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关键词： 萃取精馏   共沸物   热泵   热集成   (火用)分析  

摘要： 萃取精馏是一种特殊精馏方法,通过引入萃取剂提高组分间相对挥发度从而分离共沸物,其操作简单、环境友好的优点使得萃取精馏在共沸物的分离中得到广泛应用。对于含共沸物的多组分有机废水,萃取精馏同样具有很好的分离效果。同时,精馏过程中产生的巨大能耗给节能减排带来了很大困扰,因此萃取精馏过程的节能手段也是我们目前主要研究的方向。本文主要针对含有两种共沸物的三组分有机废水的分离提纯和过程强化手段进行研究与讨论。本文选择萃取精馏方法,针对二氧六环/乙腈/水和四氢呋喃/异丙醇/水这两大含水的三组分共沸物体系来进行分离提纯,并提出了两种不同的分离次序,分别为间接萃取精馏和直接萃取精馏。首先通过软件模拟用UNIQUAC法估算得到组分之间的二元交互参数,确定物性方法后利用COSMO-SAC软件初筛、相对挥发度的计算和剩余曲线图分析等方法综合选择合适的萃取剂。在此基础上选择合适的操作压力和萃取剂流量,并通过序贯模块法完成全过程的优化设计。引入热泵和热集成这两种过程强化手段对基础流程进行节能研究,通过温-焓图体现出全过程的公用工程和换热量。在二氧六环/乙腈/水体系的分离过程中,间接萃取精馏和直接萃取精馏方法都能很好地分离共沸物,产物纯度均能达到规定的99.9mol%,其中直接萃取精馏相较于间接萃取精馏工艺有更好的经济和节能效果。与间接萃取精馏的基础流程相比,经济性最好的直接萃取精馏的热集成辅助方案能将年总费用减少40.38%,节能效果最好的单热泵辅助直接萃取精馏方案能将能耗减少53.38%。在四氢呋喃/异丙醇/水体系的分离过程中,间接萃取精馏和直接萃取精馏方法也都能达到一样好的分离效果,产物纯度达到了99.9mol%。与二氧六环/乙腈/水体系相似,直接萃取精馏工艺的经济和节能优势更明显。相较于直接萃取精馏工艺的基础方案,双热泵辅助的直接萃取精馏方案能将年总费用减少64.97%,能耗减少34.23%。结果表明,萃取精馏方法对于含共沸物的三组分有机废水的分离和提纯是非常有效的,能高效地从废水中分离并回收特定的有机物。热泵和热集成技术在萃取精馏工艺中都是非常有效的过程强化手段,其各自适用性也有不同。

关键词： 萃取精馏   反应精馏-变压精馏   反应精馏-萃取精馏   节能   经济  

摘要： 为了从含乙腈和异丙醇的工业废水中回收高价值的有机物,本课题提出采用特殊精馏过程(萃取精馏、反应精馏-变压精馏和反应精馏-萃取精馏过程)分离乙腈-异丙醇-水共沸混合物。利用Aspen Plus对提出的流程进行稳态模拟,并在其常规精馏流程的基础上发展其改进的节能过程。在本文中,采用压力-相对挥发度曲线来确定精馏塔的最佳操作压力,同时,通过溶剂比-相对挥发度曲线得到合适的夹带剂。采用热集成、中间再沸器和热泵等节能技术来减少过程能耗。使用T-H图来确定最佳节能过程。从能量、(火用)、经济和环境四个方面评估所设计流程性能。在萃取精馏过程中,采用乙二醇作为夹带剂,利用三塔萃取精馏流程分离乙腈-异丙醇-水混合物。同时利用热集成和中间再沸器节能技术充分回收过程余热,减少能耗。结果表明,萃取精馏过程结合热集成和中间再沸器比常规萃取精馏流程拥有更好的节能潜力和经济效益。与传统常规萃取精馏工艺相比,最优萃取精馏流程可节约36.24%年总费用。在反应精馏-变压精馏过程中,由于环氧乙烷在反应精馏塔内与混合物中的水反应,因此可先利用化学反应移除混合物中的水。剩余的乙腈和异丙醇二元混合物可以利用变压精馏工艺进行分离。采用热集成和热泵节能技术来回收过程余热,降低过程整体能耗。研究结果发现,与最优常规萃取精馏过程相比,最优反应精馏-变压精馏过程可以节省37.25%的年总费用。在反应精馏-萃取精馏过程中,环氧乙烷和水反应可以生成乙二醇,在移除混合物中水的同时,生成反应物(乙二醇)可以作为萃取精馏过程分离乙腈和异丙醇混合物的良好夹带剂,减少成本。同时采用热集成和中间再沸器节能设计减少过程能耗。与最优常规萃取精馏过程相比,反应精馏-萃取精馏过程可以节约41.02%的年总费用。研究结果证明,反应精馏-萃取精馏过程充分表现出其优异的节能性能,与最优常规萃取精馏过程和反应精馏-变压精馏过程相比,具有最好的经济性能,是分离乙腈-异丙醇-水混合物的最佳设计方案。

