2023年, 第50卷, 第3期　刊出日期：2023-05-20

  

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综述
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  微反应器在绿色液体燃料中的应用

  李想, 栾学斌, 夏国富, 侯朝鹏, 吴玉, 徐润

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 1-13. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.001

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  在中国能源产业深化改革，以及加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的战略需求大背景下，能源的绿色化利用和新型绿色能源的开发得到了较高的关注。由于化石燃料的不可再生性以及对生态环境的威胁，急需寻找替代传统化石燃料的绿色液体燃料。然而，在利用传统技术或反应器生产液体燃料时，其生产过程经常伴随着传质和传热效率低、反应时间长以及反应条件苛刻等问题。为了克服以上限制，微反应器以其独有的特征尺度优势，已经逐步得到开发并应用于能源领域。事实证明，相较于传统反应器，微反应器的应用可以提高产量、减少停留时间、提高产品选择性。本文从微反应器的材料、制作方法和特点出发，综述了微反应器在绿色液体燃料生产过程中所优化的技术和工艺。
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  酵母合成环黄芪醇的研究进展

  袁瑛姿, 钟泓卉, 杨雨潼, 姚欢, 张晓玲, 王峥, 魏勇军

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 14-26. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.002

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  黄芪是一种重要的中药材，为豆科植物黄芪的干燥根，含有黄酮类、多糖类、皂苷类等多种成分。环黄芪醇主要由黄芪中的黄芪甲苷转化而成，具有抗氧化、抗衰老等多种生物活性。但是现有的环黄芪醇生产策略依赖于中药提取，难以大规模生产。合成生物学技术的快速发展为构建酵母细胞工厂用于高效生产多种植物天然产物提供了基础，也为环黄芪醇的大规模高效合成提供了解决方案。本文综述了现有环黄芪醇的制备方法，对环黄芪醇合成途径及关键酶、萜类合成代谢途径调控等进行了阐述和讨论。未来，通过表达环黄芪醇的关键合成酶基因，并设计和构建酿酒酵母细胞工厂以提高萜类合成代谢通量，有望实现环黄芪醇的酵母合成。
化学与化学工程
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  沼气水洗技术中解吸工艺对提纯性能的影响分析与优化

  张良, 尹龙天, 李秀金

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 27-33. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.003

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  以中试规模的25 Nm³/h沼气压力水洗提纯实验系统为基础，耦合填料吸收塔/填料解吸塔和填料吸收塔/旋转解吸床两种工艺，研究解吸工艺对提纯性能的影响以及强化解吸的优化对比。塔/塔系统实验结果表明，当鼓风量Q_a从0增至20 Nm³/h时，吸收塔的分离效率快速上升(产品气CO₂体积分数y₂至3%以下)而后趋向稳定，权衡效率与能耗下Q_a与进气流量G的优化比值在3~4之间。在压力为0.85~1.15 MPa、温度为10~25 ℃、液气比1∶8~1∶5、进气CO₂体积分数为35%~50%及进气流量为15~30 Nm³/h条件下，分析了解吸对分离性能的影响程度及机理，发现当进水CO₂摩尔分数达0.000 1时相对纯贫液的传质单元数N_OG上升幅度在15.7%~42.8%之间。通过塔/床系统实验得出当转速增至840 r/min时，y₂快速下降至2.02%而后趋向稳定，而当转速超过1 120 r/min时塔/床系统比塔/塔系统的分离性能要优。
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  二硝酰胺铵/α-环糊精共晶研究

  胡一飞, 胡冬冬, 田世超, 周智勇, 汪营磊, 任钟旗

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 34-40. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.004

