端面液膜汽化现象对机械密封的工作性能具有重要影响,是机械密封研究与应用的焦点问题之一。从物理机制、实验研究、理论研究3方面介绍了机械密封液膜汽化问题的研究现状:阐释机械密封液膜汽化的物理机制及其可能造成的危害;从早期的简单现象观察到后来稳态及瞬态的定量化实验研究,总结各阶段的技术与成果;涵盖轴对称到全三维、稳态到瞬态、间断沸腾模型到连续沸腾模型的各种类型的数学模型和研究进展。在总结分析研究现状的基础上,对未来两相密封的研究方向进行了展望。

肽基分子自组装以其丰富的自组装驱动力、新颖的自组装体纳米结构、自组装体的特殊功能及良好的生物相容性等,在纳米生物材料、护肤和化妆产品、药物传输释放、组织工程支架材料等方面有着广泛的应用前景。由天然氨基酸组成的自组装短肽具有良好的低细胞毒性,可控的降解性能,高的运载效率及细胞摄取率,同时还具有降低药物的毒副作用等优点。因此,它在作为药物和基因的纳米载药材料方面有着巨大的发展前景。使用自组装肽基材料形成的纳米载体对疏水性抗癌药物、蛋白质药物及基因等进行传递释放已成为生物医药学领域的研究重点,因此,对近年来自组装肽基纳米材料作为药物和基因载体在生物医药学上的研究进展做了综述。

针对静电除尘器建立了其流场、电晕电场、颗粒荷电与运动的三维数值模型,流场采用时均Navier-Stokes方程和雷诺应力标准湍流模型,电晕电场采用非结构有限容积法,颗粒运动采用拉格朗日方法,颗粒荷电采用对荷电率方程进行积分的方法,颗粒湍流扩散采用随机轨道模型,颗粒的粒径分布采用Rosin-Rammler分布描述,模拟计算了实验电除尘器电场分布、流场分布以及颗粒运动,极板上的电流密度分布计算值与实验值符合良好,颗粒向极板运动的速度在距离极板面5 mm处的实验值与计算值也符合良好,在模型验证基础上,进一步分析了电除尘器内部流场的分布、颗粒的荷电特性与运动轨迹以及各个粒径的除尘效率。

在大型循环流化床装置上,通过改变负压差立管上的插板阀的开度,测定不同颗粒质量流率条件下插板阀上下的流态和脉动压力,以此分析插板阀对下料过程颗粒质量流率的调控机制。实验结果表明,对于立管的下料过程插板阀的开度存在一个临界开度,将插板阀的开度范围划分为非可控制区和可控制区。当插板阀的开度大于临界开度时,处于非可控制区,不能进行颗粒质量流率的调节,此时插板阀上下的流态一致,脉动压力曲线相似;当插板阀的开度小于临界开度时,处于可控制区,可以进行颗粒质量流率的调节,此时插板阀上的流态是移动床,阀下的流态是雨状下落流,上下的脉动压力曲线不同。

应用PIV两相同时测量方法,对壁面Reynolds数为430的水平槽道稀疏气固两相湍流边界层拟序结构变动特性进行了研究。选取质量载荷为10^-4~10^-3的110 μm聚乙烯颗粒作为离散相。结果表明,低载荷颗粒仍能显著改变湍流拟序结构,进而影响宏观湍流属性。颗粒重力沉降形成的粗糙壁面增强了壁面附近湍流猝发行为,导致黏性底层中的气相法向脉动速度和雷诺剪切应力显著增大。颗粒与壁面的碰撞加强了低速流体上抛、削弱了高速流体下扫,同时增强了轨道交叉效应,从而抑制了湍流拟序结构发展,显著减小了黏性底层以上区域的法向脉动速度和雷诺剪切应力。此外,颗粒惯性还减小了黏性底层厚度、增大了流向速度梯度,导致气相流向脉动速度峰值增大,且其对应位置也更加靠近壁面。

采用大涡模拟方法,对流体在刚性及柔性波纹面上的流动与传热特性进行了数值研究。结果表明:对于刚性波纹面,当振幅与波长比值(a/λ)较小时,波谷区域无回流现象;当a/λ增大至0.03时,波谷区域出现回流区,且回流区域随波幅的增加而增大;波纹面上坡部位沿展向出现较高Nusselt数的斑块;当a/λ从0.01增至0.04时,时均Nusselt数提高了近63.5%,综合系数增加了0.5112。对于柔性波纹面,其压力分布也呈现周期性变化;且在上坡位置也出现较大Nusselt数斑块;当a/λ从0.01增至0.04时,时均Nusselt数值提高了173.1%,综合系数增加了1.1232。与刚性波纹面相比,在消耗相同流体输送泵功时,柔性波纹面具有更好的传热效果。

