生物油燃烧与污染物排放特性的数值模拟

应用CFD(computational fluid dynamics)软件FLUENT对实验室自砌小型窑炉装置内生物油的燃烧进行三维数值模拟.获得了炉膛流场、温度场、组分分布、火焰形状及污染物排放的详细信息,揭示了炉膛内部流动、燃烧及传热传质过程的特点.对不同过量空气系数下生物油的燃烧进行数值模拟,结果表明,随着过量空气系数的增加,炉膛内最高温度减小,燃烧区域增大,尾气中CO的浓度减小,但NO的浓度增加.模拟结果与试验数据吻合良好,验证了模型的可靠性,为燃烧工况的优化设计和污染物的控制提供了一定的依据.     

温度对成品油管道顺序输送过程的影响研究进展

温度梯度是传热传质过程的动力来源之一,顺序输送本质上是传热与流动、传质的耦合过程.当前,对混油拖尾现象、与热力耦合的调度方法、管内三维传热传质模拟、考虑油品质量潜力的批次跟踪的相关研究中大多未考虑温度的影响也未阐明温度的作用机制.本文总结了未充分考虑温度影响的管输油品相关研究(混油、调度、热油管道、批次跟踪)的现状和局限性.评述了考虑温度对混油机理影响、温度对管输过程流动传热传质影响的国内外研究成果,并梳理了相关的实验研究.最后指出了水热力耦合的调度、考虑温度影响的反常扩散、可压缩多相紊流的三维数值模拟、复杂管道中的批次跟踪是该领域今后研究的关键问题和发展方向.     

多酸插层层状硅酸盐及其在催化氧化环辛烯中的应用

多酸基多相催化剂研究的重点和难题在于实现活性组分的良好分散和稳定负载.本文通过将催化活性组分多酸插层到离子液体修饰的层状硅酸盐限域空间内,制备了一种新型多酸基催化材料.通过扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、X射线衍射、能量色散X射线等谱学技术对催化剂进行了详细表征.结果表明,多酸在层状硅酸盐限域空间内实现了高分散、稳分散和均匀分散;层内共价修饰的离子液体有助于有机底物与多酸活性组分的可接近性,促进传质,提高反应效率.将所设计的催化材料应用在环辛烯的环氧化反应中,显示了优异的催化效率和选择性, 1 h对反应产物的收率可达98%.这为今后设计与创制高效多酸负载型催化剂提供了新的思路.     

膜式热湿调控原理与技术进展

基于膜的热湿传递过程作为一种新型的温度、湿度处理技术,在建筑环境节能高效控制领域取得了积极进展.膜技术具有高效紧凑的特点,并且它可以选择性地只允许水蒸气通过膜表面,从而避免了液体除湿过程中溶液小液滴对新风的污染.近年来,该技术从热湿传递原理到实际应用都取得了新进展.本文介绍了目前应用的选择性透湿膜材料,分析了平板膜全热交换器、板翅式膜全热交换器、交叉三角形波纹板全热交换器和中空纤维膜组件等膜设备的传热传质过程.它们的传热传质分析,同时考虑了膜两侧热湿耦合的自然边界条件、流体在组件内流动的不均匀性、管束随机分布等实际运行因素对传热传质的影响.这些研究工作对膜组件的设计和膜系统的优化提供了理论基础.此外,还介绍了各种新型膜式除湿系统,当它们与热泵或太阳能等系统联合应用时,可以扩大系统的热湿负荷适应范围,增加系统的能量利用效率.今后,随着新型膜材料、内冷型膜组件、多级除湿系统以及瞬态动态参数模拟技术的出现,膜式热湿传递技术将会在实际工程中发挥更大作用.     

气固两相交叉射流相间传热的LBE-DEM模拟

采用格子波尔兹曼/离散元(LBE-DEM)耦合方法模拟气固两相交叉射流相间传热,重点考察了流体和颗粒之间的热量双向耦合及其对两相传热过程的影响.流场雷诺数Re=1000,在相同颗粒数目下选取了10,25,50三种Stokes数.研究分析了气固多相交叉射流中气相温度分布,颗粒群分布形态特性以及相间的双向耦合传热特性及其影响因素.研究发现交叉射流两相传热过程在撞击前期和后期分别受两相平均温差和两相换热系数的主导,而其主导因素的转换与颗粒动态响应特性有关.     

