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2018年 第37卷 第05期 刊出日期:2018-05-05
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本期封面、中英文目次表
化工进展. 2018, 37(05): 0-0.
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化工进展. 2018, 37(05): 0-0.
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特约评述
益生菌在喷雾干燥过程中的活性变化与保护策略
傅楠, 陈晓东
化工进展. 2018, 37(05): 1633-1645. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1848
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肠道菌群对于人体健康具有重要影响。口服足量的活性益生菌,有助于缓解急慢性肠炎、治疗腹泄、改善消化,已在临床治疗中得到一定应用。在食品市场上,益生菌干粉制剂亟需一种生产成本低、制粉简便的生产方法。喷雾干燥的生产能力强、制粉快速,但干燥过程中,雾化液滴经历一个快速升温与脱水过程,对其中的益生菌带来热胁迫、脱水胁迫、氧化胁迫等多种不利因素,造成菌体活性的大量损失。而喷雾干燥塔的结构,使塔内的液滴干燥过程难以追踪,不利于研究益生菌的失活历程以及探索益生菌与载体材料间的相互作用。本文从雾化液滴在干燥塔内的干燥历程着眼,回顾了益生菌活性随液滴干燥动力学变化的趋势,讨论了益生菌在喷雾干燥中经受的亚细胞结构损伤与功能性损伤,并系统总结了目前文献中报道的提升干燥后益生菌活性的主要方法,包括提升菌体耐受性、优化喷雾干燥条件和采用合适的保护性载体,并着重阐述了载体材料与益生菌细胞间的相互作用关系以及干燥历程的重要影响。文章指出为最大程度上保存喷雾干燥粉末中益生菌的活性,应综合微生物、干燥过程与食品化学(材料学)等领域的保护策略,设计一体化统合生产方案。依据微生物-保护载体间的相互作用设计高效保护配方载体,研发统合从微生物细胞培养至粉末储藏的新型生产工艺,是实验室及工业中合理设计工业级喷雾干燥过程、大量生产高活性益生菌制剂的关键。
化工过程与装备
Kaibel隔壁塔用于四组分精馏的模拟优化和实验研究
方静, 相宁, 李晓春, 张淑婷, 李春利
化工进展. 2018, 37(05): 1646-1654. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1327
摘要
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隔壁精馏塔由于其特殊的结构可在单塔内实现多组分高纯度分离的目的。本文针对Kaibel隔壁精馏塔(KDWC)分离四组分混合物的节能工艺进行了模拟优化和实验研究。以甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇(MEPB)为例,通过热力学分析建立了稳态模拟的“四塔模型”,并以塔内温度分布为依据对模型准确性进行了实验验证。提出了一种基于再沸器能耗的优化流程,以再沸器最小能耗为目标函数,对KDWC的液相分配比(RL)及整体结构进行了优化。分析了KDWC的节能原理并考察了中间组分含量对KDWC节能效果的影响。对比了KDWC与常规传统三塔序列的能耗并对二者的热力学效率进行了计算。结果表明:温度分布的模拟值与实验值趋于一致,且液相分配比(RL)是塔的重要操作参数;KDWC结构相比于传统三塔序列节能的重要原因是有效降低了中间组分(乙醇和正丙醇)的返混程度,且随着中间组分含量的增加KDWC节能效果越来越明显;当中间组分摩尔分数为80%时,KDWC可节能35.65%,可提高热力学效率26.11%。通过本文研究,为隔壁塔用于四组分精馏提供了基础实验数据并为其节能优化提供了理论指导。
一种新型蜂窝密封的封严特性
李盼, 李勇, 曹丽华, 付亚辉, 王佳欣
化工进展. 2018, 37(05): 1655-1663. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1319
摘要
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为提高蜂窝密封的封严特性,改善转动机械的工作效率,本文在传统蜂窝密封基础上通过改变蜂窝的排列方式得到了一种新型蜂窝密封。采用ANSYS CFX软件对新型蜂窝密封和传统蜂窝密封内的三维流动情况进行了数值模拟,并引入泄漏系数,对这两种蜂窝密封在密封间隙、芯格直径、芯格深度、蜂窝壁厚、压比和转速变化时的封严特性进行了对比分析。结果表明:新型蜂窝密封在大压比、薄壁厚和小间隙下比传统蜂窝密封更具封严优势;当蜂窝密封的芯格直径为3.2mm时,新型蜂窝密封比传统蜂窝密封的泄漏系数减少了7.1%;改变蜂窝芯格深度,新型蜂窝密封的封严特性优于传统蜂窝密封。特别是当转速增加时,新型蜂窝密封内的周向漩涡更稳定,能量耗散更强,泄漏系数更小,密封效果更好。
膨化黑米粉的粉碎分级实验
邹鹏程, 张明星, 黄生龙, 李鹏超, 刘侹楠, 陈俊冬
化工进展. 2018, 37(05): 1664-1669. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1333
摘要
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在生产膨化谷物粉的过程中,往往会采用振动筛分机对粉碎后的膨化谷物粉进行筛分来得到需求粒度的粉体,过程较为复杂。本实验采用气流分级机对粉碎后的膨化黑米粉进行分级去除20目以下粗的粉体。考察了在改变分级机转速、二次风风量和气固浓度时,对膨化黑米粉分离20目以下粗粉体效果的变化规律,并进一步得出所有参数的最优值。实验过程中出现分级机在分级膨化黑米粉的同时兼具粉碎效果,并对分级机对物料的粉碎机制进行探讨。实验结果表明:分级机转速、气固浓度、二次风风量的改变都会对膨化黑米粉的分级效果产生显著影响,当分级机转速为90r/min、二次风风量为175.60m
3
/h、气固浓度为0.12kg/kg时,分级效果较好;并验证了分级机中的分散锥和分级轮对膨化黑米粉的二次粉碎作用。在此基础上,提出了一个工业生产线,运用分级机与前端的粉碎设备进行联合,提供一种高效的一体控制膨化谷物类食品粒度的生产方法。
沟槽参数对螺旋槽液膜密封空化诱发影响分析
李振涛, 王赟磊, 郝木明, 李勇凡, 曹恒超, 袁俊马
化工进展. 2018, 37(05): 1670-1679. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1338
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为进一步探索液膜密封端面空穴发生诱因及其影响规律,本文基于JFO(Jakobsson-Floberg-Olsson)空化边界,建立双坝区中间开螺旋槽的液膜密封物理模型,通过空穴可视化实验验证了程序算法的准确性,分析了不同空化边界下液膜密封的空穴特征。以密封面间润滑液体的液膜压力和密度变化为判据,探讨了槽深、槽角和槽数等参数对液膜始破位置、重生位置及空穴发生面积的影响。结果表明:相比Half-Sommerfeld和Reynolds空化边界,基于JFO空化边界计算的空穴特征能更好地与实验结果相吻合;较大槽深和槽数,均缩小了液膜始破位置沿螺旋方向的空穴长度和液膜重生位置沿周向的空穴宽度,前者提升了两位置的空穴度,而后者降低了液膜重生位置的空穴度;槽角的增大,在扩大两位置空穴尺度的同时,提升了相应位置的空穴度;而液膜中空穴发生面积随槽深的增加线性降低,在较小槽角时先线性增加后随槽角增大呈抛物线增加趋势,而在槽数大于12时随槽数增加线性降低。
超重力液相沉淀法制备纳米铁酸钴
祁贵生, 武晓利, 刘有智, 郑奇, 郭林雅
化工进展. 2018, 37(05): 1680-1686. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1343
摘要
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针对磁力搅拌器制备纳米材料时存在粒径分布宽、分散不均匀的问题,采用撞击流-旋转填料床结合化学共沉淀法,以Fe(NO
