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高校化学工程学报

高校化学工程学报

2026年02期

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综述 | 氟苯合成研究进展

综述 | 氟苯合成研究进展

摘要: 氟苯是一种重要的含氟有机中间体, 被广泛用于三氟哌啶醇、三氟哌啶苯、氟虫脲、氟硅唑等农药/医药以及液晶等高分子材料及其单体的合成。近年来, 随着农药、医药、电子信息等产业的快速发展, 氟苯需求量也随之呈现高速增长趋势。文中总结了迄今已报道的氟苯合成方法, 按反应类型将其分为 Balz-Schieman 反应、亲核氟化、亲电氟化、电化学氟化、氧氟化反应等六类, 并系统概述了不同合成方法的研究进展; 同时指出目前工业上合成氟苯仍以 Balz-Schieman 法为主, 但该工艺本质安全性差、三废多的问题尚未得到有效解决; 而其他新兴方法如亲核氟化法、亲电氟化法等存在活性低、氟化试剂成本高、选择性差等问题。随后, 对影响上述氟苯合成反应效率的关键催化剂, 从结构、组成、制备方法等方面进行了总结与评述, 发现现有气相氟化催化剂体系难以满足氟苯合成反应需求, 液相氟化、相转移催化剂因成本高、回收利用难, 也需进一步优化。最后, 指出未来氟苯合成技术的发展需重点围绕微反应器技术、新型氟化试剂、高效氟化催化剂开展研究工作。
传递现象与单元操作 | 旋流场内气泡形变及运移特性

传递现象与单元操作 | 旋流场内气泡形变及运移特性

摘要：为探究旋流场内气泡形变的发生机理以及运移规律，文中运用高速摄像技术对气泡破碎过程进行实验研究，通过定义气泡的等效直径，推导出旋流场内气泡破碎时间的评价模型，得出气泡破碎时间与韦伯数的关系。此外，运用计算流体动力学(CFD)对气泡与流场间的相互作用进行仿真分析。结果表明，气泡在入口处受到液流的冲击作用，表面出现微小褶皱，变形程度较小。随着气泡进入旋流场，在剪切力和离心力的共同作用下形变程度加剧，气泡边缘产生气泡颈，内部出现凹陷并发生破碎。气泡在破碎瞬间，表面积比为2.69，表面平均速度是初始入射速度的2.1倍，破碎后各项表征参数数值逐渐下降并趋于稳定，得出气泡在旋流场内运移特性及形变规律。研究结论为旋流场内气泡形态变化及其运移特性的探究提供了可靠的理论依据与实验参考。
反应工程 | 煤化工 VOCs 催化氧化实验与模拟研究

反应工程 | 煤化工 VOCs 催化氧化实验与模拟研究

摘要: 为了探究煤化工挥发性有机物 (VOCs) 的流量、预热温度及浓度对催化氧化反应器温度及转化率的影响与多因素的耦合作用, 文中采用 VOCs 催化管式炉实验和 MATLAB 软件建立催化反应器一维模型相结合的方法, 开展动力学参数的校正, 从单因素分析与 Box-Behnken 响应面实验设计两个角度, 系统探究了上述因素对催化反应器温度及废气转化率的影响规律与多因素耦合作用。研究结果表明: 基于 Box-Behnken 设计的响应面模型揭示了三因素的非线性交互作用, 在中心水平区域附近, 反应器温度敏感性排序为 VOCs 浓度>预热温度>废气流量, 废气转化率敏感性为预热温度>废气流量>VOCs 浓度。结合耦合方程与敏感性分析, 以反应器温度<550 ℃、VOCs 转化率>97% 为目标, 提出以废气流量和 VOCs 浓度为输入参数, 求解预热温度的理论可行域。研究结论为工业 VOCs 催化氧化反应器的参数优化与控制提供理论依据。
反应工程 | 连续搅拌釜的建模与模型预测温度控制方法

