利用约束热源入口及出口温度的热力学模型,将循环热效率及净输出功统一为一个参数,计算41种工质在473.15K废热烟气驱动的跨临界有机朗肯循环中的热力学表现,分析蒸发器内窄点温差及工质物性对循环性能的影响.结果表明,临界温度低于烟气出口温度的工质,及高于0.88倍烟气入口温度的工质,临界温度是循环效率的主要影响因素;临界温度在上述范围之间的工质,干湿性对循环效率影响显著,湿工质效率明显高于干工质.所有循环中,该临界温度范围内的湿工质热效率最高.临界温度高于0.88倍烟气入口温度的工质,窄点温差可能出现在蒸发过程中或蒸发器出口,从热力性能角度看,窄点出现在蒸发过程中的循环明显优于窄点出现在蒸发器出口的循环.改变热源入口及出口温度不会影响上述结论.

为了回收聚苯硫醚生产中的助剂氯化锂,对氯化锂、氯化钠在溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)中的溶解性能进行了研究.利用激光衍射辅助法在297.95～364.75 K温度范围内对氯化锂、氯化钠在NMP中的溶解度进行了测定,并用经验方程、λh方程、改进的NRTL方程对氯化锂在NMP中的溶解度数据进行关联.结果证明,改进的NRTL方程的拟合结果最好,平均相对偏差仅为0.41%,可适用于较高温度下氯化锂-NMP体系溶解度的数据估计.

利用流体动力学计算方法对湿法脱硫折流板除雾器内气液两相流动进行数值模拟.分析了除雾器叶片间距、板型及流速对不同粒径雾滴的分级除雾效率和总除雾效率的影响,获得了不同粒径雾滴的运动和捕集规律.研究结果表明,粒径小于10 μm的雾滴去除效率随流速增加呈现不规律的波动,随板间距增加而下降的趋势不明显,不受叶片形状变化影响;粒径大于16.3 μm的雾滴去除效率随流速增加而增大,随板间距增加而显著下降;在板间距为38 mm时,梯形板除雾效率大于三角形板,在板间距较小的情况下两种板型的性能相差不大;流速小于3 m·s^-1时,粒径小于20 μm的雾滴的去除对气流均匀性要求较高,气流扰动增加利于小雾滴的碰撞聚并;流速高于3 m·s^-1时,气流扰动增强增加了小雾滴运动的随机性,不利于小雾滴的碰撞聚并.

采用聚二甲基硅氧烷材料(PDMS)制备矩形截面的微通道,并在微通道壁面上沉积MnO₂作为催化剂,采用高速摄影仪对通流过程中过氧化氢催化分解生成氧气气泡的过程进行了可视化实验研究,分析了反应物的浓度和流量对气泡生长速度及脱离直径的影响.结果表明:气泡在微通道内催化表面的生长及脱离过程呈周期性变化的趋势;气泡生长可以分为快速生长和缓慢生长两个阶段,当t<3 s时气泡处于快速生长阶段,催化反应主要受动力学控制,当t≥3 s时扩散控制占主要地位,气泡生长速度随反应物浓度的升高而增大;气泡脱离直径受反应物浓度影响较小,受反应物流量影响较大,而且随液相反应物Reynolds数的增大线性降低.

运用两相流理论对湿气中的气相与液相流动进行分析,在分层流与环雾状流的条件下推导了两相流通过水平标准文丘里流量计的理论模型.通过分别考虑截面气含率、相间摩擦以及液滴夹带等因素,在文丘里轴向对湿气流动中的气相动量方程进行求解.通过对水平直管中的截面气含率公式进行修正,建立了适用于收缩管道的截面气含率模型,并在此基础上模拟了湿气流经标准文丘里时其两个取压孔之间的轴向静压分布.实验证实,使用修正后的截面气含率公式将使模型对文丘里压降的预测准确度明显提升,其相对误差在15%以内.该模型以湿气两相流在水平文丘里中的流动形态为依据,具有较充分的物理背景,而且在推导过程中较少依赖特定实验装置与数据,为建立具有一定普适性的文丘里湿气计量模型奠定了基础.

基于商用软件Fluent 6.3.26,采用雷诺应力模型及DPM离散相模型并结合理论分析,对基于喷嘴造旋的射流式分离器内两相流动特性进行了模拟计算,得到了较为全面的两相流动规律与细节.结果显示,分离器内部切向速度峰值可达160 m·s^-1,自由涡区的切向速度约为130 m·s^-1,旋流强度明显高于传统旋风单管;沿轴向下,下行流流量逐次减少,其中稳流体顶部下行流降低最为明显,下行流减少致使颗粒卷入内旋流概率增加,分离效果下降;分离器内部局部存在顶部贴壁射流、射流区二次流及灰斗口旋涡流等次级流动;分离器压降约为27.43 kPa,喷嘴区内外旋流能耗分别为4.57 kPa(21.8%)、5.76 kPa(27.6%),稳流体区内外旋流能耗分别为5.85 kPa(27.6%)、4.01 kPa(18.9%);分离器对应的切割粒径较小,约为1.6 μm,极限粒径约为10 μm,符合工业应用要求;基于所建颗粒受力模型及模拟条件下,分离空间可分离的临界粒径为1～2 μm,3 μm及以上颗粒的逃逸浓度小于 0.15 g·m^-3,满足下游烟机对气流的净化要求.