高传热和传质性能复合吸附剂的研发

为解决吸附剂强化传热和强化传质之间的矛盾, 以氯化钙和木屑为原料, 采用炭化活化造孔的方法强化传质, 通过加入膨胀石墨强化传热, 考察了炭化活化温度和膨胀石墨加入比例对复合吸附剂性能的影响. 宏观的吸氨性能测试以及微观的参数表征表明炭化活化法制备的吸附剂孔隙发达, 氯化钙含量高而且分布均匀, 强化了吸附氨气过程中的传质速率; 炭化活化温度对样品的氯化钙含量和结晶度, 吸附量以及吸附速率都有重要的影响. 膨胀石墨的加入强化了吸附剂的传热, 提高了吸附速率. 实验结果表明, 500℃温度下制备的吸附剂, 在膨胀石墨含量为30%时, 其在0.5 h内的吸附速率较快, 在吸附时间分别为10, 20和30 min时, 其吸附量达到0.37, 0.47和0.53 g/g, 而且解决了氯化钙吸氨过程中的膨胀结块问题.     

膜换湿传质过程对传热过程影响分析

对膜换湿过程中传质过程对传热过程的影响进行了理论分析, 并建立了相应的物理数学模型. 通过理论分析, 提出了一个表示传质过程影响传热过程程度的无量纲量—y_i. 通过计算这个无量纲因子, 即可以简单地将伴有传质的传热过程转化成常规的传热过程, 使得传热计算更简单更容易理解. 在理论分析的基础上, 数值研究了质量流量对传热过程的影响. 结果表明, 当传质方向与传热方向相同时, y_i大于1, 传质过程对传热过程有促进作用; 而当传质方向与传热方向相反时, y_i小于1, 传质过程对传热过程有阻碍作用. 当质量流量J的值较小时, 质量流携带的热流对热流影响较小, 而当质量流量J的值较大时, 质量流携带的热流对总热流影响很大, y_i可能偏离1很远.     

基于格子Boltzmann方法的复杂多孔介质内双扩散效应的对流传热传质机理研究

基于TD2G9不可压格子Boltzmnann模型, 通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化, 并在标准演化方程后附加源项, 构造了用于模拟多孔介质内在多物理场(浓度场, 温度场)下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型. 基于非平衡态不可逆热力学的基本原理, 引入Boussinesq假设, 在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程. 采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟, 研究了不同瑞利数Ra, 不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征, 考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响, 创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究.     

螺旋通道内流体流动与传热特性研究进展

螺旋通道是提高流体传热及传质效率的重要结构,以其节省空间及易于加工的特点被广泛应用.而通道内流体的流动和传热特性作为评价螺旋通道的重要性质,对其实际应用具有重要的指导意义,成为近年来的研究热点.而研究重点主要集中在螺旋通道的结构参数和流动工质两个方面,本文对螺旋通道内流体流动与传热特性研究进行综述,总结了螺旋通道结构及流动工质对其性能的影响规律;具体分析了螺旋通道直径、管径、螺距、截面形状等结构参数以及流动工质种类、浓度等物性参数对其传热系数和流动阻力的影响;对比了层流及湍流状态下实验和数值模拟结论;为螺旋通道结构优化及工质选取提供了参考,并且展望了螺旋通道内流体流动及传热特性研究的发展趋势.     

深水天然气水合物及其管道输送技术

深水天然气水合物是具有广阔应用前景的非常规天然气资源.开采出的深水天然气水合物通过管道输送是实现水合物资源开发、利用的关键环节.输送过程中,管道内的压力、温度会不断发生变化,使得管道内出现伴随水合物生长或分解的复杂气液固三相流动.本文介绍了天然气水合物资源分布情况和开采方式,综述了近年来天然气水合物生长、分解动力学和含水合物颗粒的气液固多相流动方面的研究进展,分析了深水天然气水合物输送管道的安全性.指出未来在深水水合物输送方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下三个方面的研究内容:第一是考虑管流作用下天然气、水、水合物三相界面之间的传热传质特点,以及气液流速、流型对传热传质的影响,建立多组分气体水合物生长、分解动力学模型;第二是综合考虑水合物颗粒的微观受力和流体对固相的携带能力,分析水合物颗粒的聚集特征、流动特性以及在管道中的沉积规律;第三是考虑水合物颗粒的生长、分解与管道内流速、流型和压降之间的耦合作用,建立伴随水合物颗粒生长、分解、聚集、沉积的气液固多相管输模型,定量描述水合物颗粒的发展过程和三相流动规律,为深水天然气水合物输送管道的设计、运行和管理提供理论与技术支撑.     

选择性热化学催化转化果糖制备5-甲基糠醛和糠醛

以生物质热解残渣为碳源,通过不同的方法分别制备了2种具有不同酸含量的碳磺酸催化剂:活性碳磺酸催化剂(A-SC)和碳磺酸催化剂(SC).对催化剂的化学物理性质进行了表征,并将其应用于热化学催化果糖选择性制备5-甲基糠醛(5-MF)和糠醛(FF)化合物.系统研究了催化剂种类、温度以及催化剂用量等因素对产物的选择性和收率的影响.当以A-SC为催化剂时,液体产物中主要含有5-MF(收率为10.9%)和FF(收率为13.7%);而以SC为催化剂时,产物则主要为FF(收率为24.6%).根据对产物分布的变化和中间产物的研究提出了由果糖选择性转化到5-MF和FF的可能路径.     