对填充泡沫金属的圆管中R410A流动沸腾的两相流压降特性进行了实验研究。实验对象为两根内径13.8 mm,分别填充5 PPI/95%孔隙率和10 PPI/95%孔隙率的泡沫铜的圆管。实验工况涵盖:蒸发压力995 kPa;质流密度30~90 kg·m^-2·s^-1;热通量5.9~16.5 kW·m^-2;入口干度0.175~0.775。实验结果表明:泡沫金属显著增加制冷剂流动沸腾的压降,在入口干度为0.775,质流密度为90 kg·m^-2·s^-1时,内嵌10 PPI 泡沫金属的圆管中的压降梯度达56 kPa·m^-1;泡沫金属PPI越大,压降增加越多,相同工况下内嵌10 PPI泡沫金属圆管中制冷剂流动沸腾的压降是内嵌5 PPI泡沫金属圆管中的压降的1.2倍左右。根据实验数据开发了适用于填充泡沫金属的内径13.8 mm圆管中的流动沸腾的压降关联式,结果表明90%的预测值与实验值的偏差在±15%以内。

为分析蒸发式过冷水制冰中单个水滴在此低温低湿空气环境中的蒸发特性,建立了水滴蒸发过冷过程的数理模型。通过悬挂水滴实验与模拟结果的对比,验证了模型的有效性。因此利用该数学模型预测微小直径水滴的蒸发特性是可行的。通过模拟计算获得了水滴初始直径、初始水温、空气温度、空气含湿量和空气流速对水滴蒸发过冷过程的影响。结果表明,水滴初始直径越小、温度越低或空气流速越大,水滴的冷却速率就越大,达到稳态时的过冷时间就越短。另外,通过降低空气温度或含湿量不仅提高了水滴的冷却速率,而且增加了水滴达到稳态时的过冷度。通过水滴蒸发过冷特性的分析,可为制冰系统的优化设计及提高系统制冰效率提供理论参考。

数值模拟了振动圆管外的对流换热,通过数据后处理分析了振动圆管外对流换热特性与场协同性能间的联系,从场协同原理的大值原则与匹配性原则上对振动圆体外表面传热的规律特性作了解释。振动圆管外的场协同角余弦值在面相位0°与180°处最大,在90°与270°处最小,并且随着时相位靠近平衡位置,其面上各点的场协同角余弦值逐渐变大。场协同匹配性能的分布规律与场协同角余弦值的分布基本相同。振动圆管外的对流传热系数分布规律与场协同余弦值及场协同匹配系数的分布规律一致,表明可以使用场协同原理阐述振动圆管外的对流换热规律。

介绍了一种具有工作阱的两相闭式热虹吸管的结构和特点。通过观察实验,将热虹吸管的启动模型简化为蒸汽温度只随时间变化的非稳态模型,通过数值计算求解热虹吸管内蒸汽随时间的变化关系。将热虹吸管的工作阱作为研究对象,数值计算得到的温度响应作为工作阱的温度边界条件,利用FLUENT求解工作阱内温度及压力分布。结果显示计量阱内除管口位置外具有良好的等温特性。将模拟值与实验值进行比较,计算值和测量值吻合较好,最大偏差出现在响应时间为100 s左右,温度偏差为3.7 K。模拟和实验均证明工质充灌量对具有工作阱的两相闭式热虹吸管的启动性能影响不大。

除湿溶液再生是维持除湿过程持续进行的必备条件,其效率直接影响整个系统的性能。借鉴水滴闪蒸理论,分析了液滴闪蒸过程大小、质量以及温度变化,初步实验测试了影响闪蒸效率的因素,结果表明:压力是影响闪蒸效率的核心因素,及时去除蒸发水分才能保证闪蒸的持续进行;溶液浓度配比与闪蒸效率关联性较强;液滴初始温度对闪蒸效率影响相对较小;温度的实验测试值总体大于理论计算值,使用水滴闪蒸理论模型需进行物性修正。

利用一种非牛顿流体黏度修正模型描述水力旋流器内高浓度矿浆的非牛顿流动特性,并结合雷诺应力模型(RSM)、混合多相流模型(Mixture)以及拉格朗日颗粒追踪模型(LPT)建立了一种适用于模拟水力旋流器内非牛顿流体多相流场的数学模型。模拟结果与报道的实验值的相对误差均在10%以内,表明了该模型的可靠性。结果表明,非牛顿流体黏度的空间分布与矿浆密度的空间分布类似。沿零轴速包络面(LZVV)的轮廓存在一个高密度环,其原因为某粒径范围内的颗粒受到的径向合力为零,颗粒群沿LZVV做高速旋转运动。分散相的空间分布取决于不同粒径的颗粒受力。对于不同粒径的单位质量颗粒,向外离心力的数值大约为向内压力梯度力的两倍左右,使得大颗粒进入下行流并在底流口收集。随着颗粒粒径的减小,总体向内且具有波动性的流体曳力呈指数增长。向内的流体曳力将部分颗粒推向轴心,经上行流逃逸,同时也增强了颗粒运动的随机性。当颗粒粒径小于一定值后,流体曳力远远大于离心力和压力梯度力,颗粒运动的随机性非常强,宏观表现为均匀分布。