3
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3
·9H
2
O、Co(NO
3
)
2
·6H
2
O、NaOH为原料制备CoFe
2
O
4
纳米颗粒。研究了转速、液体流量、NaOH浓度以及晶化时间对CoFe
2
O
4
纳米颗粒粒径的影响;并与磁力搅拌器制备的CoFe
2
O
4
纳米颗粒在磁性能方面进行了对比。采用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、透射电镜(TEM)、纳米粒度仪及振动样品磁强计(VSM)对产物的粒径形貌及磁性能进行表征。结果表明:CoFe
2
O
4
纳米颗粒的粒径随转速、液体流量和NaOH浓度的增加而减小,但随晶化时间的增加而增大。最佳工艺条件为:转速900r/min,液体流量60L/h,NaOH浓度3mol/L,晶化时间6h。此条件下制备的CoFe
2
O
4
纳米颗粒的粒径约为20nm,饱和磁化强度为75.43emu/g,较磁力搅拌器提高40%。
颗粒物料在半封闭式回转鼓内的混合特性
刘义伦, 伍天翔, 赵先琼, 刘思琪, 苏家辉
化工进展. 2018, 37(05): 1687-1691. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1360
摘要
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采用DEM离散单元法,对不同转速与倾角下半封闭式回转鼓内颗粒物料的混合过程进行了模拟。通过“颗粒接触数”定义的分离指数S,分析了不同转速和倾角对回转鼓内颗粒物料径向与轴向混合特性的影响。结果表明:转速与倾角对回转鼓内颗粒物料径向与轴向混合特性有显著的影响;倾角不变,转速分别为15r/min、30r/min、45r/min时,颗粒物料的径向与轴向混合速度随转速的增加而增加,当转速超过30r/min后,增加转速对径向与轴向混合速度的影响越来越小;转速不变,倾角分别为0°、17°、34°时,增大倾角能有效的增加轴向混合速度,但对径向混合速度没有促进作用,当倾角超过17°后,轴向混合速度的增幅随着倾角的增加而逐渐变小,而径向混合速度随着倾角的增大而减小,但增加转速可以减小径向混合速度下降幅度。
特殊换热网络算例优化与分析
张红亮, 崔国民, 朱玉双, 黄晓璜
化工进展. 2018, 37(05): 1692-1701. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1382
摘要
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换热网络综合属于混合整数非线性规划问题,具有严重的非凸、非线性特性。为探讨某些换热网络算例可能存在内部公用工程且年综合费用极低的特殊换热网络结构,本文采用了允许公用工程内置的无分流分级超结构模型。基于布谷鸟搜索算法,通过设置最小换热量阀值及以较小概率接受较差结构来指导换热网络结构进化,建立适用于求解换热网络综合问题的优化算法,并对特殊算例的优化结果进行分析。本文列举3个特殊算例,具有热流体的初始温度高于热公用工程的入口温度或热公用工程的进出口温差较大的特征,改进的布谷鸟搜索算法能够搜索到带有内部公用工程的换热网络结构,且年综合费用得到明显下降。结果表明:对于特殊算例,公用工程内置能够优化换热网络的热量分布,节约换热器面积,有效降低换热网络的年综合费用。
不同凝核剂溶液在冷表面上凝结过程的实验研究
刘圣春, 宋明, 姜婷婷, 代宝民
化工进展. 2018, 37(05): 1702-1708. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1486
摘要
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用实验方法研究了添加剂种类、浓度、粗糙度和表面接触角对液滴在冷表面凝结过程的影响。用半导体制冷片对冷表面进行降温,用K型热电偶测量液滴中心的温度,用相机记录整个凝结过程。冷表面分为以铜为基体的亲水表面和喷涂了纳米膜的疏水表面2种,添加剂为氯化钠、氯化钾、碳酸氢钠3种。相机记录的图像可以看出,水滴完全凝固时会在顶部形成突起,相同体积的液滴与亲水表面的接触面积比疏水表面大,故在亲水表面凝固所用的时间少。通过数据分析得到,亲水表面液滴的临界成核能随粗糙度的增加而降低,但疏水表面相反;添加剂浓度增大会增加表面能,降低溶液平衡温度,增加临界成核能;临界成核能大小排序为氯化钠溶液 < 碳酸氢钠溶液 < 氯化钾溶液。
基于Aspen Plus的循环流化床工业气化炉模拟
刘忠慧, 于旷世, 张海霞, 朱治平
化工进展. 2018, 37(05): 1709-1717. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1493
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循环流化床煤气化炉在工业应用过程中,由于试验煤种及操作条件的多样性,通过试验法优化操作过程所需周期较长、成本较大。因此以大量工程数据为边界条件,基于Gibbs自由能最小化原理,利用Aspen Plus对气化过程进行模拟,通过灵敏度分析,研究了单因素氧煤比、蒸汽煤比、气化压力、空气/蒸汽预热温度变化对气化指标的影响;并运用正交实验,研究了以上4种因素共同作用的结果。研究结果表明:氧煤比增加使有效气(CO+H
2
)含量、冷煤气效率先增加再减小,并在0.45~0.50kg/kg时取得最大值;蒸汽煤比增加使煤气热值和气化温度减小,对有效气含量基本没有影响;气化压力增加使煤气热值和气化温度增加;空气/蒸汽预热温度增加使气化温度、有效气含量、冷煤气效率增加,煤气热值减小。通过正交实验综合分析,氧煤比和空气/蒸汽预热温度对气化指标的影响较为显著,两者对气化指标的影响趋势基本一致;蒸汽煤比主要影响煤气热值,而气化压力主要影响比氧耗,对其他指标影响较小。
新型太阳能混合蓄热罐的放热特性
程友良, 王月坤, 张夏, 韩健
化工进展. 2018, 37(05): 1718-1725. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1329
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针对单罐系统的放热效率普遍较低,在单罐的基础上进行改进,增加一个壳管式相变换热器,构成单罐混合蓄热罐。建立了单罐混合蓄热罐的数值模型,将数值模拟结果与实验结果进行对比,研究了相同情况下混合蓄热罐与常规斜温层蓄热罐在放热特性方面的差异,并探究入口熔融盐速度和石英石颗粒直径的变化对蓄热罐放热特性产生的影响。结果表明,在入口熔融盐速度
u
in
=2.0×10
-4
m/s下,混合蓄热罐的放热性能比常规斜温层蓄热罐更优;随着入口熔盐速度的增加,蓄热罐的总放热时间、有效放热时间以及放热效率均下降,并且混合蓄热罐中不同速度与放热效率有一定的比例关系;相对于常规斜温层蓄热罐,石英石颗粒直径的变化对混合蓄热罐放热性能的影响很小。
能源加工与技术
水合物动力学抑制剂的作用机理研究进展
陈玉川, 史博会, 李文庆, 柳杨, 宋尚飞, 丁麟, 宫敬
化工进展. 2018, 37(05): 1726-1743. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1240
摘要
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水合物动力学抑制剂作为低液量抑制剂,其可应用于深水流动保障风险控制水合物冻堵问题,受到国内外研究者的广泛关注。本文重点阐述了动力学抑制剂的可承受最大过冷度和对诱导时间的延长这两个评价指标,同时梳理了动力学抑制剂对水合物生成及分解过程影响的研究成果。总体而言,可承受最大过冷度越大、延长诱导时间程度越强的动力学抑制剂,抑制水合物生成并保障流动安全的可靠性越高;动力学抑制剂对水合物生成与分解过程存在复杂的影响规律。本文将其对气体消耗速率、气体消耗量和形态,分解温度、时间和分解速率,“记忆效应”等影响进行了分析。结合上述研究成果,总结了动力学抑制剂对水合物的影响机理,特别是提出了化学型动力学抑制剂对水合物吸附抑制机理的概念示意图。最后,给出了未来深入开展动力学抑制剂研究的建议。