以水和空气为实验介质,通过拍照法获得喷淋塔内液滴粒径分布,考察了不同喷淋量及空塔气速对塔内不同高度处液滴Sauter平均直径(SMD)的影响,并对液滴粒径分布进行了理论分析.结果表明,喷淋塔顶部液滴分布密集,底部稀疏,液滴群在下落过程中,平均粒径减小且趋于均匀化;塔顶处液滴SMD随喷淋量的增加而增大,处在塔中下部的液滴SMD则随喷淋量增大而减小,提高空塔气速,可减小平均粒径;理论分析认为,液滴粒径减小主要是由于发生了碰撞破碎的缘故,而塔内液滴大小不一是碰撞的主要原因;通过量纲1化拟合得到喷淋塔内液滴SMD经验关联式,其计算结果与实验值吻合较好;考虑液滴破碎的喷淋塔比表面积比不考虑破碎的比表面积大70%左右.

采用外热式回转窑,对生活垃圾主要组分[纸类、织物、生物质类(含厨余)]及除去惰性成分的垃圾在不同的升温速率和不同转速下热解过程中的传热特性进行研究,获得物料和内壁面之间的表观传热系数.根据相近升温速率下热重分析结果将热解过程分为干燥阶段、热解预备阶段、剧烈热解阶段以及热解完成阶段4个阶段.研究结果表明:在干燥阶段的表观传热系数最大,并随着温度升高而迅速减小,到水分蒸发完、进入热解预备阶段时降至最低.在热解预备阶段的升温过程中,各物料表观传热系数随温度升高基本不变,具备最低稳定传热系数特征;在剧烈热解阶段,表观传热系数随温度升高而逐渐增大;在热解完成阶段,表观传热系数再次减小.回转窑转速和升温速率对表观传热系数的影响复杂,对不同物料的影响也不相同.总体上在较低的加热速率(22±2)℃·min^-1条件下,更高的回转窑转速(3 r·min^-1)对干燥末段和热解预备阶段的传热有抑制效果;当升温速率增加到(32±2)℃·min^-1时,各种物料在对应热解段的表观传热系数均有增大的趋势,且热解总时间缩短;除生物质外,转速越高,在热解的不同阶段表观传热系数越大,在3 r·min^-1条件下热解预备阶段消失.本研究为回转窑热解反应器的针对性设计提供参考.

对水力直径分别为0.72 mm的矩形扁材多孔管和0.86 mm的圆形扁材多孔管中单相流体换热特性以及流动压降进行了实验研究.流体Re小于500时,随着热通量的增大,Nu减小;随着Re的增大,热通量对Nu的影响减小,Nu趋于一致.实验结果显示,这些变化是由于入口段效应和共轭效应相互制约的结果.圆形扁材多孔管的Nu高于矩形扁材多孔管的Nu.对于乙醇溶液,低热阻时,入口温度越高,压降随热阻的增大降低的斜率越小,随着热阻值的增大,压降降低速率减小趋于平缓.对水、酒精和丙酮进行了单相对流换热的研究.通过比较发现,3种流体的换热特性并不相同,而且差别很大.在同一热通量和入口温度条件下,相同Re,乙醇的Nu最大,丙酮次之,水的Nu最小.同时测试了不同乙醇浓度水溶液的换热特性,发现随着乙醇浓度的增大,溶液的Nu由基本保持不变到随着Re的增大而增大,并且乙醇浓度越大相邻浓度间的Nu差别越大,出现以上现象的理论原因还有待进一步的研究.

微通道已成为换热器研究领域的热点,以CO₂微通道蒸发器为研究对象,建立了CO₂微通道蒸发器两相区内、外侧均有相变的熵产模型,通过建立的CO₂微通道蒸发器二维分布参数模型求解系统熵产数.分析CO₂与空气侧质量流率、空气入口温度及CO₂蒸发温度对系统熵产数的影响.结果表明:CO₂质量流率对系统熵产数影响很小;系统熵产数主要由CO₂与空气两侧温差传热引起;系统熵产数随空气入口温度的增大而增大,随CO₂的蒸发温度的增大而减小;随着空气质量流率的增大,系统熵产数增大,且蒸发温度越高,空气质量流率对系统熵产数的影响越大.

研究松花江水在换热过程中,主要水质参数对表面污垢热阻的影响程度,分别测定3种管型在换热过程中水质参数的变化情况,所选管型分别是光管、交叉缩放椭圆管和不连续双斜向内肋管,水质参数为pH、碱度、电导率、溶解氧、钙离子浓度和亚铁离子浓度.应用灰色关联方法,将水质数据和污垢热阻数据进行关联分析得出,两种强化管的水质参数关联顺序相同.其中的两种参数与污垢热阻呈现同向变化趋势,其余参数与污垢热阻呈现反向变化的趋势.强化换热管不但对水质参数的变化产生影响,而且对关联程度也有影响.

通过可视化实验研究了含空气蒸汽泡的冷凝行为和传热特性,气泡中蒸汽质量含量在0.5～0.8之间.在两种不同的过冷水温度下,混合气体气泡分别由直径1.5 mm和3 mm的喷嘴以不同的速度喷入静止的过冷水空间中.通过高速摄像机记录气泡冷凝过程,通过气泡体积变化状况计算气泡热力学参数,进而计算气泡的冷凝传热系数.结果表明,气泡在冷凝过程中不断变形,且在冷凝开始时,气泡出现中空现象;冷水温度越低,冷凝传热系数越低;气泡体积越大,冷凝传热系数越低;喷嘴直径对冷凝传热影响不明显;不凝气体的加入恶化了冷凝传热.对实验中65个气泡传热系数的数值进行了拟合,获得了传热系数关联式.

