基于同心双轴搅拌器的结构与运行特点,建立了兼顾其流动、混合过程的三维数学模型,并以过程工业应用较多的两种不同尺寸双层组合桨作为内桨、框式桨作为外桨构成的同心双轴搅拌器为研究对象,数值模拟了其在中高黏牛顿流体中同向及反向转动模式的功率特性、流场特性及混合特性。模拟结果表明,同向转动模式下,整个系统的搅拌功耗更小、混合效率更高;外桨功耗受内桨影响较大,一般随内桨转速的增大,恒速外桨的功耗同向转动时会减小、反向转动时会增大;对由桨式搅拌器构成的组合式内桨而言,当内桨直径与釜体直径之比为0.35左右时,相同Reynolds数下的单位体积混合能更小;中高黏牛顿流体中,同心双轴搅拌器的内桨采用上层六斜叶桨+下层六直叶桨的组合形式时更高效节能,仅在体系Reynolds数小于36时,上层二斜叶桨+下层二直叶桨的内桨组合形式才具有相对优势。

提出了一种新型的椭圆管连续螺旋折流板换热器。利用ANSYS CFX软件对壳侧流动与传热进行了数值模拟,并采用性能评价图及三场协同原理分析其壳侧性能。结果表明:在研究范围内,以椭圆管替代传统圆管管束后,在维持传热面积基本不变的前提下,壳侧压降降低72%～80%,综合换热性能提高32%～40%。应用性能评价图分析发现椭圆管在强化换热的同时也大大减小了压降。这是由于在相同的速度场与温度场协同前提下,椭圆管使速度场与压力场更好地协同,实现高效低阻强化传热的目的。

对螺旋扁管在满液式蒸发器中的池沸腾传热进行了实验研究。螺旋扁管由外径为15.88 mm的圆形满蒸管加工而得,其外径、壁厚以及长度分别为19.50 mm×11.28 mm、1.09 mm和3310 mm。通过实验研究了管程Reynolds数Re_i、制冷剂饱和温度T_sat、管壁过热度T_sup以及热通量q_b对于池沸腾传热性能的影响。结果表明,随着Re_i、T_sat和q_b的增加,螺旋扁管满液式蒸发器以及原有满液式蒸发器的沸腾传热性能都随之增强,而随着T_sup的增加,两者的沸腾传热性能却呈下降趋势。同时,对装有两种满液式蒸发器的螺杆式冷水机组分别进行了测试,结果表明在换热量相同的条件下,螺旋扁管满液式蒸发器比原有蒸发器的总传热系数提高了15%左右,证明螺旋扁管满液式蒸发器在螺杆式冷水机组中的应用是可行的。

人体病变组织的光热效应是皮肤病激光疗法与光学诊断的基础,深入理解血液光吸收特性随温度变化的动态规律对利用激光来治疗葡萄酒色斑(PWS)等血管性疾病具有重要意义。设计并搭建了血液动态吸收光谱实验测量系统,利用常温水浴将血液样品缓慢加热至80℃(0.5～1.0℃·min^-1),每间隔5℃为单位对血液的光吸收特性进行测量,得到了血液在可见光及近红外范围400～1000 nm内随温度变化的动态吸收光谱。实验结果表明,加热过程中血液光吸收特性变化可分为4个阶段:常温至50℃血液吸收光谱基本无变化;50～58℃吸收特性曲线变平缓, 630 nm处吸光度增加为常温下的2倍;随着温度的进一步上升,血液光吸收特性大幅度增加;65℃后略有增加直至不再变化。整个加热过程中,血液吸光度均在970 nm处存在峰值,并且吸收性能随着温度的上升有所增加,这为今后使用该波段治疗较深的顽固病变血管奠定了坚实的基础。

槽式孔板是一种新型的气液两相流测量元件,与标准孔板相比,槽式孔板具有前后直管段要求低、差压信号平稳、上游液相无累积等优点。通过对槽式孔板的局部阻力进行分析,槽式孔板总压降主要由摩阻压降和加速压降两部分组成。基于气液两相流体流经槽式孔板的流动机理,利用动量守恒关系式和能量守恒关系式计算摩阻压降和加速压降,建立了槽式孔板的分层流差压预测模型。以空气/水为介质,进行了一系列实验,实验结果表明,孔径比为0.75、0.6、0.5的槽式孔板的平均相对误差分别为6.45%、11.06%、12.52%,为湿气计量算法的完善提供了参考。

对水辅助注塑(WAIM)中高压水的穿透过程进行有限元模拟,研究熔体的充模行为,并分析其拉伸场和剪切场。结果显示,高压水推动熔体充模的过程可分为填充初期、快速填充期和填充末期3个阶段;较明显的拉伸应变速率仅出现在高压水前沿和熔体前沿区域;高压水前沿区域存在分布较宽且较为强烈的剪切速率,而高压水对已穿透区域的熔体几乎没有剪切作用。此外,模拟所得WAIM制品的穿透长度和掏空率与实验结果较吻合。