中心进气式油页岩干馏炉的冷态模拟优化
柏静儒, 高飞, 刘卓卓, 孙灿辉, 王擎
化工进展. 2018, 37(05): 1744-1752. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1848
摘要
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油页岩气体热载体干馏炉稳态运行过程中,炉内的流程分布对油页岩干馏具有显著影响。干馏段流程分布情况越均匀对油页岩的干馏越有利。本文对自行设计的某种四层布气的干馏炉干馏段进行CFD冷态模拟,并分析了该结构形式干馏炉的优缺点,对相应缺点进行了改进。结果表明:此类四层中心进气的干馏炉总体上可以提供较好的气体热载体充满度及热载体的流程分布。将入口形式改造为带十字导叶的入口形式对干馏炉内流程分布有积极影响。此种结构下炉膛局部区域存在气体充满度欠缺问题。保证整体进气量不变的前提下,在特定位置增加边壁进气配合中心进气可以较好地填补干馏段的热载体缺口。改进后的干馏炉干馏段气体热载体分布均匀情况更为理想。
Fe/赤泥催化水蒸气气化煤焦的反应性与微结构特性
燕希敏, 苗鹏, 常国璋, 郭庆杰
化工进展. 2018, 37(05): 1753-1759. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1381
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利用固定床反应器和自制Fe/赤泥(RM)、RM催化剂,进行了900℃煤焦/催化剂不同质量比的水蒸气气化实验,并采用原位红外(FTIR)、物理吸附仪(BET)、拉曼光谱(Raman)等测试手段,分析了催化气化过程中不同阶段煤焦的气化反应性、表面官能团、孔隙结构和碳微晶结构的演变规律。结果表明,Fe1/RM2催化剂可显著提高煤焦-水蒸气的气化反应性。在Fe1/RM2/煤焦-水蒸气反应过程中,煤焦表面形成—CH
2
、—COOH、酚羟基等活性官能团并与Fe1/RM2活性组分相互作用,形成新的小分子基团或化合物;煤焦的比表面积先增大后减小(6.98~323.22m
2
/g),平均孔径呈现相反的变化趋势(2.91~11.25nm);碳有序化程度先降低后提高,碳转化率为36%煤焦中无定形碳的相对含量最高(0.371)。在煤焦-Fe1/RM2-水蒸气反应初期(
X
C
<36%),煤焦表面活性基团增多、比表面积增大、有序化程度降低,综合提高了煤焦-水蒸气气化反应性;降低36%≤
X
C
≤62%阶段的碳有序化程度,对煤焦气化反应性的提高具有显著意义。
燃烧用高碱煤气相NaCl硫酸化途径的反应动力学计算
肖海平, 祁超, 孙保民
化工进展. 2018, 37(05): 1760-1766. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1394
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为研究高碱煤烟气中气相NaCl生成硫酸钠的途径以及硫酸化比例的影响因素,对不同工况下高碱煤理论烟气中气相NaCl的硫酸化过程进行了计算,使用生成速率(ROP)分析法对体系中各基元反应进行了分析。结果表明,烟气中的NaCl主要是通过生成NaHSO
4
和NaSO
4
两种前体物质进行硫酸化,两种硫酸钠前体物质均可通过多个途径生成;在中温区域多种含钠中间物质均能够稳定存在,而在高温区域NaO
2
、NaSO
3
Cl两种物质由于分解速率较大不能稳定存在,所以中温区域NaCl硫酸化途径多于高温区域;增加过量空气系数、煤种含硫量、煤种水分含量对NaCl的硫酸化过程均有一定的促进作用;高温区域含钠中间物质分解速度增大,NaCl硫酸化途径减少,导致高温下NaCl硫酸化比例大幅度下降。
生物油裂解气费托合成-烯烃齐聚耦合制取航煤组分的过程模拟及(火用)分析
于点, 仲兆平, 李全新
化工进展. 2018, 37(05): 1767-1773. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1356
摘要
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利用Aspen Plus软件建立了生物油裂解气费托合成-烯烃齐聚耦合制取航煤组分的仿真流程,得到整个系统的物流、能流数据。对整个系统进行了(火用)分析,找出(火用)效率最高、(火用)损失最大的单元,研究了不同催化裂解温度和不同航煤生产工艺下系统的(火用)效率。结果表明:催化裂解温度为550℃时,系统的总(火用)效率为80.4%,水煤气变换子系统具有最高的(火用)效率,费托合成-烯烃齐聚耦合子系统具有最大的(火用)损失,占全部(火用)损的75.88%;生物油催化裂解温度从500℃上升到650℃,系统的总(火用)效率由87%下降到76.9%;合成气的组成对系统的(火用)效率影响不大,3种不同的航煤生产方式中,烯烃齐聚具有最高的(火用)效率;费托合成-烯烃齐聚耦合工艺的改进应集中在开发新型反应器以及寻找同时适用于两种反应的催化剂。
不同粒度谷壳糠粉的燃烧特性
王亚超, 赵江平, 王玉娇, 李华, 崔晓红, 刘鹏刚, 付林志
化工进展. 2018, 37(05): 1774-1780. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1290
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为了探索谷壳糠粉的燃烧特性,基于粉尘层和粉尘云实验研究了粒径对其最低着火温度的影响,采用哈特曼管和锥形量热仪测试了不同粒径谷壳糠粉的爆炸下限和热释放性能,利用热重/差式扫描量热仪系统地研究其燃烧特性和燃烧动力学。结果表明:随着谷壳糠粉粒径的减小,其最低着火温度(MIT)和爆炸下限浓度(LEL)降低,但最大爆炸压力
P
和爆炸压力上升速率均增大。其中粒径为80~96μm样品的爆炸压力为0.9MPa,其粉尘层(5mm及10mm)和粉尘云最低着火温度分别为130℃和430℃,燃烧特性指数
S
N
达到3.82×10
-7
,较粒径为180~1250μm样品提高了57.2%;在307s出现最大释热峰,且最大释热峰值强度增加至62kJ/m
2
,对应热解过程的反应活化能由35.35kJ/mol(180~1250μm样品)增大至51.15kJ/mol,表明其燃烧过程随粒径的减小由扩散控制转变为动力学控制过程。
太阳能有机朗肯-闪蒸循环工质选择
刘茜, 李华山, 卜宪标, 王令宝, 龚宇烈
化工进展. 2018, 37(05): 1781-1788. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1352
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近年来,太阳能低温热发电技术作为可再生能源领域的研究热点受到越来越多的关注。文章针对太阳能平板集热器驱动的有机朗肯-闪蒸循环(solar binary-flashing cycle,SBFC),基于EES(engineering equation solver)软件建立数学模型,分析了7种制冷剂包括R601、R601a、R1233zd(E)、R600、R1234ze(Z)、R600a和R1234ze作为循环工质在SBFC系统中的应用潜力,并在系统净输出功最大的工况下,研究了集热器出口热水温度(80~100℃)对SBFC系统热力性能的影响规律。选用的性能指标参数有净输出功、热效率、第二定律效率、不可逆损失、换热器热导(
UA
,总传热系数与传热面积的乘积)和单位太阳能集热器面积净输出功。结果表明,在所研究的工况范围内,随着集热器出口热水温度的增大,SBFC系统的热力性能得到显著的提高,且工质的标准沸点温度越高,SBFC热力性能越好,其中R601具有较高的净输出功、热效率和第二定律效率,并且系统的不可逆损失较小,是一较理想的SBFC系统循环工质。
离子液体碱溶液脱除秸秆中木质素
刘程, 刘振, 李龙飞, 张世英, 许爱荣
化工进展. 2018, 37(05): 1789-1794. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1908