相变传热广泛存在于换热领域,而两相流中的厚液膜是恶化相变传热的根本原因。提出在换热管壁面设计新型网状外分液结构,利用金属网进行间歇流气液非能动相分离,从而调控流型、强化传热。通过搭建空气-水水平管冷态实验台,证实当间歇流经过外分液结构时,气体在表面张力作用下被金属网孔拦截,液桥和厚液膜则被分离出换热管,使管内液相减少,气相汇聚,有效增大气相与管壁的接触概率;多级分液后气液两相长度比呈振荡上升,甚至将间歇流调控为分层流。减小液速或增大气速,分液效果越好,间歇流最终转变为分层流所需经历的外分液级数越少,预期此结构可显著提高相变传热效果。

针对聚合物双腔微管直角挤出模具非对称流道结构,基于聚合物流动平衡原理,建立了直角挤出模具非对称流道结构参数关系。在直角挤出模具的挤出成型方向上,采用反向流道的方法计算流道长度,并对反向流道的终点进行拟合,基于拟合偏差构建了目标函数,对模具非对称流道结构进行了优化设计。根据优化结果设计制造了双腔微管直角挤出模具,并且进行了挤出成型实验。实验结果表明挤出模具非对称流道设计是合理的,证明了聚合物双腔微管直角挤出模具非对称流动平衡设计方法的正确性和有效性。

时间序列的符号动力学信息熵H_k因其计算简单快速,对数据量要求小,而被应用于非线性时间序列的分析中。将其应用于气液两相流型电导信号的分析中,首先通过其在高斯白噪声中的应用,来分析参数的选择标准。接下来讨论不同参数选择对气液两相流型识别的影响,并将流型信号的H_k-up同3种典型仿真信号进行对比。最后采用分段计算H_k-up的方法对气液两相流型电导信号进行分析,剖析了各种流型的演化规律。分析结果表明:符号动力学信息熵是一种有效的分析气液两相流电导信号的方法,能够有效区分不同流型,并能够反映不同流型的演化规律特性。

为实现对惯性约束聚变(ICF)靶用空心玻璃微球(HGM)纵横比的调控,基于对干凝胶法制备HGM炉内成球过程的分析,建立了HGM纵横比的定量控制模型,实验研究了载气组分和压力对HGM直径和纵横比的影响。结果表明:通过调节载气中氩气分压可以控制熔融玻璃液泡的膨胀程度,从而定量控制最终HGM的直径和纵横比。但是,通过大幅度降低载气中的氩气分压来提高HGM半径和纵横比是不可行的。为提高载气的传热能力,确保HGM球形度、表面粗糙度和合格率满足ICF制靶的要求,必须在载气中添加一定分压的氦气。除部分极端工艺条件外,提出的HGM纵横比控制模型预测值与实验结果吻合良好。

扩散过滤燃烧是新的燃烧技术,具有扩散燃烧和预混过滤燃烧的某些特性。通过二维双温模型,使用单步总包反应,数值研究氮气稀释的甲烷和氧气同轴同平板扩散过滤燃烧特性。模型中考虑热弥散和组分弥散效应。研究小球直径、气体混合物速度和甲烷质量分数对火焰高度和火焰形态的影响。结果表明,与预混过滤燃烧不同,气体和固体高温区存在于燃烧器的不同位置;而在高温区域之外,气体和多孔介质固体的温差很小。当填充床小球直径从6.66 mm减小到2.02 mm,火焰高度从0.048 m增大到0.12 m。增大混合物速度,甲烷的质量分数导致火焰变宽,火焰高度增大。数值模型的有效性得到了实验验证。

为评价高温工况下颗粒物在线检测装置的性能,在催化裂化高温烟气过滤实验装置上使用光学在线颗粒物检测装置测定了过滤器下游烟气中的催化剂浓度及粒径分布,同时用离线式粉尘等动采样装置和Coulter粒径分析仪测量过滤器上游与下游的催化剂浓度和粒径分布,对在线式的测量结果进行验证。考虑了温度对在线式测量结果的影响。实验结果表明:在线式检测装置可以在操作温度320~465℃,操作压力0.21 MPa工况下实现稳定的测量,在线式测量结果和离线式测量结果吻合很好,实验和计算模拟结果表明操作温度对实验测量的影响可以忽略。在此基础上,针对煤化工行业的实际工况,提出了利用迭代方式来获得在线测量结果修正值的方法,该方法对煤化工工艺中高温气体管道内颗粒物的在线测定同样具有指导意义。

在H₂/O₂体系中添加惰性气体(Ar、He、N₂)进行常压介质阻挡放电,合成了H₂O₂水溶液。系统研究了不同惰性气体对体系击穿电压及H₂O₂合成能效的影响。结果表明,添加气体对击穿电压、O₂转化率、H₂O₂选择性、H₂O₂收率及能量效率能产生较大影响。其中Ar的引入不仅降低了击穿电压,还提高了合成H₂O₂的能量效率;当Ar添加量为56.6 ml·min^-1时,击穿电压由11.8 kV降为10.2 kV;合成H₂O₂的能量效率提高51%,由3.45 g·(kW·h)^-1提高至5.20 g·(kW·h)^-1(以100%H₂O₂计)。发射光谱表征发现,在H₂-O₂-Ar放电体系中存在以亚稳态为末态的辐射Ar(696.5、794.8、811.5 nm),表明亚稳态Ar物种的潘宁电离作用可能是降低击穿电压的主要因素。由示波器测量的放电电流波形图可知,Ar的加入增大了体系电子密度,使得相同功率下O₂转化速率大幅提高,从而使合成H₂O₂能量效率显著提高。