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  共晶技术是针对第三代含能材料二硝酰胺铵(ADN)有效的防吸湿方法之一。采用模拟计算的手段系统研究了以α-环糊精(α-CD)为共晶客体的ADN含能共晶的结构和性质，建立了含能共晶结构和吸湿性的理论研究模型。基于结合能和静电势分析，确定了ADN与α-CD形成共晶的最稳定化学计量比为2∶1；共晶体的晶体形貌为棱台状，重要晶面为(0 2 0)、(0 2 1)、(0 2 -1)、(1 1 1)、(-1 1 -1)、(1 1 0)、(-1 1 0)，与饱和吸湿率15.35%的ADN晶体相比，其在20 ℃、40%相对湿度下的总饱和吸湿率下降至0.74%，防吸湿效果良好。
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  零价铁强化水解酸化对厨余与餐厨垃圾混合厌氧消化性能的影响

  李子庆, 陈锡腾, 袁海荣, 李秀金

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 41-48. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.005

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  基于厨余垃圾成分复杂而难以水解酸化的特点，提出通过投加零价铁强化厨余与餐厨垃圾水解酸化进而提高厌氧消化性能的策略。将厨余垃圾和餐厨垃圾按照不同配比混合，设置零价铁投加量为5、10、15和20 g/L，考察不同投加量条件下厌氧体系的消化性能。结果表明：酸化阶段厨余垃圾质量分数50%的试验组水解酸化效率最高，产生的乙醇和总挥发性脂肪酸(TVFA)总量比单独厨余垃圾试验组提高了206.78%；适量投加零价铁可以提高乙醇和TVFA的总产量，且投加量与油脂降解率、溶解性化学需氧量(SCOD)、乙醇和TVFA产量呈正相关；当投加量超过10 g/L后，零价铁对水解酸化的促进效果不明显。利用酸化出料进行甲烷化试验，投加零价铁组的累积产甲烷量有所增加，且产气速率提高，其中厨余垃圾占比100%、零价铁投加量10 g/L试验组的累积产甲烷量为(2 664±130) mL，比对照组提高了15.61%。综合以上结果，在酸化相投加零价铁能够提高混合垃圾产气效率。
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  基于高级分析的富气乙烷回收工艺改进

  杨冬磊, 周卫军, 骆兴龙, 张朋岗, 李乐乐, 胡成星, 马亦德, 易驰, 梁士佳, 熊悦

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 49-58. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.006

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  针对国内新开发的中高压富气板块原料气工况条件，发现部分干气循环(recycle split vapor process, RSV)工艺在进行乙烷回收时存在能耗高及㶲效率低的问题。采用常规㶲及高级㶲方法对RSV工艺进行计算，找出原料气预冷冷箱、外输气压缩机、透平膨胀机膨胀段、丙烷制冷循环二级压缩机、脱甲烷塔、外输气空冷器等6个㶲损较高的关键设备，分析产生各设备㶲损的主要原因。然后以降低外输干气回流比、降低丙烷循环量作为改进方向，提出采用两级分离、增加冷流方式的部分干气再循环(recycle split vapor with liquid flashing process，RWLF)工艺，与RSV工艺对比发现RWLF工艺总压缩功耗及㶲损分别降低了6.1%、9.34%，㶲效率提高了23.23%。以上结果表明高级㶲分析法可用于乙烷回收工艺优化，为现场乙烷回收工艺优化提供新思路。
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  熔融氯化钠晶体介电常数的模拟计算方法

  陈新, 陈卫, 张现仁, 任瑛, 李粮生

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 59-68. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.007

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  由于分子模拟过程中存在周期性边界的影响，离子偶极矩定义模糊，导致传统的偶极矩涨落方法在计算熔融盐晶体或含有自由电荷体系的介电常数时存在一定阻碍。根据经典介电理论，通过电流关联函数计算熔融氯化钠(NaCl)晶体体系的介电常数，研究了不同温度下氯化钠的频率相关介电谱，并分析了晶体相变对介电特性的影响。结果表明：当NaCl为晶体状态时，介电谱显示出明显的共振吸收峰；在NaCl熔化以后，介电谱的共振吸收峰的带宽变宽，波形发生了明显变化。分别利用电流法和外加电场法计算了不同温度下NaCl的静态介电常数，结果显示：两种方法的计算结果的一致性良好，从而验证了本文方法的准确性；NaCl晶体在发生固液相变时，静态介电常数会在相变点发生跳变。
生物技术与环境工程
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  可持续释放NO的SNAP导尿管抗菌性能研究