反应工程 | 连续搅拌釜的建模与模型预测温度控制方法

摘要: 连续搅拌反应釜 (CSTR) 温度控制是化工过程中的核心环节, 其精度直接影响产品质量与系统能耗。传统串级比例-积分-微分 (PID) 控制因其在跟踪性能和抑制扰动等方面能力不足, 难以满足复杂工况的跟踪和抗干扰需求, 文中基于反应釜传热与釜内反应热力学模型, 搭建了更符合实际工业场景的控制系统模型。结合 CSTR 内环冷却的特点, 提出一种改进的无偏模型预测控制 (MPC) 方法。通过建立反应釜内环模型的输入扰动扩展模型, 运用卡尔曼滤波器, 实现状态变量与扰动的同时估计。对比实验的结果表明, 相较于传统串级 PID, 文中提出的无偏 MPC 方法在温度跟踪性和系统鲁棒性方面有明显改善。研究结论为实际扰动环境下反应釜温度的控制提供了参考。
化学工艺 | 单活性位点异氰酸酯活化剂对己内酰胺阴离子聚合的影响

化学工艺 | 单活性位点异氰酸酯活化剂对己内酰胺阴离子聚合的影响

摘要：异氰酸酯类化合物是己内酰胺(CL)阴离子开环聚合的高效活化剂，但常因双活性位点导致交联反应。为避免交联反应，以单活性位点的对甲苯异氰酸酯(p-Ti)为活化剂、氢化钠(NaH)为催化剂，探究了CL阴离子开环聚合行为。p-Ti能与CL完全反应生成酰基内酰胺活性中心，无游离异氰酸酯基团残留，能有效抑制交联反应，并且可以通过p-Ti用量调控聚合产物分子量。此外，在150℃时，NaH物质的量分数对产物相对黏度无影响，但在180℃时，随NaH物质的量分数从1%增至4%，产物相对黏度从2.5升至3.0。这是高温下NaH使活性中心去质子化生成酰基内酰胺阴离子，导致其亲核性降低、活性中心减少，聚合产物分子链长增加，特性黏度升高。通过改变加料顺序优先消耗NaH或采用不与NaH反应的N-乙酰基己内酰胺(N-AcL)为活化剂，均能减少副反应，使产物相对黏度不随NaH物质的量分数增加而变化。
化学工艺 | Co₃O₄ 催化剂催化低浓度甲烷燃烧性能

化学工艺 | Co₃O₄ 催化剂催化低浓度甲烷燃烧性能

摘要：为了探究过程简单、环境友好的 Co₃O₄ 制备方法及 Co₃O₄ 催化低浓度甲烷燃烧性能，以乙酸钴和草酸为原料，采用固相法合成了 Co₃O₄ 催化剂。在对催化剂进行 X 射线衍射 (XRD)、氢气程序升温还原 ( H₂-TPR )、 N₂ 物理吸附、扫描电子显微镜 (SEM) 表征的基础上，研究了 Co₃O₄ 催化低浓度甲烷燃烧的活性和反应动力学。结果表明，适宜的 Co₃O₄ 催化剂制备条件为乙酸钴与草酸物质的量比为 1:3、焙烧温度为 400 ℃、焙烧时间为 4 h、研磨时间为 10 min。制备的催化剂为纯净的 Co₃O₄ ，催化剂表面 Co³⁺ 物种对低浓度甲烷催化燃烧性能具有显著影响。反应空速为 467mL?g^-1?min^-1 条件下， Co₃O₄ 催化低浓度甲烷燃烧 T₅₀ 、 T₉₀ 分别为 367 ℃ 和 437 ℃，表观活化能 E_a 为。研究结果可为优化 Co₃O₄ 制备及深入研究煤矿乏风瓦斯等低浓度甲烷资源化利用提供参考。
化工系统工程 | 受限空间内烟气气溶胶形态表征系统开发与量化分析