用浸渍法制备了以Al₂O₃为载体、Ni为活性组分的Ni/Al₂O₃二氧化碳甲烷化催化剂,在等温固定床反应器中研究了在Ni/Al₂O₃催化剂作用下,高纯氯化氢中微量CO₂甲烷化反应效果,并考察了温度、压力、氯化氢体积空速以及H₂/CO₂摩尔比对CO₂转化率的影响,同时研究了催化剂活性、稳定性及其再生性能。结果表明,在温度为250℃、压力为4.0 MPa、氯化氢空速为100 h^-1、H₂/CO₂摩尔比为500:1条件下,CO₂甲烷化反应效果最好,其转化率可达到90%左右,对于高纯氯化氢中微量CO₂的脱除起到很好的效果;催化剂在温度高于300℃时,反应不久后会迅速失活;催化剂再生性能只能部分恢复到新鲜水平。

研究了ZnO催化碳酸乙烯酯和丁二酸二甲酯耦合反应合成聚丁二酸乙二醇酯预聚体和碳酸二甲酯的新工艺。考察了ZnO催化剂焙烧温度对耦合反应的催化活性,优化了反应条件。并对ZnO催化剂进行XRD、BET和NH₃-TPD表征。以FTIR和¹H NMR表征聚丁二酸乙二醇酯预聚体。结果表明,在225~235℃,EC/DMSu摩尔比为2,催化剂/(EC+DMSu)摩尔比为0.005,反应时间为3 h的反应条件下,碳酸二甲酯收率为59.7%,聚丁二酸乙二醇酯预聚物的特性黏度为0.3857 dl·g^-1。通过XRD和NH₃-TPD分析,推测ZnO表面的晶体缺陷和弱酸性是影响耦合反应催化活性的原因。

在低酸度硫酸体系中,以P123(EO₂₀PO₇₀EO₂₀)为模板剂水热法一步合成硫酸化锆掺杂PHTS固体酸催化剂(SO₄^2-/Zr-PHTS),利用XRD、TEM、N₂吸附-脱附以及NH₃-TPD、Py-FTIR等手段对其进行表征。结果表明,SO₄^2-/Zr-PHTS具有有序的六方相介孔结构,具有以L酸为主的弱、中强度的酸性中心;随着硅锆摩尔比的增加,其酸量逐渐减少,比表面积逐渐增加,孔容、孔径无显著变化。SO₄^2-/Zr-PHTS在催化四氢呋喃聚合中表现出良好的反应性能,推测固体酸的表面酸性和孔结构决定着催化四氢呋喃聚合的反应性能。

十溴二苯醚(decaBDE)是多种聚苯乙烯(PS)类塑料阻燃添加剂,其热解动力学对开发新型高效的电子塑料安全处置技术具有十分重要的意义,为此采用普适积分法成功关联了氮气中decaBDE的热解动力学参数。结果表明:固体decaBDE在306℃时熔融为液相并在400~450℃进一步汽化为气相,热重/红外(TG/IR)分析表明,其气相产物组成具有与decaBDE相同的红外特征;decaBDE热解过程可用三维扩散模型关联。进而通过对比分析decaBDE、PS和含decaBDE的阻燃PS样品的TG实验结果,发现阻燃塑料样品在热解时存在decaBDE与PS间的相互作用,表现为热解起始温度的降低和终止温度的升高。TG/IR分析表明:阻燃塑料样品的热解气相产物中不存在游离的HBr,decaBDE热解时产生的活性基团改变了PS的降解反应历程,使其气相产物具有与1,3-二苯基丁烷类似的红外特征。

基于1,3-二元脂肪醇的溶剂萃取法在盐湖卤水提硼方面有广阔的应用前景,系统研究了两种1,3-二元脂肪醇萃取剂:2-乙基-1,3-己二醇(EHD)和2-丁基-2-乙基-1,3-丙二醇(BEPD)对硼酸的萃取性能,分别考察了萃取剂浓度、原料液pH、硼酸浓度、氯化镁浓度以及温度等因素对硼酸分配系数的影响。实验结果表明,温度为303.15 K,原料液中硼酸浓度为0.0185 mol·L^-1,EHD和BEPD甲苯溶液中浓度均为0.4 mol·L^-1时,硼酸的分配系数分别达到9.43和8.25。高浓度的萃取剂和较低的原料液pH条件对提高分配系数有利;分配系数随原料中硼酸浓度和反应温度的升高而降低,1,3-二元脂肪醇萃取硼酸的过程为放热过程;氯化镁存在下的盐析效应也有利于硼酸的萃取分配。