摘要： 烯烃不对称氢硒化研究北京理工大学前沿交叉科学研究院、化学与化工学院杨小会教授课题组与美国加州大学欧文分校化学系同行合作，在Rh催化苯乙烯的不对称氢硒化反应方面取得重要进展。相关成果发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。尽管硒是人类健康的基本元素，但与氧簇元素中的氧和硫相比，硒的反应研究仍然少得多。

关键词： 课程思政   有机化学   新时代   创新建设  

摘要： 课程思政作为新时代的教育理念，强调专业课与思政课同向同行，意在构建立德树人长效机制，实现全员、全程、全方位育人。文章旨在通过有机化学课程思政建设研究，培养用习近平新时代中国特色社会主义思想武装头脑的、适合新时代发展的、具有马克思主义辩证思维的创新型大学生人才。“有机化学”是药学类学生的专业基础课，文章从课程建设入手，深入推进课程思政创新建设，探析过程，分析结果。通过一系列课程思政教学改革，提高教师的德育能力和学生的综合能力，实现专业教育与价值引领的有机统一。

关键词： 模型   认知   模型认知素养   有机化学  

摘要： 模型认知素养作为高中生需养成的化学学科核心素养之一,培养的是学生掌握化学基本内容并用以解决实际问题的科学思维。在高中有机化学教学中培养学生这一最基本的思维与观念有着重要的教学研究价值。论文以建构主义理论、信息加工理论和认知同化理论为指导,在对模型、认知、模型认知素养等相关概念进行界定的基础上,调查分析学生在必修阶段学习有机化学过程中模型认知现状,为后期开展研究埋下伏笔。在教学研究中以高中有机化学独特的学科知识及思维体系的认知模型为依托,建构以促进模型建构和认知发展双线并趋的高中有机化学教学研究思路与教学策略,实施基于有机化学反应类型判断及物质转化模型的不同课型教学、纸笔测验和个案访谈等。采用质性研究与量化研究相结合的方法对实习学校高二理科班学生进行教学实践研究,着重分析学生学习内容的掌握、学业成绩与模型认知发展的情况。在与一线化学教师、实验班高分组和低分组学生进行深度访谈后得出研究结论如下:第一,基于模型认知素养培养的有机化学教学实践对学生理解有机化学内容特点、学科思维发展和学业成绩的提高具有积极的影响。第二,实验班被访谈群体在概念图结构的完整性与模型认知水平的强弱都存在正向相关,说明知识体系结构的优化程度影响着学生模型认知水平的发展。第三,实验班被访谈群体概念图结构的完整性、模型认知水平的强弱与成绩的高低大多存在正向相关。学生有机化学认知结构中知识掌握的牢固程度和模型认知水平都影响着学生问题解决能力的发展。

关键词： 异辛烷废液   刮板蒸发   萃取精馏   资源化  

摘要： 本文介绍了环氧丙烷装置异辛烷废液的成分特点和异辛烷循环系统的工艺。为了减少高价值的异辛烷损失，需要对异辛烷废液进行了资源化回收的技术研究，先用刮板蒸发器去除重组分，蒸发所得蒸馏物的重组分含量降至0.10wt%以下，再经冷凝后静置4h，含水量降至100ppm以下，达到了资源化利用指标。研究了回收异辛烷的萃取精馏分离效果，评估了回收异辛烷资源化回用的可行性，并考察了该技术实施效果，工业应用运行良好。