化工系统工程 | 受限空间内烟气气溶胶形态表征系统开发与量化分析

摘要: 针对卷烟烟气气溶胶形态特性检测技术缺乏的现状, 本研究以人体口腔为例, 搭建基于仿生腔体的气溶胶形态表征系统, 结合激光同步成像技术与多参数量化方法, 实现气溶胶扩散过程的时空可视化及形态特征解析。通过调节卷烟直径调控气溶胶初始流速, 根据形态图像提取投影面积 (S) 、全局平均灰度 (L) 、区域灰度标准差 (σ_L) 和质心迁移 (C_x,C_y) 等参数, 揭示初始流速对受限空间气溶胶扩散行为的调控规律。实验表明, 该平台对 S 检测十次的偏差为 0.9%, 表明装置检测的稳定性; 气溶胶入口流速与 S(ρ=0.96) 、 L(ρ>0.9) 、 σ_L(ρ=0.94) 呈显著正相关; 这些形态特征的动态演化规律符合指数衰减模型, 证实高速气溶胶在腔体曲壁约束下呈低沉降性、高均匀性及小的成团性。本研究开发的检测系统为气溶胶扩散机制与沉积特性的研究提供具有较高精度和较高稳定性的技术工具。
化工系统工程 | 基于 LabVIEW 的连续流动快速固相多肽合成

化工系统工程 | 基于 LabVIEW 的连续流动快速固相多肽合成

摘要：为实现多肽固相合成的自动化和高效化，结合 LabVIEW 编程能力与流动合成技术，开发连续流动快速固相多肽自动合成系统，探索连续流动模式下单因素的优化策略。结果表明，相比于传统固相合成方法，该系统所需反应时间缩短近 80%，试剂用量减少 60%，兼具合成效率与经济优势；粗肽纯度高 (阿基瑞林纯度达 90.20%)。研究结论验证了该系统在短时间内合成高纯度多肽的能力，为多肽类药物开发及商业化生产提供可靠技术支撑。
化工系统工程 | 基于扩张观测器的间歇过程迭代学习自抗扰控制

化工系统工程 | 基于扩张观测器的间歇过程迭代学习自抗扰控制

摘要: 针对一类包含不确定性和非重复性的间歇过程鲁棒性问题, 设计了一种基于扩张状态观测器 (ESO) 的比例-微分 (PD) 型迭代学习控制 (ILC) 策略。通过 ESO 估计系统受到的总扰动, 结合 PD 型间接迭代学习控制律对自抗扰控制器进行批次轴上的迭代更新, 实现批次轴和时间轴两个方向上的控制律修正优化。此外, 对间歇反应釜和橡胶密炼过程的仿真结果表明, 所提出的基于扩张观测器的自抗扰迭代学习策略能有效抑制外部不确定干扰, 改善系统的鲁棒性与控制精度。
化工系统工程 | 耦合液化空气储能的LNG冷能集成发电系统性能分析及优化

化工系统工程 | 耦合液化空气储能的LNG冷能集成发电系统性能分析及优化

摘要: 为了提高液化天然气 (LNG) 冷能利用效率, 并应对常规液化空气储能 (LAES) 系统循环效率、发电量、使用价值低以及 LNG 再气化过程的持续运行与能量存储过程的高峰操作不一致的问题, 构建了耦合 LAES 的 LNG 冷能集成发电系统, 对系统进行了热力学性能与经济可行性的评估。研究结果表明: 以 Ethane 和 Propane 作为回热式有机朗肯循环 (RORC) 的循环工质可显著提升系统性能; 液态空气泵出口压力、液态空气储存压力、RORC 中工质气化压力、RORC1 冷凝器出口 LNG 温度和液化空气流量对系统性能有较大影响; 基于遗传算法 (GA) 与非支配排序遗传算法 (NSGA-II) 对系统性能进行单目标与多目标优化并对多目标优化结果进行决策, 优化后系统的综合性能优于近年相关研究的系统; 通过净现值 (NPV) 分析方法证明系统具有一定的经济可行性, 系统净现值可达 13.77×10⁶USD, 系统的初始投资成本能够在 12.55 年得到回收。研究成果为 LNG 冷能驱动的 LAES 集成发电系统的模型设计和高效运行提供了参考依据。
材料科学与工程 | 石质文物保护用硅丙乳液的制备及胶膜性能