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生物质是来源丰富的可再生资源,去除生物质中的木质素是提高生物质的糖化发酵效率的关键。本文利用含NaOH的离子液体氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑([Amim]Cl)溶液对玉米秸秆进行处理,从反应温度、反应时间和固液比3个方面研究其脱除木质素的效果,采用单因素实验和Box-Behnken中心组合实验对反应条件进行优化,对比分析处理前后的秸秆的组成和结构变化。结果表明:在反应温度86.8℃,反应时间1.48h,固液比1∶9g/mL时,处理后秸秆中纤维素含量达到83.69%,木质素含量为3.29%,木质素脱除率达81.73%,反应温度对纤维素含量影响最显著。本工作可为玉米秸秆的资源化利用提供参考。
工业催化
SO
4
2-
/M
x
O
y
型固体超强酸催化剂的研究进展
陈焕章, 张悦, 冯雪, 孙朝利
化工进展. 2018, 37(05): 1795-1803. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1325
摘要
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SO
4
2-
/M
x
O
y
型固体超强酸催化剂具有活性高、无污染、不腐蚀设备和可重复使用等优点,是一种典型的环境友好型催化剂。本文讨论了浸渍沉淀法、溶胶-凝胶法、低温陈化法和超声波共沉淀法4种制备方法对催化剂催化性能的影响。重点综述了SO
4
2-
/M
x
O
y
型固体超强酸催化剂在载体和活性组分改性方面的研究进展。根据固体超强酸催化剂的结构模型,分析了SO
4
2-
/M
x
O
y
型固体超强酸的成酸机理,介绍了催化剂的失活机理、表征手段以及在各个领域的应用实例,最后对SO
4
2-
/M
x
O
y
型固体超强酸催化剂的结构理论和制备技术进行了展望。
氧化铈基HCl氧化循环制Cl
2
催化剂研究进展
楼家伟, 费兆阳, 刘清, 陈献, 汤吉海, 崔咪芬, 张竹修, 乔旭
化工进展. 2018, 37(05): 1804-1814. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0539
摘要
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242
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氯化氢催化氧化技术在副产氯化氢的处理和利用方面有着巨大的应用价值和良好的工业前景。CeO
2
基催化剂因其廉价、不易烧结及抗氯化性能优良等诸多优点,被认为是目前最具有应用前景的氯化氢氧化催化剂之一。本文简要地介绍了氯化氢氧化制氯循环工艺,评述了近年来用于氯化氢氧化反应的CeO
2
基催化材料,包括CeO
2
催化剂、掺杂改性CeO
2
催化剂以及CeO
2
作助催化剂等。同时在文中还对CeO
2
基材料催化HCl氧化的表面反应机理进行阐述。最后结合目前的研究现状,对如何进一步提升CeO
2
基催化HCl氧化的反应活性进行了展望。
SAPO-18分子筛的快速合成及其甲醇制烯烃催化性能
张岩, 李渊, 赵立国, 谭小耀, 覃环, 王秋月, 黄从付
化工进展. 2018, 37(05): 1815-1822. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1446
摘要
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在水热合成SAPO-18分子筛的过程中,通过在合成凝胶中加入过硫酸钾来加速SAPO-18分子筛的结晶。借助ESR、XRD、SEM、FTIR和NH3-TPD对分子筛的结晶过程和所制备的分子筛样品进行表征,并通过固定床反应器评价所制备的SAPO-18样品对甲醇转化制备低碳烯烃(MTO)反应的催化性能。考察了加入过硫酸钾的量对SAPO-18分子筛样品及其MTO催化性能的影响。实验结果表明,合成凝胶中适量过硫酸钾的加入,使得体系中羟基自由基(·OH)数量增多,SAPO-18分子筛的结晶度提高,形貌变好。此外,通过评价SAPO-18分子筛催化MTO过程发现,合成凝胶中加入过硫酸钾后寿命显著增长。
SO
4
2-
/TiO
2
-SnO
2
固体酸催化剂的制备及其催化合成丙烯酸苄酯
潘柳依, 淡勇, 王军峰, 牛梦龙, 范铮, 李稳宏
化工进展. 2018, 37(05): 1823-1830. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1444
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采用共沉淀法制备了SO
4
2-
/TiO
2
-SnO
2
固体酸催化剂,利用SEM-EDS、XRD、FTIR、Py-IR、XPS等技术对其进行了表征,结果表明:Sn掺杂会改变催化剂晶型结构与酸性中心的数量和分布情况。在Sn掺杂量为5%、焙烧温度为500℃条件下,将其用于丙烯酸苄酯合成,显示了良好的催化活性。通过对反应条件进行优化,结果表明:酸醇摩尔比为1.3∶1、催化剂用量3%、反应温度120℃时,反应苯甲醇的转化率为93.1%,产物选择性为98.8%。与SO
4
2-
/TiO
2
相比,其反应活性与稳定性显著提高,抗结焦能力增强。
不同模板剂对纳米氧化铁形貌及硫化性能的影响
史磊, 冯宇, 李阳, 张帅国, 武蒙蒙, 米杰
化工进展. 2018, 37(05): 1831-1836. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1340
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以Fe(NO
3
)
3
·9H
2
O和CO(NH
2
)
2
为原料,添加不同模板剂,即丙三醇、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和酒石酸,由水热反应制得纯相α-Fe
2
O
3
。采用X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、氮吸附(BET)表征手段对产物的物相组成、微观形貌及孔结构进行了分析与对比。结果表明,添加丙三醇、CTAB及酒石酸为模板剂后,分别得到具有棒状、球状及长方体形貌的α-Fe
2
O
3
。利用微型固定床硫化装置对不同模板剂制备的纳米α-Fe
2
O
3
分别进行脱除H
2
S的实验,结果表明,添加3种模板剂后得到的脱硫剂都具有较高的硫化性能。其中,添加酒石酸得到的α-Fe
2
O
3
的孔隙结构更加丰富,其硫化性能要优于另外两种,穿透时间可达到350min,硫容为11.5g/100g。本文通过添加不同的模板剂,制备得到了具有不同形貌的脱硫剂活性组分,提高了硫化性能,为实现脱硫剂高效脱硫提供了思路。
金属氧化物催化热解微晶纤维素
邹群, 戴贡鑫, 林海周, 王树荣
化工进展. 2018, 37(05): 1837-1842. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1419
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详细研究了不同种金属氧化物(Al
2
O
3
、MgO和Ga
2
O
3
)对纤维素热解行为的影响。通过热重-红外光谱研究了添加不同金属氧化物后纤维素热解行为的变化,发现金属氧化物的加入使得微晶纤维素的最大失重速率降低,开始分解的温度前移,焦炭产率增加。在3种金属氧化物中,Al
2
O
3
有最为优秀的综合脱氧效果,而Ga
2
O
3
使得发生脱氧反应的温度区间变窄,但是脱除效率相对不高。通过热解-气相色谱/质谱分析了添加不同金属氧化物后纤维素热解产物分布的变化,结果表明,Al
2
O
3
对于呋喃类产物有很好的选择性,MgO促进了小分子产物的生成,Ga
2
O
3
提高了脱水糖产物的总产率。此外,Ga
2
O
3
的添加对于Al
2
O
3
和MgO的催化效果影响不同。
材料科学与技术
胶乳互穿网络聚合物(LIPN)的阻尼性能研究与应用进展
阳红军, 王锋, 胡剑青, 涂伟萍
化工进展. 2018, 37(05): 1843-1851. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1390