关键词： 低共熔溶剂   相平衡   NRLT方程   萃取精馏   量子化学计算  

摘要： 叔丁醇(TBA)是一种重要的有机溶剂,其在化工和医药领域有着广泛地应用。在叔丁醇生产过程中会出现叔丁醇–水混合物,叔丁醇和水会形成最低共沸物,无法用常规精馏手段分离。低共熔溶剂(DESs)是一种新型绿色溶剂,近年来其在化工分离过程中的应用不断扩展。本文旨在寻找到一种或几种DESs能够有效萃取精馏分离叔丁醇–水共沸体系,这可为后续将DESs用于萃取精馏过程提供参考。 基于COSMO-SAC模型对DESs进行筛选。综合分析DESs对水的选择性以及对叔丁醇的溶解度,筛选并成功制备DES1(四乙基氯化铵–乙酰胺=1:2)、DES2(四乙基氯化铵–乙二醇=1:2)、DES3(四乙基氯化铵–咪唑–乙二醇=1:2:1)三种DESs作萃取剂萃取精馏分离叔丁醇–水共沸体系。 测定常压下叔丁醇–水–DES1/DES2/DES3三元汽液相平衡数据。实验结果表明,当DESs浓度为20 mol%时,三种DESs均能够在全浓度范围内打破叔丁醇–水之间的共沸作用。在富叔丁醇区,DES3对体系组分相对挥发度影响最大,DES1次之。采用NRTL热力学模型对实验数据进行拟合得到体系组分与DESs的二元交互作用参数,拟合结果与实验数据吻合程度较好。 基于量子化学理论对DESs萃取精馏分离叔丁醇–水体系的微观机理进行剖析。DESs与体系组分之间具有更大的相互作用能是DESs能够打破叔丁醇–水共沸作用的关键。DESs与叔丁醇/水之间相互作用能的差值大小能够反映DESs在富叔丁醇区对体系相对挥发度的影响程度。计算结果表明,DES3与体系组分之间相互作用能差值最大,DES1次之。改进后的独立梯度模型和分子中原子理论证明DESs与体系组分之间的主要作用方式为氢键作用。 对分离性能较好的两种DESs(DES1,DES3)萃取精馏分离叔丁醇–水共沸体系进行流程模拟研究。以TAC为目标函数,采用序贯迭代优化得到工艺流程的最优操作参数,后与乙二醇最优萃取精馏工艺进行比较验证其是否具有经济可行性。结果表明,两种DESs萃取精馏工艺TAC要远低于乙二醇工艺流程TAC。DES1和DES3可作为萃取精馏分离叔丁醇–水共沸体系的新型溶剂选择。

关键词： 乙醇与水   萃取精馏   UNIFAC模型   COSMO-RS模型   分子动力学模拟   过程模拟   经济评价  

摘要： 乙醇是一种常见的化工产品,常压常温下是无色透明、易挥发的液体,是一种良好的溶剂,广泛的应用在国防、医疗卫生、交通等领域。有些国家已将无水乙醇与汽油混合而成的汽油醇作为动力燃料,为应对能源危机,从2020年起,中国已基本实现车用乙醇汽油的全覆盖。在工业应用上,常见的商用乙醇是一种共沸混合物,含有95.6wt%的乙醇和4.4wt%的水。对于乙醇和水的分离,传统的蒸馏过程无法获得高纯度的乙醇。本论文提出以离子液体（ILs）为萃取剂,从分子水平对分离机理进行分析,采用常规萃取精馏与热泵相结合的方法,对乙醇和水的分离过程进行了工艺模拟。本文选用在化学化工领域应用最为广泛的预测型热力学模型—UNIFAC模型对大量的文献数据进行关联,关联和补充了乙醇/水-ILs体系的UNIFAC模型基团相互作用参数。在选择离ILs做萃取剂分离乙醇-水体系方面,亲水性ILs通常用于脱水,常用的阴离子为[Me SO3]-、[Et SO4]-、[DMPO4]-、[Ac]-、[Cl]-等,由于氯基离子液体价格相对较低（见Aladdin和Macklin网站）、室温附近为液态以及氯化离子液体强的亲水性等原因,选择[BMIM][Cl]、[HMIM][Cl]和[OMIM][Cl]为候选萃取剂。利用COSMO-RS模型探究了混合体系的微观相互作用,屏蔽电荷密度结果表明,阴离子[Cl]-可以与水形成强氢键,并容易从乙醇溶液中带出水;过剩焓分析结果表明,水+[BMIM][Cl]的混合过程比乙醇+[BMIM][Cl]的混合过程放热更多,决定了共沸体系相对挥发度的提高。本研究进行了水+[XMIM][Cl]（X=B,H,O）和乙醇+[XMIM][Cl]的汽液相平衡实验,乙醇-水-ILs三元体系的汽液相平衡表明,ILs的存在有效地打破了乙醇-水二元体系的共沸现象。此外,将UNIFAC模型用于预测乙醇-水-ILs三元体系的汽液相平衡。通过分子动力学（MD）模拟,在分子水平上确定了以[BMIM][Cl]为萃取剂分离乙醇-水共沸物的微观机理。结果显示,[BMIM][Cl]与水和乙醇分子间相互作用较强,并可以进一步破坏水-水、水-乙醇和乙醇-乙醇之间的氢键相互作用,从而增强ILs在混合系统中的自由运动,通过削弱乙醇-水之间的氢键能够有效地打破乙醇-水的共沸现象。最后,以[BMIM][Cl]为萃取剂,嵌入UNIFAC模型的二元基团相互作用参数,建立了乙醇-水二元体系分离过程的平衡阶段模型。在工业规模上进行工艺模拟并对参数进行优化,采用传统的萃取精馏过程与热泵精馏过程相对比,结果表明热泵强化萃取精馏过程比常规萃取精馏过程节能59.72%,年总成本和CO2排放量与常规萃取精馏过程相比分别降低了27.01%和80.46%。

