多孔介质中气体水合物的分解动力学研究现状

目前关于水合物的相平衡理论、热力学性质、生成预测方法及其结构的研究已经相当深入;而关于其分解过程的研究相对来说起步较晚。国内气体水合物分解动力学的研究基本上还处于空白状态,国外也是在1987年才开始。但是从实际生产的角度考虑,气体水合物分解动力学的研究是很有实际意义的。文章试图对近年来国外在多孔介质中气体水合物分解动力学研究方面取得的进展做出分析和评价,并提出今后的发展方向。     

基于化学亲和力模型的水合物生成动力学

水合物生成促进及动力学模型是水合物利用技术的关键问题。本文回顾了水合物生成促进技术的发展,实验研究了氧化石墨烯（GO）与十二烷基硫酸钠（SDS）复配促进剂体系下CO₂水合物的生成动力学,揭示了不同浓度对水合物生成时间、耗气的影响规律。研究结果表明,在GO与SDS复配体系下,CO₂水合物生成速度加快,诱导时间和生成时间缩短,耗气量增大。得出最佳复配浓度为0.005%GO+0.2%SDS,与纯水和单一0.005%GO体系相比,水合物的生成时间分别缩短69.7%和12.2%,耗气量提高11.24%和3.2%。建立了该体系下CO₂水合物生成化学亲和力模型,并从模型角度研究了GO与SDS复配比例、温度和压力对化学亲和力模型参数的影响。利用Matlab对模型编程计算并与实验结果进行了对比分析,吻合很好。通过研究认为,化学亲和力模型可准确预测复配体系水合物的生成。     

Experimental methods in chemical engineering: Process simulation

Process simulation software designs equipment, simulates operations, optimizes a plant's configuration (heat exchangers network, for example), estimates operating and capital expenses, and serves as an educational tool. However, mastering the theoretical background minimizes common mistakes such as applying an incorrect thermodynamic method, selecting improper algorithms in the case of tear systems, and setting irrational system specifications. Engineers and researchers will exploit this tool more often in the future as constant advancements in simulation science as well as new models are released continually. Process simulators make it easier to build digital twins and thus will facilitate the implementation of the industry 4.0 guidelines. We highlight the mathematical and technical features of process simulators, as well as the capabilities and the fields of application. A bibliometric map of keywords from articles citing Aspen+, Aspen plus, Hysys, and Pro/II indexed by Web of Science between 2017 and 2020 identified the main research clusters, such as design, optimization, energy or exergy, biomass; H₂ and CO₂ capture, thermodynamics; and separations and techno-economic analysis.     

动态模拟技术与化学工程

介绍了化工过程动态模拟技术及相应软件的发展与应用状况 ,总结了动态模拟技术的最新进展。指出动态模拟技术应当与动态优化技术相结合 ,动态计算机网络管理将实现石油化工过程的连续实时优化 ,动态模拟技术将向工艺流程和生产方案的合成、能量系统集成、结合生态工业园区实例进行动态流程模拟等方向发展     

新能源化工热力学

电化学中能源存储与转换技术等新能源技术是目前人类能源系统的重要技术组成部分,涉及多种物理化学过程,通过热力学的理论与模拟计算的方法对其进行研究,可以高效率地解决新能源的储存、释放和转化过程中的绝大部分问题。本文通过梳理总结国内外关于理论计算方面热力学在电化学领域的研究成果,对热力学的研究进行分类并对其性质、优缺点、适用范围等进行了详细介绍。本文介绍了电化学能源存储与转换领域的经典热力学、分子与统计热力学、非平衡态热力学、高通量计算与机器学习对于热力学研究的辅助。通过非平衡态热力学解决电化学问题是当下的发展方向与趋势。而伴随计算机技术的发展,机器学习则是未来该领域一个很有前景的研究方法。希望该综述对热力学在电化学领域的进一步研究和技术发展发挥一定的参考作用。     

气体水合物形成的热力学与动力学研究进展

气体水合物形成过程中涉及复杂的热力学和动力学问题.本文对水合物热力学理论模型、水合物生成动力学机理等方面的研究成果和最新进展进行了综述.热力学方面重点介绍了基于等温吸附理论 (van der Waals-Platteeuw模型)和基于双过程水合物生成机理(Chen-Guo模型)的相平衡热力学模型,同时介绍水合物结构及其转变方面的最新研究成果.动力学方面介绍了成簇成核、界面成核等成核机理模型以及成核后的水合物生长机理.另外还述及了目前水合物热力学和动力学研究中所涉及的微观、亚微观和宏观测量方法.针对目前水合物热力学和动力学研究中存在的问题,对未来的发展方向和重点提出了建议.     