在内径为182 mm的喷动流化床中安装内径80 mm的导向管,以平均粒径为2.2 mm的尿素颗粒为物料,对喷动气旁路特性进行了实验研究,分别考察了夹带区高度、导向管长度、喷嘴内径、床层高度、喷动气速和流化气速对喷动气旁路分率的影响,结果表明随着喷动气速的增大,喷动气体旁路分率先增后减。导向管安装高度越高,气体旁路分率越大。床层高度增大喷动气体旁路分率略有降低。而喷嘴直径小于50 mm时气体旁路分率随喷嘴直径增大而提高,在大于50 mm时气体旁路分率随喷嘴直径增大维持不变。当气速较小时,导向管高度增大会引起气体旁路分率增大,引入少量流化气能有效地抑制喷动气旁路。

为了验证LNG-FPSO液化工艺及其核心设备——液化冷箱在海上晃荡条件下运行的可靠性,建造了小型撬装天然气液化装置,并通过冷箱的纵荡和横摇实验,对不同工况下板翅式换热器、膨胀机和分离器的工作性能及整体工艺系统的运行效果进行了分析。结果表明,晃荡条件下冷箱运行可靠,设备具有较强的抗晃动能力,带预冷的氮膨胀液化工艺可以适用于目标气田的海况;膨胀机水平安装可以减小晃荡的影响;横摇会提高气液两相分离过程的平衡程度及液相的蒸发率;横摇是对FPSO装置影响最大的运动形式,将工艺设备布置在船体的中轴线上可以减小设备晃荡的幅度。

搭建了一套可同时测量碰撞速度和声发射信号的装置,利用宽带声发射传感器高速采集5种不同粒径玻璃微珠碰撞钢板的声发射信号,经Welch算法计算功率谱发现声发射信号均主要集中在50～400 kHz频段,且随着粒径增大,频谱分布往低频区域迁移;基于Hertz-Zener理论并引入频谱估算近似式,利用光学互相关法测量碰撞速度,将理论估算频谱和实测信号功率谱作归一化处理后,采用最小二乘法估算出玻璃微珠的粒径,3^#(300～400 μm)和4^#(400～600 μm)玻璃微珠的粒径估算结果和CAMSIZER仪器测得值吻合较好,并分析了导致其他粒径估算产生偏差的原因。实验证实了该方法的可行性和有效性,同时为实现颗粒粒径分布测量提供了新思路。

泡状流广泛存在于各种化工反应设备中,研究周期惯性力影响下矩形通道泡状流的阻力特性,可以为研究非稳态条件下的流动特性提供实验支持。本实验在常温常压条件下进行,摇摆工况选定为5°-8 s、10°-8 s、15°-8 s、15°-12 s和15°-16 s,实验结果表明摇摆条件下瞬态摩擦压降的变化具有明显的周期性,两相平均阻力系数是稳态摩阻系数的几倍到十几倍,随着两相Reynolds数的变大,瞬态摩阻系数的波动幅度和平均水平均变小;摇摆周期越小,摇摆振幅越大,即摇摆运动越剧烈,摩擦压降的波动幅度也越大;定义了周期惯性力的影响系数(摇摆条件与竖直条件下摩阻系数的比值),利用量纲分析和多元拟合方式得到关于影响系数的经验关系式,预测值与实验值符合程度较好。

分级环间距大小是影响选粉机分级性能指标的重要因素之一。通过构建不同分级环间距的立磨选粉机模型,采用Fluent软件对SMG5500型立磨选粉机不同分级环间距下的流场特性进行研究,对比分析间距大小对速度场、压力场和分级效率的影响规律,得出最优的分级环间距,并对整机进行实验验证。数值模拟结果表明:当分级环间距过小时,大部分大于80 μm的粗颗粒都能进入转笼,使产品极易出现跑粗现象;当分级环间距过大时,大部分小于80 μm的颗粒不能进入转笼,这使得选粉机的循环负荷加大,选粉效率受到了极大的限制;当分级环间距为110 mm左右时,SMG5500型立磨选粉机的分级性能最优。

溶液除湿剂的沸腾式再生能够降低除湿空调对室外环境的依赖性,而溶液的沸腾特性的研究对沸腾再生器的设计有重要意义。针对3种常规除湿溶液及一种配方型除湿剂的池内核态沸腾特性展开实验研究。研究发现:3种溶液的沸腾温度均随着浓度的增加而升高;3种溶液的沸腾传热系数均低于水,并随浓度的增加而降低,但是当浓度增大到极限时,溶液中有小颗粒析出,其传热系数却提高。相近传质能力条件下,溴化锂溶液与氯化钙溶液的沸腾换热性能优于氯化锂溶液;在氯化锂溶液中添加一定量的氯化钙溶液能够优化氯化锂溶液的沸腾换热性能。

