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关键词： 萃取精馏   等挥发度曲线   分子机理   挟带剂   热集成  

摘要： 共沸物的分离是化工生产过程中面临的重要问题,萃取精馏技术是有效的分离方法。挟带剂的筛选是进行萃取精馏过程前重要的工序,合适的挟带剂可以得到高纯度的产品,确保资源的充分利用,实现可持续发展。 本文提出了基于密度泛函理论(DFT)的挟带剂筛选方法。通过比较挟带剂与共沸组分相互作用能的大小确定萃取精馏工艺先分离出去的组分,进一步通过比较相互作用差值确定候选挟带剂中最优的挟带剂。使用已有的σ-profile曲线和等挥发度曲线进行了验证,证明了所提出的方法有效性。基于能量分解解释了挟带剂与共沸组分之间的主导相互作用。基于分子间弱相互作用分析解释了挟带剂与共沸组分的作用机理。结果表明分子间氢键是共沸物分离的关键,这种氢键可能是静电相互作用主导的,也可能是色散相互作用主导的。本文通过甲醇/丙酸甲酯体系和甲醇/碳酸二甲酯体系的挟带剂筛选分析对提出的方法进行说明。 丙酸甲酯(MP)作为工业上的重要产品,在MP的生产过程中,原料甲醇(Me OH)与MP会形成共沸。采用萃取精馏对Me OH/MP共沸物进行分离,基于相互作用能差值筛选得到合适的挟带剂,通过等挥发度曲线验证了筛选结果。能量分解结果以及四种弱相互作用分析表明,分子间以色散相互作用为主的氢键是挟带剂分离Me OH/MP的关键。 碳酸二甲酯(DMC)由于独特的分子结构因而具有广泛的用途,但DMC生产过程中会与Me OH形成共沸。通过萃取精馏对Me OH/DMC进行分离,基于相互作用能差值得到的最优挟带剂为二甲基亚砜(DMSO),DMSO为挟带剂时先分离出去的组分为Me OH。能量分解结果表明,DMSO为挟带剂时以静电相互作用为主的氢键是分离Me OH/DMC的关键,这在四种弱相互作用分析上有所体现。水杨酸甲酯(MS)为挟带剂时Me OH/DMC的分离顺序与DMSO不同,MS与Me OH/DMC的相互作用能验证了这一结论。通过等挥发度曲线和σ-profile曲线验证了组分分离顺序和挟带剂筛选结果。由于等挥发度曲线和σ-profile曲线无法对比DMSO和MS的优劣。为了进一步比较共沸组分分离顺序不同时挟带剂的优劣,设计了以DMSO为挟带剂的分离新工艺。以年度总成本(TAC)最低为目标,采用灵敏度分析和循环迭代法对工艺流程中涉及到的参数进行优化,从而确定最佳的工艺参数。引入了热集成技术,进一步降低了能耗。从TAC、能源利用率和全球变暖潜势(GWP)三个方面对工艺进行评价。与已报道最优挟带剂MS相比,DMSO为挟带剂时在这三个方面均有优势。这表明采用DFT方法筛选的挟带剂,应用于工业化共沸物的分离中,经济效益好,能耗低,对环境影响小。

