超重力反应器、超声波反应器等。方法方面包括多功能反应器、超临界流体技术、动态操作等。

单元操作或单元过程是组成各种化工生产过程的基本单元。戴猷元等强调掌握单元操作或单元过程的共性本质、原理和相互影响的规律,才有可能优化化工过程的设计、合理调控单元操作或单元过程,实现化工过程的强化。并指出基于“场”“流”分析的观点是分析上述原理、本质的重要方法。在过去的二十多年里,青岛科技大学化学工程研究所利用数值方法和实验技术对“场”、“流”进行表达和揭示,基于“充分混合、均匀分布”的多相流调控准则进行化工过程强化研究,探讨了诸多实现过程强化的方法和方式。本文主要综述几个在工业生产中得到成功应用的过程强化案例。

 

1  充分混合、均匀分布的准则

多相流体系,如气-液、液-液、气-固及气-液-固多相流等是化工过程中广泛存在的流体体系。实现对多相流体系的动量、热量和质量传递过程强化是化工过程强化的重要内容。对多相流动进行调控是实现多相流传递过程强化的重要途径。上述诸多新设备和新方法就是利用对多相流动调控实现化工过程强化的实例。如超重力反应器利用离心力实现强化相与相之间的相对速度和相互接触;微型反应器利用其内部的微结构获得大比表面积的液滴或气泡,实现相间传质强化;利用外力场(磁场、电场、声场、振动力场、脉动流场等)调控气固、液固界面实现流态化过程强化等。因此,实现化工过程强化的重要途径之一就是根据过程特点、利用合理的方法和手段对多相流动进行调控,获得提高过程传递参数的多相流动形态。

通常,多相流动体系中各相之间混合充分、每相均匀分布-即“充分混合,均匀分布”,是提高过程传递参数的理想流动形态。如对气固流态化过程,由于气-固密度差较大,流动易呈聚式流态化形形态,气体在床内聚并成气泡上升,在床面上破裂而将颗粒向床面以上空间抛送。这不仅造成床层界面的较大起伏、压降的波动;更为不利的是,以气泡形式快速通过床层的气体与颗粒接触甚少,而乳相中的气体因流速低,与颗粒接触时间长,从而造成了气-固相接触不均匀。采用合理的调控手段,尽可能达到气、固相均匀分布,充分接触,直至散式流态化,是气固反应实现高转化率的重要途径。在气液传质体系中,尽管对其内在的传质特性及传质机理还难以精确描述,但是,通过减小气泡直径,提高比相界面积,实现高效传质被广泛接受。因此,“充分混合、均匀分布”是多相流调控过程中的重要准则。

 

2  环流旋风分离器

2.1  旋风分离器的特点

旋风分离器作为一种重要的非均相分离设备,在石油、化工、矿山冶金、环保、能源等各领域具有广泛的应用。提高旋风分离器性能不仅对解决我国当前面临的环境污染问题有着重要的意义,而且对生产装置的安全、平稳运行有重要影响。传统旋风分离器中普遍存在“上灰环”、“短路流”、“二次卷扬”、“二次返混”等诸多影响其分离效率的弊端。

2.2  旋风分离过程强化

在认识旋风主流场及二次流对分离性能影响的基础上,国内外研究者开展了大量研究工作,考察了旋风分离器的几何形状、尺寸(包括排气管、分离器高度、灰斗出口、双锥结构、椎体、锥角等)对分离性能的影响规律。

李建隆等提出“环流”的调控方式(如图1),通过设置在旋风除尘器直筒段的内构件使得含尘气体实现第一次气固分离,内构件的存在一方面提高了一次分离区中气体切向运动速度、强化流体旋转,提高了分离效率[如图2(a)];另一方面,它也使得分离器中旋进涡核的“摆尾”效应减弱,运动更加稳定。环流式旋风分离器的特殊结构使得经过一次分离的大部分气体直接从排气管排出,从而有效降低了系统压降[如图2(b)]。

 

 

  

 

 

理想的气固非均相分离流动形态是气、固相间断崖式分布(气固完全分离),即“充分混合”的反面。“环流”的调控方式使得少量含尘气体由内件与外筒的环隙,进入锥体,既能消除上灰环,又可使该部分气体与粉尘在上述过程中进行二次分离。环流式旋风除尘器实现了既缩短清洁气相路径,降低系统压降;又强化了主气流旋转,进而强化气固分离;而延长了含尘气相路径,形成两级气固分离的设想。通过对气固流动的调控,有效克服了传统旋风分离器中诸多不利因素,形成了具有国际领先水平的环流式旋风分离技术,获得了包括多位院士在内的国内外专家的高度认可。

工业应用表明:环流式旋风分离器对3μm 以上颗粒的除尘效率达到了99.5%以上,形成了筒体直径从0.25~2.8m 的系列分离装备设计技术。并已在多晶硅、粉末状药、高温焚烧等多个超细颗粒分离领域成功应用600 余台套。

 

3  流态化反应过程调控

3.1  强放(吸)热流态化过程特点

气固流化床技术由于具有床内传递特性好、处理通量大的特点,被广泛应用于化工、石油、冶金、新材料新能源等其他许多领域,但对具有强放热或强吸热反应过程(如催化裂化、煤燃烧、有机硅单体合成、乙炔法乙酸乙烯合成),流化床内传递行为同样会引起反应器效率显著变化,甚至会发生床内达到传热极限,出现与固定床相近的热点温度,从而使一些对温度敏感的反应过程受到影响,导致系统的反应选择性和效率都极大地降低等问题。

