石油烃管式炉裂解技术的核心设计及发展

以“化学工艺学”——烃类热裂解中管式裂解炉和裂解工艺过程的教学内容为素材,通过对比分析美国Lummus公司、KBR公司和德国Linde-Selas公司管式裂解炉的炉管结构设计,使学生认识到管式裂解炉炉管结构设计不但与烃类热裂解高温、短停留时间和低烃分压的裂解工艺存在着密切的关系,而且是提高管式炉裂解选择性、烯烃收率和裂解原料适应性的关键。另外,结合乙烯装置在控制系统、急冷技术、结焦抑制和节能降耗等技术方面的发展,向学生阐明了未来裂解炉设计的发展方向。     

碳氢燃料热裂解机理及化学动力学模拟

发动机设计中,燃烧室的热管理问题日益突出.其根源必然涉及到碳氢燃料的化学机理模型.讨论了大分子烃类燃料热裂解反应的反应类型,分析了各反应类型的详细动力学以及对热裂解反应的灵敏度、重要性.根据热裂解反应类型有限和基于物质的一维表示,开发了大分子烃类反应机理的自动生成程序ReaxGen.建立了相应的热、动力学数据库,探讨了如何建立碳氢燃料的详细热裂解化学动力学模型.最后我们建立了正庚烷热裂解反应的详细机理,并用该机理模型模拟预测了产物分布和转化率,理论上计算了热沉值.所得结果与文献结果进行对比讨论.     

正癸烷热裂解实验和动力学模拟

采用自制常压裂解装置, 研究了正癸烷在温度范围为973-1123 K, 停留时间为0.5-2 s时, 热裂解主要气相产物氢气、甲烷和乙烯的分布情况. 根据自主开发的机理生成软件ReaxGen, 构建了正癸烷热裂解的详细机理, 该机理包含1072步反应和281个物种. 进一步进行动力学模拟, 并用实验结果进行了初步验证. 结果表明, 在反应的温度区间内, 短的停留时间有利于乙烯和氢气的生成. 通过敏感度分析, 确定了常压下973 K, 停留时间为1 s时影响氢气、甲烷和乙烯产量的主要反应步骤是烷基的重排和β裂解反应.     

分子活动性对iso-PMMA辐射裂解和消旋的影响

以全同立构聚甲基丙烯酸甲酯(iso-PMMA)为对象, 用核磁共振谱和分子量测定等手段, 研究了不同物理状态, 即无定型固态, 结晶态和稀溶液状态下的辐射裂解和辐射消旋反应. 结果表明, 在稀溶液状态下辐照, 其裂解反应最强, 而消旋反应最弱; 结晶状态下辐照, 则裂解反应最弱而消旋反应最强. 这充分说明了分子的活动性对反应的影响, 进一步验证了前已提出的高分子链断裂-重合-消旋的平衡反应机理.     

高密度烃燃料四氢环戊二烯三聚体的合成及热裂解

以双环戊二烯为原料,经D-A反应及催化加氢合成了高密度烃燃料四氢环戊二烯三聚体(THTCPD).该三聚体的密度为1.082 g/cm3,体积热值为47.5 MJ/L,闪点为120℃,凝固点为48~49℃.采用裂解器与色谱-质谱联用技术,对THTCPD的热裂解进行了在线监测,结果表明温度对裂解反应影响较大.对裂解产物的结构进行了分析,产物以甲烷、乙烯、丙烯、环戊烯、环戊二烯、苯和甲苯为主.依据产物结构及单分子自由基反应模型,推测得到了9种路径的裂解机理.采用X3LYP法进行了各自由基的热力学计算,得到各反应路径的相对能量及路径比.通过不同温度下的裂解转化率,计算得到热裂解反应动力学方程,经线性拟合得到活化能Ea=6.67×104kJ/mol,指前因子A=133.75.     