关键词： UbD理念   单元教学   化学核心素养   苏教版   有机化学  

摘要： 在基础教育课程改革的时代背景下,中学化学教学需要吸收国内外先进的教育理念,并进行本土化研究,从而改变传统课堂教学模式,使课堂教学落实学生的全面发展,培养学生化学学科核心素养,促进学生形成终身学习观。UbD理念是美国教育家威金斯和麦克泰格针对课堂教学难以激发学生理解的问题所提出,教学应关注学生真实地理解,这是教学的重要目标。UbD理念需要教师在进行教学设计时重视教学目标的设立,并通过多样化评估方式评估目标是否达成,最后再设计教学活动和学习体验,这也是“逆向理解设计三阶段”的关键含义。 本文共分为六部分,第一部分为绪论,交代研究背景、研究目的与意义,具体说明UbD理念和单元教学的研究现状,介绍研究思路与方法;第二部分进行概念界定,并介绍本研究所涉及的理论基础;第三部分是对学生的化学学习情况和教师教学情况进行调研,在江苏省盐城市某中学展开问卷与访谈调查,为后续研究提供参考;第四部分是对UbD理念下的高中化学单元教学研究的理论分析,阐述研究的可行性,介绍UbD理念下的单元教学设计的编制流程,选取苏教版高中化学教材必修二专题8的第二单元《食品中的有机化合物》为研究内容,编制出该单元的教学设计;第五部分为实践研究,依据所编排的单元设计,对该单元内容进行课时设计,开展对照实验,并对实践结果进行分析,得出实践结论;第六部分为总结与展望,本研究用苏教版教材研究UbD理念和高中化学单元教学,是一种用地方性教材进行教育教学改革的实践探索。 通过实践证明UbD理念下的高中化学单元教学法对学生的学业水平成绩有积极作用,并且利于学生真正地理解所学知识,但是本研究也有不足之处:其一,本研究仅选取必修教材中有机化学部分进行研究,如何用UbD理念开展无机化学内容的单元教学还需探索;其二,本研究样本仅选取江苏省盐城市一所高中的学生,UbD理念下的单元教学能否适用不同水平的学习和不同学习基础的学生有待研究;其三,实践虽达成了较长远的单元学习目标,但时间不够充沛使UbD理念对达成更长远、更综合的学习目标的作用需要一学期乃至更长久的实践验证。 UbD理念顺应时代发展,符合育人要求,将会为培养全面发展的人做出贡献。

关键词： 有机废水   萃取剂筛选   萃取精馏   渗透汽化   节能强化  

摘要： 化工、制药等行业的生产过程中会产生大量含共沸体系的有机废水,如何将其中的有机产品进行高质量回收是当前分离领域研究的重点。萃取精馏技术作为分离有机共沸体系的有效手段被广泛应用,然而传统萃取精馏工艺往往存在能量损耗大、环境污染严重等劣势。设计出节能高效分离共沸体系的萃取精馏工艺是当前绿色低碳时代下对化工行业的迫切要求。本课题以丙烯直接水合法生产异丙醇过程中产生的水/正丙醇/异丙醇共沸体系为研究对象,通过萃取剂筛选和热力学分析建立了常规萃取精馏工艺,采用多目标遗传算法进行了参数优化。提出了基于不同渗透汽化膜的渗透汽化-萃取精馏耦合分离工艺,采用多种节能手段对工艺进行一系列强化改进。并对工艺的经济性能、环境性能、生态毒害性和热力学效率进行综合评价。旨在为萃取精馏分离三元共沸体系的最优工艺的探索提供理论参考。 首先,通过量子化学计算从微观角度探究了萃取剂和共沸体系的相互作用。基于COSMO-SAC模型得到的σ-Profile分别对有机萃取剂和待分离体系进行氢键供受体分析,随后通过Material Studio 8.0软件计算得到的键长和相互作用能来分析氢键相互作用的强弱,并通过不同等值面下的总电荷密度分析进一步验证。结果表明在所有萃取剂中二甲基亚砜（DMSO）和水分子之间存在最强的氢键相互作用,再随后采用等相对挥发度曲线图和汽液相平衡图对萃取剂和体系进行了相对挥发度分析,并成功筛选出DMSO为萃取精馏工艺的萃取剂。 其次,通过对文献中实验数据和热力学计算数据的误差分析确定热力学方法为NRTL-RK,并成功搭建常规萃取精馏（ED）工艺流程。随后通过Matlab软件和Aspen Plus V12软件的交互操作,采用遗传算法中的NSGA-Ⅱ算法以年总成本（TAC）和年总气体排放(Mgas)为目标对参数进行多目标优化。并采用热集成技术和蒸汽再压缩技术对工艺进行节能强化,提出了部分热集成萃取精馏（PHIED）、蒸汽再压缩萃取精馏（VRED）和蒸汽再压缩-热集成萃取精馏（VR-PHIED）工艺,其中VR-PHIED工艺的综合评价各项性能最优,TAC和Mgas分别降低了13.9%和29.7%;人类毒性潜力（HTP）和富营养化趋势（EP）指标分别降低了28.01%和28.11%;（火用）效率提高了4.11%。 最后,通过对渗透实验数据拟合得到分离DMSO/水和正丙醇/水渗透汽化膜的渗透参数。并在Aspen Custom Modeler软件中建立了渗透汽化模型,进而设计并搭建出渗透汽化-两塔萃取精馏（PV-ED）和渗透汽化-侧线萃取精馏（PV-SED）工艺并进行参数优化。随后采用节能技术对工艺进行强化,提出了渗透汽化-蒸汽再压缩萃取精馏（PV-VRED）、渗透汽化-隔壁塔萃取精馏（PV-EDWC）、渗透汽化-热集成侧线萃取精馏（PV-PHISED）工艺和渗透汽化-侧线隔壁塔萃取精馏（PV-SEDWC）工艺并对参数进行了相应优化。随后对耦合节能工艺进行综合评估,结果显示在环境评价和生态毒害性评价中,PV-VRED工艺优势明显,Mgas、EP和HTP相较于ED工艺分别降低了60.6%、55.14%和55.20%;而在经济性能和热力学效率评价中PV-PHISED工艺的各项指标占优,TAC相较于ED工艺降低了31.6%,（火用）效率提高了11.03%。耦合节能工艺在经济和环境等方面的综合性能优势为我们在化工、制药等工业中实现清洁高效生产提供了方向和理论参考。

