以枞酸为模型化合物、枞酸与甲醇的酯化为探针反应,采用基团贡献法对枞酸与甲醇酯化反应进行了热力学分析,计算了473～653 K、0.1～20 MPa反应体系的反应焓变、反应熵变、反应Gibbs自由能变以及反应平衡常数,探讨了温度与压力对酯化反应的影响。计算结果表明,反应的焓变为-46.31～-10.10 kJ·mol^-1,枞酸与甲醇的甲酯化反应为放热反应;反应Gibbs自由能变为-53.26～-25.49 kJ·mol^-1,反应为自发过程;标准压力下反应平衡常数为136.32～748.89,5～20 MPa下反应平衡常数为(1.1×10⁴)～(3.2×10⁴)。实验结果表明,在无催化剂条件下,超/亚临界甲醇与枞酸酯化反应的转化率分别为85.94%～94.89%、73.80%～81.20%,实验结果与基团贡献法热力学计算值相一致。

由于喷嘴截面的高宽比远小于1,平面狭缝喷嘴撞击流可看作二维撞击流。采用欧拉双流体模型对二维气固撞击流进行数值模拟。模拟结果表明,当固相负载率m≤8.2,颗粒粒径为60 μm≤d_p≤175 μm时,大间距的平面气固撞击流也出现了周期振荡。通过分析射流轴线上不同位置的压力和速度的瞬时值和平均值,认为周期振荡是由于撞击面上压力释放和持续射流的共同作用导致。讨论了不同条件对振荡周期的影响:振荡周期随喷嘴间距或颗粒粒径的增加而增加;而随射流Reynolds数的增加或者固相负载率的增加而减小。

针对一种新型的非对称外凸式波节管(ACT)换热元件,基于三维RST模型对其进行了数值模拟研究。通过与传统的对称型外凸式波节管(SCT)分析比较,考察了两者流动及传热特性的区别。为了验证雷诺应力模型(RST)在研究波节管结构时的可靠性,比较了现有波纹壁面中直接数值模拟(DNS)与RST模型在同一条件下的计算结果。通过对比发现,RST模型得出的包括速度场、压力系数等计算结果与DNS所得出的结果基本吻合。随后对外凸型的流动及传热机理进行了深入探讨。结果表明,与传统的SCT相比,ACT提高综合传热性能最多能够提高32.3%。

精馏过程气液两相流运动分布特征对分离效率具有重要影响。为研究规整填料表面液膜流体动力学特性建立了基于VOF方法的CFD分析模型,并基于文献试验结果进行了验证。对液膜随时间和空间的演化分布特征、速度场分布和液相流量影响进行了模拟分析。液膜在波纹顶部下沿聚集形成凸起状波峰,在波纹底部波峰消失,而到达下节波纹上沿时,波峰重新形成;瞬态液膜厚度随时间波动,且沿填料表面液膜平均厚度先减小后保持稳定;发现液相聚集及形成液滴坠落容易导致出现干板区。不同位置液膜速度分布存在明显差异,沿填料表面液膜平均速度先增后减或保持稳定;液膜绕过波纹顶部时会加速,在波纹底部和上沿处会减速。液相流量增大,液膜平均厚度和速度均有所增大。

在流体导热系统的基础上,引入热功转换子系统,构造了一种温差驱动型自反馈对流换热系统。它可以在无外界机械能输入的情况下,利用换热过程中的温差将部分热能转换为机械能驱动流体流动,达到强化换热的目的。通过最小火积耗散热阻原理优化了流体的对流换热过程,获得了给定条件下对流换热性能最优的速度场和温度场。结果表明:对于本文算例,自反馈系统的换热性能可达同边界条件下的纯导热系统的10倍,自然对流换热系统的8.4倍,验证了温差驱动型自反馈对流换热系统可以实现强化传热的设想。

介绍了固体除湿转轮、热泵型内冷固体除湿床以及与热泵结合的多级固体除湿装置3种固体除湿装置的工作原理,建立了相应的传热传质模型,并通过实验验证了模型的准确性。通过模拟方法,对比了3种除湿装置的除湿效果。结果表明,热泵型内冷固体除湿床的传热传质过程最优,转轮的近似等焓的空气除湿过程最差,与热泵结合的多级固体除湿装置通过分级和内冷改进了转轮的近似等焓的空气处理过程。除湿转轮的再生温度一般在80℃以上,其他两种除湿装置的再生温度均在50℃以下;在达到相同送风含湿量时,除湿转轮的除湿与再生过程近似沿等焓线变化,送风温度很高;而其他两种除湿装置的送风温度比较低,COP能达到4以上。