采用局部非热平衡模型及方腔左右两侧壁面温度正弦波变化边界条件,数值分析了具有内热源多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流传热。探讨了不同温度波动参数N及波动相位差τ对方腔内自然对流传热的影响。结果表明:方腔两侧壁面出现了周期性分布的温度场,随着N值的增加,方腔内流场及温度场分布逐渐趋向于壁面均一温度边界情况。壁面局部Nu沿着高度方向呈现周期性分布。相对于均一温度的边界条件而言,正弦波温度边界条件在一定程度上强化了多孔介质方腔内的整体传热过程,随着N值的增加,方腔处于温度波动边界时的散热值Q逐渐趋向于均一温度边界时的情况。

基于K₃Fe(CN)₆-K₄Fe(CN)₆-NaOH电解质体系的极限电流电化学方法被广泛用于壁面传质系数的测量,准确测定混合溶液中铁氰离子浓度是获得壁面传质系数的关键。详细介绍了利用紫外可见分光光度法(UV-VIS)测量K₃Fe(CN)₆-K₄Fe(CN)₆-NaOH电解质体系中K₃Fe(CN)₆浓度的过程,包括吸收光谱曲线测定、最佳吸收波长的确定、标准曲线标定等。还给出了0.01 mol·L^-1 K₃Fe(CN)₆-0.02 mol·L^-1 K₄Fe(CN)₆-0.5 mol·L^-1 NaOH混合电解质溶液的物性(包括密度、运动黏度、扩散系数)计算关联式,为极限电流电化学方法的应用提供参考。

对常温、大气压下水在开孔泡沫铜中池沸腾的传热特性进行了试验研究,观察了开孔泡沫铜中汽泡的生长特性及其变化规律,并与水在光管加热面的池沸腾特性进行了对比。试验结果表明:水在泡沫铜中池沸腾时,汽泡脱离直径和汽泡脱离频率随热通量的增加而不断增大,泡沫铜对水的池沸腾传热具有很好的强化效果。根据试验结果,得到了水在开孔泡沫铜中池沸腾传热的传热系数拟合关联式,为进一步的研究提供了依据。

以商业TiO₂为载体,采用浸渍法制备了V₂O₅-WO₃-TiO₂/SO₄^2-催化剂,考察了硫酸酸化载体TiO₂的顺序及硫酸酸化量对氨气选择性催化还原NO活性的影响,采用XRD、BET、FT-IR、TG-DTA、TPD等手段对催化剂进行了表征。BET表征结果表明,随着酸化处理的用酸量增大,催化剂表面积降低;但FT-IR、TG结果表明,增大酸化处理用硫酸量提高了硫酸根与钨之间的电子交互作用。程序升温的活性测试结果表明,硫酸酸化处理对催化剂活性具有促进作用,结合NH₃-TPD表征证实了具有酸化处理程序制备的催化剂可以增强表面酸性位,从而使催化剂具有高活性。

以乙酰丙酮钴(Co(acac)₂)为催化剂,在1 L高压搅拌反应釜中研究了其对甲苯液相空气氧化反应的催化性能和反应产物分布,考察了催化剂用量对甲苯转化率和苯甲酸收率的影响,并考察了不同温度下不同催化剂用量时的催化剂寿命。结果表明,Co(acac)₂催化甲苯液相氧化是平行连串的复杂反应,Co(acac)₂的催化活性存在"催化-抑制转换"现象,适宜的催化剂用量为0.0044%(质量分数);催化剂的寿命随反应温度变化存在一个最大值,165℃时催化剂寿命最长,反应温度较低(<165℃)时催化剂更容易失活;在165℃、Co(acac)₂用量为0.0044%时,反应4 h,甲苯转化率为19%,苯甲酸收率为80%;与醋酸钴、环烷酸钴等钴盐催化剂相比,Co(acac)₂催化剂具有用量少、催化活性时间长的优点,可有效地减缓钴盐结垢现象,Co(acac)₂催化剂对甲苯液相空气氧化反应具有良好的催化性能。

根据F-T合成蜡油加氢裂化过程的机理及已有的九集总和全集总动力学模型,提出了异构化因子的概念;将异构化反应模拟与实验结果相结合,引入裂化概率函数改进原有九集总动力学模型;据此建立了包含7个反应式的更加符合实际加氢裂化过程的五集总动力学模型。通过已有的实验结果同两种动力学模型的比较,表明所建立的五集总动力学模型计算值与实验值的平均相对误差为3.95%,在高转化率的情况下,平均相对误差仅为0.88%,且该模型对产品选择性也具有良好的预测能力。

采用高效液相色谱跟踪检测了不同温度条件下N₂O₅/HNO₃体系硝解DADN时反应底物、中间体和产物浓度随时间的变化情况。通过对303、313、323、333 K温度下实验数据的分析,计算得到各步的反应速率常数,并最终求得DADN到SEX和SEX到HMX两步的反应活化能分别为2.3996×10⁴ J·mol^-1和1.6598×10⁴ J·mol^-1,指前因子分别为2.2000×10⁴ h^-1和6.5178×10² h^-1。同时,通过柱分离得到的中间产物经结构鉴定为SEX,对其硝基机理进行了分析,实验证明DADN的硝解反应分两步进行,是一级连串反应过程,控制步骤是SEX到HMX。