关键词： 中职教学   有机化学   课堂思政  

摘要： 有机化学是中职教育中一门重要的基础课程，它涉及生产生活领域的许多实际应用。但在传统教学过程中，教师往往只注重知识的传授和技能的培养，而忽略了课程中所蕴含的思政元素。本文将探讨如何在中职有机化学教学中融入课堂思政，实现知识传授与价值引领的有机统一。

关键词： 有机化学   多取代苯甲腈   环合   密度泛函理论   反应机理  

摘要： 芳环多取代苯甲腈是一种特殊的结构单元,存在于许多药品、农用化学品和天然产品中。不同的生物活性使得这类分子在有机化学中具有重要的作用。此外,苯甲腈是通过水解、水化、还原、环加成和亲核加成等各种转化来制备各种化合物的通用中间体。由于其重要性和显著的实用性,很多人便对芳环多取代苯甲腈的合成进行许多的研究,于是不需要任何金属、附加氧化剂或强碱的帮助下可以合成苯甲腈便成为一种高效且环保的方法,成为当下研究热点。本文利用密度泛函理论、M06-2X方法和6-311G（d,p）基组对三种芳环多取代苯甲腈反应进行了详细的反应机理的理论计算研究,得出了相关的结果及结论。 1)在SMD（丁醇）-M062X/6-311G（d,p）水平上对炔酮（A）和α-氰基乙酸酯（B）的反应进行了研究。理论结果表明:a)α-氰基乙酸酯（B）在由Bu O-离子的作用下失去一个H后与炔酮进行加成得到中间体INT3阴离子。b)INT3经过由丁醇/丁氧负离子主导下的两步氢转移得到中间体INT6。c)INT6进行氢转移后发生环合,随后脱去Et OCOO-得到产物。d)在整个反应过程中,丁醇/丁氧负离子在氢转移步骤起到了很大的作用,决速步能垒未超过26 kcal/mol,表明反应可以在室温下顺利进行。 2)SMD（三氯甲烷）-M062X/6-311G（d,p）水平上对α,β-不饱和醛（A）和4-芳基磺酰-2-丁烯腈（B）为反应底物,四氢吡咯作为催化剂的反应机理。结果表明:a)四氢吡咯在A脱质子,B脱OH-的过程中,以及加成,环合之后的H转移和脱四氢吡咯的多个反应步骤中起到了重要的催化作用。b)最终产物的比例,是初始的正、负离子加成反应的动力学势垒控制的（生成INTB的势垒为8.91 kcal/mol）,但总反应的速控步却是在生成环合中间体INT6之后的,四氢吡咯辅助下的H转移反应,该速控步的势垒为17.62 kcal/mol。c)四种反应机理中能垒都未超过31 kcal/mol,符合在40℃下的实验反应条件,说明该反应可以顺利进行,理论计算得出的主产物符合此实验结果。 3)在SMD（乙腈）-M062X/6-311G（d,p）水平上对I2催化的苯基亚乙基丙二腈腈（A）和苄胺（B）的反应进行了研究。理论结果显示:a)在I2的催化下,苄胺（B）可以脱氢生成苄亚胺（A1）,A1在与丙二腈反应中,可以生成苯基亚甲基丙二腈A2。在这个反应阶段,苄胺即是反应底物,又起到了H转移催化剂的作用,使得多个反应步骤的势垒得到了大大降低。脱H原子反应最低反应势垒为15.85 kcal/mol。b)苄胺（B）与苯基亚乙基丙二腈（A）反应中,一条反应途径生成了丙二腈和N-苯基-1-（对甲苯基）乙-1-亚胺（INT10）,另一条途径会是苯基亚甲基丙二腈（A2）的甲基上的一个H原子被以质子的形式被苄胺夺走,生成含有碳负离子的中间体（INT13）,然后INT13与A2经过加成、H转移、环合等反应,生成最终产物前体（INT15）,INT15经过脱CN-,得到最终产物P。总体上,环合过渡态TS18处的反应能垒最高,为21.01 kcal/mol。c)苄胺的碱性在反应机理中的多个H转移步骤起到了重要的作用,大大降低了多个H转移反应的势垒。d)理论计算的反应机理中,I2变为HI消耗掉了,而实验中报道了远高于I2用量的反应产率,一种可能是,反应中空气氧将HI氧化为I2的反应,起到了关键的作用。