采用粒子图像测速技术(PIV)对安装"洁能芯"转子的换热管及光管进行了实验研究,获得了换热管内速度场及湍动能的分布.实验结果表明:与光管相比,换热管内安装"洁能芯"转子后,流场发生了改变,轴向速度分布由近抛物线形变为近M形分布;径向速度在管中心轴线两侧一个相当大的区域内比光管高出一个数量级,并且出现正负交替变化,即速度方向在不断地改变;作为最能体现"洁能芯"转子强化换热效果的指标,湍动能有了显著的提高,说明了"洁能芯"转子具有很好的强化传热功能.

根据液相在波纹规整填料片上呈现渗流、膜状流等不同的流动方式,选择5种不同的波纹规整填料对其流体力学和传质性能进行研究,以探究液相在波纹片上的流动方式对波纹规整填料性能的影响.研究结果表明,液相呈渗流流动的泡沫碳化硅波纹规整填料(SCFP型)有利于液体横向扩散和液膜均匀分布,当液相喷淋密度和气相F因子均较小时,其压降最低,传质效率最高;液相主要呈渗流流动、兼有膜状流动的双层错孔丝网填料(DMⅢ型)有利于波纹片两侧液体交换,强化液体在流动过程中的扰动,其压降及传质性能略逊于SCFP型填料;液相主要呈膜状流动的BX型、DMⅠ型及DMⅡ型填料波纹片表面液膜较厚,横向扩散能力差,其传质效率低于SCFP型和DMⅢ型填料.研究揭示了依靠渗流作用的波纹规整填料具有较好的应用性能,为波纹规整填料的进一步发展开拓了新思路.

采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid method)方法,以空气和水为介质对矩形截面螺旋管内气液两相流动进行数值模拟,气相折算速度U_G为0.1～2.5 m·s^-1,液相折算速度U_L为0.09～4.5 m·s^-1.研究螺旋直径、螺旋升角对流型转换边界的影响,并绘制了不同螺旋直径、不同螺旋升角下的流型图.数值结果表明,与传统VOF方法相比,CLSVOF可以得到更精确的相界面;随着螺旋升角的增加,塞状流向泡状流的转换边界向U_L减小的方向进行,但是幅度很小,塞状流向弹状流的转换边界向U_L减小的方向进行;随着螺旋直径的增加,塞状流向泡状流的转换边界向U_L减小的方向进行,塞状流向弹状流的转换边界向U_L减小、U_G增大的方向进行;与Murai流型图相比,流型转换边界有所差异.

针对催化裂化空筒汽提器中存在的气体偏涌现象,在一套大型空筒催化剂汽提器冷模实验装置中利用光纤探针法系统研究了偏涌的特性及其随床层高度的发展变化情况,并进一步利用一种新的离散颗粒计算流体力学模型(CPFD模型)对该现象进行了数值模拟研究.结果表明,在催化裂化汽提器操作条件下,偏涌主要发生在临近床层边壁的位置,造成周向上颗粒浓度分布呈现严重的不均匀性,偏涌的强度会随着床层高度的增大而减弱.CPFD模型不仅能够成功预测深层鼓泡床中存在的偏涌现象,而且可以定性预测偏涌强度沿床层高度的发展趋势,但定量预测结果较实验结果偏大.上述结果对工业汽提器的设计和故障诊断具有指导意义.

以水合CaO为催化剂,在管式炉内研究了微拟球藻的催化热解.考察了催化剂用量对微拟球藻热解产物及油品组成的影响,并通过直接再生和强化再生研究了催化剂的再生特性.结果表明:随着水合CaO用量逐渐加大,生物油性能明显改善.在催化剂/藻质量比为1:3时催化热解得到的生物油产率为28.5%,具有含氧量低、热值高、运动黏度低、含水率低等优点.与直接热解油相比,催化热解油中羧基化合物和羟基化合物含量均有明显下降,而脂肪烃和芳香烃含量均显著增加.第1次和第2次循环再生实验中,直接再生催化剂依然具有较高的催化活性.通过在直接再生过程中引入水洗强化步骤,可对再生催化剂表面进行更新,并降低其表面的碱金属含量,明显改善再生催化剂所催化热解的油品质量,提高再生催化剂活性.

利用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯([Bmim]Cl)溶解PH-101微晶纤维素,通过不同的再生方法获得两种再生的纤维素,并利用XRD确定其结晶度,场发射扫描电镜(SEM)获得其形貌特征,热重(TG)分析表征其热稳定性.采用Py-GC/MS 对不同结晶度纤维素进行快速热解,并对热解挥发分进行在线分析,观察结晶度对纤维素热解特性的影响.研究表明左旋葡聚糖产率随结晶度降低而减少,而小分子产物随结晶度降低而增多.

用巯丙基硅氧烷对磁性介孔硅胶改性,并通过烯丙基官能化离子液体的双键与巯基之间的自由基加成反应将具有不同侧链烷基的离子液体负载到磁性介孔硅胶表面,制备了磁性介孔硅胶负载碱性离子液体催化剂.采用红外光谱分析、X射线衍射、有机元素分析、氮气物理吸附/脱附分析和样品振动磁强计对催化剂的结构和磁性能进行了表征,最后通过催化三油酸甘油酯与甲醇酯交换反应对其催化性能进行了评价.结果表明,随着离子液体侧链烷基碳个数的增多,磁性介孔硅胶负载离子液体催化剂的离子液体负载量降低,比表面积和孔体积降低.当离子液体侧链烷基为辛基、十二烷基或十六烷基时,油酸甲酯产率均高于95%,并且反应3次后油酸甲酯产率依然高于90%.