关键词： 深度学习   有机化学   单元教学  

摘要： 高中有机化学课堂是发展学生化学核心素养的重要场所,但是许多学生在学习有机化学时还是会停留在浮于表面的浅层学习。深度学习是指向发展学生高阶思维的学习,让学生在有机化学中实现深度学习的发生势在必行,而且目前许多高中化学教师不注重整体教学,碎片化的课时教学容易导致知识的孤立,不利于学生知识建构,更不利于深度学习的发生。单元教学是促进深度学习发生的有效途径,因此进行基于深度学习的有机化学单元教学实践研究是有意义的。论文主要分为以下几部分:首先通过查阅相关文献,对相关内容进行了综述,为后续研究奠定基调。紧接着,从深度学习和单元教学的相关概念出发,解析了深度学习的特征,深度学习与单元教学的关系与相关的支持理论。然后对有机化学深度学习的现状进行了调查研究。首先通过调查问卷,分析了学生在认知人际个人三维度的有机化学深度学习现状。同时,对教师进行了半结构化访谈,总结目前深度学习下有机化学教与学现状。在完成以上工作后,进行基于深度学习的有机化学单元教学设计研究,从单元教学的具体环节进行了设计研究,设计了烃的含氧衍生物的整个单元教学并将教学设计付诸实践,在实验班进行了为期一个月的单元教学实践后,对实验班与对照班进行相关单元测试,并实施教学效果分析,包括学生的测试成绩分析,对学生的口语测试检测结果分析,后测问卷结果分析和教学实践体会。最后对深度学习理论下的有机化学单元教学实践进行研究总结,并提出本研究的不足和反思。

关键词： 卤代烃   共沸物   构效关系   萃取精馏   动态控制  

摘要： 含卤代烃共沸物用途广泛,但由于卤代烃有一定的毒性,测量共沸特性较为困难,由此提出将分子微观结构与共沸特性联系起来从而建立预测含卤代烃二元共沸物的定量构效关系(QSPR)模型。此外,在化学工业中会产生许多含卤代烃的二元共沸物有机废液,这些废液若不经处理直接排放会造成环境污染和资源浪费。因此,以三七中提取三七总甙时产生的氯仿/正己烷有机废液为例,讨论了不同的萃取精馏方案分离氯仿/正己烷共沸物,对比了不同萃取精馏策略的经济指标和环境指标,并开发了动态控制结构方案。 在构建QSPR模型过程中,选用293种含卤代烃的二元共沸物作为研究对象。首先,利用hyper chem8.0绘制和优化293种共沸物的分子结构,并应用Materials Studio 2019计算出431个分子描述符,并对计算出的分子描述符进行删减,筛选出相关度较高的分子描述符。其次,利用遗传函数逼近算法(GFA)筛选分子描述符,再对筛选出的分子描述符进行多元线性回归,分别构建了5个共沸温度及组成模型。然后,根据模型拟合能力挑选最佳模型,最佳共沸温度及组成模型分别由5个和8个描述符组成。最后,对最佳模型进行了内部验证、外部验证、Y随机验证及应用域分析,验证参数:交叉系数(QLoo2)和外部验证系数(Qext2)分别为0.947/0.994、0.972/0.994,均在标准值范围内,结果表明,所建模型具有良好的拟合能力、稳定性以及预测性。 针对典型含卤代烃共沸物氯仿/正己烷的分离,主要提出了 3种不同的萃取精馏策略,即常规萃取精馏、侧线萃取精馏和隔壁萃取精馏。使用Aspen Plus模拟软件设计稳态工艺流程,以年度总费用(TAC)最小为目标函数,采用序贯迭代法对三个工艺流程进行优化。然后对比了 3个方案的TAC和CO2减排量,侧线萃取精馏与常规萃取精馏相比较而言,可节约TAC 18.9%,当燃料为煤、重油和天然气时,CO2的减排量分别为68.4kg/h、28.79kg/h和18.56kg/h;隔壁萃取精馏与常规萃取精馏相比较而言,可节约TAC 33.2%,当燃料为煤、重油和天然气时,CO2减排量分别为131.3256kg/h、55.2856kg/h、35.6256kg/h。结果表明,隔壁萃取精馏是比其他两种工艺更好的解决方案。 为了使流程能够安全稳定地运行,进一步开发了隔壁萃取精馏方案的动态控制结构。提出了 3种控制结构:带有组成控制的萃取精馏隔壁塔控制方案、带有VR/QR的控制结构改进方案、带有温度组成串级控制方案,介入进料流率和进料组成的干扰后,动态效应表明,采用温度组分串级控制结构可以在较短的响应时间内恢复新的稳态。