采用大涡模拟对底面为凹槽的矩形通道内湍流流动与传热特性进行了研究,为验证所采用数值方法的准确性与可靠性,将平直矩形通道内模拟结果与文献中的直接数值模拟结果进行了比较,换热面Nusselt数与采用Dittus-Boelter公式计算所得Nu进行了比较,计算误差小于5%。以凹槽表面为底面的矩形通道的数值模拟结果表明:通道底面的凹槽结构改变了凹槽表面处流动结构,不同的凹槽高度和长度对流动阻力和换热效果的影响不同,在特定的几何参数下,与平直矩形通道相比,凹槽表面时均Nusselt数提高了近50.5%,时均摩擦阻力系数减小了近35.17%,综合系数增加了73.89%。通道内的流动结构显示:凹槽表面附近存在流体垂直流向壁面区域,在垂直流动区域内流体出现前、后分流,分流位置处Nusselt数增加明显,摩擦阻力系数没有明显增加,其综合流动特性最好。

采用双平行电导探针对多喷嘴煤气化过程中洗涤冷却管内垂直降膜的液膜厚度分布进行了实验研究,研究发现,经洗涤冷却水分布环分配后在洗涤冷却管内形成的液膜在进口段200～400 mm处呈明显的不均匀分布,液膜厚度差值高达3 mm。流动方向上的液膜波动变化与平均液膜厚度变化相似,但具有滞后性。研究还表明,在2.4～14 m³·h^-1的进水流量范围内,整体液膜厚度随着流量的增大而增大,由此对洗涤冷却管内液膜充分发展区的平均液膜厚度建立了经验关联式。实验还发现,洗涤冷却水分布环的槽缝宽度对液膜分布影响显著,在本文研究条件下,最佳槽缝宽度为3 mm,槽缝宽度继续增大,液膜的均匀性下降。另外,随着气相表观速度的增大,整体液膜厚度减小,但一定程度上改善了液膜分布的均匀性。

采用压缩空气作为输送介质,在工业级水平管(内径50 mm)上开展了粉煤密相气力输送实验研究。在实验获得最小压降速度基础上,通过电容层析成像系统观察到,随着表观气速降低而存在分层流、沙丘流、移动床流以及栓塞流4种流型。不同流型压力信号的概率密度分布和功率谱密度分析表明,压力信号的波动特征与流型紧密联系;由于流动形态的变化,存在由稳定输送过渡到不稳定输送的临界气速,且该速度小于最小压降速度。

微通道的几何参数对于气泡或者液滴在其中的形成过程有着显著的影响。采用流体体积法(VOF法)研究了不同气体入口角度以及不同通道截面宽高比对微通道内气液两相流流动状况的影响。在所研究的操作范围内,各个微通道内的两相流流型均为泰勒流,并且在大多数情况下气泡长度分布均匀。在通道截面宽高比为0.5～2条件下,60°的气体入口角度有利于产生较短的气泡;如果通道截面宽高比达到4或8时,45°的气体入口角度更有利于形成较短的气泡。此外,随着通道截面宽高比的增大,通道内气泡的量纲1长度也随之增大,气泡长度分布的均匀性也逐渐变差。当通道截面宽高比增大到8时气泡长度分布变得很不均匀。

MIP(maximizing iso-paraffins process)工艺采用两个反应器串联技术,可有效改善汽油质量。MIP反应器的冷态模拟虽能揭示反应器内的流动行为及几何结构的影响,但无法考虑反应引发的变化。为更准确地揭示该反应器中的油气及颗粒运动行为,尝试了三维瞬态反应模拟。模拟采用双流体模型结合十二集总反应动力学模型,并在相间动量传递模型和传热模型中考虑了多尺度结构的影响,然后与基于均匀分布的传统模型作对比。结果表明,相比于传统模型,多尺度模型能较准确预测二反段内的流动结构、颗粒浓度以及温度分布。在预测产率方面,两种模型所得结果类似,都对油浆和柴油的预测较好,对液化气和干气的预测偏差较大。这说明,仅在动量传递及传热模型中考虑多尺度结构的影响是不够的。

有机朗肯循环低温热力循环性能优越,易于小型化和自动运行,非常适合于分布式热电联供系统。依托已有的ORC-CHP实验平台,对热源温度101℃,膨胀机乏汽余热利用温度21.6～48.7℃时系统的热力性能进行了实验研究。在该温度范围内,ORC-CHP系统的综合能量效率96%～97%,其中热功转换效率4.4%～5.1%,乏汽余热利用效率91%～92%;从可用能角度出发,系统综合可用能效率50.0%～75.3%,其中热功可用能效率24.4%～19.2%,乏汽余热可用能效率25.7%～56.2%。实验表明该系统可以高效利用膨胀机乏汽余热,明显提高了有机朗肯循环的综合利用效率。