共聚物(FEP)的链结构形态学和机制的研究

采用热分析方法并配合红外光谱法,研究了四氟乙烯与六氟丙烯共聚物(FEP)的分子链结构和聚集态结构。发现FEP共聚物分子链结构是由共聚链段和均聚链段组成的。提出了共聚物的聚集态模型和热裂解、热氧化裂解机制,成功地解释了FEP共聚物的热行为、热稳定性和热氧化过程。     

Pd/HZSM-5涂层催化吸热燃料超临界裂解

超临界催化裂解反应是实现吸热燃料功能的关键途径.采用气体辅助涂层和化学镀方法在ψ3管内壁制备了Pd/HZSM-5双功能涂层催化剂.利用SEM、XRD和XPS等对涂层进行了表征,结果显示催化剂涂层表面平整,涂层厚度为12μm～16μm,催化剂粒径为1μm～5μm;Pd颗粒分散均匀,主要以零价态存在.考察了模型吸热燃料正十二烷在反应管内的超临界催化裂解反应,结果表明,Pd/HZSM-5涂层能显著促进裂解反应,在温度640℃、压力4 MPa、停留时间10 s下,吸热燃料裂解率为55.5%,产氢率为3.1%,热沉为3 470 kJ/kg,较HZSM-5涂层分别提高了8.5%,58.7%和10.5%;较热裂解分别提高了17.3%,78.1%和13.5%.     

超临界条件下正庚烷的裂解与结焦

以正庚烷为碳氢燃料模型化合物, 考察其在超临界条件下的裂解和结焦情况, 着重探讨了裂解温度和雷诺数(Re)对裂解反应的影响. 在4.0 MPa和500～650 ℃范围内, 随着反应温度升高, 正庚烷的裂解转化率大幅度提高, 裂解反应及其产物的二次反应使结焦前驱物增加, 最终导致结焦严重; 在超临界条件下, 提高流体的湍动程度, 有利于抑制结焦. 采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、差示扫描量热(DSC)和X射线衍射(XRD)等技术分析固体焦的形貌特性, 结果表明正庚烷裂解结焦主要以金属催化作用产生的丝状焦为主, 丝状焦的生长是不锈钢发生渗碳现象的重要原因.     

3-取代甲撑肼基二硫代甲酸甲酯类化合物热裂解的研究

首次采用气质联用仪研究了3-取代甲撑肼基二硫代甲酸甲酯类化合物的热裂解反应, 发现其在气化室可热裂解产生芳香腈、甲硫醇和异硫氰酸. 考察了3-苯基甲撑肼基二硫代甲酸甲酯在不同温度时的热裂解效率, 发现温度对其热裂解具有重要的影响, 该化合物在230 ℃时就能基本完全裂解. 同时还考察了含有不同取代基的化合物在210 ℃下的热裂解情况, 结果表明含推电子基的化合物比吸电子基化合物在气化室中裂解得完全, 热稳定性更差, 并根据实验结果推测了热裂解反应的可能机理.     

结晶对等规立构聚甲基丙烯酸甲酯辐射消旋和辐射裂解的影响

本文通过核磁氢谱、DSC和分子量测定,研究了结晶对等规立构聚甲基丙烯酸甲酯辐射消旋和辐射裂解的影响.分子量测定的结果表明,等规立构聚甲基丙烯酸甲酯结晶后,其辐射裂解反应减弱,裂解G值减小将近一半.核磁氢谱测定辐照试样的空间立构变化结果为:随着辐照剂量的增加,等规立构逐渐变为无规立构和间规立构,其变化规律相似于非晶试样.结果还表明,晶区的消旋反应比裂解反应更为显著.DSC测得的试样熔点,随着辐照剂量的增加而急剧下降,由Flory结晶熔化理论计算得晶区的辐射破坏G值为8.8.该值远大于聚乙烯晶区的破坏G值.     

