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2017年 第68卷 第3期 刊出日期:2017-03-05
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    本期封面、广告页、中英文目次表
    化工学报. 2017, 68(3):  0-0. 
    摘要 ( 151 )   PDF (43734KB) ( 137 )  
    相关文章 | 多维度评价
    综述与专论
    工业系统超结构模型应用研究进展
    曹健, 牟鹏, 耿志强, 朱群雄
    化工学报. 2017, 68(3):  801-810.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161603
    摘要 ( 452 )   PDF (486KB) ( 430 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    超结构模型的研究和应用可以有效解决化工、水处理、钢铁、冶金等领域中逐渐凸显的能源效率问题,常见于工业系统中的热交换网络和质量交换网络、水网以及其他网络。详细论述了换热网络中的基于状态空间超结构、基于分级超结构模型,以及两种经典超结构模型思想在质量交换网络、水网中的应用。完成超结构构建后,根据工业的实际生产状况,一般以年度总费用为目标函数,选取合理算法优化超结构网络,最终得到所需的新建或者改建方案。总结归纳了常见的优化算法,主要分为两大类:确定性算法和随机算法。最后阐述了超结构模型在科学研究和实际工程应用中还存在的问题以及下一步的研究方向。

    有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究进展
    陈超, 杨修春, 刘巍
    化工学报. 2017, 68(3):  811-820.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160996
    摘要 ( 655 )   PDF (4426KB) ( 1322 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    有机-无机杂化钙钛矿材料不仅具有较高的光吸收能力和载流子迁移率,同时具有双极性特征以及合成方法简单等优点,目前已成为最有发展前途的太阳能电池材料,其光电转化效率在7年内从3.8%迅速提升到20%以上,并有进一步提高的空间。简单介绍了钙钛矿材料的结构与性质,综述了钙钛矿太阳能电池的研究进展,指出了目前电池发展中亟需解决的问题及未来的发展方向。

    木质素的催化加氢转化
    张颖, 翟勇祥
    化工学报. 2017, 68(3):  821-830.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161250
    摘要 ( 653 )   PDF (484KB) ( 1513 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    木质素是来源于木质纤维素的一种重要的可再生生物质资源,可用于制备化学品和燃料。由于木质素本身结构的复杂性和稳定性使其难以有效利用。目前大量的制浆和造纸工业的木质素没有得到有效利用,大部分用于燃烧供能,并且造成了一定程度的环境污染。为了保护环境、实现可持续发展,催化转化木质素制备高附加值化学品成为了研究的热点。木质素转化的研究众多,但是进展依然相对缓慢。目前主要的转化方法包括碱催化解聚、酸催化解聚、热化学转化、加氢处理解聚、氧化解聚等。由于加氢处理解聚木质素可以获得低聚木质素、酚类等有价值的化学品和制备烃类燃料,是目前研究的热点和最有效的方法之一。但是,催化剂失活和解聚产物产率不高等依然是需要进一步解决的问题。基于此,梳理了近年来木质素加氢处理主要的催化体系和相关结果,提出了尚待解决的问题,以期为今后建立有效的木质素解聚体系并实现其高值化利用的相关研究提供参考。

    水合物法分离混合物技术研究进展
    杨西萍, 刘煌, 李赟
    化工学报. 2017, 68(3):  831-840.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161437
    摘要 ( 385 )   PDF (2845KB) ( 411 )  
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    综述了水合物生成法在溶液浓缩和混合气分离两大领域的研究进展。分析表明,水合物法在海水淡化、生物工程、油样分离等溶液分离过程均表现出了一定的应用价值,但仍存在浓缩液夹带、分离效率较低或分离压力高等问题而未能实现工业化应用。针对混合气的分离,与单独水合分离过程相比,包含有水合物生成的吸收-水合和吸附-水合双机制耦合分离技术表现出了气体处理量大、分离效率高、或可实现连续气体分离等优势。但与它们相关的一些基础性问题如水合物浆液的实际流动特性、水合物晶粒与多孔介质之间的作用关系等,需要进一步的研究或确认。在此基础上,对这些分离过程的继续研究给出了参考意见:溶液浓缩分离过程可着眼于开发更有效的水合物生成促进剂或耦合其他分离技术等;混合气分离方面可以在寻找更有效的水合物生成促进剂、明确采用乳液体系分离所得水合物浆液的实际流动特性、揭示采用含水多孔介质分离所得不同相之间的作用机制等方面展开。

    热力学
    ANPyO在不同温度下晶体感度和力学性能的分子动力学模拟
    周心龙, 刘祖亮, 朱顺官, 陈鹏宇, 成健
    化工学报. 2017, 68(3):  841-847.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160276
    摘要 ( 360 )   PDF (2953KB) ( 269 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    NPT系综下,用COMPASS力场对ANPyO超晶胞及沿其(4,0,-2)晶面切割的两种模型分别进行不同温度(195、245、295、345、395 K)下的分子动力学模拟。结果表明,随着温度的升高,ANPyO引发键最大键长递增,引发键双原子作用能和内聚能递减,这与炸药感度随温度升高而增大的事实相一致,一定条件下它们可作为炸药感度判定的理论依据。获得了5个温度下ANPyO和ANPyO(4,0,-2)的力学性能,从理论上揭示了其力学性能随温度递变的规律。