二甲基亚烷基卡宾与丙酮环加成反应机理的理论研究

用二阶微扰和密度泛函理论研究了单重态二甲基亚烷基卡宾与丙酮的环加成反应机理, 采用MP2/6-31G^*和B3LYP/6-31G^*方法计算了势能面上各驻点的构型参数、振动频率和能量. 结果表明, 反应(1)的b途径是单重态二甲基亚烷基卡宾与丙酮环加成反应的主反应通道. 该反应途径由两步组成: (ⅰ) 两反应物首先生成了一富能的中间体INT1b, 它是一无势垒的放热反应, 放出的热量为23.3 kJ/mol, (ⅱ) 中间体INT1b通过过渡态TS1b异构化为三元环产物P1, 其势垒为22.2 kJ/mol. 该反应途径与其竞争反应的反应速率相差较大, 具有很好的选择性. 从热力学和动力学的角度综合分析, 该反应在1大气压(101325 Pa)下, 温度为300~800 K时进行为宜, 如此, 反应既有较大的自发趋势和平衡常数, 又具有较快的反应速率.     

高性能聚乙烯产品设计

聚烯烃是国民经济建设和日常生活必不可少的重要基础材料和战略物资.目前,我国聚烯烃行业严重依赖进口,高端聚烯烃产品占进口量的一半以上,行业发展严重受制于人.金属有机催化理论的迅猛发展极大地增强了对聚合物分子结构的调控能力,使人们有可能设计出更多性能优异的聚烯烃新产品.但是,如何实现聚烯烃新产品的工业生产,并使之转化成为商品,是制约聚烯烃产品高性能化的瓶颈,涉及化学工程和高分子科学的深度交叉.本文分别从催化剂结构设计、非均相催化剂结构解析、聚合反应工艺以及产品加工工艺的层面介绍了当前聚乙烯高性能化的重要进展;重点介绍了从活性中心聚合微环境设计出发,通过与催化剂聚合行为的匹配,开发的高性能聚乙烯产品制备新工艺.利用烃类冷凝液的喷射蒸发,在单一流化床反应器中构建温度、浓度差异化的持液颗粒聚合和气相聚合共存的复合流型,打破流化床固有的温度浓度均一性特点,相继开发了超低/极低密度聚乙烯高端产品数万吨,率先生产热收缩膜、拉伸套管膜、双向拉伸聚乙烯膜等高端产品;利用催化剂在惰性组分纳微气泡富集区域的穿梭和碰撞,在生长的聚乙烯颗粒周围营造反应组分的传质开关,使分子链生长和结晶有节奏地交替进行,降低了初生...     

介孔纳米二氧化锆的微观结构及其应用

在无任何稳定剂存在的条件下, 用固态反应-结构导向合成出了介孔纳米二氧化锆分子筛. 所得产品拥有层状或MSU结构, 比表面明显高于文献值, 同时, 其介孔纳米特性稳定性高, 在较高温度下仍能维持. 将该样品引入到甲醇合成用Cu基催化剂后赋予催化剂纳米尺度, 从而改变了催化剂的理化结构和电荷性质, 使Cu基催化剂显示较高的催化活性和优良的选择性. 由不同制备方法所得催化剂反应性能的差异, 探讨了甲醇合成催化剂的可能活性位结构.     

南海三沙永乐龙洞关键水体环境要素特征及其影响因素

基于2016年10月在南海三沙永乐龙洞开展的水体环境要素的综合观测,获取了水体温度、盐度、密度、叶绿素a、溶解氧、浊度、悬浮颗粒物粒度和海流等数据,研究了南海三沙永乐龙洞关键水体环境要素的分布特征及影响因素.结果表明:永乐龙洞在水深10 m以下区域与外海无大规模连通;水体温度、盐度、密度存在多个跃层,分别位于水深3,10,50和80~110 m附近水深,其中以50 m水深附近跃层最强,155 m以下区域水文要素几无变化.叶绿素a垂向分布表现为多峰特征,在10~20 m附近存在一次表层叶绿素a最大值区.随着水深增加叶绿素a含量快速降低,在水深90 m附近叶绿素a浓度达到最大值,而后叶绿素a快速降低.溶解氧浓度垂向分布较为复杂,表层最高可达7 mg/L,在温度、盐度和密度跃层水深附近浓度快速降低,并在水深90 m附近降为0,即无氧状态.水体浊度与叶绿素a分布特征极为相似,即在水深10~20和90 m附近存在浊度高值区.龙洞内悬浮颗粒物主要有两个粒径组分,分别为145~500μm的粗颗粒组分和5.28~38.55μm的细颗粒组分,其中以粗颗粒组分为主.龙洞80 m以上和其下水体性质差异显著,表明其来源不同.80 m以上水体温度、盐度跃层主要为日变和季节性跃层,80~110 m为永久性跃层.跃层处密度的显著差异,导致水体垂向对流受限并富集悬浮颗粒物,是导致溶氧浓度快速降低的主控因素.80 m以下水体与其上水体几无交换,加之有机颗粒物的氧化与分解,形成无氧状态.悬浮细颗粒组分体积浓度控制水体浊度变化,推测细颗粒应主要为矿物及岩石碎屑,粗颗粒应主要为藻类和海洋雪花等.     