以FeSO₄·7H₂O[Fe(NO₃)₃·9H₂O]为铁源,采用新型微波热解法制备γ-Fe₂O₃[a-Fe₂O₃]催化剂样品,通过XRD、N₂等温吸附-脱附、压汞法等实验手段对催化剂样品晶相、微观孔结构等进行表征;考察两种催化剂样品的NH₃-SCR脱硝性能,通过归一化处理得到两种催化剂在不同温度下的本征脱硝反应速率,同时对比研究了γ-Fe₂O₃与钒系催化剂的脱硝活性;研究氨氮比、氧浓度等运行参数对γ-Fe₂O₃催化剂NH₃-SCR脱硝性能的影响规律,并对其抗硫抗水性能进行考察.结果表明:采用新型微波热解法可得到纯度较高的γ-Fe₂O₃催化剂,其介孔分布合理且大孔数量丰富;同时γ-Fe₂O₃催化剂表现出优于a-Fe₂O₃催化剂的脱硝性能,400℃时最大NO_x转化率达到96%,300、325、350℃下单位面积脱硝速率达到a-Fe₂O₃催化剂的3倍左右;γ-Fe₂O₃催化剂具备优良的抗硫抗水性能,其最佳氨氮比为1、最佳氧体积分数为3.5%.

考察了双极膜电渗析法分离酒糟发酵液中乳酸的影响因素,结果表明:当进料浓度13.5 g·L^-1,工作电压27 V,进料浓度比1.3,流量20 L·h^-1,电渗析10 h,产品罐中的乳酸浓度增加至20.95 g·L^-1,是电渗析前进料罐中的乳酸浓度的1.6倍,具有显著的浓缩效果.酸根离子迁移规律的研究表明,乳酸根离子的迁移速率明显高于其他酸根离子,且丙酸和乙酸的乳酸分离率相对较低.

针对传统维生素生产过程中的蒸发结晶单元耗能高、排放量大的特点,提出了一种基于自回热原理(self-heat recuperation technology, SHRT)的改进设计.利用能量分析和(火用)分析的方法对系统进行分析.并研究了最小传热温差的特性,以及压缩机的绝热效率和闪蒸进口过热度对系统能耗的影响.结果表明,利用自回热思想改进的蒸发结晶单元比传统过程所需的输入能减少了73.0%,输入(火用)减少了68.3%.在文中的条件下,潜热比显热有更大的利用空间,利用的潜热占总循环热量的93.5%.同时,最小传热温差的增大虽然会使需要的换热器的面积减小,但也会导致更大的能量输入.系统的能耗随着过热度的增大而增大,随着绝热效率的增大而减小.

裂解气压缩机作为乙烯装置的核心设备,其顺利启动对乙烯装置开车过程有着重要影响.传统的乙烯装置开车流程大多使用裂解气启动压缩机,近年来已经逐步被氮气、天然气和混合烃等开车工质取代.由于无法利用实际压缩机装置进行测试,因此化工模拟技术成为了解决上述问题的重要工具.本文根据"稳态-动态-开车"的研究方法,建立了某裂解气压缩机的稳态模拟模型,确定了氮气、混合烃和裂解气运行时的稳态运行参数.之后,将稳态模型转换为动态模型,通过动态模拟验证了各工况之间转换过程的安全性和可行性.

乙烯深冷分离过程需要冷剂为分离过程提供不同等级的冷量,可以把乙烯深冷分离过程作为一个冷阱;LNG气化过程中,需要加热,可以作为冷源.考虑到冷阱冷源的相互匹配,提出通过将LNG经过轻烃分离,为乙烯深冷分离提供冷量,降低了制冷公用工程消耗,同时LNG气化装置降低了加热公用工程消耗,且LNG分离出的轻烃直接供给乙烯装置作为裂解原料使用,优化乙烯装置裂解原料.以300万吨/年的LNG装置和64万吨/年的乙烯装置为例进行模拟计算得到,LNG轻烃分离装置可为乙烯冷分提供冷量41464 kW,降低乙烯冷分三元冷剂消耗75%,为乙烯装置提供优质裂解原料约65万吨/年.

由于煤富碳少氢,煤制烯烃过程生产1 t产品将排放约5.8 t CO₂.与此同时,中国焦炭工业每年产生约7×10¹⁰ m³的副产物焦炉气,这些富氢的焦炉气大多被燃烧或直接排放进入大气,对环境造成严重影响的同时还浪费了巨大的经济价值.本文对焦炉气辅助煤制烯烃的新过程进行了建模模拟与系统分析.焦炉气与煤元素互补,焦炉气中的H₂可用来调节合成气的氢碳比;CH₄可通过甲烷水蒸气重整和甲烷干重整两个过程,提高合成气的氢碳比的同时降低煤制烯烃过程排放的CO₂,提高碳元素利用率,实现节能减排.这个新的联供过程的能效比煤制烯烃过程提高了约10个百分点,而CO₂排放量则减少了约95%.

着眼于AEA(Alopex-based evolutionary algorithm)算法本身的不足,构造出一种融合了差分进化算法和AEA的改进型算法——MAEA(modified AEA).MAEA算法将改进后的差分进化算法嵌入到AEA中,改进AEA算法中种群的生成方式,提高算法的寻优能力.改进的算法不仅拥有启发搜索和确定性搜索的优点,同时还增加了种群的多样性,使算法能够更好地进行全局和局部搜索.通过21个标准函数的测试结果表明,该算法较标准AEA算法、差分进化算法的性能有较大提升.进一步和当前具有代表性的先进算法(ISDEMS)的比较结果表明,MAEA算法有较高的精确度和稳定性.将算法用于发酵动力学模型参数的估计,通过优化得到了较好的结果,验证了本文提出的算法的可行性和有效性.