摘要
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介绍了胶乳互穿网络聚合物的微观结构形态、阻尼原理、合成过程和类别,讨论了其阻尼性能的影响因素,同时对胶乳互穿网络聚合物在不同领域的应用进行了总结,并对胶乳互穿网络聚合物的发展方向进行了展望。指出了胶乳互穿网络聚合物结构与阻尼性能的关系,在其合成过程中,其阻尼性能受到交联剂含量、网络配比、加料顺序、加料方式和填料的影响,其在阻尼涂料、皮革涂饰剂和涂料印花等领域有广泛的应用。同时也指出了目前关于胶乳互穿网络聚合物的研究遇到的瓶颈,未来的研究应从新的聚合工艺、新的表征方法和组成多样性寻求突破。
高分子表面金属化技术
姚卫国, 鲁姗姗, 窦艳丽, 管东波, 王晓伟
化工进展. 2018, 37(05): 1852-1859. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1201
摘要
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高分子表面金属化是对高分子材料表面进行改性处理使其具有良好物理性能、力学性能及金属光泽的表面技术,广泛应用于高分子导电、薄膜修饰、电磁屏蔽等领域。本文综述了高分子表面金属化的两大类技术方法,即干法镀膜和湿法镀膜。介绍了几种典型的表面处理技术,如真空镀膜、喷涂金属转移法、化学镀、化学还原金属化以及电镀,并总结了它们的技术特点以及在科学研究和工业生产应用中的难点。阐明了从传统电镀技术发展而来的高分子表面直接电镀工艺的优势,直接电镀工艺省去了电镀前的活化工序,缩短了工艺时间,避免了电镀前工艺对环境造成的污染,成为高分子表面金属化技术发展的新方向。
相变微胶囊悬浮液在热输运中应用的研究进展
刘小诗, 邹得球, 贺瑞军, 申俊锋, 郭江荣, 胡志钢, 胡云平, 刘默
化工进展. 2018, 37(05): 1860-1867. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1439
摘要
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相变微胶囊悬浮液是将相变微胶囊分散在基液中形成的两相流体,具有载热密度大、传热温差小等优点,在热输运中具有独特优势。本文综述了影响相变微胶囊悬浮液热输运的关键影响因素:稳定性、流动阻力特性及热输运特性。从静止稳定性及循环稳定性两方面分析了相变微胶囊悬浮液稳定性存在的问题并提出了解决方法。从黏度、压降两方面阐述了相变微胶囊悬浮液的流动阻力特性。结合阻力特性及热输运能力,分析了相变微胶囊悬浮液的热输运特性。最后介绍了相变微胶囊悬浮液在暖通空调、太阳能热利用、电力电子与动力设备散热等方面的应用。
石墨烯材料在水中重金属检测中的应用
彭雪, 高彬, 高泽, 秦丽丽, 杨雯晴, 石凡可, 滕洪辉
化工进展. 2018, 37(05): 1868-1874. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1126
摘要
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近几年,石墨烯及其复合材料的制备及应用受到广泛关注,在环境污染物检测方面取得了显著进展,尤其是水中重金属分析方法的研究。本文综述了各类石墨烯材料用于水中重金属离子检测的研究现状,着重分析了石墨烯改性电极的制备、性能及其电化学检测方法的机理和优缺点。发现石墨烯材料的优异电子传输性能,使其在重金属离子电化学测试方法开发方面具有天然优势,有助于实现在线、原位、实时检测水体中重金属离子;但是石墨烯改性电极研究刚刚起步,存在诸如抗干扰能力和选择性差、电极重复使用性能差、实际应用研究少等问题,有必要继续开展石墨烯修饰的新型复合电极制备,进一步提高电化学测试方法的选择性和抗干扰能力,增加电极使用寿命和非常规环境下的应用研究,拓展石墨烯基复合电极的应用范围等。
聚乳酸多孔微球的制备及其表征
刘瑞来
化工进展. 2018, 37(05): 1875-1880. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1361
摘要
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以聚乳酸(PLLA)/四氢呋喃(THF)为淬火溶液,无其他添加剂条件下,通过低温淬火、萃取、洗涤和干燥得到直径为30.92μm±1.55μm的PLLA多孔微球,多孔微球由直径为0.34μm±0.06μm向外辐射的纤维组成。偏光显微镜表明多孔微球为球晶结构。XRD结果表明,多孔微球属于α晶型,晶粒尺寸大小为17.25nm。DSC结果表明,PLLA多孔微球的结晶度为36.05%。与熔融挤出造粒得到PLLA原料(结晶度小于10%)相比,低温淬火得到的多孔微球的结晶度大大提高。N
2
吸附-脱附结果分析表明,多孔微球的平均孔径和孔体积分别为42.92nm和0.1135cm
3
/g,大部分为大孔和介孔结构,比表面积和孔隙率分别为14.18cm
2
/g和93.15%。采用等温DSC模拟低温淬火过程研究了PLLA在THF溶液中结晶动力学,利用Avrami方程得到Avrami指数
n
平均值为2.29,说明PLLA在THF溶液中为异相成核和三维生长。
原子转移自由基聚合法改性纳米氮化硅粉体的制备工艺及性能
黄李晓研, 魏铭, 王钦利, 刘晓芳
化工进展. 2018, 37(05): 1881-1887. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1411
摘要
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采用γ氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、氯乙酰氯在氮化硅(Si
3
N
4
)表面引入引发基团,通过原子转移自由基聚合(ATRP)方法,以甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为单体,制得表面引发的丙烯酸聚合物改性的氮化硅粉体。使用傅里叶红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(
1
H NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)对ATRP法改性的氮化硅粉体进行表征,确定了改性氮化硅粉体的最佳工艺条件;使用马尔文激光粒度仪、扫描电子显微镜(SEM)、接触角测定仪对改性前后氮化硅进行性能测定。结果表明:通过此方法制备出的改性氮化硅粉体具有良好的分散性,粒径较小、团聚减少,表面接枝聚合物相对分子质量分布窄、可控。
油酸、聚甲基丙烯酸甲酯修饰可磁化颗粒的磁流变液的流变行为
牛方昊, 胡志德, 晏华, 杨健健, 张寒松
化工进展. 2018, 37(05): 1888-1895. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0821
摘要
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主要研究了拥有相同极性基团不同长度的非极性基团的表面活性剂对磁流变液流变行为的影响。分别以油酸、聚甲基丙烯酸甲酯修饰后的羰基铁粉为可磁化颗粒,硅油为载液,经过超声分散制备磁流变液。黏度测试表明,低速剪切时,颗粒表面表面活性剂层的空间位阻作用(熵斥力)起主导作用,黏度降低;高速剪切时,表面活性剂层又会增大颗粒的内摩擦,使黏度增加。通过流变模型的定量分析也印证了上述结论。磁流变测试表明,油酸为表面活性剂的磁流变液对磁场有更强烈的响应,形成更强的链束结构,屈服应力增大,而聚甲基丙烯酸甲酯的作用相反。两种表面活性剂都明显改善磁流变液的沉降稳定性能,降低了沉降速率与最终沉降量。本研究为磁流变液表面活性剂的选用提供了参考。
密封橡胶在硝酸异丙酯中的溶胀性能分析
吴力力, 丁玉奎, 甄建伟, 陈思扬
化工进展. 2018, 37(05): 1896-1901. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1021
摘要