化学工程发展方向

介绍了化学工程的发展方向:反应过程与分离过程的结合,多个反应过程或多个分离过程的结合,强化化学作用对分离过程的影响及优化化工动态过程。     

Modelling of decomposition of a synthetic core of methane gas hydrate by coupling intrinsic kinetics with heat transfer rates

Decomposition of a synthetic core of methane hydrate has been modelled by Selim and Sloan (1985) and Ullerich et al. (1987) based on heat transfer considerations. In the present work, the decomposition is modelled by coupling intrinsic kinetics with heat transfer rates. Numerical simulation results are presented to show the effects of incorporating the intrinsic kinetic rate of decomposition. Simulation results indicate that by changing the system pressure we can move from a heat transfer controlled regime to a regime where both heat transfer and intrinsic kinetics have a significant effect on the global rate of decomposition.     

化学工程的多层次结构

进入21世纪前后,学界将化学工程看作一种复杂系统,企图在高层次组织化学工程的知识基础,为此不断在寻找易于进入化工复杂系统研究的切入点。文章从业已见到的颗粒群在流态变化时形成的不同几何结构以及由此而开拓的多尺度分析,来揣测化学工程的其他结构,特别是面对产量少、价值高的功能材料,企图建立化工复杂系统多层次结构的研究平台。除了基于时空多尺度的化工多层次结构外,作者认为还可以考虑基于科学内涵的历史多层次结构,以及基于人力和资金投入为尺度的运转多层次结构。     

高能化学激光多物理场耦合数值模拟

高能化学激光是利用大量化学物质的原子受激辐射产生发光现象,为了合理解析这种过程,构建了多物理模型耦合计算体系,所构建的数值模拟体系包含了流场-化学场计算模块、光场计算模块和热-结构计算模块。三种物理过程强烈的时间尺度反差给多物理场耦合计算带来了困难,因而提出了非同步多时间尺度耦合策略,使全三维、高分辨率大尺度化学激光的模拟成为可能,以氧碘化学激光为例,数值解析了超音速化学氧碘激光器流动、光场演变及腔镜系统内各光学元件在激光辐照下的热力学过程,计算结果能直接反映激光器包括功率和光束质量等最为重要的性能指标,是实现高能激光关键问题辨析和优化设计的重要工具。     

笼型水合物为能源化工带来新机遇

笼型水合物是利用水分子通过氢键作用构建的笼型结构对甲烷等能源气体进行存储和提取,具有高安全性、高储存容量、温和储存条件、环境友好等优点。天然气水合物是传统能源和绿色能源之间的桥梁燃料,已成为世界各国科学家竞相研究开发的热点。本文综述了笼型水合物在能源与环境、流动安全、工程应用三个方面的研究成果,涵盖了固化天然气（SNG）、CO₂捕获和气体分离、蓄冷、海水淡化、汽车燃料以及制氢与储氢等能量转换、能量储存的领域。文章指出大力发展笼型水合物衍生技术,实现提取甲烷同时捕获二氧化碳,有助于实现碳中和的目标。阐述了笼型水合物生成依赖于其自身的热力学相平衡条件、反应过程的动力学性质及传递过程强化,从生成到分解的过程主要包括溶解、成核、生长、晶裂和解吸等一系列步骤,过程的微观机理复杂。展望了利用多尺度方法研究水合物生成的微观结构、界面现象、宏观应用和作用机理,有助于扩展化学工程的原理和知识,对开发能源化工领域新材料新工艺也有裨益,从而促进能源化工的发展。     

试论绿色化工技术在化学工程与工艺中的应用

绿色化工技术是基于生态理念基础上产生的新技术,在化工工程生产与工业生产中应用具有重要作用。通过强化绿色化工技术合理应用,能满足化工生产与工艺生产各项要求,对环境污染等各项问题进行有效调控。     

冰点以下多孔介质中气体水合物的生成动力学研究进展

青藏高原冻土区储存着大量的天然气水合物资源,CO₂置换开采冻土区的天然气水合物可实现天然气水合物的安全开采和温室气体CO₂的地层封存。冰点以下多孔介质中气体水合物的生成动力学,是冻土区天然气水合物置换开采研究领域的难点和热点问题。本文全面综述了冰点以下多孔介质中气体水合物的生成动力学研究进展,讨论了不同体系冰点以下多孔介质中气体水合物的形成机理及其生成特性;详述了冰生成水合物机理及其冰粉/多孔介质体系中气体水合物的生成特性,分析了冰点以下多孔介质中气体水合物生成动力学研究尚待完善和改进的地方。最后本文指出冰点以下多孔介质中水合物的生成过程是由传热、传质等多种因素所控制,揭示不同过程的主导因素及其影响规律是今后研究的重点方向。目前对冰点以下多孔介质中水合物的生成特性及机理的认识尚未成熟,仍需深入研究。     