氮素污染是水体富营养化的主要诱因之一,反硝化技术是氮素污染控制的有效手段。采用模拟废水,研究了反硝化分段组合式反应器(CAR)的脱氮除碳性能。实验结果表明,CAR具有很高的容积效能,在进水NO₃^--N浓度为964.7 mg·L^-1、水力停留时间为0.86 h条件下,硝氮去除速率(NRR)为26.8 kg·(m³·d)^-1,COD去除速率(CRR)为93.76 kg·(m³·d)^-1,NRR高于文献报道的最高值,CRR也达到文献报道的领先水平。CAR具有良好的运行稳定性,在反应器的效能上升阶段和效能稳定阶段,出水基质浓度的变异系数比和极差分别小于9.85和9.07,出水pH的相对标准差小于1。CAR运行性能出众的原因是它能持留浓度高(MLVSS高于17 g·L^-1)、活性强(最大比活性为1.573 g NO₃^--N·(g VSS)^-1·d^-1)的颗粒污泥。

以黑曲霉菌作为生物吸附剂,研究其对Au(Ⅲ)离子的吸附特性,考察了pH值、吸附时间、温度和初始Au(Ⅲ)离子浓度等因素对吸附过程的影响。结果表明,Au(Ⅲ)离子在黑曲霉菌上的吸附过程对溶液pH值具有一定的依赖性,最佳pH值为2.0～3.0。升温能明显加快吸附进程,20℃下吸附过程分为2个阶段进行,分别对应于Au(Ⅲ)离子还原前和还原后的吸附,24 h后吸附趋于平衡,而30、40、60℃下吸附过程均无明显分段现象,并分别于12、6、1 h后趋于吸附平衡。Au(Ⅲ)离子初始浓度<233.32 mg·L^-1时,吸附量几乎不随温度的变化而变化,初始浓度>367.94 mg·L^-1时,升温明显促进了吸附的进行。Au(Ⅲ)离子在黑曲霉菌上的吸附等温线可用Langmuir方程很好地模拟,20、30、40、50℃时其饱和吸附量分别为185.19、202.02、235.85、277.78 mg·g^-1。热力学参数Gibbs自由能变(ΔG⁰)、吸附焓变(ΔH⁰)和吸附熵变(ΔS⁰)的计算结果表明,Au(Ⅲ)离子在黑曲霉菌上的吸附过程是一个自发的吸热和熵增过程。吸附动力学可用准二级速率方程描述,吸附活化能为55.71 kJ·mol^-1。傅里叶变换红外光谱分析的结果进一步揭示了菌体表面的酰氨基、羧基和羟基是参与吸附的主要功能基团。

由于燃煤烟气中细颗粒物和气态污染物难以完全脱除,同时经湿法脱硫后烟气中水汽接近饱和状态,因此,有必要揭示细颗粒物及共存气态组分对膜吸收CO₂的影响。采用燃煤热态试验装置,考察了燃煤烟气中细颗粒物、SO₂、水汽对膜吸收CO₂性能的影响,并进行了实际燃煤湿法脱硫净烟气环境下的膜吸收CO₂试验。结果表明:细颗粒物随烟气通过膜组件后,部分细颗粒物可被膜截留,沉积于膜表面,导致膜吸收CO₂效率下降,其影响程度随细颗粒物浓度的降低而减弱,与细颗粒物物性有一定关系,通过有效降低烟气中细颗粒物浓度,可显著延长膜的稳定运行时间;SO₂的存在会与CO₂产生竞争吸收现象,但因烟气中SO₂含量远低于CO₂,对CO₂吸收效率影响不明显;对于水汽,只需在运行一段时间后对膜组件作气体干燥反吹,可基本维持膜组件的稳定运行。

真空变压吸附(VPSA)是一种气体分离技术,该技术运用在沼气净化过程还存在较多的问题,针对该过程吸附塔出口浓度出现的浓度峰问题,运用线性推动力模型(LDF)与Langmuir等温方程对其建立了数学模型,模拟分析了缓冲罐中杂质浓度对吸附步骤出口浓度的影响。结果表明:相同吸附时间下,随着吸附压的降低,二均降结束时会有更多的杂质进入缓冲罐,而缓冲罐中的杂质又会通过一均升步骤进入吸附塔,最终使得吸附步骤出口浓度曲线出现波峰,从而影响了吸附塔出口CH₄含量。通过模型的分析,吸附时间随着吸附压不断降低而缩短,可以有效控制杂质进入缓冲罐,从而使吸附塔出口CH₄含量提高。