针对一类非线性多模态的化工过程,提出一种基于概率核主元的混合模型(PKPCAM),并利用贝叶斯推理策略进行过程监控与故障诊断.在提出的模型中, 每个操作模态由一个局部化的概率核主元分量描述,从而构建的一系列分量对应了不同的操作模态.首先,将过程数据从原始的度量空间投影到高维特征空间;其次,在该特征空间建立概率主元混合模型,从概率角度刻画数据集的多个局部分量特征;最后,在提取的核主元分量内获得测试样本的后验概率,结合模态内的马氏距离贡献度,提出基于贝叶斯推理的全局概率指标进行故障检测,同时利用模态内变量的相对贡献度,基于全局贡献度指标进行故障诊断.利用TEP仿真平台,与基于k均值聚类的次级主元分析和核主元分析的方法进行了对比分析,验证了提出的贝叶斯推理的PKPCAM方法对非线性多模态过程进行故障检测与诊断的可行性和有效性.

为了降低递推部分最小二乘(RPLS)建模方法的模型校正频率,开发了一种基于模型性能评估的RPLS(MPA-RPLS)模型.首先,根据过程的初始特性,自动生成模型的置信限,以均方根误差(RMSEP)为性能指标,评估模型性能;依据模型性能的评估结果,选择性地启动模型校正和置信限校正.然后,引入滑动平均滤波器消除过程变量中的噪声,探讨噪声对模型性能的影响程度.最后,将MPA-RPLS模型应用于一个化学反应过程——C₈芳烃临氢异构化过程,基于大量工业数据,进行仿真验证.仿真结果表明:本文开发的模型仅以微小的精度损失换取了模型计算效率的大幅提高(即模型校正频率大幅下降);滑动平均滤波器可有效地处理变量的噪声,改善模型的预测精度.

以某湿法冶炼厂金氰化浸出过程为背景,研究了浸出过程的自适应实时优化问题.针对实际过程中的模型失配问题,提出了一种金氰化浸出过程的修正项自适应实时优化策略,利用实际过程测量值及梯度信息不断修正原优化问题,使其迭代收敛到实际过程的最优设定点.仿真结果表明在过程输出存在适量的测量噪声时,对于模型参数不确定性、结构不确定性以及工况改变3种情况,该方法经过数次的迭代最终都能够收敛到实际过程的最优设定点附近,节约了生产成本,而且不需要模型更新步骤,这为湿法冶金全流程优化控制的顺利实施奠定了重要基础.

针对传统人工检测方法在测量动液面时存在精度低、实时性差等问题,采用软测量技术来完成对动液面的测量工作.根据对现场数据特性的分析,提出采用经验模态分解和基于黑洞的最小二乘支持向量机预测相结合的算法来实现动液面软测量建模;通过构建模型性能评价模块,动态更新模型,解决在油田生产过程中,静态模型不能完全反映生产工况导致模型失效的问题,提高算法的自适应能力及预测量精度.最后通过对油田生产现场监测数据进行实验验证,结果表明,该方法对油田动液面测量精度高,对生产波动的自适应能力强,满足油田现场测试使用要求,提高油田生产自动化程度.

针对传统的多元统计监测方法不能有效检测工业过程中由于初始条件波动较大所引发的弱故障问题,提出一种基于多动态核聚类的核主元分析(DKCPCA)监控策略,实现多阶段间歇过程的弱故障在线监控.该方法首先针对过程中各阶段每一批次数据结合自回归移动平均时间序列模型(ARMAX)和核主成分分析(KPCA)方法分别建立动态核PCA模型,然后根据各批次模型间载荷的相似性采用分层次聚类方法进行聚类,最后将聚在一起的批次数据进行展开重新再建立动态核PCA模型,随着聚类数目的不同从而建立多个类模型.当在线应用时给出了多模型选择策略,以提高监测精度.将此方法应用于青霉素发酵过程的监控中,监测结果表明此方法取得了比DKPCA和MKPCA更好的监测性能.

石化园区化肥厂、乙烯厂等富氢气体送往炼油厂,能够缓解炼油厂的氢气亏缺,因而石化园区厂际氢气系统优化具有重要的意义.本文构建了石化园区厂际提纯回用氢气系统超结构模型,以年度化总费用为目标函数,建立优化的数学模型,使用商业优化软件GAMS平台建模,用DICOPT作为求解器.对某石化园区的氢气系统进行了优化,结果表明,总的年度化费用比现行的系统降低了33.1%.

常减压装置能量消耗约占炼厂总用能的25%～30%,在保证产品产量与质量的条件下,优化常减压蒸馏塔操作条件,可有效降低能耗.为了避免随机优化算法对常压塔机理模型进行操作优化时,存在计算资源消耗大、效率低的问题,文中采用基于代理模型的全局优化方法优化常压塔的余热回收过程,在优化迭代过程中用Kriging代理模型来代替耗时的精确模型评估.实验表明模型调用次数相较于粒子群优化算法减少了90%,优化时间减少了85%,实现了能量优化并且保证了侧线产品之间的分离精度.

青霉素发酵过程具有明显的阶段特征,该特征从一些关键操作变量信息中能够得到反映.本文从反应过程的多个操作变量中,选取关键过程变量——冷水流加速率作为调度变量,并采用模糊C均值聚类算法对其进行分类,各聚类中心作为青霉素发酵过程的主要工况点;基于EM算法围绕不同工况点建立局部子模型,最后根据采样数据阶段特征的后验分布将各子模型融合.基于此方法采用Pensim仿真平台数据,能够辨识数据的阶段特征,并建立青霉素发酵过程的融合模型.仿真结果表明该模型具有较高的拟合精度,能对该发酵过程的主导变量进行比较精确的预测.