以煤基炭膜为基膜,以ZrO₂为涂膜颗粒,在实验研究的基础上对错流微滤过程中沉积颗粒进行受力分析,分别建立径向颗粒的可能沉积临界粒径模型、轴向上颗粒的可能移动临界粒径模型和圆周方向的颗粒可能滚动临界粒径模型。并以温度、错流速率、渗透通量为主要影响参数,分别对3种临界粒径模型进行模拟研究,探讨颗粒沉积机理。结果表明,压力增大(渗透通量提高)、温度降低以及错流速度降低,都可增大动态膜层厚度;由于净重力的影响,在水平膜管内圆周方向动态膜膜层厚度分布不均匀通过增加错流速率可明显减小此种差异;模拟结果与实验结果的一致性证实了所建模型的可靠性。

电去离子(EDI)及其衍生过程近年来在脱盐、离子浓缩和化工产品的新颖制备等领域日渐重要,但在离子交换膜"膜-液"界面的水解离这一核心机理研究方面仍有诸多不足。对EDI过程中阴离子交换膜的降解及其对水解离的影响进行了实验研究和总结分析。首先通过对阴离子交换膜的选择透过率、交换容量和电导率的测定,以及红外光谱分析确认了EDI过程中存在季铵型强碱性阴离子膜的部分叔胺化降解行为。进一步通过对EDI过程特征曲线等过程宏观特性的对比研究,证明了季铵型阴离子交换膜的降解对阴离子交换膜"膜-液"界面层的水解离具有催化效应。为EDI过程的进一步优化设计,实现具有可控水解离的电驱动膜过程奠定了良好基础。

以环丙沙星为研究对象,研究了多孔树脂(超高交联树脂MN-202,氨基修饰树脂MN-150,大孔树脂XAD-4)和多壁羧基碳纳米管C-MWCNT对环丙沙星的吸附行为和机理。结果表明:吸附剂的吸附量随溶液pH值的升高呈先增加后减小的变化趋势。3种树脂的吸附能力随溶液离子强度的增强而提高,而碳纳米管则呈相反趋势,这是因为疏水作用和静电引力对两类吸附剂的贡献不同。环丙沙星在4种吸附剂上的吸附动力学都符合准二级动力学模型,吸附等温线符合Langmuir模型。升高温度可以增强MN-202和MN-150的吸附能力,可能是微孔填充受温度影响;温度对XAD-4吸附能力的负相关作用是由于疏水作用,是主要吸附机理。对于C-MWCNT,温度对它的影响很小,这是由于疏水作用、静电作用、π-π键和氢键的共同作用。

采用混合节点和分配节点的概念,建立了多级闪蒸(MSF)和反渗透(RO)海水淡化集成系统的超结构模型,以年度总费用最小为目标,引入产水比的概念,并将该参数作为集成系统的一个优化变量,采用改进的遗传算法进行求解,获得了集成系统的最优结构及相应的操作条件。实例结果表明:集成海水淡化系统的淡水成本比独立运行的RO和MSF低,产水比为0.45时集成系统的费用最小,流程结构为MSF-RO。

在石化企业蒸汽动力系统中存在大量的减温减压器,将较高压力蒸汽转化为较低压力蒸汽以适用于不同品位热量的需求。此外在夏季企业可能存在低压蒸汽过剩现象。采用背压汽轮机替代减温减压器和凝汽汽轮机回收过剩低压蒸汽能量是节能的有效方法。为了确定采用汽轮机的经济合理的范围,通过经济评价方程,获得了背压汽轮机和凝汽汽轮机的经济出力分界点,并讨论了在不同蒸汽价格或电热比价下该分界点的变化。案例结果表明,该临界值所对应的功率较小,表明在企业多数情况采用汽轮机的节能方案是经济可行的。本文可为在石化企业的节能减排中采用工业汽轮机提供指导和依据。

MPC控制系统作为先进控制策略,已经被广泛地应用于工业生产中。但在实际工业中,MPC控制系统的变量的软约束往往设定得比较保守,使系统无法达到最优经济性能。针对有约束的MPC控制系统,采用二次型经济性能指标函数来评价系统的经济性能,将最优工作点的求解问题转化为一个典型的有约束的线性规划问题。进而根据历史数据和二次型经济性能指标函数所得最优运行结果建立多变量MPC的证据网络模型,通过证据网络的反向推理和决策,得到造成MPC控制系统性能下降的可能原因,并提出改善控制系统性能的策略。最后通过仿真实验,验证了基于证据网络的经济性能评估的有效性。

针对催化重整装置的流程模拟,基于集总理论与催化重整反应机理,提出了一种反应器的模型。该模型的反应网络较全面地考虑了烷烃、环烷烃及芳烃之间的反应关系,覆盖了重整反应过程中的大部分反应。为了降低参数估计的难度,通过合理假设将待估参数数量减少至99个,并将复杂的反应网络依据碳原子数划分为C₆~C₁₁₊六个反应子网络,再采用BFGS算法与SQP算法相结合的分组迭代估计方法以降低参数估计的误差。通过催化重整装置的模拟计算对模型进行了验证,结果表明,模型能够对反应产物组成进行较准确的预测,可满足现代工业应用对模型精度的需求。