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丁腈橡胶作为硝酸异丙酯的密封材料,常常会发生硝酸异丙酯的渗漏挥发现象。为选择新的橡胶代替丁腈橡胶密封硝酸异丙酯,本文制备了丁腈橡胶与三元乙丙橡胶试样,测试经溶胀后丁腈橡胶与三元乙丙橡胶的质量与体积变化率、组织结构、表面形貌、力学性能,并对比了丁腈橡胶与三元乙丙橡胶溶胀后的性能。结果表明:丁腈橡胶与三元乙丙橡胶在硝酸异丙酯中溶胀后各方面性能均有所下降,但是三元乙丙橡胶溶胀后的性能要强于丁腈橡胶,显示出更好的耐硝酸异丙酯性能,建议使用三元乙丙橡胶并喷涂酚醛树脂液体密封胶密封硝酸异丙酯。
球磨法强化活性白土催化二聚酸合成
胡冬冬, 钱行, 计建炳, 陆向红
化工进展. 2018, 37(05): 1902-1907. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1425
摘要
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226
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采用球磨法强化白土催化制备二聚酸过程。以二聚酸的产率为评价指标,在球磨反应釜中考察了反应温度、催化剂用量、助催化剂用量、搅拌桨叶型式、搅拌速度、球磨介质用量对二聚酸合成的影响,并与搅拌釜的结果比较。结果表明:球磨法可以强化活性白土催化二聚酸合成过程,水蒸气氛围下,在反应温度260℃、催化剂质量分数24%、助催化剂质量分数0.5%,采用双螺旋带型桨叶、搅拌速度173r/min,球磨介质为氧化锆、球磨介质用量1500g(为原料质量的6倍)的反应条件下,制备得到二聚酸含量为79%、酸值为196mgKOH/g、黏度为1640mPa·s的二聚酸粗品,二聚酸产率为58.7%。相比于搅拌釜,球磨反应釜中二聚酸含量提高了75%。采用红外光谱(FTIR)、高效液相色谱-质谱(HPLC-Mass)等方法对产物进行表征,实验制得的二聚酸主要由双环二聚酸和无环二聚酸组成,双环二聚酸和无环二聚酸的比例为1.07∶1。
SO
2
与O
2
对硫改性石油焦吸附剂脱汞性能的影响
李娜, 韦红旗, 段钰锋, 王晨平, 佘敏, 胡鹏, 王双群
化工进展. 2018, 37(05): 1908-1915. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1399
摘要
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利用SO
2
作为气体活化剂改性石油焦制备脱汞吸附剂;通过比表面积及孔隙度分析仪、元素分析仪及X射线光电子能谱分析(XPS)等方法对吸附剂的物理化学性质进行表征;在固定床实验装置上对改性石油焦进行汞吸附实验,并对吸附产物进行程序升温脱附。结果表明,SO
2
活化改性后的石油焦表面结构得到有效改善,表面硫形态以有利于汞吸附的低价态硫为主。在模拟烟气气氛中加入O
2
能够有效提高脱汞效率,加入SO
2
则会对脱汞产生抑制作用,且抑制程度随SO
2
浓度的增加而增强。在模拟烟气气氛中同时加入O
2
和SO
2
,对脱汞产生的作用效果与SO
2
的浓度有关。对比不同温度下的汞吸附与脱附结果,证明高温会对石油焦表面含硫、含氧官能团产生抑制作用。
棉纤维基活性炭制备工艺的优化及性能表征
李海红, 薛慧, 裴盼盼, 杨可, 夏禹周
化工进展. 2018, 37(05): 1916-1922. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1443
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以废旧棉布为原料,K
2
CO
3
为活化剂,化学活化法制备棉纤维基活性炭。以碘吸附值和得率为指标,采用Plackett-Burman(P-B)设计,进行主要影响因子的筛选,利用中心复合设计(central composite design,CCD)和响应面优化分析,确定最优制备工艺,并对该工艺条件下制备的样品进行元素含量、表面形貌、比表面积、孔结构和表面官能团的表征。结果表明:碘吸附值和得率的显著影响因子是活化温度、浸渍比和活化时间;最优工艺条件为活化温度818℃、浸渍比1、活化时间1.5h;在此工艺条件下样品碘吸附值和得率分别为1513.7mg/g和15.42%;样品含C量为93.45%,比表面积达1624.79m
2
/g,平均孔径为2.57nm,其表面官能团种类稀少。利用高含碳量的废旧纺织品可以制备出性能优良的活性炭,同时采用P-B/CCD法在优化制备棉纤维基活性炭的工艺中是准确可靠的。
生物与医药化工
近红外光谱技术应用于中草药口服液在线质量控制的化学计量学建模
李晶晶, 周昭露, 黄生权, 鲁亮, 黄延盛, 田淑华, FALOLA Akinola A, 李璇, 李杰, 舒逸聃, 王学重
化工进展. 2018, 37(05): 1923-1932. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1413
摘要
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264
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以一种中草药口服液中多糖含量、可溶性固形物含量及pH为对象,利用近红外光谱技术对其进行实时在线检测,重点研究了化学计量学建模方法。建模过程采用了一种系统工程的方法,综合考虑了光谱预处理、特征波段选择、数据选择和分组、近红外原始光谱和化学分析参考值的误差分析,并把工具箱集成在一起。还考察了光谱采集的重复性、采样点取样条件,并对实验室测定的参考值进行了重复性及测量误差的考察。通过对比最终选择的是偏最小二乘法(PLS)结合遗传算法自动选波段。除此之外,以模型的交叉验证均方根误差(RMSECV)、预测均方根误差(RMSEP)、质量指标化学参考值与预测值间的相对误差为指标筛选最佳建模参数。建模结果显示,多糖模型预测值与化学参考值间的相对误差可控制在10%内,可溶性固形物误差在5%内,pH误差在4%内。生产使用表明,所建立的模型可有效应用于在线、快速对质量指标做出准确的预测。
环氧化物水解酶
Pv
EH3的表达及手性邻二醇的合成
王瑞, 许耀辉, 王克伟, 邬敏辰
化工进展. 2018, 37(05): 1933-1939. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1287
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基于环氧化物水解酶(EHs)一级结构的计算机辅助分析,以菜豆(
Phaseolus vulgaris
)总RNA为模板,采用逆转录PCR和巢式PCR技术扩增了一种新型环氧化物水解酶(
Pv
EH3)的编码基因
pveh3
。借助表达载体pET-28a(+)将
pveh3
导入大肠杆菌BL21(DE3)中进行了异源表达。一级和三级结构表明,
Pv
EH3属于α/β水解酶超家族,其催化三联体为环氧化物水解酶Asp
101
-His
297
-Asp
262
的表达及手性邻二醇的合成,两个保守质子供体为Tyr
150
和Tyr
232
。在20℃、pH7.0的反应条件下,
Pv
EH3能催化环氧苯乙烷及其4种衍生物的对映会聚水解。实验结果表明,
Pv
EH3对环氧苯乙烷及其对位取代环氧底物(93.2%、86.6%和85.1%
ee
p
)的对映会聚性优于其间位取代环氧底物(37.1%和53.3%
ee
p
);
Pv
EH3针对5种环氧底物中的环氧苯乙烷具有最高的区域选择性,区域选择性系数
α
S
和
β
R
分别为93.9%和99.0%。
Pv
EH3的发现增加了区域选择性高且互补的EHs数目,为单酶催化环氧化物的对映会聚水解提供了更多的选择余地。
外添少量电子受体强化丙丁梭菌丙酮-丁醇-乙醇发酵的丁醇合成
谢方, 王浩, 许萌, 丁健, 罗洪镇, 史仲平
化工进展. 2018, 37(05): 1940-1948. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1296