关键词： 离子液体   汽液平衡   萃取精馏   热集成   流程模拟及优化  

摘要： 工业上,乙酸正丙酯（NPAC）通常由正丙醇（NPA）和醋酸（AC）在酸性条件下通过酯化反应得到,因此会产生正丙醇和乙酸正丙酯的混合物,二者在常压下存在共沸点,常规精馏难以对其实现分离。因此,本文针对该共沸体系,选择离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM][OAC]）、1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯（[MMIM][DMP]）和常规有机溶剂二甲基亚砜（DMSO）作为萃取剂,对正丙醇和乙酸正丙酯的分离开展了如下研究: （1）利用UNIFAC基团贡献法,综合考虑选择性和溶剂能力,从9种离子液体和2种有机溶剂中筛选了[EMIM][OAC]、[MMIM][DMP]和DMSO作为萃取剂。 （2）利用Othmer汽液平衡釜,测定了正丙醇-乙酸正丙酯、正丙醇-乙酸正丙酯-萃取剂（[EMIM][OAC]、[MMIM][DMP]和DMSO）的汽液相平衡（VLE）数据。通过NRTL、UNIQUAC和Wilson模型回归实验数据,得到实验和回归数据的平均相对偏差ARD（三种模型的ARD依次为1.17%、1.47%、2.23%）,结果表明NRTL模型回归效果最佳。 （3）开发了含两种离子液体的萃取精馏工艺方案（[EMIM][OAC]-ED、[MMIM][DMP]-ED）,并用序贯迭代法优化得到最佳工艺参数。进一步对两种方案的热集成设计[EMIM][OAC]-HIED和[MMIM][DMP]-HIED进行比较,[EMIM][OAC]-HIED工艺的TEC、总CO2排放量相较于[MMIM][DMP]-HIED工艺分别降低了8.71%和10.77%,热力学效率提升了10.72%。 （4）进一步开发了以常规有机溶剂DMSO作为萃取剂的萃取精馏工艺（DMSO-ED）和不含任何夹带剂的双塔变压精馏工艺（PSD）,用序贯迭代法得到最佳工艺参数后,完成两种工艺热集成方案（DMSO-HIED、HIPSD）的设计,DMSO-HIED工艺的TAC、TEC和总CO2排放量分别比HIPSD工艺减少45.52%、57.27%和36.15%。 （5）通过4E指标综合对比了[EMIM][OAC]-HIED、[MMIM][DMP]-HIED、DMSO-HIED和HIPSD四种工艺,发现[EMIM][OAC]-HIED工艺的TAC、TEC、总CO2排放量和热力学效率综合占优,优势顺序是[EMIM][OAC]-HIED>[MMIM][DMP]-HIED>DMSO-HIED>HIPSD。 综上所述,针对正丙醇-乙酸正丙酯共沸体系,本工作在完成萃取剂的筛选、VLE数据测定和模型回归的基础上,开发了针对该物系的[EMIM][OAC]-HIED、[MMIM][DMP]-HIED、DMSO-HIED和HIPSD四种分离工艺,发现[EMIM][OAC]-HIED为最佳方案,在经济、能耗和环保方面优势巨大,为工业应用提供基础数据和理论参考。