以乙烯淤浆聚合反应过程为研究对象,提出动态分子量分布的严格模型的数值计算方法。将动态分子量分布的大规模微分代数混合模型解耦为小规模微分代数方程组动态矩模型与大规模常微分方程组粒数衡算模型,然后通过变量解耦的方法进一步将大规模粒数衡算方程组转换为序贯差分方程组,实现了乙烯动态分子量分布严格模型的数值模拟计算。动态模拟乙烯聚合反应从一个稳态切换到另一个稳态,通过在切换后稳态的分子量分布计算结果与Flory分布计算方法进行比较,两者得到的分子量分布曲线吻合很好,证实了本文提出的动态模拟计算方法的精度和准确度都获得良好的保障。

实际的化工过程系统维数都较高,对系统进行关联分解并使各子系统进行协调来实现整个大系统全局最优是必要的。对于关联作用存在反馈的化工过程大系统,分散式预测控制算法和基于串联过程推导的邻域优化分布式预测控制算法都不适用,因此在这两个算法的基础上推导出约束条件下基于全局协调的分布式预测控制算法。针对分解后得到的子系统,假设子系统间关联信息的传递存在一个采样时间的滞后,建立每个子系统的预测模型时考虑滞后的关联信息;建立子系统的目标函数时,综合考虑所有关联子系统的输入和输出对本子系统的关联作用;每个子系统滚动优化并行求解各自的最优控制作用。然后,在一定条件下分析了基于全局协调的分布式预测控制算法与集中预测控制算法的一致性,并说明了闭环系统的全局稳定性。最后,通过对Shell公司重油分馏塔和TE过程两个例子进行仿真并与其他算法进行比较,验证了本文提出算法的可行性和有效性。

针对间歇过程所具有的非线性特性,提出了一种基于核偏最小二乘(KPLS)模型的最终产品质量控制策略。利用初始条件、批次展开后的过程数据以及最终产品质量建立了间歇过程的KPLS模型;采用基于主成分分析(PCA)映射的预估方法对未知的过程数据进行补充,实现了最终产品质量的在线预测。为了解决最终产品质量的控制,利用T2统计量确定KPLS模型的适用范围,并作为约束引入产品质量控制问题,提高控制策略的可行性;采用粒子群优化(PSO)算法实现了优化问题的高效求解。仿真结果表明,与基于偏最小二乘(PLS)模型的控制策略相比,所提出的方法具有更高的预测精度,且能有效解决产品质量控制中出现的各种问题。

为了实现换热网络的全周期持续节能,在网络上设置旁路从而增加其控制自由度,同时设计一定的裕量来提供优化控制的操作空间。为了较好地利用旁路调节和裕量空间,提出一种基于换热网络动态模型的在线优化控制方法,巧妙地结合原有常规控制回路,不但扩大了优化控制的可行域,并且满足原常规控制回路的精度要求。该方法以换热网络一定周期内的累积费用最小为目标函数,同时考虑扰动对换热网络的影响,在满足工艺条件的基础上,求解最佳旁路开度,以实现换热网络的持续节能。由于采用闭环校正、迭代计算和滚动优化的实施方法,始终把优化建立在实际的基础上,尽管它每次不一定能得到全局最优解,然而使得实际控制结果达到最优。最后,以某炼油厂的常减压脱盐前换热网络为具体的研究对象,说明所提方法的有效性和使用前景。

木质素磺酸钠在固体表面的吸附特性决定了其应用性能,利用红外和紫外分光光度仪,采用剩余质量分数法研究了温度、pH值、无机盐和氢键破坏剂脲对木质素磺酸钠在TiO₂/水界面吸附动力学和等温吸附性能的影响,初步探讨了其在固液界面的吸附作用机理。结果表明,该吸附为单层多点式吸附,随着温度升高和pH值减小,木质素磺酸钠在TiO₂/水界面的吸附速率常数和饱和吸附量均增大,而离子强度的增大和脲的加入却使吸附速率常数减小;木质素磺酸钠在TiO₂/水界面的吸附驱动力为静电、疏水和氢键作用,疏水作用力可显著增加其吸附量。

利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)测试了电镀Ni-Sn-P合金镀层在人工海水中腐蚀前后表面形貌和合金成分的变化,结合X射线光电子能谱(XPS)对腐蚀后合金表面的组成进行了分析,并在此基础上探讨了Ni-Sn-P合金镀层在人工海水中的腐蚀机理。研究结果表明:电镀Ni-Sn-P合金在人工海水中耐蚀性优于Ni-P合金,由于人工海水中的氯离子的穿透效应而出现的局部腐蚀孔数较Ni-P合金大幅减少,腐蚀后Ni-Sn-P合金表面形成由SnO₂、SnCl₄、Ni₃(PO₄)₂、NiO和Ni(OH)₂组成的膜层,对合金耐蚀性的提高起到重要作用。