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强化利用丙丁梭菌发酵生产丁醇的主要方法有:添加电子载体强化NADH再生速率、通CO气体抑制氢化酶活性、外添少量丁酸等。但是,上述方法存在着总溶剂产量低、精制成本高、辅料价格昂贵等缺点。本研究通过向丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵液添加少量电子受体(Na
2
SO
4
/CaSO
4
,2g/L),使得梭菌胞内的电子穿梭传递系统的电子流和质子流发生改变,较多电子e
-
和质子H
+
走向NADH合成途径,有利于丁醇合成;电子受体添加还可以促进对梭菌生存/丁醇合成的“有益”氨基酸、特别是缬氨酸的胞内积累/分泌,进一步强化了丁醇生产。在7L罐规模的发酵条件下、添加2g/L的电子受体Na
2
SO
4
,ABE发酵的丁醇浓度达到12.96g/L的最高水平,丁醇/丙酮比也有提高,分别比对照组提高35%和10%。添加Na
2
SO
4
等廉价电子受体提高了ABE发酵中的丁醇浓度,虽然提高幅度有限,但却可为利用发酵工程技术提高丁醇浓度和丁醇/丙酮比提供一种新的途径。
海藻糖合酶的自诱导表达及其催化生产海藻糖的新工艺
晏星辰, 赵倩如, 王凯峰, 郭玉欣, 江凌, 黄和
化工进展. 2018, 37(05): 1949-1955. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1428
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海藻糖合成酶一步合成法是制备海藻糖最具工业化前景的方法之一。在前期研究基础上,本研究从发酵产酶和酶催化两方面进一步降低海藻糖生产成本,提高生产效率。首先,采用自诱导表达系统,在摇瓶体系中对含有海藻糖合成酶的大肠杆菌BL21(DE3)进行三阶段温度控制发酵,即以自诱导培养基发酵培养重组大肠杆菌,在37℃培养2.5h,25℃培养10.5h,30℃继续培养至发酵终点;此时,酶活达到1.42×10
4
U/mL,比自诱导恒温提高了57.4%。在此基础上,在5L反应器上进行三阶段温控发酵验证实验。通过连续发酵40h后OD达到31,细胞干重浓度达到15.32g/L,酶活达到最高值1.81×10
4
U/mL,比摇瓶发酵提高了28.6%。其次,开展全细胞催化生产海藻糖工艺优化,以5%甲苯处理45min的大肠杆菌细胞为研究对象,考察了pH、反应温度、底物浓度对全细胞催化合成海藻糖的影响以及全细胞催化的重复使用性能。结果发现:催化反应在pH为7.5、温度为30℃、麦芽糖初始浓度为350g/L时,海藻糖的得率达到74%以上;全细胞催化反应10个批次后,细胞仍保持对麦芽糖64.1%的转化率。本研究为海藻糖的工业化生产提供了一种经济、高效的工艺路线。
精细化工
新型磺酸基Gemini表面活性剂的合成及其在油气井中的应用性能
赖小娟, 汪洁, 王磊, 范华波, 赵倩云, 穆瑞花
化工进展. 2018, 37(05): 1956-1961. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1322
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以油酸酰胺丙基叔胺、3-氯-2-羟基丙磺酸钠和1,4-二溴丁烷为原料,通过两步反应合成了一种甜菜碱双子表面活性剂B18-4-18,通过傅里叶变换红外光谱仪和核磁共振波谱仪对合成产物进行了结构表征,用表面张力仪测定不同浓度下的双子表面活性剂(B18-4-18)的表面张力,用携液率装置测定了其在清水中、矿化水中、凝析油溶液中、甲醇溶液中的携液率,用罗氏泡高仪测定不同类型表面活性剂的泡沫高度。结果表明:合成产物与预期目标产物结构一致,在25℃时,B18-4-18的临界胶束浓度
CMC
为5.0×10
-6
mol/L,相应的表面张力
γ
cmc
为31.67mN/m;质量分数为0.5%的B18-4-18在清水、矿化水、凝析油溶液、甲醇溶液中的最高携液率分别可以达到90%、87%、78%、87%;对比不同的表面活性剂的泡沫性能,优选出在泡沫酸中使用最佳的起泡剂为B18-4-18。
木质素磺酸盐接枝共聚物的合成及工艺优化
郭睿, 宋博, 郭煜, 李云鹏, 土瑞香, 王映月, 马兰
化工进展. 2018, 37(05): 1962-1967. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1304
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以木质素磺酸盐、甲基丙烯磺酸钠和烯丙基聚氧乙烯醚为原料,过硫酸钾为引发剂,通过水溶液聚合法合成了木质素磺酸盐的三元接枝共聚物(LS-SMAS-APEG)。通过傅里叶红外光谱仪(FTIR)、环境扫描电镜(ESEM)对共聚物进行了结构表征。考察了单因素:甲基丙烯磺酸钠用量、烯丙基聚氧乙烯醚用量、聚合温度、聚合时间和引发剂用量对LS-SMAS-APEG表观黏度的影响。并在单因素实验的基础上,利用正交实验优化了木质素磺酸盐接枝共聚的工艺条件。得到聚合的最佳工艺参数为:甲基丙烯磺酸钠用量为20%,烯丙基聚氧乙烯醚用量为35%,反应温度75℃,反应时间4h,引发剂用量为木质素磺酸盐用量的4%。并将产物用于神华煤制浆实验,通过探讨LS-SMAS-APEG特性黏数、浆体的表观黏度和zeta电位测试对LS-SMAS-APEG的分散性能的影响。结果表明,聚合物对神华煤的降黏、稳定和分散作用良好。
资源与环境化工
等离子体合成氨技术研究进展
冯嘉予, 宁平, 孙鑫, 王驰, 李坤林, 李凯
化工进展. 2018, 37(05): 1968-1977. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1303
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合成氨工业极大地影响着人类的发展进程,但是传统的合成氨过程需要在高温高压条件下进行。因此,如何降低反应温度和压力一直是该领域的研究热点。等离子体合成氨技术相比传统合成氨技术具有反应条件温和、原料廉价易得、不排放温室气体等优点,这种技术被认为具有很大的发展潜力。本文综述了等离子合成氨技术的发展及近期取得的成果,包括不同放电方式、不同反应器、不同放电参数和进气比例等参数条件对合成氨效果的影响,并对催化剂在等离子体合成氨技术中的作用进行了总结和讨论。根据目前等离子体合成氨技术取得的成果,指出其发展方向有以下几点:使用H
2
O和CH
4
作为氢源;开发钌基催化剂等贵金属催化剂;设计和制造适合于等离子体合成氨技术的反应器;匹配大功率的电源设备。
钠添加剂对介质阻挡-电晕放电耦合法尿素脱除NO的影响
李艳荣, 张香, 杨岚, 贺建勋, 闵小建, 樊英杰, 马晓迅
化工进展. 2018, 37(05): 1978-1984. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1365
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利用自主设计的介质阻挡-电晕放电耦合装置进行脱除NO的实验研究,在N
2
/O
2
/NO体系中,考察加入不同钠添加剂(Na
2
CO
3
、NaOH、CH
3
COONa)对尿素脱除NO的影响,同时探讨其在脱除NO过程中的作用机理。结果表明:在研究范围内,仅添加尿素时,NO脱除率随尿素含量的增加而增大,当输入电流为0.83A,尿素分解产生氨气的体积分数为0.3%时,NO脱除率为64.23%,此时体系中有CO生成且随尿素含量的增加而增加;少量钠添加剂的加入可显著提高NO脱除率,且脱除率随钠添加剂含量的增加而增大,此时CO生成量得到有效抑制。在加入量相同的条件下,各种钠添加剂对尿素脱除NO均有促进作用,促进作用大小依次为:NaOH > Na
2
CO
3
> CH
3
COONa,当加入氢氧化钠与尿素质量比为10∶10时,输入电流仅为0.83A时,脱除率可达90.71%;电流为5A,脱除率达95.71%,此时体系中几乎无CO生成。
利用烟气废热的LiBr制冷液化粗CO
2
节能新工艺
阮雪华, 辛月, 张宁, 焉晓明, 代岩, 贺高红
化工进展. 2018, 37(05): 1985-1991. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1460