Numerical modelling of sample–furnace thermal lag in dynamic mechanical analyser

Due to dynamic nature of processes taking place during the experiment (chemical reaction and physical processes, heat flow, gas flow, etc.) the results obtained by thermal methods may considerably depend on the conditions used during the experiment. Therefore, whenever the results of thermal analysis are reported, the experimental conditions used should be stated. In this paper we have studied the heat transfer from the furnace to the sample and through the sample during dynamic mechanical analysis measurements. Numerical modelling of the heat transfer was done using an own computer program based on the heat conduction equation, solved numerically applying the finite difference methods. The calculated values of the thermal lag between the furnace and the sample were compared with the values experimentally determined on samples of a composite polymeric energetic material (double-base rocket propellant). Also, the temperature distribution within the sample as a function of the heating rate was analysed using the same numerical model. It was found out that using this model and temperature dependent heat transfer coefficient, experimentally obtained values of the thermal lag between the furnace and the sample can be satisfactory described. It was also shown that even at slow heating rates, such is, e.g. 2 °C min⁻¹, the thermal lag between the furnace and the sample can reach several degrees, while the thermal gradient within 3-mm thick rectangular sample can reach 0.4 °C.     

催化裂化过程中热裂化反应与二次反应的研究

利用连续式小型提升管催化裂化实验装置,研究了重油催化裂化过程中热裂化反应和二次反应的特点;考察了反应温度、剂油比和油气停留时间对热裂化和二次反应（氢转移和异构化反应）的影响;给出了不同反应条件下催化裂化过程中的过裂化点,考察了过裂化点前后热裂化反应在催化裂化过程中所占比例及氢转移和异构化反应的变化。结果表明,降低反应温度,缩短停留时间,增加剂油比可以抑制催化裂化过程中不利的热裂化反应,有利于氢转移和异构化反应的发生;在由反应温度、剂油比和停留时间引起的过裂化点前后,热裂化、氢转移和异构化反应表现出各自的变化特点。     

FCC汽油二次裂化增产丙烯过程中主要影响因素的研究

利用提升管中试实验装置,研究了催化汽油二次裂化制丙烯过程中热裂化、氢转移反应的特点和影响因素,给出了不同反应条件对丙烯选择性的影响,考察了丙烯选择性最大点处热裂化反应、氢转移反应的变化。研究结果表明,采用适当的反应温度和剂油比以及缩短反应时间能有效抑制热裂化反应和氢转移反应的发生,提高丙烯的选择性。     

辽河渣油热转化和加氢裂化过程中生焦行为的研究

考察了辽河渣油热转化和浆液床催化加氢反应过程中生焦行为。研究生焦趋势与渣油物理化学组成的关系，初期生焦机制及其对后生焦的影响，并用高倍显微镜、傅立叶变换红外光谱技术对所生焦进行表征，结果发现，随加工苛刻度的增加，反应体系中生成的焦油细分散向簇状分散过渡、实姓焦对后期生焦有一定促进作用，在低压热转化过程中更为显著，生焦趋势不仅与反应条件有关而且与渣油物理化学性质相关，还与反应物系对生焦先躯物的胶溶能     

提高烃类燃料热沉的研究进展

吸热型烃类燃料是一种热安定性好、可以利用其化学热沉的燃料,其热沉能够满足高超音速飞行的需要。本文论述了燃料热安定性、催化脱氢、催化裂解、引发裂解、超临界裂解等对吸热型烃类燃料热沉的影响,重点论述了引发裂解在吸热型烃类燃料中的裂解优势,提出引发裂解在高超音速飞行器上具有诱人的应用前景。     

Application of PCM thermal energy storage system to reduce building energy consumption

The building sector is known to make a large contribution to total energy consumption and CO₂ emissions. Phase change materials (PCMs) have been considered for thermal energy storage (TES) in buildings. They can balance out the discrepancies between energy demand and energy supply, which are temporally out of phase. However, traditional PCMs need special latent storage devices or containers to encapsulate the PCM, in order to store and release the latent heat of the PCM. The proper design of TES systems using a PCM requires quantitative information and knowledge about the heat transfer and phase change processes in the PCM. In Korea, radiant floor heating systems, which have traditionally been used in residential buildings, consume approximately 55% of the total residential building energy consumption in heating. This article reviews the development of available latent heat thermal energy storage technologies and discusses PCM application methods for residential building using radiant floor heating systems with the goal of reducing energy consumption.     

