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【成果速递】资源化工与材料教育部重点实验室的“微型流化基础及其反应分析应用”研究获重要进展
编辑:田甜     发布时间:2021-06-24  点击数:

气固微型流化床(MFB: Micro fluidized bed)及其对气固反应分析的应用是ylzzcom永利资源化工与材料教育部重点实验室许光文教授团队于2005年提出建立的流化床微型反应器概念并利用该微型反应器而创新构建的快速反应测试与分析新方法,也是至今国内外唯一在近平推流气体流动中通过高温颗粒加热反应样品而快速驱动化学反应发生从而测试获得反应产物生成过程特性的化学反应研究方法。十余年的基础研究和应用开发形成了系列成果:发现了微型流化床中气体流动接近平推流的特征,开发了系列微型流化床反应分析仪器,构建了求算反应动力学参数的等温微分方法,编制了“颗粒 反应测试 微型流化床法”国家标准,成为了我国在快速气固反应测试分析领域的原始创新技术,并实现了商品仪器的工程化开发和近100台套的销售应用。


 

1 国外学者对微型流化床及其反应分析应用研究的典型评价(Chem. Eng. Process., 2021: 164, 108397)

近两年,ylzzcom永利资源化工与材料教育部重点实验室团队在相关的基础研究和测试技术应用新方法开发方面又取得了重要进展,先后在化工领域的多个代表性学术期刊发表了高质量论文得到了同行学者高度评价。如,在Chemical Engineering ScienceChem. Eng. Sci.发表综述文章“State-of-the-art hydrodynamics of gas-solid micro fluidized beds2021: 232, 116345”,在AIChE JournalAIChE J.)发表“Acquiring real kinetics of reactions in the inhibitory atmosphere containing product gases using micro fluidized bed(2021, DOI: 10.1002/aic.17325)”,在由ylzzcom永利教授任主编、我国出版机构KeAi Publisher出版的杂志Carbon Resources ConversionCarbon Resour. Convers.发表综述论文“Characteristics of gas-solid micro fluidized beds for thermochemical reaction analysis (2020: 3, 203–218)”。 英国纽卡索大学的Vladimir Zivkovic教授等在其最近发表于杂志Chem. Eng. Process上的综述论文,即 “Process intensification in micro-fluidized bed systems: A review(2021: 164, 108397)”,引用了许光文教授团队有关微型流化基础及其反应分析应用的学术论文数十篇,评价他们的相关工作 “开创领域(kick-started the field 1)。实际上,团队自2006年开启相关工作以来,已在AIChE Journal、Applied Energy、Environ. Sci. Technol.、《中国科学》《化工学报》等国内外化工、能源、环境等领域的一流期刊发表相关学术论文100余篇获评Chem. Eng. J.、《化工学报》等杂志的热点论文,获得了国内外同行高度关注。

最近发表Chem. Eng. Sci.论文中,作者进一步分析验证了微型流化床初始流化的 “Pressure overshoot” 现象和床內气体流动近平推流特性,并综合大量文献研究结果,基于反应器与颗粒直径的比值首次给出了气固微型流化床的流型转变相图(如图2示),重新定义了气固微型流化床对应的流态化操作区域。即,对应A类颗粒,床直径与颗粒直径的比值为25~150Dt/dp = 25~150);对于B类颗粒,Dt/dp = 10~150。其中,Dt/dp比值的最低限代表强壁面限制作用、致使颗粒难以再被正常流化;另一方面,Dt/dp高于150时,反应器内的气体流动不再具有接近平推流的流动特征,床內气固流动转变为常规流态化流型。


2 气固微型流化床流型转变相图Chem. Eng. Sci., 2021: 232, 116345)

CO2气氛中发生的碳酸钙分解反应为例,刘雪景等发表AIChE Journal的研究揭示了热重分析仪(TGA)难以正确获得“气体产物抑制性气氛中的气固反应”动力学参数的事实,创立了碳同位素标记微型流化床反应测试方法,获得了反映真实特性的CO2气氛中碳酸钙分解反应动力学参数。如图3示,100% CO2气氛中通过TGA和微型流化床测试法获得CaCO3分解反应活化能分别为2047和272 kJ/mol,表明TGA测试的数据明显不合理。


3  同位素标记微型流化床反应测试法(左)与测试的CO2气氛中CaCO3分解反应活化能(右)(AIChE J., DOI:10.1002/aic.17325)

韩振南等在Carbon Resource Conversion的综述论文中系统再现了利用微型流化床反应器已研制并应用验证的系列气固反应分析仪器,即MFBRA(Micro Fluidized Bed Reaction Analyzer)的原理与特征功能,包括如图4示的适合水蒸汽气氛的基本型MFBRA-B/S、在线质谱仪一体化MFBRA-M、反应颗粒在线采样MFBRA-P、类似热解与燃烧/气化的串级反应解耦测试MFBRA-D、外场可视化仪器MFBRA-VM、液体样品MFBRA-L、化学气相沉积反应表征仪器MFBRA-CVD和热气体切换多段反应分析MFBRA-MR。

 

4  系列微型流化床反应分析仪MFBRA(Carbon Resour. Convers., 2021: 232, 116345)

 

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