关键词： 虚拟仿真   化学反应过程   设备   应用  

摘要： “化学反应过程与设备”课程涉及复杂的反应机理和设备操作，传统教学模式难以满足学生的学习需求。探讨了虚拟仿真技术在该课程中的应用价值和具体策略。通过构建高度仿真的虚拟实验室、模拟真实工业环境、实施互动教学模式、开发针对性虚拟实验项目以及实施智能评估与反馈机制等措施，能够丰富教学资源，增强学生的实践能力，提升教学效果。借助虚拟仿真技术，学生可以在安全、经济、灵活的虚拟环境中深入理解课程内容，提高学习兴趣和主动性，为未来的工作实践打下坚实基础。

关键词： 萃取塔   筛板   液滴行为   浸润性   VOF模拟  

摘要： 液液萃取是化工生产中重要的分离手段,萃取塔内的分散相液滴行为对萃取效率提升具有决定性作用。论文采用实验与模拟相结合的方法,对筛板萃取塔内分散相液滴行为进行研究,考察筛板浸润性、筛板孔径、体系物性、操作条件等对筛板萃取塔分散相液滴行为的影响,为筛板萃取塔分散相液滴调控提供依据。 首先,论文对无搅拌条件下筛板萃取塔中液滴行为的影响因素进行了研究。结果表明,体系界面张力较低时,筛板对液滴主要起破碎作用;体系界面张力较高时,筛板对液滴主要起聚并作用;筛板对分散相浸润性较好时,液滴更容易在筛板表面发生聚并,筛板对液滴主要起聚并作用;筛板对分散相浸润性较差时,液滴更倾向于离开筛板,筛板对低界面张力体系液滴主要起破碎作用,对高界面张力体系液滴仍然起到一定的聚并作用。为定量评价筛板对分散相液滴的聚并-破碎特性,论文定义了筛板聚并-破碎指数,基于实验数据提出了估算筛板聚并-破碎指数的关联式,关联式计算结果与实验值的平均偏差为0.1144,最大偏差为0.1524,偏差较小,可满足使用的需要。 其次,论文开展了无搅拌条件下筛板萃取塔中液滴行为的CFD二维模拟。研究发现,模拟结果与实验结果一致,表明该模拟方法可用于无搅拌条件下筛板萃取塔中液滴行为的研究。筛板聚并-破碎指数与接触角和两相密度差呈正相关,与黏度比呈负相关;体系界面张力较低时,筛板聚并-破碎指数与分散相流速呈正相关,与孔径成负相关;体系界面张力较高时则反之,筛板聚并-破碎指数与分散相流速呈负相关,与孔径成正相关。 最后,论文对搅拌筛板萃取塔中的液滴行为及其影响因素进行了研究。结果表明,搅拌段破碎指数与搅拌桨转速、孔径、接触角均呈正相关;反弹破碎比例与搅拌桨转速和孔径呈正相关,与筛板浸润性呈负相关;随着搅拌转速增大,悬浮比例先增大后减少,对于低界面张力体系,浸润性越差,悬浮比例越小,对高界面张力体系则相反。论文基于实验数据提出了估算搅拌段破碎指数的关联式,关联式计算结果与实验值的平均偏差为6.88,具有一定参考价值。