盐水溶液在降压环境下的蒸发过程的研究,主要集中在海水淡化领域的降膜蒸发过程应用方面和工业制盐方面的平坦表面的蒸发过程的研究。而本文主要集中研究各种实验因素对于液滴温度变化的影响。对于多组分液滴降压环境下相变过程的研究,实验采用浓度为15%和6%的盐水溶液作为一组比较工质,在初始环境压力为94.5～97 kPa,最终环境压力范围为50～3000 Pa,液滴的初始温度范围为7～30℃,初始直径范围为1～3 mm的条件下进行实验。通过实验数据分析可知:盐水液滴在降压蒸发过程中的中心温度变化有析盐和不析盐两种现象,随着水分不断地蒸发,当液滴浓度达到22.4%而且温度足够低时就会析出盐分,否则,不会出现析盐现象;同时分析不同浓度、不同最终环境压力、不同初始温度和不同初始直径对液滴相变过程和温度变化的影响,并且观察环境压力降低和液滴温度变化之间的关系。

两相流动分配不均是影响板翅式换热器换热效率的主要因素。传统的"先混合,后分配"方法不能解决在导流翅片中流向突变时气液分离引起的气液两相流体分配不均问题,因此采用"先分配,后混合"的理念提出了一种新型的气液分配器,气体和液体分别从各自的通道进入分配器,在分配器内均匀混合后进入换热器的翅片换热通道进行换热。通过对分配器内部流场的数值模拟,发现:分配器的气液分配不均匀度随流量的增加而增加,且不均匀度受液相流量的影响比气相大。该气液分配器的气液分配不均匀度相比传统封头结构降低了一个数量级,能够有效改善板翅式换热器层间通道的气液分配特性,提高板翅式换热器的换热效率。

从构建低能耗建筑的理念出发,分析了建筑围护结构中隔热保暖的薄弱环节和传统幕墙在热工性能指标中的缺点,提出了一种新型的建筑围护结构——呼吸蓄能式玻璃幕墙。并在深入研究传统热通道幕墙热工计算模型的基础上,建立了呼吸蓄能式玻璃幕墙的热工计算模型。再结合具体实例的计算结果,对其各项性能指标进行了详细的分析研究,结果表明:呼吸蓄能式玻璃幕墙冬夏两季的内窗传热系数均小于1 W·m^-2·K^-1,明显优于传统热通道玻璃幕墙;冬夏两季的传热延迟时间分别达到了传统幕墙的2倍和3倍;太阳辐射强度大、风速小的地域不利于呼吸蓄热式玻璃幕墙的夏季隔热和延迟传热时间,但对冬季保温和延迟散热时间却十分有利;并具有改造简单、围护方便等特点,对未来玻璃幕墙的发展具有十分重要的意义。

振荡热管作为高效传热元件,在解决微小空间而热通量较高的元器件散热方面具有独特的优势。虽然振荡热管结构简单,但其内部运行规律多变复杂,目前还处于探索研究阶段。通过对实验结果的分析,得到随加热功率和充液率改变振荡热管的热阻变化规律,探讨了不同工况所对应的传热机理;同时还对振荡热管的烧干特性进行了分析和研究。所做工作为建立振荡热管理论模型、认识其传热规律提供参考。

以两级分凝自复叠制冷系统为研究对象,分析了三元混合工质空间和平面汽液平衡特性,对三元混合工质的组分变化规律及运行特性进行了理论研究。应用混合工质物性分析软件Refprop 8.0根据冷凝蒸发器冷量平衡特性讨论了混合工质组分比例,得到比较合理的配比组成65/20/15。通过5个平面压焓图的空间变化关系分析了自复叠制冷系统工质分离、混合和运行特性。根据实验研究,循环系统高低压旁通和相分离器出口气体旁通可有效改善压缩机启动初期系统压力和温度过高的问题。对系统各级节流降温过程进行了分析,并对压缩机的吸排气温度和蒸发温度进行了研究。

以空气和水为实验工质,利用IDT高速摄像仪和Nikon生物显微镜组成的可视化系统对水平放置的PDMS周期性扩缩微通道内的气液两相流型及其演变特性进行实验研究。观察到的主要流型为间歇流和分离流。对于间歇流,气体以离散形式分布在液相中或者是液体以分散形式分布在气相中,而且气相分散跟液相分散交替存在。对于分离流,气体主要沿气体进口壁侧流动,液体主要沿液体进口壁侧流动。两相中存在明显的分界面,沿流动方向界面产生波动。通过改变气液两相表观流速,得到气液两相流型分布,进而提出间歇流与分离流流型转换的准则关系式。结果表明,同一液相表观流速下,三角凹穴型微通道间歇流向分离流转变所需的气相表观流速略小于扇形凹穴微通道。

分别以水、氨、R290、R22、R134a为工质,计算分析了在不同膨胀比压缩比条件下圆柱形及圆锥形混合室两种结构喷射器的喷射系数,并定义了等喷射系数压缩比、等喷射系数参数线和参数区。膨胀比恒定,压缩比小于等喷射系数压缩比时,圆柱形混合室的喷射系数较圆锥形的大;压缩比大于等喷射系数压缩比时,圆锥形混合室喷射系数较圆柱形的大。由等喷射系数参数线知,随膨胀比增大,等喷射系数压缩比减小。在等喷射系数参数区内,两种结构喷射器效率相当;在等喷射系数参数区左边,宜使用圆柱形混合室;在等喷射系数参数区右边,宜使用圆锥形混合室。绝热指数对等喷射系数参数区的分布具有决定作用。