在循环煅烧/碳酸化反应系统上考察煅烧气氛和碳酸化气氛中水蒸气含量以及CO₂分压对钙基吸收剂成型颗粒碳酸化的影响,通过对钙基吸收剂微观结构分析(扫描电镜、氮吸附分析)以理解水蒸气影响碳酸化特性的机理。结果表明,煅烧气氛和碳酸化气氛中的水蒸气均可提高钙基吸收剂的碳酸化转化率,水蒸气含量分别为10%和5%时,吸收剂的碳酸化性能较好;水蒸气在碳酸化气氛中对高铝水泥改性吸收剂的改善作用较石灰石显著。煅烧气氛中的CO₂分压越高,烧结现象越严重,降低钙基吸收剂的捕集效率;碳酸化气氛CO₂分压提高,有利于提高钙基吸收剂的碳酸化转化率。烟气中水蒸气丰富了吸收剂的微观孔隙,使得吸收剂捕集CO₂性能得到改善。

为解决直接甲醇燃料电池中甲醇氧化活性低及甲醇穿透问题,提出一种新型的电解重整式甲醇燃料电池系统。在系统中,高温电解重整器重整甲醇为常温燃料电池供氢,燃料电池的部分电能供给电解重整器使用。通过对系统的物料流、焓流、有效能流的分析,确定了系统中的不可逆因素。结果表明:电解重整器电压是影响系统效率的重要参数;升高重整器温度可以显著降低其电压,但必须采用合理的压力、甲醇溶液浓度以抑制甲醇溶液的蒸发,降低热量损失。与传统的直接甲醇燃料电池系统以及高温甲醇热重整联合质子交换膜燃料电池系统相比,该系统性能较高、结构紧凑。

考察了自制1.5 kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆在动态工况下的性能。研究了PEMFC电堆电压、功率、反应参数随车载工况运行出现的响应情况。发现在大电流密度下,由于各单电池的差异,电堆电压和功率出现比较明显的波动现象。在选定两个工况周期中,电堆各单电池电压的差异系数C_V最大达到4.23%,最高单电池电压和最低单电池电压相差0.106 V。数据分析表明在该动态工况下,PEMFC电堆的动态响应特性受到反应物和电堆温度变化、空气局部流量过大或不足以及电堆内部阳极和阴极出现明显压降等因素的影响。该研究不仅为后续耐久性测试提供分析依据,还对PEMFC电堆实际车载运行参数与控制策略的优化具有指导意义。

提出了一种全新的针对初值常微分方程组系统的全局最优化(遗传算法)结合局部最优化(拟牛顿法)实现参数的鲁棒、快速估计的算法。利用该算法,对所建两步硝化模型中过程溶解氧(dissolved oxygen, DO)的动态变化成功实现了参数估计,相关度达到了0.9955。采用基于Fisher信息矩阵和直接搜索获得的参数置信区间相比较的方法实现了对估计结果的可靠性分析,结果表明采用该方法大部分参数可实现可靠估计,只有少数两个参数可实现估计却不可靠,为动力学系统的参数估计结果提出了一个全新的检验方法。DO模拟结果可以作为软测量手段,对过程中易生物降解COD、氨氮、亚硝态氮、硝态氮的全程变化情况提供充足的过程信息。

垃圾焚烧发电厂储坑沥滤液是一种高污染、高氯离子和高胶体含量的废水,经过传统生化处理后仍难达标排放。根据生化出水中氯离子浓度较高的特点,面向实际工程应用,设计了板框式电化学反应器,以钛基氧化钌-氧化铱涂层电极(Ti/RuO₂-IrO₂)作为阳极,304钢板作为阴极,开展了电化学氧化去除废水中难生物降解有机物的研究。重点考察了电流密度、表观流速、氯离子浓度、电极极距等因素对去除废水COD的影响。结果表明:当电流密度为65.35 mA·cm^-2,反应器内表观流速为2.72 cm·s^-1,初始氯离子浓度为5000 mg·L^-1时,废水中COD的去除具有良好的效果。研究了COD去除的动力学过程,提出了反应体系中活性氯的减少可能是第二阶段COD去除速率降低的主要机理。对几种结构电化学反应器的能耗进行了对比分析表明,极距减小50%,去除COD的平均能耗可节约25%以上,紧凑多通道小电极极距结构在设计工业电化学反应器时值得考虑。

采用稳定运行的环状生物膜反应器(bio-films annular reactor,BAR)模拟原水长距离输水管道水质净化过程,以不同投氯方式进行预氯化对原水输水管道硝化性能的破坏与恢复试验研究。结果表明,预氯化对管道生物膜AOB损伤较大,灭活率为4.96log,对NH₄⁺-N、NO₂^--N去除效能影响明显。恢复阶段CT值越高生物膜中AOB恢复生长速率越快。生物膜对NH₄⁺-N去除效能的恢复较NO₂^--N快2 d,NH₄⁺-N、NO₂^--N分别在第8 d和第10 d完成恢复。生膜中AOB数量的恢复与管道对NH₄⁺-N的去除率之间存在明显的相关性,其相关系数可达到92%。