关键词： 智能化技术   有机化学   个性化学习   教学探索  

摘要： 随着人工智能技术的快速发展，其在有机化学领域的应用正逐渐成为推动教育改革的重要力量。通过数据分析与智能算法，智能化技术不仅为有机化学教学提供了个性化学习支持和智能化教学资源，还极大地激发了学生的学习兴趣，并显著提升了教学效果。基于对学生学习进度和理解能力的实时监测，智能化技术能灵活调整教学内容和方法，实现精准化教学。此外，将智能化技术与传统教学方法相结合，在提升学习效率、改善教学反馈机制以及增强互动性等方面展现出了独特优势。然而，如何更有效地利用智能化技术促进有机化学教学的发展仍需深入探讨。因此，本文旨在探讨智能化技术在有机化学中的实际应用情况、面临的挑战及未来的发展趋势。

关键词： 量子化学   硝酸羟胺   功能化合物   化学反应机理  

摘要： 在空间推进领域中,HAN基推进剂具有绿色无毒、高性能、安全性好和成本低等优点,逐渐成为先进航天发动机技术的新方向。研究表明,向HAN基推进剂中添加功能化合物能显著提升HAN基推进剂的性能,因此,开展HAN及功能化合物的催化分解反应动力学和以及不同配方推进剂的燃烧性能的研究具有重要意义。本文以HAN基液体推进剂为研究背景,采用量子化学的理论计算方法完善了HAN和功能化合物—硝酸肼(HN)和硝酸羟乙基肼(HEHN)的催化分解路径,构建了HAN/HN和HAN/HEHN体系的催化燃烧反应机理模型,计算不同配比下推进剂的燃烧温度以及生成物组分浓度。 首先分别构建了HAN和功能化合物(HN、HEHN)分子结构,计算出了相关的结构参数,包括键长、键角、二面角等,同时计算了热力学参数,包括电子能、内能、焓和吉布斯自由能。选取铱(Iridium,Ir)金属为催化剂,构建出了Ir晶胞,优化测定了Ir晶格常数,计算了Ir基晶胞不同活性表面(Ir(100)、Ir(110)、Ir(111))的Ir分子间距、分子层距离和表面能,最终选取Ir(100)表面作为活性表面并作为吸附表面,并进行了结构收敛性测试,确定了收敛精度和计算参数。 其次构建了HAN在Ir(100)表面上的四种吸附结构,并进行了C、N、O附氢基团的吸附稳定性分析,确定产物吸附结构。基于过渡态理论获得了HAN在该吸附结构下的四条催化反应路径,获得了HAN在催化剂表面的化学反应机理和最佳分解路径;同理构建了功能化合物(HN和HEHN)在Ir(100)表面上的三种吸附结构,获得HN和HEHN的四条催化反应路径,得到了HN和HEHN在催化剂表面的化学反应机理和最佳分解路径。 之后拟合阿伦尼乌斯公式得到了200-3000K温度范围内HAN、HN和HEHN在Ir(100)表面分解过程中对应基元反应的动力学参数,基于热力学参数温度函数系数求解方法,得到了HAN、HN、HEHN等重要组分在热力学文件中所需要的温度函数系数。 最后基于得出的HAN、HN和HEHN在Ir(100)表面上催化分解的热力学参数和基元反应的动力学参数,建立HAN/HN和HAN/HEHN燃烧反应动力学模型,研究HAN/HN、HAN/HEHN不同点火温度(高温启动和常温启动)和不同配比下的推进剂的燃烧温度、重要组分的影响,通过研究功能化合物和HAN的配比权重,对提升HAN基推进剂燃烧性能具有指导意义。