考虑乳化液离散液滴的直径分布,对高压直流静电破乳过程中离散液滴的运动进行了理论模拟。模拟及实验结果表明,在高压静电作用下,离散滴液从一侧电极向另一侧电极运动。沿液滴运动方向,液滴浓度逐渐增大,并在电极附近达到最大。随着静电作用时间的延长,电极附近液滴浓度近似呈线性规律增大。在相同的作用时间内,高电压液滴浓度的增长幅度要更大。因此,尽可能提高施加电压要比单纯延长静电作用时间的破乳效果更好。此外,大的液滴运动速度更快,故对于离散相滴径较大的乳化液,破乳效率会更高。

利用由静态混合器、喷嘴和分气盒组成的新型布气装置在搅拌釜式反应器中诱导生成泰勒流,对反应器流动特性及反应特性进行了实验研究。结果表明,与常规搅拌釜式反应器相比,泰勒流反应器内物料流动更加接近于平推流流型,泰勒流的生成在反应器内构建出局部平推流区域,降低了物料返混程度。反应器反应性能因流动特性改变而得以增强,相同实验条件下,在泰勒流反应器中进行的蔗糖水解反应转化率比在常规搅拌釜式反应器中高出26.7%。在一定操作范围内,局部平推流区域和反应转化率均随搅拌转速或进气量的增加而增大。泰勒流反应器可简化为平推流区和全混流区并联的流动模型,推导出了反应转化率与平推流区域占反应器总体积比率之间的关联关系。

准确测试固固反应,如铁矿炭还原反应的动力学在科学研究和实际应用中均具有重要意义。利用热重程序升温的方法研究了氧化铁石墨还原的固固反应特性,在惰性气氛下分别考察了研磨与浸渍混合后焙烧制得的Fe₂O₃/C样品的失重曲线,采用Flynn-Wall-Ozawa公式和Coats-Redfern公式相结合的方法分别求算了两种混合样品的固固反应动力学参数,研究发现氧化铁在炭表面的聚集形态与其活化能变化规律直接相关,且浸渍焙烧法所得样品的活化能符合强吸热反应活化能变化规律。结合固体原位XRD表征与气体产物在线分析手段,发现在初始阶段Fe₂O₃即可与C直接反应生成Fe₃O₄和CO₂。该反应的活化能约为530 kJ·mol^-1,反应机理为二级化学反应模型。

以1,3-二氨丙基-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷(DSX)和环氧氯丙烷(ECH)为原料,利用相转移催化剂,合成双酚F环氧树脂(BPFER)改性剂N,N,N',N'-四缩水甘油基-1,3-二氨丙基-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷(TG-siloxane),并用FTIR、¹³C NMR谱图对其结构进行了表征。对TG-siloxane改性BPFER/mXDA(间苯二甲胺)体系的固化动力学进行了研究。根据DSC曲线和Starink方程,得该体系表观固化活化能为51.52 kJ·mol^-1。用Šesták-Berggren模型求得不同升温速率下的表观因子、反应级数。动力学方程表明,升温速率对固化反应影响明显;所得方程用于预估反应进程时,与实测值吻合程度高。TG分析表明,TG-siloxane改性BPFER/mXDA体系固化物的耐热性能优于单纯BPFER/mXDA固化物。

考察了[HSO₃-bmim]CF₃SO₃、[HSO₃-bmim]P-TSA、[HSO₃-bmim]HSO₄和[HSO₃-bmim]H₂PO₄四种磺酸功能化离子液体对甘油与甲醇醚化反应的影响。结果表明,离子液体的催化性能与其酸强度相关联,[HSO₃-bmim]CF₃SO₃离子液体的酸强度最强,其催化性能也最好。以[HSO₃-bmim]CF₃SO₃为催化剂,在w([HSO₃-bmim]CF₃SO₃)/w(甘油)=0.5:1(质量比)、n(甲醇)/n(甘油)=8:1(摩尔比)、反应温度190℃、反应时间8 h时,甘油的转化率为84.5%,单甲基甘油醚的选择性为41.4%,二甲基甘油醚和三甲基甘油醚的联合选择性为34.1%。在此基础上,提出了离子液体[HSO₃-bmim]CF₃SO₃催化甘油与甲醇醚化反应的反应机理。