借助高温热台显微镜、扫描电子显微镜-能谱仪、灰熔点仪和X射线衍射仪考察了添加稻草和棉秆两种秸秆对长平煤灰熔融特性的影响.研究结果表明添加两种秸秆都能有效地降低长平煤灰的熔融温度.在高温弱还原性气氛下,长平煤灰主要矿物组成为耐熔性石英和莫来石,而添加秸秆后产生了白榴石、尖晶橄榄石、钙长石等低温共熔化合物,使长平煤灰熔点降低.不同灰的高温熔融图像表明,煤灰在熔融过程中由于受热而使固相持续软化,形成了不利于难熔物分解的高黏度熔体.而煤和稻草的混合灰在熔融时形成了易发生流动的低黏度熔体,能够促进矿物质发生反应而更易熔融.

在鼓泡流化床上进行两种垃圾衍生燃料(RDF)的富氧气化试验,考察了RDF的热重特性并分析了气化温度、当量比及富氧浓度对气化特性的影响.结果表明:两种RDF均由纤维素及塑料类组分构成.随着温度由650℃升高至800℃,两种RDF产气的H₂、CO及CH₄浓度均逐渐增加,产气热值和气化效率同时提高.当量比增大时可燃组分浓度先略有增大后逐渐减小,但气体产率不断增大.RDF1及RDF2分别在当量比为0.22及0.27处达到最佳气化效率.富氧气化可有效改善气化品质,提升合成气热值,富氧浓度为45%时RDF1及RDF2合成气热值均达到最大,分别为8.6 MJ·m^-3及9.2 MJ·m^-3.

为综合评价有机朗肯循环(ORC)系统的热经济和环保性能,采用(火用)参数量化工质的环境影响,提出了结合工质环境影响和循环热经济性能的综合评价指标"综合环境影响(火用)效率",在150℃的低温热源条件下,对考虑工质环境影响的亚临界有机朗肯循环和跨临界有机朗肯循环的系统性能进行了分析对比,结果表明,综合考虑循环热经济性能和工质环境影响因素时,R123和R32分别为亚临界有机朗肯循环系统和跨临界朗肯循环系统的最佳工质;跨临界ORC系统循环净输出功率要高于亚临界ORC系统,但是跨临界ORC系统较高的循环蒸发压力会引起工质泄漏量的增加,进而造成综合环境影响(火用)效率并不高,所以综合考虑环保和循环性能时,亚临界ORC系统是较好的选择.

为解决传统A²/O工艺硝化与除磷泥龄(SRT)之间的矛盾,进一步提高低C/N(P)比生活污水同步脱氮除磷效率,采用一种改良A²/O工艺在长SRT条件下处理生活污水.试验结果表明,该工艺可有效筛选和强化反应器内活性污泥,并大量富集长SRT的反硝化除磷菌(DPAO).通过亚硝酸盐氧化菌(NOB)淘洗阶段后,反应器在SRT=19.6d、A²O段污泥浓度(MLSS)=5.5 g·L^-1、水力停留时间(HRT)=8.2 h、污泥回流比(R)=90%、硝化液回流比(r)=250%、溶解氧(DO)=1.5～0.3 mg·L^-1,间歇曝气段HRT=4 h、曝气周期1 h曝气1 min(DO=0.3～0.5 mg·L^-1)、沉淀59 min条件下长期运行,COD、NH₄⁺-N、TP和TN的平均去除率分别为88.71%、99.2%、93.77%和89.52%,出水亚硝化率(NO₂^--N/NO_x^--N)可达97.2%,DPAO占聚磷菌(PAO)比为95.5%.污水中约72.96%的COD被DPAO合成PHA除磷,15.75%的COD由异养反硝化消耗,约41.96%和31.31%的N分别通过反硝化除磷和异养反硝化去除.剩余污泥主要由DPAO和反硝化菌增殖产生,分别占82.74%和17.24%,较传统脱氮除磷途径减少了58.76%的碳源消耗和44.6%的污泥排放.

基于磁强化絮凝膜过滤(MEFMF)工艺中磁絮体和含磁滤饼层的特性,设计了在线(on-line)和离线(off-line)磁强化清洗(MEC)工艺.在磁场和曝气剪切的协同作用下,含磁滤饼层脱离膜纤维表面,膜通量恢复率较常规物理清洗(RC)明显提高.在离线磁强化清洗时,设计反洗装置中心的磁感应强度为6 mT,曝气强度为500 L·m^-2·min^-1,控制清洗时间为5 min,维持反洗压力0.04 MPa,可达到最佳的膜清洗效果,通量恢复率达97%以上.在外加磁场强化清洗过程中,滤饼层中的磁种发生磁化作用,滤饼层表现出微弱的宏观磁性,在磁场的作用下向磁极运动,使得膜通量恢复率明显提高.此外,在MEFMF工艺中采用间歇磁强化清洗,可以更加有效地去除引起不可逆膜污染的胶体和有机物,降低膜污染速率,减缓膜污染.

喷气增焓空气源热泵系统可显著提高系统低温性能,应用在寒冷地区时冬季环境温度普遍在-5℃以下,而且全年温度波动范围非常大,仅以名义工况(干球温度为7℃)评价系统性能,难以准确有效反映系统真实节能效果.为此在兰州地区建立了喷气增焓空气源热泵实验系统,实测不同环境温湿度条件下系统性能,结果表明系统COP在喷气电磁阀关闭时基本呈线性变化关系,瞬时COP可达6.5,在喷气电磁阀开启时COP衰减更为缓慢,瞬时COP在2.0左右;据此分段拟合出热泵COP的经验关联式,确定其适用范围,并进行实验验证,与本实验系统相比其平均相对误差在3%以内.

