2016年度化工学院科研成果及研究进展展示之一: 超重力反应工程科研团队

来源:betway必威官网手机版 时间:2017-01-03阅读次数:4

2016年度化工学院科研成果及研究进展展示之一:

超重力反应工程科研团队


1、超重力环境下流动特性、混合与传质过程强化研究

超重力环境下流体流动特性是研究其混合与传质的基础。本团队采用高速摄像技术对超重力反应器空腔区流体流动特性进行了可视化研究,发现空腔区存在液线流和液滴流两种典型流型和液膜-液线-液滴和液膜-液滴两种断裂方式,如图1所示。相比于其它雾化设备,超重力反应器可将液体分散得更加均匀。同时,采用电导率与响应时间技术测量了定-转子型超重力反应器内的停留时间,采用量纲分析法推导出了定-转子型超重力反应器内的停留时间的经验关联式,预测值和实验值吻合良好,误差在10%以内。相关研究结果分别发表在Chem. Eng. Sci., 2017, 158, 429; Chem. Eng. Process., 2016, 109, 158期刊上。


        (a)液膜-液线-液滴断裂             (b)液膜-液滴断裂

图1 超重力环境下流体微元典型变化照片

微观混合性能对于快速复杂反应过程的产物分布、产品质量有重要影响。本团队采用CFD模拟+实验研究的方法,对预混组件宏观混合对微观混合性能影响机制及规律进行了研究,并揭示了螺旋盘管反应器中二次流现象对微观混合性能的强化作用,为旋转填充床(RPB)预混组件的优化设计奠定了基础。进一步,采用CFD模拟方法,对旋转填充床内流体流动及微观混合性能进行了模拟研究,揭示了旋转填充床内端效应区对微观混合的影响规律。相关研究成果发表在Chem. Eng. Sci., 2016, 155, 386; Ind. Eng. Chem. Res., 2016, 55, 4856期刊上。


        (a) 预混组件流场模拟         (b) RPB微观混合性能模拟结果与实验对比

图2 微观混合性能研究结果

填料的装填方式、结构(孔径、丝径和波纹角度等)、材质及表面性质等对旋转填充床反应器的传质有着重要影响。本团队采用DETA溶液吸收CO2体系,研究了不锈钢丝网填料旋转填充床反应器的传质性能,揭示了关键影响因素对总气相传质系数和传质单元高度的影响规律。采用NaOH溶液吸收CO2体系,研究揭示了规整不锈钢丝网填料的丝径、孔径和波纹角度对有效传质比表面积的影响规律。进一步,采用水脱氧体系和NaOH溶液吸收CO2体系,研究了具有优异的抗腐蚀性能的聚四氟乙烯填料旋转填充床的体积传质系数和有效传质比表面积,为旋转填充床应用于低压降、耐腐蚀等场合奠定了基础。进一步,本团队发展了通过在填料表面构筑纳微结构,调变流体微元尺寸和形态,提高传质性能的方法,研究结果表明,该方法可以提高旋转填充床反应器液相体积传质系数约28%。相关研究成果发表在Energy. Fuels, 2016, 30, 4215; Chem. Eng. Sci., doi:10.1016/j.ces.2016.10.023, Ind. Eng. Chem. Res., 2016, 55, 11606; Chem. Eng. J., 2016, 285, 236等期刊上。


2、磁性和上转换发光液体弹珠制备新方法

发展了一种兼具磁性和上转换发光特性的液体弹珠制备新方法,由于液体弹珠外层颗粒中磁性钆元素的存在,使其能在磁场控制下打开或者移动。并通过在液体弹珠外部的近红外光照射,能够实现液体弹珠内部的可见光催化反应。该研究工作为基于液体弹珠的三维细胞模型培养和光动力治疗研究提供了一种新的技术途径。相关成果发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 10795)期刊,并被选为“热点文章”(Hot Paper)。


图3 磁性上转换发光液体弹珠的制备与表征


3、纳米分散体及纳微化颗粒的超重力法可控制备技术

基于基因组学的第一性原理计算,采用超重力技术制备了具有良好分散性的光电功能纳米颗粒液相分散体,为透明纳米复合材料的制备提供功能性原材料,相关成果发表在Ind. Eng. Chem. Res., 2016, 55, 11622; Chem. Eng. J., 2016, 296, 182; Nanotechnology, 2016, 27, 075203等期刊上。通过与浙江新和成股份有限公司合作开发了超重力法制备维生素A微纳化颗粒及其分散体技术,相关项目“重要脂溶性营养素超微化制造关键技术创新及产业化”获2016年度国家技术发明二等奖1项,团队骨干王洁欣教授获得2016国家优秀青年科学基金项目资助。


图4 纳米分散体及纳微化颗粒制备与性能对比


4、超重力反应/分离过程强化技术及工业应用

基于本团队多年研究积累,攻克了超重力装备大型化的技术难题,建立了超重力反应器放大方法和结构设计体系,设计制造出至今国际规模最大的超重力反应器/分离器,满足了大型流程工业的应用要求,如研制的单台液体处理量500立方/小时国际最大的超重力装备出口至瑞士SBM公司,用于海洋能源开采工程中(如图5a)。被评价为“…超重力装备大型化等关键技术达到了国际领先水平…”。进一步完善了新型超重力脱硫成套装备和工艺,实现了工业配套锅炉烟气除尘、脱硫、脱硝一体化净化处理(如图5b)。可有效促进在海洋工程、石化、钢铁、冶金、有色、焦炉煤气、硫酸等行业的清洁生产和可持续发展,产生显著的经济和社会效益。

 

(a)                            (b)

图5 超重力过程强化技术工业应用

基于在超重力法制备纳米颗粒材料等方面所做出的卓越贡献,本团队负责人陈建峰院士获“2016(第五届)首都科技盛典”科技领军人物荣誉称号。