利用微型固定床反应装置,研究了内蒙古胜利褐煤水蒸气气化过程中H₂、CO₂、CO和CH₄生成规律及其固有矿物质的催化效应。原煤(SL-raw)、盐酸洗脱(SL-HCl)、氢氟酸洗脱(SL-HF)及盐酸洗脱液回添煤样(SL-HCl-Re)在水蒸气气化反应过程中,H₂、CO₂和CO生成速率存在明显差异,充分说明胜利褐煤中某些固有的矿物质对其水蒸气气化反应具有显著的催化作用,可大幅度提高其气化反应速率,并使其起始气化温度降低96℃,气化反应主体温度降低150℃以上,同时促进了合成气中H₂生成,抑制了CO的生成,使胜利褐煤水蒸气气化反应过程中一直维持着较高的H₂/CO摩尔比,SL-raw、SL-HCl-Re水蒸气气化所得合成气中H₂/CO摩尔比分别为17.3和4.3,而SL-HCl和SL-HF水蒸气气化所得合成气中H₂/CO摩尔比均只有1.22。SL-HCl和SL-HF水蒸气气化生成H₂、CO₂和CO的规律基本相同,说明起催化作用的物质是可溶解在盐酸洗脱液中的矿物质。经过分析,发现矿物质对胜利褐煤水蒸气气化反应的催化作用主要是通过提高水煤气变换反应(WGSR)速度实现的。最后结合文献报道提出了胜利褐煤水蒸气气化反应过程中矿物质的原位催化机理。

采用共沉淀法制备了Cu-Cr₂O₃催化剂,考察了铜含量对Cu-Cr₂O₃催化剂的二氟乙酸甲酯加氢合成二氟乙醇性能的影响。运用X射线衍射(XRD)、程序升温还原(TPR)、BET和Raman光谱技术对该催化剂进行了表征。结果表明,还原态Cu-Cr₂O₃催化剂物相主要由Cu和Cr₂O₃组成,然而30Cu-Cr₂O₃和50Cu-Cr₂O₃催化剂存在少量CuCr₂O₄和CuCrO₂复合氧化物。随着铜含量的增加,Cu-Cr₂O₃催化剂的二氟乙酸甲酯单程转化率呈现先上升后下降的趋势,而二氟乙醇选择性保持在70%左右; 30Cu-Cr₂O₃催化剂的二氟乙酸甲酯单程转化率达到最大值97%。Cu-Cr₂O₃催化剂的二氟乙酸甲酯加氢反应比速率随着铜含量的增加呈现增大的趋势,反应比速率的提高可能与催化剂中CuCr₂O₄和CuCrO₂物种的存在有关。

对聚碳酸酯混合液,通过液液间歇沉降实验得到分散相液滴的Sauter平均粒径为330 μm。采用Mixture多相流模型对聚碳酸酯液液静态分离器进行了模拟和分析。对平行板、波纹板和斜板进行了比较,得出斜板更适合聚碳酸酯液液分离。考察了斜板长、板间距、倾斜角度、入口流量对液液分离效果的影响,得出对于水油相体积比为0.6的物料,最优的聚结板参数为斜板倾角20°、板长0.8 m、板间距40 mm、筒内最大流速5.3×10^-3 m·s^-1。设计了聚碳酸酯液液分离器,进行了中试试验,水油两相出口浓度接近各自的溶解度值,筒内最大流速为3.9×10^-3 m·s^-1,结果表明该分离器起到了很好的液液分离效果,可以取代原有的碟片离心机设备,降低了设备和操作费用。

采用磁悬浮热天平测量了CO₂、CH₄与N₂在沸石13X-APG上的吸附等温线,温度为293、303、333和363 K,压力为0～500 kPa。对吸附平衡实验数据采用multi-site Langmuir模型和Sips模型进行拟合,均得到良好的拟合效果,非线性回归得到吸附热等模型参数,可为变压吸附工艺过程的开发提供基础热力学数据。将沸石13X-APG吸附分离性能与文献中报道的吸附材料(如沸石分子筛、活性炭、金属有机骨架材料和介孔硅分子筛)性能相比较。通过比较CO₂、CH₄与N₂吸附容量以及相对分离系数,探讨CO₂/CH₄(垃圾填埋气或者CO₂强化煤层甲烷回收气)体系、CO₂/N₂(燃煤电厂、水泥厂以及焦炭厂烟道气)体系以及CH₄/N₂(煤层气)体系吸附分离的高效材料,为未来二氧化碳吸附捕集和甲烷吸附回收提供基础数据。

化工过程监控数据存在非线性特点,且过程常常运行于多个模态,针对该类问题,提出基于相对等距离映射(relative isometric mapping, RISOMAP)的过程故障检测方法,该方法采用相对测地距离构造高维空间的距离关系阵,运用多维尺度变换(MDS)计算其低维嵌入输出,从高维数据中提取子流形信息和残差信息分别构造监控统计量进行故障检测,同时运用核ridge回归在线计算测试数据的低维输出,核矩阵通过综合相似度进行更新。数值算例和TE过程的仿真结果表明,RISOMAP方法可以更为有效地实施故障检测,故障检测的灵敏度较高,同时也为基于流形学习的多模态过程故障检测的实施提供了一条思路。