材料科学与工程 | 石质文物保护用硅丙乳液的制备及胶膜性能

摘要: 石质文物具有很重要的历史价值, 但易受自然侵蚀, 亟需保护。硅丙乳液具有良好的耐候性、透明性、疏水性和力学性能, 可作为水性涂料, 应用于文物保护方面。文中采用半连续无皂种子乳液聚合制备了有机硅改性的聚丙烯酸酯乳液, 研究了反应型乳化剂、有机硅单体、软硬丙烯酸酯单体和固含量对乳液和乳胶膜综合性能的影响。通过实验和性能表征, 确定了反应型乳化剂用量为 3.75%, 有机硅单体用量为 2.50%, 丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸甲酯的质量比为 4:4 时为最佳反应条件, 制备的乳液性能稳定, 能够长期储存, 乳胶膜具有很好的耐候性、透明性、耐水性、耐酸碱性和力学性能, 可用于石质文物保护。
材料科学与工程 | 微反应器内等离子体制备 AuPd 双金属纳米颗粒及其SERS性能

材料科学与工程 | 微反应器内等离子体制备 AuPd 双金属纳米颗粒及其SERS性能

摘要: 针对当前双金属纳米颗粒制备方法存在的步骤繁琐、耗时长、化学还原剂使用量大、产品均一性不足等问题, 以氯金酸和四氯钯酸钠为前驱体, 开发了微反应器内等离子体连续流制备 AuPd 双金属纳米颗粒的装置及方法, 并以结晶紫 (CV) 为探针分子系统研究了其表面增强拉曼散射性能。在微反应器内, 等离子体能同时还原 Au³⁺ 和 Pd²⁺ , 实现 AuPd 双金属纳米颗粒的连续流制备。结果表明, 所合成的 AuPd 双金属纳米颗粒具有晶型结构和良好的分散性, 且其组成可通过调节反应物物质的量比精准调控。此外, 基于 AuPd 双金属纳米颗粒所构建的 SERS 基底能显著增强拉曼信号, 实现对痕量 CV 的高灵敏高稳定响应。研究成果对多金属纳米颗粒的高效可控制备具有借鉴意义。
材料科学与工程 | 不同链长酰基丙氨酸型Ca(II)配合物制备CaCO3纳米粒子

材料科学与工程 | 不同链长酰基丙氨酸型Ca(II)配合物制备CaCO3纳米粒子

摘要: 由和烷基 (=丁、己、辛、癸、月桂) 酰基丙氨酸配位体, 合成一系列酰基丙氨酸型 Ca(II) 配合物。其甲醇/水溶液中通入 , 制备纳米粒子。透射及扫描电镜的测定结果显示, 纳米粒子的形貌为球状或棒状, 并且随着 Ca(II) 配合物中配位体烷基侧链的增长 (C4→C12), 纳米粒子的粒径 (64 nm→10 nm) 呈显著减小趋势, 这可能是因为饱和浓度 Ca(II) 配合物在甲醇或含少量水甲醇溶液中形成分子聚集体并其极性头部靠拢于中心, 且随着配位体烷基链的增长, 配合物分子侧链之间的疏水作用增强, 从而使得分子聚集体极性头部变小。因此, 通过调整 Ca(II) 配合物的配位体的烷基侧链的大小及长短, 可以制备出形貌各异、粒径大小不同的纳米粒子。本研究中纳米粒子的制备原料为氨基酸的衍生物, 绿色环保、原料易得且制备工艺简单易行。研究结论为纳米级碳酸钙的绿色制备工艺提供了新的思路, 纳米级碳酸钙作为一种具有优异性能的新型材料, 在科学研究和工业应用中具有广泛的前景。
材料科学与工程 | 水热诱导 Mo₂C/AC 表面重构促进 NO₂ 低温高效催化转化