    甲基戊烯酮-水-邻苯二酚三元物系液液相平衡数据的测定与关联
    冯艺荣, 盖恒军, 郭凯, 林凯强, 宋红兵
    化工学报. 2017, 68(3):  848-853.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161068
    摘要 ( 443 )   PDF (412KB) ( 394 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    为了给甲基戊烯酮萃取脱酚过程的设计和开发提供数据支撑,采用液液平衡釜分别测出常压下30、40和50℃甲基戊烯酮-水-邻苯二酚体系的液液相平衡组成,并通过Hand方程、Bachman方程对结果进行可靠性检验,其相关性系数的平方均大于0.99。同时利用Aspen Plus软件选取NRTL模型对实验数据进行关联,得到该三元物系相应的热力学模型参数,并以此计算相应的相平衡组成,与实验数据对比两者间的相对均方根误差和绝对平均误差均为1%。因此,NRTL模型及其参数可准确描述该物系的相平衡行为。

    流体力学与传递现象
    SCV耦合传热特性实验研究与数值模拟
    韩昌亮, 任婧杰, 王焱庆, 董文平, 毕明树
    化工学报. 2017, 68(3):  854-863.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160973
    摘要 ( 292 )   PDF (3735KB) ( 354 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    浸没燃烧式汽化器(SCV)是液化天然气(LNG)接收站中一种必不可少的换热设备,主要通过水浴系统作为中间介质实现烟气与LNG之间的热量传递。搭建一套完整的SCV流动换热实验平台,对其内部复杂的传热特性进行研究。可视化实验结果揭示了汽化器内部一些独特的流体动力学现象(局部水浴结冰等),同时通过建立的气液两相混合物与跨临界LNG耦合传热计算模型得到了换热管束内外局部流体温度和局部传热系数分布曲线,并分析了LNG进口压力、LNG入口速度、初始水位高度以及烟气进气量对NG出口温度和水浴温度的影响规律。研究成果能够为SCV国产化设计提供重要参考。

    喷雾对促进细颗粒物声波团聚的影响
    张光学, 朱颖杰, 周涛涛, 王进卿, 徐鸿, 池作和
    化工学报. 2017, 68(3):  864-869.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161586
    摘要 ( 369 )   PDF (509KB) ( 330 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    以燃煤烟气为对象,实验研究了各参数对喷雾促进声波团聚的影响。结果表明,添加喷雾后,声波团聚效率提高了25%~40%。无论有无喷雾,声波团聚均存在相同的最佳频率,为1400 Hz左右。较低液气比时,团聚效率随液气比的增加而明显增大,但超过0.10后,团聚效率趋于稳定。添加喷雾时,团聚效率随停留时间的增加而提高,但达到4.2 s时基本达到最大值。分析了喷雾提高团聚效率的机理,在喷雾作用下,颗粒之间形成比范德华力更强的液桥力,增大了有效碰撞系数;同时,雾化液滴的加入为气溶胶团聚提供了种子颗粒,周围的细颗粒易与之发生碰撞团聚,使团聚效率提高。研究表明,喷雾方法可以大幅降低声波团聚工艺的操作能耗。

    二氧化硅纳米颗粒对冰浆中冰晶粒径分布及存储演化特性的影响
    刘曦, 林淑娴, 李岁, 李学来
    化工学报. 2017, 68(3):  870-878.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160937
    摘要 ( 315 )   PDF (1865KB) ( 168 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    分别以乙二醇水溶液和氯化钠水溶液为基液配制不同浓度的二氧化硅纳米流体并以此制备冰浆,通过显微装置获得冰晶图像,将实验得到的粒径分布与正态分布、对数正态分布、Gamma分布和Weibull分布进行对比,探讨纳米二氧化硅对冰晶平均粒径与分布特性的影响,同时观测储存过程中冰晶粒径演化规律。结果表明:加入纳米二氧化硅前后冰晶粒径分布均可用Gamma分布描述;纳米二氧化硅可起到细化晶粒的作用,而且添加浓度越高冰晶颗粒越小;当基液为乙二醇水溶液时,加入纳米二氧化硅可较好地抑制储存过程中的冰晶粒径增长,但基液为氯化钠水溶液时,纳米二氧化硅浓度需达到0.75%,才可抑制冰晶增大。研究结果证明,一定浓度的纳米二氧化硅流体可作为制冰溶液,起到减小冰晶粒径并控制冰晶生长的作用,这对冰浆流动和传热性能的改善具有重要的应用价值。