针对确定性算法求解大型复杂混合整数非线性规划的时间不可接受问题,通过对序贯二次规划算法(SQP)和图形处理器(GPU)的架构特点分析,提出了基于GPU加速策略的并行化SQP算法。算法的主要思想是通过枚举法确定二元变量的取值,在保证取值完整的基础上,使用CPU+GPU的并行策略,同时运用大量线程进行非线性规划子问题的求解。算例的数值实验结果表明:本文所提出的算法较之传统串行计算具有较好的加速效果,特别适合求解二元变量较多,约束条件相对少的MINLP问题。

以正丁醇和环氧乙烷为原料合成乙二醇正丁醚(EGMBE)为例,利用数学模型和模拟分析方法,研究了包含大量反应热效应的乙氧基化反应精馏(ERD)塔中反应热的利用及系统能量优化问题。研究表明,当采用常规的、将反应段直接叠加于提馏段之上的塔设计时,反应热并没有贡献于分离操作或减小再沸器的热负荷,而只是被冷凝器中的冷却介质移走。分析了反应热的可利用途径,提出一种将反应段和提馏段分割、从反应段移出反应热供提馏段加热的内部热集成乙氧基化反应精馏结构——IHIERD。模拟结果表明,IHIERD 将使再沸器的温度从462.5 K降低到420.0 K,冷凝器负荷降低11%,外部能量输入降低14%,节能效果显著。

动态优化是生物化工过程中的重要课题,求解动态优化问题通常有两种方法:解析法和数值法。基于智能进化算法的数值方法在动态优化中的应用越来越广泛,但是这些方法局部寻优能力不强,容易陷入局部最优,并且求解速度相对较慢。针对这些方法的不足,提出了一种改进的差分进化算法,设计了新的局部寻优算子来增强算法的局部寻优能力,并且采用一种新的控制策略表示方法来求解动态优化问题。通过求解补料分批式生化反应器的动态优化实例,证明了算法的有效性和鲁棒性。通过与其他几种方法进行对比,实验结果表明,所提出的方法在优化结果和计算代价方面都有优势。

发酵过程具有高度非线性、时滞性和不确定性等特征,直接影响着发酵过程的有效调控。提出了一种基于非线性二次高斯(NLQG)的分批补料发酵过程预测控制方法。该方法由扩展Kalman滤波器(EKF)和NLQR串联构成,EKF给出被控变量的最优状态估计,NLQR获得被控变量的实时状态反馈,以实现分批补料发酵过程的动态预测控制。在LabVIEW软件平台中,利用ActiveX控件调用MATLAB环境下编译生成的COM组件设计了NLQG控制器,并用于青霉素分批补料发酵过程溶氧浓度的预测控制。实验结果表明,所提出的分批补料发酵过程预测控制方法对于被控变量的设定值变化有良好的跟踪效果,在不同的噪声环境下均能获得较高的控制精度,具有较强的鲁棒性。

添加有机缓蚀剂可以减缓或防止铝合金在3.5%NaCl溶液中的腐蚀。用失重法和电化学法分别研究了7种有机化合物对7075铝合金在3.5%NaCl溶液中的缓蚀行为,并用扫描电子显微镜(SEM)对铝合金样品在不同缓蚀介质中的腐蚀形貌进行了观测。失重法实验结果和Tafel极化测试结果均表明,这些有机化合物对铝合金有不同程度的缓蚀作用,其中7-氮杂吲哚的缓蚀效果最好,通过对铝合金样品表面孔蚀特征及电化学测量结果的分析,确定其缓蚀机理为阳极过程控制为主的成膜缓蚀剂。

以一台化工废液焚烧炉为研究对象,研究炉内的积灰、结渣与腐蚀行为。利用X荧光光谱仪、扫描电镜、X射线衍射仪对样品的元素组成、微观相貌以及矿物组成进行分析。结果表明,化工废液中高浓度的Na、S在焚烧和换热过程中的转化机理是影响飞灰粒子沉积和管壁腐蚀的关键因素。XRF元素分析显示,沉积物样品中的元素成分基本相似,但是由于挥发性不同,表现出不同的分布、沉积特征,Na在整个取样范围内分部均匀,而Fe、Ni沿烟气流动方向逐渐降低,S则在低温段表现出富集的特征。在660~900℃,碱金属硫酸盐与气相SO₂/SO₃以及Fe₂O₃和NiO发生反应生成的低熔点共晶体,即碱-铁硫酸盐Na₃Fe(SO₄)₃和硫酸镍钠Na₂Ni(SO₄)₂,能够加剧已沉积粒子的烧结和诱发高温腐蚀;在低温段检测到的Na₃H(SO₄)₂表明低温腐蚀的出现。

利用介质阻挡放电(DBD)产生低温等离子体进行烟气的脱硝实验,研究了在乙烯存在的条件下,温度和其他烟气成分对NO_x脱除率的影响。结果表明:随着温度的升高,NO脱除速率增快;模拟烟气中加入CO₂,在能量密度较低时,CO₂作为电负性分子会降低自由基的生成,导致NO的脱除率降低,随着能量密度的升高,CO₂对NO脱除的影响减小;模拟烟气中加入水后可以产生更多的OH、HO₂等自由基,促进NO的氧化;SO₂的加入会与自由基O反应,使初始反应中O与C₂H₄的反应速率减弱,从而影响了NO的氧化速率,但O₃、HO₂等强氧化自由基会优先与NO反应,因此SO₂的加入不会影响NO最终的脱除率。