为及时取热,流化床反应器中多采用指管换热。常用的指管主要有多级串联和花板分布两种结构。当指管串联时,不同管程的外管表面温差较大,导致取热不均,出现副反应加剧和局部过热等异常现象,影响目的产物的实际收率;传统的花板分布结构采用侧向出料,易导致气体偏流,固体颗粒带出量大,若不能及时返回流化床,会造成操作不稳定,不利于产率和产品质量控制。

3.2  基于均匀取热的流态化反应过程强化

3.2.1  强放热反应过程的均热调控

针对上述多相催化反应体系的特点,通过对强放热气固流态化反应过程能量传递机制的研究,李建隆、王伟文等提出了流态化均热调控方法,发明了指管束两级槽式导热介质均布器。均热调控方法利用导流技术实现各指管(套管)中导热介质流动和温度分布均匀。同时在指管环隙中进行导流,实现对气固流动的调控,避免了气体偏流以及可能出现的流动“死区”及局部过热等问题,既防止了产生流动“死区”及污垢沉积,解决堵塞问题,又强化了传热。

3.2.2  流态化模式调控

大型流化床锥形筛板进气分布器容易导致气体分布不均、流化质量恶化,当有大气泡或颗粒团聚体存在时,会导致转化率或目的产物选择性减低。李建隆、王伟文等提出了利用双锥导流式进气分布器和条形组合内件对气固流态化状态进行调控(如图3 和图4)。

 

 

 

 

 

这些结构既有效地改善了流化床下部的流化质量,又减少和防止了床内结块及分布板堵塞。另一方面,便于催化剂补加,且能使新补加的催化剂靠锥体的扩张均布于整个床截面。前述换热指管束不仅有均匀取热的作用,还有改善流化质量的垂直内件,形成了组合内构件,有效减少或消除了大气泡和颗粒团聚体的存在。它们的共同作用是使得气固流动趋向于散式流态化的流动模式,使得催化剂和反应物料的分布更加均匀,相间接触更加充分。

均热和流态化模式调控实现了反应器中温度均布、颗粒均布、颗粒间接触充分,解决了副反应加剧和局部催化剂烧结失活等问题,提高了反应速率及目的产物收率。上述调控方法和技术已成功应用于10 万吨/年甲基氯硅烷单体合成工业系统(见图5),有机硅单体选择性达到国际先进水平。

 

 

 

4  高效精馏洗涤技术

为彻底去除合成气中的超细颗粒,一般流态化反应器及旋风除尘器后常采用精馏洗涤塔对超细颗粒进行分离。精馏洗涤塔的液相中含有一定量的固体,易造成塔盘堵塞,生产不稳定、不连续;气体穿过塔底液层时常出现“水锤”现象,引起塔的振动,且容易形成大气泡,不利于气液充分接触,颗粒物难以彻底去除。因此采用板式塔时,应防止大气泡产生或及时破除大气泡,以增大比表面积,防止气体短路,实现物系的高效分割。

基于“充分混合、均匀分布”的调控准则,李建隆等利用鼓泡层破泡方法,实现对气相的调控,将塔板液层中大气泡直径减小为原来的1/20(如图6 所示),增加了超细颗粒与液相的接触概率,实现了超细颗粒的高效捕集;增大了板上液层的传质比表面积,强化塔板上的气液传质,大幅提高塔板的分离效率。

 

  

 

 

将鼓泡层破泡方法与惯性除尘、导向筛板、穿流塔盘有效结合,形成了微尺度塔板分离技术,解决了超细颗粒去除不彻底、气液分离效率低、操作弹性小、塔内件易堵塞等问题。

微尺度塔板分离技术主要用于流态化反应器后气体的洗涤净化以及分离精度要求较高的领域,已在有机硅单体合成、乙酸乙烯合成、生物质热裂解等分离与气体净化领域应用11 台套,在有机硅单体合成领域应用时,单台处理量可达25t/h,操作弹性介于60%-200%,并实现了气固两相的高效分离。在保证洗涤效果的同时,提高了高沸物的分离效率,大幅降低了固体废弃物的产率,环保和减排效益显著。

 

5  结 语

化学工业在我国的国民经济中占有重要地位。在地球资源日益枯竭、生态环境急剧恶化的今天,过程强化技术是推动、促进我国化学工业向资源节约型和环境友好型模式转变的重要手段。

青岛科技大学化学工程研究所在过去二十多年里的实践表明:利用合适的调控方式和方法,实现“充分混合、均匀分布”的多相流流动形态,能够有效提高过程的速率和效率,达到过程强化的目的。基于“充分混合、均匀分布”多相流调控准则的化工过程强化研究,虽然取得了一些成绩,但正如费维扬院士指出的那样:“化工过程强化是灵活地利用化工基础理论和先进技术,大幅度地提高现有过程和设备的效率…但是在艰深的化工理论与复杂的工程实践之间往往存在着很深的鸿沟,需要我们努力工作,构筑跨越这条鸿沟的桥梁”。

                                    (化工进展,2016年第10期)

 

 

 

 

 

联系人: 陈老师

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