操作工况对酸性天然气水合物生成动力学的影响分析

水合物的快速生成受诸多因素的影响,操作工况是其主要的影响因素之一。以67.7%CH4+32.3%CO2（摩尔分数）混合气为例模拟酸性天然气,采用自行设计的水合物动力学实验装置,分别对初始压力为3.0 MPa、3.5 MPa、4.2 MPa、5.0 MPa和实验温度分别为1.42 ℃、3.27 ℃、5.48 ℃、7.45 ℃时的水合物生成动力学进行实验研究。定义诱导期、平衡总耗时、生长速率为水合物动力学评价指标,指标通过分析水合物生成过程中的压力及气相组成变化得到,进而综合分析了操作工况对酸性天然气水合物生成动力学的影响。实验结果表明：初始压力越高,实验温度越低,水合物平衡时气相CO2的浓度越低,水合物的生成量和生长速率越大;此外,初始压力对体系诱导期影响不够显著,而操作温度的降低可以明显缩短体系诱导期。     

化学产品工程再认识

化学产品工程作为化学工程学科的一个新方向或化学工程学科的新范式已提出很多年,但学术界对其学科内涵理解不一。本文对化学产品工程的学科内涵进行了分析和探讨,认为其核心是通过过程和设备对产品的纳微结构和复杂大分子结构进行调控;化学产品工程仍隶属过程工程,是面向高附加值产品、实现产品结构可控、定向、高效制备的过程工程。通过与传统的以满足市场需求和提高生产效率为目标的过程开发和放大的化学工程研究类比,提出了化学产品工程的主要研究内容,并讨论了其研究的方法论问题,以推动相关的基础研究工作。     

多孔介质中水合物生成与分解的电阻率性质

A new one-dimensional system for resistivity measurement for natural gas hydrate (NGH) exploitation is designed, which is used to study the formation and decomposition processes of NGH.The experimental results verify the feasibility of the measurement method, especially in monitoring the nucleation and growth of the NGH.Isovolumetric formation experiment of NGH is performed at 2 ℃ and 7.8 MPa.Before the NGH formation, the ini-tial resistivity is measured to be 4-7 Ω·m, which declines to the minimum value of 2-3 Ω·m when NGH begins to nucleate after the pressure is reduced to 3.3 MPa.As the NGH grows, the resistivity increases to a great extent, and finally it keeps at 11-13 Ω·m, indicating the completion of the formation process.The NGH decomposition ex-periment is then performed.When the outlet pressure decreases, NGH begins to decompose, accordingly, the resis-tivity declines gradually, and is at 5-9 Ω·m when the decomposition process ends, which is slightly higher than the resistivity value before the formation of NGH.The occurrence and distribution uniformity of NGH are determined by the distribution and magnitude of the resistivity measured on an one-dimensional sand-packed model.This study tackles the accurate estimation for the distribution of NGH in porous medium, and provides an experimental basis for further study on NGH exploitation in the future.     

基于深度学习的化工过程故障检测与诊断研究综述

化工过程的故障检测与诊断对于现代化工系统的可靠性和安全性具有重要意义.深度学习作为一项新兴的技术,引起了学术界和工业界的广泛关注.从方法的角度出发,将基于深度学习的化工过程故障检测与诊断技术分为:基于自动编码器的方法、基于深度置信网络的方法、基于卷积神经网络的方法和基于循环神经网络的方法,并分别对4种方法的最新研究进展...     

A proposal to cover stochastic models in chemical engineering education

Stochastic reasoning must be part of the comprehension of chemical and physical processes that occur in Nature. Stochastic phenomena can be found in several natural observations and in numerous Chemical Engineering related issues, such as optimization, process control, molecular diffusion, and chemical reaction kinetics. In the present work, an Activity Based Learning (ABL) approach is used to contribute to the teaching and learning process of stochastic differential equations (SDE). The focus is on the solution of the SDE and its parametric evaluation starting from the classic stochastic equations. The choice of the parameters is a key learning step that is useful to explore some aspects of the problem phenomenology and to promote critical reasoning in the students. Two different tools with specific modules to handle and solve SDE were used: the proprietary Maple tool with Finance and Stochastic Processes models and an open-source tool developed in Python, the sdeint of PyPi.     

Experimental and theoretical study of gas hydrate formation in a high‐pressure flow loop

A set of mathematical models are developed based on thermodynamics, mass transfer, and crystallisation concepts to predict hydrate formation rate and the aqueous phase composition in the flow loop. In order to validate the model, experimental study is carried out in a 10 m loop with the inside diameter of 10.6 mm using gas mixture of 73% methane and 27% propane to measure the hydrate formation rate. The experimental conditions include temperature from 4 to 5°C and pressures between 2 and 3 MPa. Good agreements are noticed when the experimental and theoretical hydrate formation rates are compared at different operating conditions.