  郑伟涛, 胡康洪

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 69-75. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.008

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  参照文献方法合成了S-亚硝基-N-乙酰青霉胺(SNAP)，将硅胶导管浸入SNAP溶液中，制备了SNAP导尿管，并测定了NO释放量；考察了SNAP导尿管对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌的体外抑菌性能；采用绵羊为动物模型进行体内留置导尿管实验，考察SNAP导尿管的体内抗菌性能。结果显示：SNAP导管在第一天的NO释放量可达1.8×10^-10 mol/(min·cm²)，此后NO释放量逐渐下降并可持续释放20天；SNAP导尿管对金黄色葡萄球菌具有较为明显的抑菌作用，垂直插入法和平行放置法测得的抑菌圈直径分别为2.59 mm和2.75 mm，但SNAP导尿管对其他细菌没有抑菌作用；在体内抗菌活性测定实验中，在监测17天后，在SNAP导尿管组的绵羊尿液中未检测到细菌，而在纳米银导尿管组和硅胶导尿管组的绵羊尿液中均检测出含菌量≥10⁵ cfu/mL，表明SNAP导尿管具有较好的体内抗菌性能。
机电工程和信息科学
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  关于往复式压缩机入口管管卡合理布置的研究

  王高杰, 李慧芳, 卢敬田, 王传志, 钱才富

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 76-82. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.009

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  针对压缩机入口管道振动问题，通过对管道进行模态分析和谐响应分析，研究管道管卡的支撑位置和数量对管道振动的影响，提出管卡数量和位置的设置应以最大程度提高管道固有频率和降低振动位移为原则。随后以某压缩机入口管为研究对象，按上述原则逐个确定了3个管卡的位置，结果表明管道在两横向上的振动位移比原三管卡管道的振动位移分别降低了88.12％和54.8％，减振效果明显。
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  旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型

  赵倩, 王峰, 白岩, 边靖

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 83-91. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.010

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  旋转填充床是实现超重力技术的典型过程强化设备。物料黏附丝网填料会导致转子质量不平衡振动，严重影响设备传质效率和长周期运行，而控制化学反应工艺参数变化可以延缓黏附和减小振动。提出旋转填充床运行过程重要参数调控模型构建方法，通过计算流体动力学模拟，基于正交试验分析多参数变化对目标参数影响的趋势规律，获取影响效应程度排序，并确定构建影响预测模型的关键参数。通过Matlab数据拟合，构建旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型。以旋转填充床填料持液量和气相压降两个目标参数为例，计算多参数对两目标参数的影响效应程度，拟合建立基于关键参数耦合的持液量和气相压降预警调控模型，揭示多参数变化对两目标参数的影响规律。计算预警调控误差概率，提出旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型构建方法。所得成果的应用将有助于监测预警重要工艺参数，在发现设备异常时及时采取有效调控措施，降低振动效应和物料泄漏概率。
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  双螺杆多材料3D打印挤出机构设计与仿真分析

  周婧, 贺后祥, 李亚, 段国林

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 92-100. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.011

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  针对目前3D打印单一材料不能完全满足应用性能要求的现状，设计出一种双螺杆挤出式3D打印多材料的混合打印机构，用于高固含量陶瓷浆料的挤出成型。通过对双螺杆的重要参数进行设计和计算，实现了双螺杆机构的小流率稳定挤出。使用ANSYS的POLYFLOW模块对螺杆转速1~15 r/min下流体的流变特性进行仿真分析，得到整个流道压力场、速度场和剪切速率场的分布规律，仿真结果表明出口流率范围为0.66~6.48 mm³/s，打印速度为2~23 mm/s，适合陶瓷浆料挤出成型。同时对打印机构的混合性能进行评估，得出不同螺杆转速下的材料组分分布，并采用示踪粒子法得到粒子的停留时间分布函数和累积停留时间分布函数；结果表明，螺杆转速越高，其轴向混合能力越弱，自洁能力越强。所设计双螺杆挤出机构可以满足低转速小流率的高精度打印，实现多种材料变组分的实时混合和精准打印。
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  多室连续混合设备流场仿真与实验验证