新型后过渡金属铁系催化剂用于乙烯齐聚的研究

合成了两种新型后过渡金属铁系催化剂，并在助催化剂甲基铝氧烷（MAO）的作用下，对它们的乙烯聚行为进行了研究，发现该类催化剂具有高活性和α－烯烃高选择性等特点，而且取代基、反应温度和Al/Fe摩尔比等因素对催化活性和产物分布有较大影响。     

太阳能高倍聚光加热条件下单个固体颗粒下落过程传热特性

下落式固体颗粒吸热器是指固体颗粒在吸热器中下落,同时被太阳光辐射加热,以得到高温固体颗粒.本文建立了单个固体颗粒下落的模型,模拟不同直径的固体颗粒在相同条件下自由下落过程,发现固体颗粒直径较大时,对流损失和辐射损失更小,下落高度能够达到的最大温度更高,所需受热的距离更长.空气流速对固体颗粒的最终温度没有影响,但会缩短固体颗粒在达到最终温度时的下落距离.改变热流密度的大小,发现固体颗粒所能达到的最终温度升高,达到最终温度所需的下落距离缩短.这些结果对下落式固体颗粒吸热器的实验和实际运行具有指导作用.     

回转筒颗粒表面流的分子动力学模拟和连续理论

在考虑颗粒非弹性接触、滑动摩擦和滚动摩擦基础上发展了分子动力学模拟的算法, 实现了中高速(Fr = 0.1~0.2)回转筒内颗粒流的离散模拟. 回转筒内颗粒流由表面活性层和下部柱塞流区组成, 颗粒在活性层的停留时间约为柱塞流区的1/3~1/2, 对称线上活性层和柱塞流区的厚度比为0.57~0.61, 因而推断颗粒流动处于Rolling-Cascading过渡模式. 对称线上MD模拟的速度分布与正电子放射性测量实验结果十分吻合. 在模拟和实验结果基础上发展了连续理论: 柱塞流区内颗粒运动并非完全随着筒壁刚体转动, 而是存在着塑性蠕变, 这种速度变化过程符合指数函数规律; 而活性层内颗粒流动则符合简单的Couette切变流动分布. 最后探讨了颗粒温度和颗粒相对浓度分布的内在机理.     

非平衡条件下的甲烷直接氧化制合成气的研究

将甲烷转化成重要的化工原料是过去15年最富挑战性的课题之一.尽管人们对甲烷氧化偶联制乙烯进行了大量的研究,但由于其收率较低、反应温度高等缺点,实际应用还有很大困难.近年来,人们开始注意甲烷直接氧化制合成气,该反应具有高活性、高选择性、高时空收率和相对低的反应温度等特点,有可能替代水煤气变换反应,成为制取FL合成和甲醇合成等工业过程原料的途径.Choudhary等人报道,在Ni,Co等催化剂上,大空速的情况下,当反应温度高于700℃时,甲烷直接氧化制合成气的活性和CO选择性接近热力学平衡值;当     

回转窑热解废塑料过程中固体颗粒的运动与传热模拟

废塑料在回转窑反应器中经热解工艺可以转化成热解气、热解油和热解炭.回转窑中热载体的加载量对颗粒的运动和传热有着非常重要的影响,进而可以影响热解气、热解油和热解炭的三相产物分布.本研究采用石英砂作为热解废塑料的热载体,热载体的加载量从5%增加到15%.随着热载体的增加,热解油和热解炭产量增加,而热解气的产量减少.通过离散元方法对颗粒运动和换热过程分析发现,加载更多的热载体提高了回转窑内颗粒的平动速度和转动速度,增强了颗粒间的相互碰撞,从而加快了石英砂热载体向废塑料颗粒的传热效率.热载体的增加有助于挥发分的释放,并缩短了挥发分的停留时间,这导致了产油量的增加和产气量的减少.另外,增加热载体使用量可以使床层保持更高的温度,强化挥发分在床层内的碳化反应,增加焦炭产量.