生物质焦油热裂解动力学参数实验研究

基于进样过程中焦油蒸发的不稳定性以及反应温度的测定和控制难度,设计了移动床焦油进样系统,使用样品槽携带焦油进入具有线性温度分布的炉膛空间,以样品槽的运动进样代替焦油流动进样,以获得稳定的焦油蒸发进样和更容易控制的反应温度。在此基础上,研究了不同进样速率下的焦油热裂解及其动力学特性。结果表明,在573~1 123 K,焦油的裂解率随温度的升高而加速升高,并在1 123 K时达到58%的裂解率;焦油热裂解遵循一级动力学反应,其平均活化能为39.5 kJ/mol,指前因子为1.58 min^-1。     

稳定同位素方法研究正构烷烃与四氢萘二元体系的反应

以正构烷烃作为模型化合物的热反应、临氢反应、临氢催化反应中,添加供氢剂抑制正构烷烃所裂化;气相氢和供氢剂的供氢参与饱和烯烃,两者是性质不同的氢源,前者加速裂化,后者抑制裂化。供氢剂供氢行为依赖于反应体系自由基的多少和温度以及反应过程,反应体系较多的自由基和较高的反应温度有利于供氢行为。稳定同位素方法研究模型化合物的裂化反应表明,供氢剂的作用是通过脱氢湮灭自由基来抑制裂化反应,同时发现H12－四氢萘和D12－四氢萘的供氢（氘）率上存在着动力学同位素效应,在临氢及临氢催化体系中尤其是临氢催化体系中,动力学同位素效应变得不再明显。     

Numerical simulation of polymerization in interdigital multilamination micromixers

Free radical polymerization in microfluidic devices modeled with the help of numerical simulations is discussed. The simulation method used allows the simultaneous solvation of partial differential equations resulting from the hydrodynamics, thermal and mass transfer (convection, diffusion and chemical reaction). Three microfluidic devices are modeled, two interdigital multilamination micromixers respectively with a large and short focusing section, and a simple T-junction followed by a microtube reactor together considered as a bilamination micromixer with a large focusing section. The simulations show that in spite of the heat released by the polymerization reaction, the thermal transfer in such microfluidic devices is high enough to ensure isothermal conditions. Moreover, for low radial Peclet number, microfluidic devices with a large focusing section can achieve better control over the polymerization than a laboratory scale reactor as the polydispersity index obtained is very close to the theoretical limiting value. As the characteristic dimension of the microfluidic device increases, i.e. for high radial Peclet number, the reactive medium cannot be fully homogenized by the diffusion transport before leaving the system resulting in a high polydispersity index and a loss in the control of the polymerization.     

乙烯装置裂解炉管焦炭燃烧特性的研究

齐鲁石化公司乙烯厂是我国最先引进计算机控制下蒸汽 空气在线烧焦技术的乙烯厂 ,在线烧焦使其过程自动化程度大大提高 ,裂解炉没有升降温过程 ,延长了裂解炉管的使用年限[1～ 5] 。但裂解气盘管管径较小 ,易于堵塞 ,烧焦时间稍短 ,管壁上的焦炭就燃烧不完全 ,目前在线烧焦时间还需 70ｈ～ 80ｈ。为了进一步缩短烧焦时间 ,节约能源 ,提高炉子运行周期 ,必须对乙烯装置裂解炉管焦炭的微观结构及燃烧过程进行深入研究 ,以提出进一步加快烧焦速度的办法 ,满足工业生产的需要。本研究采用国内某乙烯厂裂解炉管焦炭为实验原料 ,研究了焦炭的微观…