考虑实际过程中存在着各种不确定因素,在化工过程设计时有必要对设计变量留出足够的裕量,使操作点位于过程约束边界内。基于过程稳态最优设计的一阶灵敏度分析,设计变量的局部裕量造成过程有效约束存在边界距离,操作变量进行操作优化所能获得的最大潜在经济效益是由有效约束的边界距离决定的。因此,采用操作优化得到的装置潜在经济效益可以用于对装置总体裕量进行评价。以催化裂化装置为主要研究对象,采用操作优化的方法计算装置的潜在经济效益,以此对装置的总体裕量进行评价。考虑过程的动态变化过程,结合动态优化的方法,利用稳态优化的经济效益和动态优化的经济效益对装置的总体裕量进行划分,分清保证操作控制可实现性的控制裕量和可以提升装置潜在经济效益的工艺裕量。通过分析各设计变量的局部裕量对装置总体裕量的影响确定设计瓶颈的所在,找到消除设计瓶颈的途径。

强制循环蒸发器是一个多输入多输出的且回路间存在着较强耦合的强非线性的复杂化工过程。针对单纯的采用常规控制方法很难满足实际的工业要求的问题,在深入研究上述过程的动态特性的基础上,根据模型的结构特点,采用全局输入输出反馈线性化的方法实现了其解耦控制,并证明了系统的零动态稳定性。通过仿真表明采用全局输入输出反馈线性化解耦方法能够有效地解决系统的强非线性对系统带来的影响,而且还能消除密度回路与液位回路间的耦合作用,该方法对提高产品质量和提高系统的蒸发效率具有重要意义。

提出一种具有净化单元氢网络的迭代设计方法。首先假设净化后源物流的量足够大,将之看作系统的新增源物流即可构成具有净化单元的初始氢网络。运用多氢源匹配方法来设计氢网络,从而得到净化后源物流的用量F_reg和所有未回用的内部源物流合并计算出的净化后源物流的量F_reg^total。比较F_reg和F_reg^total的大小,当F_reg^total<F_reg时,将F_reg^total作为下一次迭代净化后源物流的量的初值,只需几次迭代即可得到最终设计;当F_reg^total≥F_reg时,将F_reg的值作为最终设计的净化后源物流的用量,按照由F_reg值确定出的净化前源物流的量选取杂质浓度较低的未回用的内部源物流用于净化,对此种情况,不需后续迭代即可得到最终设计。对文献中几个实例的研究表明,该方法设计步骤简单可行,不仅能得到氢消耗目标值,而且还能得到氢网络的具体设计。

以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对介孔二氧化钛晶须(MTiO₂_ws)进行表面修饰,使其电荷零点值(pzc)由5.3提高至6.8,改性后材料MTiO₂_ws-APTES的比表面积略有上升,但孔结构基本不变。以MTiO₂_ws-APTES为载体对γ-谷氨酰转肽酶(GGT)进行了固定化,当给酶量小于150 U·g^-1时,酶活回收率均大于99%,固定化酶MTiO₂_ws-APTES-GGT的比活力最高可达184.0 U·g^-1,对酶的负载性能显著优于MTiO₂_ws。相比于游离酶,MTiO₂_ws-APTES-GGT的最适温度和热稳定性均略有下降,但pH稳定性明显优于游离酶和以MTiO₂_ws为载体的固定化酶(MTiO₂_ws-GGT); MTiO₂_ws-APTES-GGT对γ-谷氨酰对硝基苯胺(GpNA)的亲和力常数(K_m)为0.889 mmol·L^-1,较游离酶有所上升,但小于MTiO₂_ws-GGT。MTiO₂_ws-APTES-GGT的稳定性良好,经4℃下储藏60 d,连续使用21批次后残余酶活仍可达初始值的80.07%。

针对甲醇蒸汽的微通道重整催化反应过程,建立了三维稳态多组分传输反应模型;利用数值模拟分析,分别研究了平行阵列微通道和仿蜂巢分叉微通道在Zn_Cr/CeO₂/ZrO₂催化剂下的反应情况。通过双速率模型考察这两种流道中操作条件对甲醇蒸汽重整制氢输运规律的影响,发现这两种微通道反应器均可促进甲醇转化率和氢气产率的提高。与常规平行微通道的比较发现,仿蜂巢分叉微通道内反应气流动所需的泵功较小;在相同的加热面积下所能吸收的热量更大,而且更有利于反应器内温度的均匀分布,从而提高甲醇的转化率、减小出口CO的含量。研究结果表明,仿蜂巢分叉微通道结构具有较好的重整制氢综合性能,并可改善氢气产出的品质。