采用吹脱结合低温等离子体综合技术对垃圾渗滤液进行脱臭处理,考察了吹脱气量、峰值电压、湿度等因素对恶臭效果的影响。实验采用BPFN(Blumlein pulse forming network)型窄脉冲高压电源供电,脉冲频率采用100 Hz。结果表明,吹脱法结合低温等离子体技术可以有效去除渗滤液恶臭。以吹脱气中主要恶臭成分NH₃为实验对象,NH₃去除率随着等离子体反应器中峰值电压增大而提高,随着吹脱气量的增大而降低。当吹脱气量为1000 ml·min^-1、峰值电压为37 kV、吹脱时间为10 min时,吹脱气中NH₃浓度为520 mg·m^-3,出气中NH₃去除率可达92.5%。NH₃去除率和能量密度、初始浓度的关系通过动力学模型进行定量描述。吹脱气中含有一定湿度,可促进NH₃等恶臭气体氧化分解。在等离子体化学反应过程中,NH₃主要通过高能电子直接分解和与中间产物反应生成NH₄NO₂、NH₄NO₃而被去除。

为了实现城市污水处理过程中的节能降耗,提出了三段式城市污水自养脱氮工艺,阐述了除有机物SBR在整套工艺中的重要地位,探讨了不同曝气量与污泥浓度条件下,除有机物SBR中有机物的去除特征与规律。结果表明,在不同的曝气量及污泥浓度条件下,COD降解结束前NO₂^--N与NO₃^--N的浓度均低于0.1 mg·L^-1,反应器进入COD难降解阶段后,NO₂^--N与NO₃^--N的浓度快速提高,可以认为在除有机物SBR内有机物的去除和硝化过程是分步进行的,即先进行有机物的去除,而后进行硝化过程。DO曲线与pH曲线的突越点与除有机物过程的终点始终保持一致,可将其作为实时控制参数监测有机物的去除终点,对好氧曝气过程进行实时控制。

丙酸氧化菌群可将丙酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸和H₂/CO₂,在厌氧产甲烷系统中占据独特的生态位,了解其在厌氧废水处理系统中的变化规律,对于系统的调控运行具有重要意义。考察了中温条件下水力停留时间(HRT)对升流式厌氧污泥床反应器(UASB)的运行效能及丙酸氧化菌群更迭的影响。结果表明,在进水COD为1000 mg·L^-1条件下,HRT在一定范围内的缩短会对UASB系统造成一定的冲击,短时期内出现丙酸和乙酸的积累,但在维持运行一段时间后可重新达到运行的稳定状态,并保持了较高的COD去除率。在HRT 24、20、16、12、8 h条件下的稳定阶段,系统的平均COD去除率分别为94.9%、93.9%、92.5%、91.8%和87.9%。HRT的缩短使系统活性污泥中的丙酸氧化菌群发生了更迭,HRT 24 h条件下居优势地位的Syntrophobacter pfennigii在HRT 8 h条件下消失,取而代之的是S. sulfatireducens, Pelotomaculum和Desulfotomaculum,而Smithella丙酸氧化菌具有更宽的生态位,在系统中始终占据一定的优势度。在系统中富集更多的丙酸氧化菌群,可有效提升UASB的处理效能和运行稳定性。

针对低温微污染水中(275 K)低浓度Cr(Ⅵ)离子(0.500 mg·L^-1),制备基于表面负载食品级单宁酸为金属捕获剂的改性PAC(TA-PAC),以HNO₃、NaOH氧化改性PAC为对照,研究了TA-PAC的表面物理化学特性和吸附性能,并进行了pH影响和吸附等温线拟合研究。结果表明:TA-PAC的比表面积、总孔容积和表面极性大小最佳。TA-PAC对低温水中Cr(Ⅵ)及总铬的去除效果优于N-PAC和OH-PAC。酸性范围内(pH=3.0~6.0)TA-PAC对Cr(Ⅵ)及总铬的去除率均大于碱性范围(pH=7.0~10.0)。Freundlich 双参数吸附等温式对TA-HNC吸附水中低浓度总铬的吸附等温线拟合效果最好(R²=0.9941)。TA-PAC吸附低温水中低浓度Cr(Ⅵ)是一个极为复杂的过程,主要吸附机理可能包括表面还原作用、酯化/螯合作用和离子交换作用等。

以活性炭作载体固定嗜酸氧化亚铁硫杆菌,构建固定床生物反应器,模拟溶浸采铀矿山吸附尾液全Fe浓度和溶液pH条件,对生物反应器氧化Fe²⁺工艺参数进行了试验研究。结果表明:活性炭作载体比无载体时生物反应器氧化Fe²⁺速率增加了1.4倍,由0.5 g·L^-1·h^-1增大至1.2 g·L^-1·h^-1;生物反应器运行过程中溶液中全Fe因生成铁钒而不断消耗,需要定期清理反应器中的铁矾和补充FeSO₄以保持溶液中全Fe浓度;生物反应器最优的操作条件是:底部通气,Fe²⁺浓度为5 g·L^-1时,溶液流量为1.2~1.4 L·h^-1;Fe²⁺浓度为1 g·L^-1时,溶液流量为5.4 L·h^-1。