木质纤维素类物质中天然纤维素与半纤维素、木质素等组分交联形成了坚固的细胞壁,对纤维素酶水解和微生物消化表现出一定的抗性,原料预处理可以克服细胞壁抗性,提高木质纤维多糖生化转化效率.从细胞壁超微结构层次入手,对甘蔗渣细胞壁在高温液态水预处理过程中的解构机理进行了深入研究.未处理甘蔗渣细胞壁分层现象明显,由外至内分别为胞间层(ML)、初生壁(P)及次生壁(S),高温液态水预处理后各层界线变得模糊.SEM-EDXA分析表明细胞壁各层木质素分布发生了迁移,水解液中的木聚糖和木质素衍生物在细胞壁表面凝集生成类木质素滴状沉淀物.拉曼光谱分析结果显示预处理后纤维素在细胞壁各层分布趋于均质化.

针对膨胀阻燃剂在有效提高聚丙烯(PP)阻燃性能的同时会大大降低PP力学性能的问题,以自制的马来酸酐(MAH)接枝三元乙丙橡胶锌离聚物(EPDM-g-MAZn)作为PP/IFR阻燃材料的改性剂,研究其对PP/IFR阻燃性能以及力学性能的影响及其机理.结果表明,EPDM-g-MAZn离聚物能在保持PP/IFR材料良好阻燃性能并在基本不损失拉伸强度的同时使PP/IFR材料的冲击强度提高4.46倍,拉伸强度的保留率明显高于PP/EPDM-g- MAH/IFR.ZnO与EPDM-g-MAH上的MAH形成的离子键作用可以形成以ZnO连接很多EPDM的交联结构,在PP与IFR之间起交联剂和补强剂的作用,提高界面结合强度,从而有效提高PP/IFR材料的力学性能.

针对微小尺寸或局部带有微小结构的制件模塑成型时熔体充模流动困难而影响制件质量的问题,以典型的带有微圆柱阵列结构的薄板型制件为对象,提出将抽真空排气和超声振动技术集成应用到自行设计制造的微注塑模具中,并采用单因素成型实验方法,研究了高密度聚乙烯(HDPE)和聚丙烯(PP)两种聚合物材料在施加与不加超声外场以及不同工艺参数和超声功率变化条件下填充薄板型制件上微圆柱圆角曲率半径的变化规律.结果表明,不加超声外场时提高熔体和模具温度及增大注射速率可使两种材料填充的微圆柱圆角曲率半径逐渐减小,施加超声外场时填充的微圆柱圆角曲率半径可进一步减小,从而有效提高了制件的填充质量;同时发现,无论有无超声作用,HDPE材料填充的微圆柱圆角曲率半径均明显小于PP材料.

利用水热技术以TiCl₄水解法制备介孔锐钛矿Yb-P-TiO₂纳米片.基于XRD、TEM、BET、XPS、FTIR、DRS和PL分析,探讨Yb和P共掺杂对TiO₂表面物理化学特性及光催化活性的影响机制.在模拟太阳光照射下,样品光催化降解4-氯酚活性顺序为:TiO₂ < Yb-TiO₂ < P25 < P-TiO₂ < Yb-P-TiO₂,表明Yb-P共掺杂对提高光催化活性产生协同作用.20 mg·L^-1的4-氯酚溶液在0.8 g·L^-1的Yb-P-TiO₂悬浮液中经模拟太阳光照射120 min后,TOC去除率达87.6%,表明4-氯酚能够被有效矿化.P掺杂对抑制TiO₂由锐钛矿向金红石相的转变和改善表面结构特性起决定性作用.Yb³⁺能俘获光生e^-生成Yb²⁺,Yb²⁺又易于将e^-转移给表面吸附O₂生成·O₂^-,有效抑制载流子复合.P 3p与O 2p轨道杂化能级与氧空位能级共同作用导致带隙窄化,改善光吸收性能.Yb-P共掺杂能进一步抑制光生e^-/h⁺复合,提高量子效率;进一步增加表面羟基,有利于俘获光生h⁺生成强氧化性羟基自由基.上述因素均有利于提高光催化活性.

利用磨盘形力化学反应器优异的粉碎、分散、混合和力化学反应的多重功能以及增容剂PP-g-MAH的良好增容作用制备了综合性能优良的聚丙烯(PP)/木粉(WF, 80%,质量分数)高填充木塑复合材料,研究了磨盘碾磨、增容剂以及复合方式对PP/WF木塑复合体系的粒径分布、力学性能和形貌结构等的影响.结果表明,不同碾磨次数的PP/WF复合粉体的粒径呈双峰分布,适当增加碾磨次数有利于PP粒径的降低及木粉的均匀分散.随碾磨次数的增加,PP/WF复合材料的拉伸和弯曲性能先增加后下降,但缺口冲击强度一直呈小幅下降趋势.PP-g-MAH的引入及其含量增加均有利于PP/WF复合材料力学性能的大幅改善,其中弯曲模量在增容剂含量为5%(质量分数)时最佳.此外,磨盘碾磨制备的PP/WF复合材料的力学性能优于常规密炼复合法.上述力学性能变化归因于磨盘碾磨改善了PP/WF高填充复合体系中木粉的分散性以及加入的PP-g-MAH显著改善了体系的相容性,其中PP-g-MAH的增容机理为磨盘碾磨剪切力场作用下PP-g-MAH与木粉表面羟基发生了力化学酯化接枝反应.