材料科学与工程 | 水热诱导 Mo₂C/AC 表面重构促进 NO₂ 低温高效催化转化

摘要：为提升钼炉转化剂在低温反应条件下的活性，文中对浸渍-碳热还原制备 Mo₂C/AC 催化剂的浸渍过程进行水热强化，通过 N₂ 物理吸附-脱附、拉曼光谱、X 射线衍射、X 射线光电子能谱对催化剂结构进行表征，深入探讨水热强化对催化剂结构及其在 NO₂ 制 NO 反应中的催化性能影响机制。结果表明，经过水热处理后，样品比表面积均有不同程度减小，同时平均孔径有所增大。水热处理使催化剂表面发生重构，当水热处理温度控制在 120^°C 时，催化剂缺陷程度最低，表面 Mo 含量与 N 含量达到最大值，尤其是有利于 NO₂ 吸附的吡啶氮含量明显高于其他样品。反应温度为 50^°C 时，该催化剂对 NO₂ 的转化率达到 100%。
材料科学与工程 | 尿素热解制备氮掺杂 Mo₂C/AC 及其催化还原 NO₂ 的性能提升机制

材料科学与工程 | 尿素热解制备氮掺杂 Mo₂C/AC 及其催化还原 NO₂ 的性能提升机制

摘要: 针对传统 NO₂ 检测用钼炉转化剂高温易失活及副反应干扰检测准确性的问题, 文中采用浸渍-碳化法制备 Mo₂C/AC , 利用尿素在 400~800 ℃ 区间的热解实现氮掺杂改性, 制得 Mo₂C/ACN-X 系列催化剂。通过 N₂ 物理吸附-脱附、拉曼光谱、X 射线衍射、X 射线光电子能谱对催化剂结构进行表征, 深入探讨氮掺杂调控催化剂结构与其催化 NO₂ 转化性能的提升机制。研究结果表明: 氮掺杂后催化剂比表面积减小, Mo₂C/ACN-800 平均孔径增大; 尿素热解温度对催化剂体相钼物种及其表面价态分布具有调控作用。400 ℃ 与 600 ℃ 热解条件下, MoO₂ 与 Mo₂C 共存, 800 ℃ 热解时 Mo₂C 成为主导晶相。随热解温度升高, 氮掺杂后催化剂表面 Mo²⁺ 含量上升, 其中 Mo₂C/ACN-800 的 Mo²⁺ 含量显著增加; 表面氮含量先升高后下降, 吡啶氮占比上升。在 60 ℃ 条件下, Mo₂C/ACN-800 催化剂的 NO₂ 转化率达 97.5%, 较未掺杂样品提高了 9.7%。研究结论为开发高效 NO₂ 低温转化剂开辟了新的材料设计思路, 具有重要的理论与实际应用价值。
环境化工 | 活性炭负载氨基酸类低共熔溶剂吸收 CO₂ 分子动力学模拟