针对煤制天然气工艺中固定床气化产生大量含有焦油、酚等难处理物质的废水,提出了将固定床气化和气流床水煤浆气化相结合的气化方式解决废水问题。考察了未分离焦油煤气水直接制浆和分离焦油后酚水再制浆的两种气化集成方式,以煤制天然气项目为基础对其进行能量与经济分析。结果表明:与单一气流床相比,固定床气化和气流床水煤浆气化耦合提高了系统冷煤气效率;当固定床与气流床水煤浆气化干基煤处理量比为2,未分离焦油煤气水直接制浆和分离焦油后酚水再制浆两种气化集成方式的气化系统煤耗分别为563 kg·km^-3(CO+H₂+3.12×CH₄)和599 kg·km^-3(CO+H₂+3.12×CH₄),氧耗分别为212 m³ O₂·km^-3(CO+H₂+3.12×CH₄)和206 m³ O₂·km^-3(CO+H₂+3.12×CH₄),冷煤气效率分别为84.44%和86.74%,总热效率分别为72.53%和74.87%,且副产焦油的气化集成方案与单一固定床气化方案相比,其天然气生产成本增加不明显,经济上可行。

碳源对脱氮除磷都具有重要的作用,碳源不足会导致脱氮效果降低,出水TN水质不达标。为解决碳源不足造成的脱氮能力差的问题,本试验采用水解反硝化脱氮工艺,将水解酸化与反硝化脱氮过程相结合,取代缺氧反硝化,有效地解决了碳源不足所导致的脱氮效果差的问题。利用水解反硝化脱氮工艺处理城市污水,出水NH₄⁺-N、TN和COD都满足一级A标准,去除率分别为98.0%、69.4%和82.7%,比同期污水处理厂AAO工艺的TN去除率高出17.5%。在BOD₅/TN为3～5的条件下,水解池中污泥的比反硝化速率为缺氧池污泥的1.2～1.7倍,并且去除相同的N所需要的碳源较少,在碳氮比为3:1、3.5:1、4:1和5:1时去除单位N水解池可分别节省59.5%、52.2%、19.9%和23.1%的COD,有效地解决了脱氮过程中碳源不足问题。

以乙酸钠/丙酸交替为碳源的强化生物除磷(enhance biological phosphorus removal, EBPR)系统为研究对象,母反应器内种泥在厌氧/好氧的运行条件下已培养340 d,聚磷菌富集纯度达到92%±3%,考察了不同浓度亚硝酸盐氮(44.64、70.3、94.33、112.36 mg NO₂^--N·L^-1)为电子受体对聚磷菌缺氧吸磷代谢的影响。结果表明,从未经缺氧驯化的高纯度聚磷菌也可以进行反硝化除磷代谢。在缺氧反应过程中NO₂^--N还原速率、PO₄^3--P吸收速率、PHA降解速率随着亚硝酸浓度升高呈下降趋势,但是在初始亚硝酸盐氮浓度最高为112.36 mg NO₂^--N·L^-1条件下,代谢并未停止,此时亚硝酸盐还原速率与磷酸盐吸收速率仍可以分别达到2.61 mg NO₂^--N·(g MLSS)^-1·h^-1和3.0 mg PO₄^3--P·(g MLSS)^-1·h^-1。聚磷菌在以细胞内PHA作为碳源以NO₂^--N作为电子受体反硝化除磷代谢过程中,由于初始亚硝酸盐的抑制作用使NO₂^--N还原速率大于N₂O还原速率,从而产生大量的N₂O积累。初始投加NO₂^--N浓度为44.64、70.3、94.33、112.36 mg NO₂^--N·L^-1时,产生的N₂O占TN的比例分别为63.5%、49.0%、30.2%、24.0%。在底物充足的条件下,代谢中积累的N₂O可以通过延长缺氧搅拌时间,使其转化为N₂。

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有效率高、污染低、对燃料适应性好、功率大等特点。其性能与工作状态受发生在多孔阳极的化学反应与多种传递过程耦合的影响。基于流体力学方程组和多步基元化学反应模型,建立了描述上述耦合特性的三维数学模型,并自编程序求解分析。结果显示:重整反应主要发生在靠近通道进口的多孔阳极,表面成分Ni_s的覆盖率占70%～80%,其他主要表面成分为CO_s占20%～25%,H_s占6%,O_s占1.5%; Ni_s随工作温度升高而增加;加强吸附基元反应会提高燃料利用率和工作温度;渗透率增加会提高反应气体在多孔介质内的传递效果,但催化反应会因接触不充分而减弱。通过考虑基元反应机理研究表明,在微观层面,催化剂Ni利用率不高,催化反应受温度、化学反应速率常数、孔隙率等参数影响较大。

研究了沸石固定化铜绿假单胞菌GF31的氯氰菊酯降解特性及强化修复效果。综合考虑氯氰菊酯特性及其传质等因素,选择沸石为载体进行固定化,电镜扫描结果显示,菌株GF31能较好地生长于沸石载体孔隙中。固定化后菌株GF31的去除率和比降解速率提高,6 d对100 mg·L^-1氯氰菊酯的去除率由37%提高至61.4%,游离细胞和固定化细胞对于300 mg·L^-1的氯氰菊酯的平均比降解速率分别为487和917 mg·[L·d·(g细胞干重)]^-1。固定化细胞对pH和高浓度氯氰菊酯的耐受性显著增强,在pH 10或者菊酯浓度为800 mg·L^-1时仍能保持一定的降解活力。投加固定化细胞对实际土壤进行生物强化修复,其降解过程可用一级动力学方程来描述。与自然降解相比,氯氰菊酯的半衰期t_1/2由34.3 d缩短至8.02 d,显示出固定化细胞良好的强化修复效果。