为了获得具有较好物理力学性能和耐热阻燃性能的橡胶密封材料,以NBR、芳纶纤维(AF)和纳米Mg(OH)₂(MH)为主要原料制备了纳米MH/AF/NBR复合材料.研究了纳米MH和AF不同配比时,复合材料的物理力学性能变化、耐热阻燃性能变化.结果表明:纳米MH对复合材料内部结构有很好的补强作用,而AF添加量较多时,与橡胶的结合强度有变差的趋势.不同配比的纳米MH与AF能够有效改善NBR的物理力学性能.当纳米MH与AF填料配比份数配比为20/10时,复合材料的拉伸强度、定伸应力可以提高4%左右,永久压缩变形降低1%左右,当纳米MH/AF份数配比为30/10时,硬度提高到73度.比较发现纳米MH的阻燃性能要优于AF,纳米MH/AF份数配比为10/10时,复合材料分解温度提高了近20℃,MH/AF填料的加入改善了NBR原有的热稳定性,且复合材料燃烧时烟气生成量较小,为该类复合材料在密封等领域进一步应用奠定了基础.

为了提高高光无痕注塑成型(rapid heat cycle molding,RHCM)制品综合品质,提出了一种基于Kriging模型与遗传算法(genetic algorithm,GA)结合的工艺参数优化策略.将该策略应用于某空调柜机出风面板成型,以正交实验法规划实验,通过CAE分析获取实验样本数据,借助数据归一化法、线性加权法、直观分析法等数据处理方法,得到了对RHCM成型影响显著的工艺参数依次为保压时间、冷却时间、熔体温度、加热时间.然后引入Kriging建模理论,建立了RHCM成型制品综合品质与主要成型工艺参数的近似模型,采用GA对建立的近似模型在可行解空间搜寻最优解.得到的最优工艺参数为:加热时间36.9 s,熔体温度182.9℃,保压压力88.5 MPa,冷却时间51.3 s.最后,通过CAE分析和生产试制分别验证了该优化策略的可行性和合理性.

以氟化铵为矿化剂、四丙基溴化铵为模板剂,在负载晶种的钇稳定氧化锆(YSZ)中空纤维支撑体表面合成了MFI型分子筛膜,并用于乙醇/水的分离;系统考察了氟硅比(n_NH4F/n_SiO2)、合成时间等条件对膜分离性能的影响,在n_NH4F/n_SiO2为0.8、合成时间为8 h下合成出高性能膜,其通量达8.2 kg·m^-2·h^-1、乙醇/水分离因子为47;同时研究了MFI型分子筛膜在乙醇/水体系中的分离稳定性,揭示出该方法所合成膜表面无Si—OH,从而避免了Si—OH与乙醇反应而带来膜分离性能的下降.

通过溶液聚合合成一系列苯乙烯-甲基丙烯酸钠共聚物分散剂.研究了不同单体摩尔比对其产率和在吡虫啉颗粒表面吸附性能的影响,结果表明当两种单体摩尔比为0.8时分散剂的产率和吸附性能相对最优.通过振荡吸附实验研究了最优分散剂在吡虫啉颗粒表面的吸附动力学、等温线和热力学,由XPS近似计算不同温度下分散剂的吸附层厚度.结果表明:吸附动力学符合伪二级动力学方程;吸附等温线符合Langmuir模型;吸附热力学表明该吸附为自发、放热、熵增过程,高温不利于吸附进行;DH_ad < 40 kJ·mol^-1表明该吸附过程为物理吸附;吸附层厚度随温度升高而降低.通过与其他商品化分散剂对比可知该共聚物适合作为分散剂用于吡虫啉的水基化剂型.

引入细胞学说中的大分子拥挤体系并在该体系通过Maillard反应制备了大豆7S球蛋白(b-conglycinin,7S)和葡聚糖(dextran,Dex)的共价复合物,利用转谷氨酰胺酶(transglutaminase,TGase)的交联作用制得蛋白-多糖共价复合物凝胶.对其流变学、质构特性及微结构进行分析.结果表明,在大分子拥挤环境下,7S-葡聚糖比例为2:1的共价复合物制得具有致密且孔洞分布均匀的凝胶网络结构.单纯的蛋白自聚集或者与多糖的共混状态时形成的凝胶弹性模量都较高,但蛋白过度的聚集并不能得到孔洞均匀的凝胶网络结构,共价复合物制备的凝胶中葡聚糖的共价键合作用抑制了TGase交联过程中蛋白质分子间发生过度的相互作用.形貌学观察表明,共价复合物制备的凝胶形成了网络孔径均匀且非常致密的凝胶网络结构.

以海藻酸钠为原料、氯化钙为交联剂,反应直写制备海藻酸钙水凝胶中空纤维及组织工程支架.纤维的凝胶率和溶胀度直接影响支架的成形质量与所装载细胞的存活率.浸取分离所直写中空纤维的未交联部分,分析材料浓度对凝胶率的影响;以滴注凝固浴制备的海藻酸钙微球为对照组,分析直写工艺的溶胀度表现.结果表明,以4%海藻酸钠与3%氯化钙材料交联直写的中空纤维凝胶率和纤维形貌较好地满足了直写工艺的要求;随着海藻酸钠浓度的增加,中空纤维的溶胀度先减小后小幅升高并趋于稳定;随着氯化钙浓度的增加,凝胶纤维的溶胀度逐渐减小;反应直写工艺由于较小的两相接触表面,其溶胀度比凝固浴制备凝胶微球高2～5倍,更高的含水率有利于保障所装载细胞的活性和传质.