利用臭氧降解含较高浓度邻苯二甲酸二甲酯(DMP)的模拟废水,考察了pH、DMP初始浓度、臭氧投加量和温度对臭氧降解DMP效果的影响,并对臭氧降解DMP的效能及动力学进行了研究。结果表明,pH为5～10时DMP的降解效果较好;DMP初始浓度越大,DMP降解率越小,但DMP降解量增加;臭氧投加量的增加有利于DMP降解,但臭氧利用效率降低;温度低时,升高温度DMP降解率增大,24℃后提高温度对DMP降解率影响不大。在pH为5～10、DMP初始浓度为14～66 mg·L^-1、O₃投加量为14～24 mg·min^-1、20～30℃条件下反应40 min,DMP降解率达85%以上。在实验条件范围内,臭氧降解DMP符合拟一级动力学,建立了幂指数表达的动力学模型。在pH为2～12范围内,因臭氧反应机理不同,表观动力学常数k_obs与pH不呈线性关系,pH为2～5时,k_obs快速增加,pH为5～9时,k_obs缓慢增加,pH大于9时k_obs反而降低,pH为9时k_obs最大,为0.0929 min^-1。

采用固定床热解、蒸汽活化和改性剂(H₂O₂、ZnCl₂和NaCl)浸渍等方法制得不同的桑树枝焦。在固定床吸附实验台上,研究了蒸汽活化、改性剂、吸附温度和烟气组分等对改性桑树枝焦汞吸附性能的影响。结果表明:蒸汽活化显著提高了桑树枝热解焦的比表面积,H₂O₂改性可进一步提高桑树枝蒸汽活化焦比表面积并改善其孔隙结构参数,ZnCl₂和NaCl改性则降低了桑树枝蒸汽活化焦的比表面积、D-R微孔容积和总孔容。10%H₂O₂和30%H₂O₂浸渍改性桑树枝焦的单位汞吸附量分别是蒸汽活化焦的2.02倍和1.77倍;相同改性剂浓度下,ZnCl₂改性焦的单位汞吸附量比NaCl改性焦稍好;随着ZnCl₂浓度增大,改性桑树枝焦的汞吸附性能增强,MT600-A-ZnCl₂(5%)桑树枝焦的单位汞吸附量达到29.55 μg·g^-1,是蒸汽活化焦的3.37倍。在吸附温度为60～120℃范围内,H₂O₂改性焦的汞吸附效率及单位汞吸附量随着吸附温度的升高而下降,而ZnCl₂改性焦的单位汞吸附量则随着吸附温度提高呈现先增大后减小的趋势,最佳吸附温度为90℃。烟气中SO₂和NO组分对汞吸附性能有一定的抑制作用,随着SO₂和NO浓度的增加,汞吸附效率和单位汞吸附量均稍有下降。

建立质子交换膜燃料电池一维两相传递模型,通过达西定律和菲克定律的联立求解得到扩散层中的液体饱和度和氧气浓度分布。考察扩散层特性参数孔隙率、厚度、接触角、渗透率对阴极水淹的影响,结果表明扩散层表面憎水将有助于液态水移出,但当达到憎水条件后,增大接触角对液态水传输和氧气传质的影响逐渐变小。憎水条件下孔隙率和厚度对液态水传输的影响不是很明显,但孔隙率增大和扩散层厚度减小均有利于氧气传质,实际应用中孔隙率增大的同时,厚度也要适当增大,极限电流密度相差不大。模型计算结果与文献中不同PTFE含量条件下实验的Tafel斜率和极限电流密度比较,吻合较好。

为了解决低C/N比污水的脱氮问题,本研究将NO_x^--N引入到初沉污泥厌氧发酵系统,利用初沉污泥厌氧发酵过程释放的有机碳源完成反硝化,以达到利用初沉污泥作为碳源强化污水脱氮的目的。通过对系统中VFAs积累、NO_x^--N去除及VSS变化情况的考察,对比研究了4种不同电子受体类型初沉污泥厌氧系统发酵性能、反硝化能力。得出:在34 d的发酵期里,NO₃^--N型系统以及NO₂^--N、NO₃^--N混合型系统中没有出现明显VFAs积累,而在NO₂^--N型系统和纯厌氧系统中出现了不同程度的VFAs积累,说明在试验条件下,NO₃^--N型和混合型系统发酵过程所释放的碳源能得到较好的利用;各系统中NO_x^--N还原总量分别为1692 mg·L^-1(NO₃^--N型)、1330 mg·L^-1(混合型)、1223 mg·L^-1(NO₂^--N型),表明NO₃^--N型系统反硝化能力最强;此外,虽然各NO_x^--N系统中的VSS减量程度相对于厌氧系统稍有降低,但各系统均达到了60%以上的高VSS减量水平,其中NO₃^--N型系统VSS减量67.9%,在各NO_x^--N系统中最高。综上,NO₃^--N型初沉污泥厌氧发酵系统能同时取得相对最好的反硝化脱氮及污泥减量性能。