以钛基氧化锡纳米涂层(DSA)电极作为阳极,以活性炭纤维(ACF)作为阴极,与石墨板(GE)电极进行组合,形成三组不同的电极对,用于比较研究电芬顿反应中的阳极影响因素。降解模拟染料活性艳红X3B,其脱色率和矿化率均为:电极体系a(阴极/ACF,阳极/DSA)>b(阴极/ACF,阳极/GE)>c(阴极/GE,阳极/DSA)。其中最优电极体系a反应90 min完全脱色,180 min内矿化率和平均电流效率分别为75.3% 和56.7%。XRD和SEM表征表明:DSA电极和ACF电极在电芬顿反应中具有稳定的化学结构。循环伏安扫描的结果表明三组电极体系均无明显的阳极直接氧化反应发生。采用荧光法检测了活性氧化物种,发现三组电极体系生成羟基自由基的数量与其降解效果完全一致。本研究证明DSA 对于电芬顿反应有促进作用,并且这一促进作用是通过催化H₂O₂生成·OH 这一间接途径来实现的。

采用耗散粒子动力学模拟研究了由温敏性聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)与聚己内酯(PCL)构成的两亲嵌段共聚物(PCL-PNIPAM-PCL)在水溶液中自组装的动力学过程及微相分离现象,考察了溶液浓度及温度对其相行为的影响。模拟发现不同体积分数的嵌段共聚物在水溶液中呈现出不同的自组装形貌,如球状胶束、柱状胶束、层状胶束等。温度对其在水溶液中的形貌及相变行为有着显著的影响。当温度较低时,PCL-PNIPAM-PCL于稀溶液中可形成稳定的以PCL为核,PNIPAM为壳的球形核壳胶束;而当温度升高到某一值时,在低温时所形成的球形核壳胶束将因温度的升高而转变为表面由PCL组成的多个不连续微区的多隔段胶束。这种温敏现象在耗散粒子动力学模拟中尚属首次被发现。另外,模拟中所得到的该体系的低临界溶解温度与实验测得的值也符合良好。对这一温敏现象作了较深入和细致的解释。本文工作表明耗散粒子动力学能用来研究温度对温敏性两亲嵌段共聚物相行为的影响并揭示其中的机制和一般规律。

以一种全新的物质——阻燃的FR-1型酚醛树脂电路板基板的真空热解炭渣为原料,采用CO₂和KOH活化法制备高性能的活性炭。分别研究了CO₂活化法中的活化温度和KOH活化法中的碱炭比对活性炭产品性能的影响。用氮气吸附表征了活性炭的孔结构性质,并检测了产品的亚甲基蓝值和碘值。结果表明,KOH活化所得活性炭有更高的亚甲基蓝值(928.3 mg·g^-1 vs 231.5 mg·g^-1)、碘值(2442.2 mg·g^-1 vs 946.6 mg·g^-1)、比表面积(2289 m²·g^-1 vs 1198 m²·g^-1)和孔体积(1.317 cm³·g^-1 vs 0.703 cm³·g^-1)。所得产品均达到国家一级品标准。用这种原料制备高性能活性炭不仅解决了废弃物资源化的问题,还开发出一种新的、廉价的制备高性能活性炭的原料和方法工艺。

以十八烷基二羟乙基甲基溴化铵(OMDAB)作为聚丙烯(PP)用抗静电剂。研究了OMDAB的吸水性、热稳定性,对PP的抗静电性的影响。利用XRD和DSC分析了OMDAB对PP结晶行为的影响。采用TG研究了OMDAB对PP热稳定性的影响。结果表明,多羟基的引入,使OMDAB的吸水性明显高于目前常用的抗静电剂SN。OMDAB添加量为PP的0.3%时抗静电效果最好,其抗静电耐久性、耐擦洗性优良。环境相对湿度每增加10%或环境温度由10℃升高至30℃时,PP制品表面电阻率均下降了约1个数量级。OMDAB的加入没有改变PP的晶型,但降低了PP的结晶速率及热稳定性。

研究揭示活性炭的自燃性质及其关键影响因素,有助于避免和降低活性炭在储运过程中的自燃危险性。以杨木粉为原料,氯化锌为活化剂,在300~700℃活化温度下制备了活性炭,并考察了自制活性炭的自燃温度随活化温度的变化规律。用X射线衍射和傅里叶红外光谱研究了样品的微观结构及表面官能团特征;用STA同步热分析仪研究了活性炭的热稳定性。研究表明,活化温度对活性炭自燃性有显著影响;活化温度越低,活性炭表面官能团种类越多、含量越大,越容易自燃;随活化温度的升高,活性炭的DSC和TG曲线均向高温区移动,活性炭趋于稳定,不易自燃。适当提高活化温度,有利于降低活性炭的自燃危险性。