环境化工 | 活性炭负载氨基酸类低共熔溶剂吸收 CO₂ 分子动力学模拟

摘要: CO₂ 的大量排放引发的全球气候变暖等严峻问题, 对全球经济和生态环境造成严重危害。寻找一种既高效又节能、既环保又经济的碳捕获技术成为目前研究的热点。低共熔溶剂 (DESs) 作为一种新型绿色溶剂, 成为吸收 CO₂ 的热点吸收剂之一。文中以氨基酸类低共熔溶剂作为溶剂, 活性炭作为载体, 借助 Materials Studio 软件构建了活性炭负载氨基酸类低共熔溶剂模型。利用分子动力学模拟考察活性炭负载不同氨基酸类低共熔溶剂吸收 CO₂, 考察不同氨基酸种类、负载量、温度、水以及氧气对吸附过程的影响。研究活性炭负载氨基酸类低共熔溶剂对 CO₂ 的吸附性能和吸附行为, 分析 CO₂ 在活性炭负载氨基酸类低共熔溶剂上的微观吸附机理, 并制备样品进行吸收实验验证模拟结果。结果表明, 在 313K 、负载量为 25% 时活性炭负载组氨酸低共熔溶剂吸收 CO₂ 的能力最强。负载量为 25% 时的平均吸附热为 24.81kJ?mol^-1 。在复杂烟气条件下, 水蒸气与氧气均会导致活性炭负载组氨酸类低共熔溶剂对 CO₂ 的吸附能力减弱。吸收实验结果与模拟结果规律一致。
环境化工 | 微生物燃料电池对噁唑酰草胺的降解及其机理

环境化工 | 微生物燃料电池对噁唑酰草胺的降解及其机理

摘要: 针对新型除草剂噁唑酰草胺的环境污染问题, 文中研究了不同环境条件对双室微生物燃料电池 (MFC) 降解该除草剂和产电性能的影响, 探究了其电子传递过程和降解机理。结果表明: MFC 最佳的产电菌种是脱硫弧菌, 其对噁唑酰草降解率可达 78.3%, 功率密度为 103,mW?m^-2 ; 最佳的初始 pH 为 8.0, 此条件下降解率为 81.5%; 测试范围内初始噁唑酰草胺质量浓度为 0.1,mg?L^-1 时, MFC 性能最好, 高浓度的污染物会产生抑制作用; 外源添加电子穿梭体 (核黄素) 能明显提高 MFC 性能, 添加 20,mg?L^-1 核黄素可使降解率提升至 94.5%, 最大功率密度增至 175,mW?m^-2 , 同时提高细胞内 NAD⁺/NADH 比值和 NADH 脱氢酶活性; 电子传递抑制剂 (鱼藤酮和辣椒素) 则抑制了 MFC 性能。通过液相色谱-质谱联用技术 (LC-MS) 分析鉴定出多种降解中间产物, 并推测了噁唑酰草胺可能的降解途径。研究结果为微生物燃料电池在农药污染修复领域的应用提供了参考。
环境化工 | 多糖基水凝胶 SCAS 对重金属离子的吸附性能

环境化工 | 多糖基水凝胶 SCAS 对重金属离子的吸附性能

摘要: 以玉米淀粉 (St) 和羧甲基纤维素钠 (CMC-Na) 为原料, 丙烯酰胺 (AM)、丙烯酸 (AA) 和 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS) 为接枝单体, 合成了多糖基水凝胶 SCAS。仅以 St 为原料, 采用同样的接枝单体, 合成了另一种多糖基水凝胶 StAS。将两种水凝胶用于溶液中 Cu²⁺ 的吸附, 比较两者的吸附性能。实验发现, 由于 CMC-Na 的引入, SCAS 的吸附性能优于 StAS。对两种水凝胶的吸附动力学和吸附等温线数据进行拟合, 结果表明, 两种水凝胶对 Cu²⁺ 的吸附过程都符合准二级动力学模型和 Langmuir 模型, 属于化学吸附和单分子层吸附。在 25 ℃ 时, StAS 的吸附容量为 85.47,mg?g^-1 , SCAS 为 99.90,mg?g^-1 。以 SCAS 作为 Cu²⁺ 吸附剂, 适用于 4.03+) 时, 吸附效果显著降低。当溶液中同时存在几种重金属离子时, SCAS 对重金属离子存在吸附选择性, 吸附顺序为 Cu²⁺>Cd²⁺>Ni²⁺ 。对吸附机理的研究表明, SCAS 对 Cu²⁺ 的吸附主要通过配位作用。SCAS 具有较好的循环使用性, 经过 4 次再生后, Cu²⁺ 去除率仍可达到 83.2%。研究结果可为多糖基水凝胶的研究开发提供思路和借鉴。

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