以三羟甲基丙烷为核多元醇,二羟甲基丙酸为AB₂型单体,对甲苯磺酸为催化剂准一步法合成了第二代超支化聚酯(HBP-0)。HBP-0分别经己内酯和月桂酸改性得到改性超支化聚酯(HBPs)。采用FT-IR、¹H NMR和GPC对HBP-0的结构和相对分子质量进行表征,发现超支化聚酯的支化度为0.43,相对分子量与理论相对分子量比较接近, 相对分子质量分布系数只有1.72。以甲苯二异氰酸酯加成物为交联剂,考察了改性超支化聚酯交联涂膜性能,结果表明,3种改性超支化聚酯的涂膜性能在光泽度、耐冲击性、附着力和柔韧性方面表现十分优异。其中HBP-3同时用己内酯和月桂酸改性具有最佳性能,黏度最低为7500 mPa·s,涂膜表干40 min,且硬度达到F。而单独用己内酯或月桂酸改性的HBP-1和HBP-2的相应数据分别为7×10⁵ mPa·s、20 min和HB及17500 mPa·s、90 min和2B。

实验测定了25～80℃时3种环氧树脂、3种改性树脂和3种固化剂在77种溶剂中的溶解情况,并经计算得到了相应的Hansen溶解球参数。利用树脂-改性树脂、树脂-固化剂、树脂-改性树脂-固化剂的Hansen溶解球的重叠率,可进行共溶剂的选择及防腐防污自分层涂料的树脂匹配和溶剂配方的选择;对于无溶剂的固化体系则由测得的溶解度参数计算Flory-Huggins相互作用参数χ₁₂,进而计算其相平衡曲线或直接由χ₁₂数值判断其相容性。根据实验结果,可以筛选得到符合制备自分层涂层要求的环氧树脂-改性树脂-固化剂匹配体系,并通过适当的混合溶剂配方,使得涂层中的树脂能有足够的时间进行扩散、分层,最终得到防腐防污性能最佳的效果。

以甲苯二异氰酸酯(TDI)和聚乙二醇(PEG)为原料,选用2,2-二羟甲基丁酸(DMBA)为扩链剂合成水性聚氨酯(WPU),通过甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)对水性聚氨酯进行封端,采用自乳化法,制备了HEMA改性水性聚氨酯乳液(HEMA-WPU)。通过红外、核磁和热重法(TG)分别表征了WPU和HEMA-WPU的分子结构及其热分解行为。结果表明,与WPU相比,HEMA-WPU的耐热性能明显提高,用该乳液上胶处理后的碳纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度(ILSS)与未上胶的样品相比提高了7.5%,达到64.5 MPa。

以木质素磺酸(LS)为分散剂,采用静态聚合法制备了聚苯胺-木质素磺酸(PANI-LS)纳米复合物。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、红外光谱、紫外可见光谱和广角X射线衍射对纳米复合物的形貌、结构和性能进行了表征。同时,研究了该纳米复合物对银离子的吸附性能。在银离子初始浓度为0.03 mol·L^-1时,PANI-LS纳米复合物对银离子的最大吸附容量为500 mg·g^-1。对吸附后纳米复合物的透射电子显微镜和广角X射线衍射的研究表明,PANI-LS纳米复合物对银离子具有还原作用,吸附后纳米复合物表面有直径为2～7 nm的单质银纳米粒子生成。

分别以聚丙烯酸(PAA)和聚氧化乙烯(PEO)与苯乙烯与4-乙烯基吡啶二嵌段共聚物(PS-b-P4VP)进行溶液共混并且旋涂成膜,采用原子力显微镜(AFM)研究了这两种均聚物对PS-b-P4VP薄膜微相分离形貌的调控作用。结果表明,PAA与P4VP链段之间强烈的氢键作用使得P4VP链段对PS链段的热力学排斥作用增强,当PAA质量分数为10%时,PS分散相区以规则的柱体垂直分布于由P4VP/PAA链段相互溶解所形成的连续相基体中。对于PS-b-P4VP/PEO共混体系,共混薄膜形成了PEO/P4VP分散相以柱状形态垂直分布在以PS链段聚集区为薄膜连续相基体中的微相分离形貌,由于PS链段无法在PEO/P4VP柱状微区上方形成覆盖,导致共混薄膜表面出现许多孔洞,孔洞底部伴有PEO链段部分结晶形成的锥状突起。随PEO含量增加,孔洞直径增大,孔洞底部的锥状突起也增大。