采用共沉淀法制备三元类水滑石MgAlX(X=Fe、Cu、Zn)和四元类水滑石MgAlFeX(X=Zn、Ce、Cu),经700℃焙烧6 h后制备了含有不同金属元素的FCC硫转移剂。通过XRD、氮吸附以及改装的WRP-3热重天平对硫转移剂的结构和SO₂氧化还原性能进行表征。结果表明,引入不同金属元素均可以得到结构规整的三元、四元类水滑石前驱体,经过焙烧后得到复合氧化物。三元类水滑石中Zn不具有促进硫转移剂的氧化还原性能,Fe可作为硫转移剂的氧化还原促进剂,Cu可作为优良的氧化促进剂。与MgAlFeZn和MgAlFeCe相比,四元类水滑石MgAlFeCu(n(Mg²⁺)/n(Al³⁺)=3,m(Fe)=8%,m(Cu)=1%)中Fe和Cu协同作用,使其饱和硫容、氧化吸硫和还原脱硫的性能均有所提高,6 min达到饱和硫容1.33 g·g^-1,同时具有较强的还原能力。

电站锅炉高温受热面蒸汽侧氧化膜在机组停机降负荷时可能发生脱落,对安全性构成严重威胁。通过建立有限元分析模型,对锅炉停机过程中受热面蒸汽侧氧化膜内的应力进行了计算和分析。对铁素体合金和奥氏体合金进行了研究,其中铁素体合金以T91为代表,奥氏体合金以TP347H为代表。通过对各应力分量以及von Mises等效应力进行分析,揭示机组降负荷过程中两种合金管蒸汽侧氧化膜内应力的变化规律,阐明两种合金管蒸汽侧氧化膜可能的失效模式,同时得出了铁素体合金管和奥氏体合金管蒸汽侧氧化膜分别在负荷降低后期和初期容易发生脱落的结论。

利用静电纺丝法制备了全氟磺酸(PFSA)-聚醚砜(PES)-纳米颗粒(SiO₂、TiO₂和Al₂O₃)复合纳米纤维,比较了SiO₂、TiO₂和Al₂O₃等不同纳米颗粒对磺酸基团在纤维表面分布的影响,并利用乙酸乙酯合成反应考察了纤维结构对表面磺酸基团活性的关系。结果表明:静电纺复合纳米纤维的比表面积可达85.6 m²·g^-1,纳米颗粒均匀分布在纤维表面,表面酸性中心占PFSA酸性基团总量最高达71.2%。酯化反应实验表明,复合纳米纤维具有很好的催化性能,纳米颗粒的存在可以提高酸中心的活性;同时,所得复合纳米纤维膜表现出很好的回收与可再生性能,有望作为一种对环境友好的固体酸催化剂。

采用超声分散的方法,以少量八甲基环四硅氧烷(D₄)对硅溶胶粒子进行表面接枝改性。然后在改性硅溶胶存在下,以十二烷基苯磺酸(DBSA)为乳化剂兼催化剂进行D₄的微滴乳液聚合,得到聚硅氧烷(PDMS)/二氧化硅(SiO₂)纳米复合乳液。采用FTIR、TGA、纳米粒度仪、TEM和拉力机分别对样品进行了表征。结果表明:采用超声分散的方法,能够有效地实现硅溶胶粒子的表面改性。通过微滴乳液聚合得到的复合乳胶粒是聚合物包覆二氧化硅粒子的核壳结构形态。SiO₂的引入提高了有机硅复合膜力学性能,增强了热稳定性。

以酶解木质素、三聚氰胺和甲醛为原料,通过接枝反应制备三聚氰胺改性酶解木质素(MEHL),并研究MEHL对银离子的吸附性能。接枝反应的研究结果表明,三聚氰胺和甲醛的添加量对产率有很大影响。酶解木质素、三聚氰胺、甲醛质量比为10:6:6,于90℃下反应4 h,所制得的MEHL的产率可达83.7%。红外光谱、热重和元素分析的结果表明,三聚氰胺成功接枝到酶解木质素分子上。MEHL的含氮量由酶解木质素的0.81%提高到18.55%。银离子的吸附研究表明,MEHL对银离子表现出很好的吸附性能。在银离子初始浓度为0.16 mol·L^-1,在MEHL用量为50 mg,吸附温度为30℃时吸附36 h,MEHL对银离子的吸附容量为944.1 mg·g^-1。

采用溶剂法合成了两种新型咪唑啉缓蚀剂1-(2-氨乙基)-2-油酸基咪唑啉(A)和1-(2-氨基-硫脲乙基)-2-油酸基咪唑啉(B),通过静态失重法和电化学极化曲线对其缓蚀性能进行了评价,并通过量子化学和分子动力学模拟方法对其缓蚀机理进行了研究。结果表明,两种缓蚀剂均具有较好的抗盐酸腐蚀性能,能同时抑制Q235钢的阴、阳极反应过程。在0～250 mg·L^-1浓度范围内,B的缓蚀性能优于A,且二者的最佳实验浓度均为150 mg·L^-1。此外,A、B的活性区域主要分布在咪唑环和亲水支链上,其分子头基能够有效驱替H₂O分子从而使缓蚀剂起到缓蚀作用,缓蚀性能的理论评价结果与实验规律相一致。