  金文强, 陈松, 谢中元, 秦能, 王彦杰

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 101-108. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.012

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  为了揭示多室连续混合设备混合过程中流场特性参数的动态变化规律，采用数值仿真方法建立了典型工况下单室容积2.5 L的多室连续混合工艺模型，得到了混合压力、剪切应力和分布均匀性的变化规律，并通过实验验证了混合压力和分布均匀性的仿真结果。结果显示：多室连续混合设备的各混合室之间混合压力差别不显著，泵压室底部最大混合压力的仿真值为62 954 Pa，远低于1 L两桨行星式混合设备的最大混合压力；预混室中剪切应力较大，最大剪切应力为21 798 Pa，远低于1 L两桨行星式混合设备的最大剪切应力，表明多室连续混合设备的混合安全性高于传统的两桨行星式混合设备；各混合室中铝粉体积分数(仿真值)的标准差随混合室数量的增加呈下降趋势，泵压室中铝粉体积分数的标准差仅为0.260 3%；实验结果与仿真结果一致，物料状态稳定后混合压力的仿真值与实验值的偏差在5%以内，仿真模型中铝粉的分布均匀性变化趋势与实际混合过程相同；当投料速度为20 kg/h，桨叶转速为45 r/min时，混合物料的分布均匀性随混合室数量的增加而提升，混合物料中铝粉含量的标准差从混合加强室3开始不再显著下降，6室结构为该量级设备的最佳结构。
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  多室连续混合设备工艺参数对混合能的影响

  金文强, 陈松, 谢中元, 魏宗亮, 秦能

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 109-117. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.013

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  为了建立适用于多室连续混合设备的系统性设计方法，采用数值计算与高聚物黏结炸药(PBX)模拟料实验相结合的方法对单室容积为2.5 L的多室连续混合设备的混合加强室进行工艺参数(投料速度、桨叶转速)响应分析，得到单位体积混合能与各输入参数之间的关系，并通过实验验证了以单位体积混合能作为混合能力评价指标的多室连续混合设备的设计方法。结果表明：平均扭矩的仿真值与实验值的最大偏差不超过15%，所建立的模型能够较好地反映平均扭矩随工艺参数的实际变化规律；设备所提供的单位体积混合能总量随桨叶转速的增加而增大，随投料速度的增加而减小，随混合室数量的增加而增大，随药浆密度的增加而增大；实验中各工况的混合质量排序与单位体积混合能的排序吻合较好，单位体积混合能越大，混合终产物的混合质量越好；当投料速度为20 kg/h，桨叶转速为45 r/min时，单位体积混合能为32 562 J/L，混合终产物中铝粉含量的偏差在1%以内，满足PBX的工业要求。基于单位体积混合能的混合能力评价指标能够指导多室连续混合设备的结构设计与工艺参数选择，可以为后续不同量级设备的设计提供依据。
管理与数理科学
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  基于间苯二酚分光光度法的总氮检测方法

  蒋凯, 王雷, 李文, 李新民, 何娜

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(3): 118-123. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.03.014

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  针对目前水资源总氮检测系统成本高和稳定性差的问题，参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，设计了一种基于间苯二酚分光光度法的低成本的水中总氮检测系统。通过测定间苯二酚与水中氮及氮氧化合物反应后溶液的吸光度，建立了光电检测信号与总氮浓度之间的关系，从而测得水体中总氮含量。实验结果显示：基于间苯二酚分光光度法的水中总氮检测方法的重复性好，精度高。将该检测系统与商用总氮传感器的测定结果进行比较，二者的最大相对误差小于8%，表明所设计的检测系统具有较好的测量准确性。