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二氧化碳液化是衔接碳捕集与封存利用(CCSU)的重要环节。传统的低温液化工艺,操作温度低于-20℃,为避免水结冰冻堵,脱水预处理过程复杂、制冷能耗高,显著增加了CCSU的成本。对此,本研究提出利用烟气废热的LiBr制冷液化CO
2
新工艺。以烟气携带的低温废热为热源驱动LiBr吸收式制冷机,制取4℃左右的冷媒;同时,提高粗二氧化碳的压力,使液化温度升高至7℃以上,与冷媒温度匹配。本工艺二氧化碳液化温度高于水的冰点以及水合物形成的临界温度,不再需要复杂的脱水预处理过程。Aspen Plus过程模拟分析表明,本项目提出的新工艺,全过程的压缩功耗(二氧化碳压缩+制冷压缩)为123.7 kW·h/t液态二氧化碳,比传统工艺节省约23.9%。以20万吨/年工业级二氧化碳生产装置为例,新工艺通过综合利用低温废热,每年可减少电耗7.70×10
6
kW·h,节省运行成本约225万元,具有显著的节能效果和经济效益。
氯离子活化过一硫酸钾降解水中甲氧苄啶
古振川, 高乃云, 安娜, 陈菊香
化工进展. 2018, 37(05): 1992-1998. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1528
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以水中典型药物及个人护理品甲氧苄啶(TMP)为目标污染物,研究了氯离子活化过一硫酸钾(PMS)氧化降解TMP的效能和机理;对比了氯氧化工艺和Cl
-
活化PMS对TMP的去除效能;考察了底物初始浓度、NH
4+
、NO
3-
、CO
3
2-
、HCO
3
-
、温度和腐植酸对TMP降解的影响。研究表明,TMP降解过程符合拟一级反应动力学模型,反应动力学常数为0.0296min
-1
(
R
2
>0.97);随着TMP初始浓度的增加,反应速率常数kobs减小;氯氧化工艺和Cl
-
活化PMS对TMP的去除率相近,但Cl
-
活化PMS降解TMP的反应速率较慢。NH
4+
的存在会抑制降解反应,并且氯氧化工艺对NH
4+
更敏感;NO
3-
对降解反应无影响;CO
3
2-
和HCO
3
-
的会抑制降解反应,CO
3
2-
浓度越大,抑制作用越强。HCO
3
-
浓度越大,抑制作用越弱;温度越高,反应速率常数越大。根据阿伦尼乌斯方程,得到TMP的反应活化能Ea为66.97kJ/mol;溶液中腐植酸浓度越大,TMP的去除率越小。
基于固定化载体材料海绵铁净化微污染河水特性研究
万琼, 吴仪, 王信, 吴英海, 魏东洋, 贺涛, 姜琦
化工进展. 2018, 37(05): 1999-2009. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1554
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为城市内河受污水体原位净化提供科学、有效的技术支持,本文采用电镜SEM、XRD和EDS表征方法,分析了新型填料海绵铁的结构特征和主要成分,并通过单因素试验探讨了海绵铁对总磷的吸附去除效果,最后利用自行设计的以海绵铁为填料的曝气生物滤池(BAF)进行效果试验。结果表明:①海绵铁的物相以Fe为主,同时存在Fe
2
O
3
、Fe
3
O
4
、Fe
2
CO
3
和Fe
3
C(其中Fe、C、O含量分别为58.79%、21.85%、19.36%),说明了海绵铁具有较强的还原性,为高效脱氮提供了还原电子;②温度对海绵铁的吸附去除效果几乎没有影响,P浓度越高吸附量越大,当P浓度为10mg/L时,海绵铁投加量的多少不影响去除率,P浓度大于10mg/L时,随着海绵铁投加量的增加去除率逐渐上升,pH越低越有利于海绵铁对P的吸附;③BAF反应器内,模拟自然净化状态不进行曝气时,出水水质严重恶化,进行反冲洗后重新进行曝气,去除率上升COD、NH
4
+
-N、TN和TP平均去除率分别升高11%、71%、31%和4%,但经过长期的连续运行反应器去除效果稍有降低,如较生物挂膜阶段同样6h期间COD、TN和TP分别降低5%、4%和18%;④海绵铁填料特殊的表面上形成了独特的生物群落,生物多样性高,反应器内环境DO越高,物种群落结构越丰富,多样性越高,同时说明海绵铁对污染物的去除是吸附和微生物的共同作用。
应用技术
基于机械蒸汽再压缩和有机朗肯循环技术的双溶剂协同萃取精馏分离乙酸甲酯-甲醇-水节能工艺
杨德明, 朱碧云, 顾强, 王争光, 印一凡, 高晓新
化工进展. 2018, 37(05): 2010-2015. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1508
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针对双溶剂协同萃取精馏分离乙酸甲酯-甲醇-水三塔分离工艺特性及高能耗特点,把机械蒸汽再压缩(MVR)和有机朗肯循环(ORC)余热发电技术应用于该三塔的优化,提出了带中间再沸器的MVR热泵和ORC耦合MVR热泵两种节能精馏工艺。以年总费用(TAC)为精馏工艺评价指标,净输出功为ORC系统评价指标,采用Aspen Plus软件对提出的节能工艺进行模拟与优化。研究结果表明,就乙酸甲酯回收塔和甲醇回收塔而言,带中间再沸器的MVR热泵精馏工艺较常规双溶剂协同萃取精馏工艺能耗分别减少了57.38%和9.66%;TAC分别节省了31.34%和11.69%。而对于溶剂回收塔,带中间预分塔的ORC耦合MVR热泵精馏工艺较常规双溶剂协同萃取精馏工艺能耗减少了50.16%,TAC节省了36.13%。就整个萃取精馏系统而言,优化后的精馏工艺比原有双溶剂协同萃取精馏工艺能耗减少了45.48%,TAC节省了31.33%。
萃取精馏制取无水乙醇过程不同节能方案的对比
林子昕, 安星, 安维中, 朱建民
化工进展. 2018, 37(05): 2016-2022. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1621
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以乙二醇为萃取剂从乙醇-水体系制取无水乙醇产品。基于流程模拟软件,对常规萃取精馏过程以及双效萃取精馏、分割式热泵萃取精馏、隔壁塔萃取精馏和内部热集成萃取精馏等4种节能工艺进行模拟及优化。设计规定如下:无水乙醇中乙醇质量分数不低于99.5%,回收的萃取剂中乙二醇质量分数不低于99.9%,废水中的质量分数为99.5%以上。在相同的设计基础和设计要求下,获得各流程最优的操作参数,并从节能效果及经济性分析对比4种节能工艺。结果显示:相比于常规萃取精馏过程,虽然内部热集成萃取精馏工艺可将能耗降低14.1%,节能效果最佳,但双效萃取精馏过程总成本最低,年均总成本可降低7.2%,是最具经济性的工艺过程。本研究为乙醇-水体系萃取精馏分离工艺的工业化提供了设计基础和理论依据。
石化企业挥发性有机物与环境空气中臭氧、二次有机气溶胶关系分析
李石, 孙慧, 高少华, 邹兵, 路帅, 赵东风
化工进展. 2018, 37(05): 2023-2028. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1608
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近年来,挥发性有机物(VOCs)对于我国环境空气质量的影响成为人们关注的热点问题之一,但针对石化企业VOCs排放组分及不同组分对周边环境空气如何产生影响的研究却少有报道。本文以我国某典型石化企业为研究对象,在其正常工况运行条件下,在其厂界周围选取5个监测点位,开展了7天的VOCs采样与监测工作。通过对采集VOCs样品的定性定量分析表明,本次研究中检测出的VOCs的浓度范围为11.5~148.8μg/m
3
,VOCs组分种类主要为烷烃、烯烃和芳香烃,其中烷烃占60%以上,是该石化企业排放VOCs的主要组分。进一步通过对VOCs各组分的臭氧(O
3
)及二次有机气溶胶(SOA)的生成潜势进行估算,结果表明:烯烃是该石化企业排放的VOCs组分中对O
3
贡献的关键前体物质,贡献率为50%~70%左右;芳香烃是SOA的主要前体物质,贡献率达80%以上,VOCs全部组分对SOA的贡献量为2.5046μg/m
3
。本研究对石化企业VOCs的防控具有一定借鉴意义。
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