    单孔射流流化床内颗粒混合特性的数值模拟
    张俊强, 纪律, 李斌, 陈海生, 朱瑞, 于文圣
    化工学报. 2017, 68(3):  879-888.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161321
    摘要 ( 291 )   PDF (12754KB) ( 249 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    在欧拉-拉格朗日坐标系下,采用离散单元法对单孔射流流化床内颗粒混合特性进行了数值模拟。引入混合指数对床内轴向及径向布置的颗粒混合质量进行定量分析,并研究了不同表观气速、不同弹性系数对颗粒混合特性的影响。模拟得到了颗粒轴向及径向混合序列图、气体和颗粒速度分布、整床颗粒混合指数分布、参量变化时整床颗粒混合指数分布。结果表明:流化床床层内颗粒混合速度受颗粒内循环能力和颗粒扩散能力的综合作用。单口射流喷动流化床颗粒轴向混合速度主要由颗粒内循环速度决定,颗粒径向混合速度主要由颗粒扩散能力决定。表观气速增大时,颗粒内循环速度增加,从而加快了颗粒轴向混合进程,但对颗粒径向混合影响微弱;弹性系数增大时,颗粒混合速度及混合质量均下降,并且弹性系数增大对颗粒径向混合进程影响小于颗粒轴向混合。

    负压条件管式太阳能蒸馏空腔的传热传质特性
    谢果, 孙立成, 莫政宇, 刘洪涛
    化工学报. 2017, 68(3):  889-895.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161010
    摘要 ( 329 )   PDF (1776KB) ( 185 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对目前管式太阳能蒸馏装置在常压运行时产水率较低的问题,提出了一种可在真空负压条件下连续补水运行的管式蒸馏方法,并在定温及定功率加热条件下,测试了实验样机负压运行时的温度及产水率变化,证明了所提出的负压条件下运行的管式蒸馏方法优于常压运行的一般蒸馏方法。在PT=40 kPa、Qh=200 W定功率加热实验中,空腔传热温差比常压运行时降低约40%;装置全天累计产水量为1.9 kg,比常压运行时产水量增加22.5%。基于稳态实验数据得到了负压修正的空腔传质计算关系式,在此基础上构建了管式蒸馏装置在负压条件运行时的产水率预测模型,其对实验样机全天累计产水预测误差和最大产水率误差分别为2.1%和4%。

    催化、动力学与反应器
    甲烷与正丁烷微小尺度催化燃烧性能比较
    王业峰, 周俊虎, 赵庆辰, 杨卫娟, 周靖松, 张彦威
    化工学报. 2017, 68(3):  896-902.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161322
    摘要 ( 416 )   PDF (572KB) ( 439 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    对微圆管内甲烷和正丁烷在Pt/ZSM-5上的催化燃烧进行实验研究,获得并分析了二者的稳燃范围、产物浓度、壁温分布和壁面散热等燃烧性能。发现在富燃条件下甲烷和正丁烷能够在大当量比下实现催化自稳燃烧。相同流量下正丁烷稳燃当量比范围宽于甲烷,贫燃范围在0.4附近。流量由200 ml·min-1增大至1000 ml·min-1,甲烷和正丁烷转化率出现大幅下降。在实验范围内,正丁烷和甲烷的转化率差异不大。化学当量比条件下随流量增大,正丁烷的转化率在600 ml·min-1开始高于甲烷。甲烷和正丁烷能够在散热比例高达70%的情况下自稳催化燃烧且转化率在95%以上。相同流量下,与甲烷相比,正丁烷催化燃烧的壁温、散热功率和散热比例都更高。整体来看,正丁烷催化稳燃范围较甲烷略宽,两者转化率曲线相近,放热功率和壁面散热功率相差较小,正丁烷在必要时可作为甲烷的替代燃料。

    超支化大分子桥联水杨醛亚胺钴催化剂催化乙烯低聚
    张娜, 王斯晗, 王嘉明, 李翠勤, 王俊
    化工学报. 2017, 68(3):  903-909.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161076
    摘要 ( 372 )   PDF (539KB) ( 224 )  
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    以1.0代(1.0G)超支化大分子、水杨醛和CoCl2·6H2O为原料,依次经过希夫碱反应和络合反应合成了3种具有不同烷基链长度的新型超支化大分子桥联水杨醛亚胺钴催化剂。对目标产物的结构进行FT-IR、UV、MS及TG表征,考察了溶剂种类、助催化剂种类、反应温度、反应压力、Al/Co摩尔比等条件对超支化大分子桥联水杨醛亚胺钴催化剂催化乙烯低聚性能的影响。结果表明,超支化大分子桥联水杨醛亚胺钴催化剂催化乙烯低聚表现出良好的催化活性和高碳烯烃(C10+)的选择性。催化活性随反应温度和Al/Co摩尔比增加先增加后下降,随反应压力增加而增加。以甲苯为溶剂,在一氯二乙基铝(DEAC)活化下,当反应温度为25℃、反应压力为0.5 MPa、Al/Co摩尔比为500时,催化活性可达1.87×105 g·(mol Co)-1·h-1,聚合产物中高碳烯烃的含量高达42.90%。

    过程系统工程
    基于IDA-DEA的乙烯工业能效评价方法研究及应用
    耿志强, 王仲凯, 朱群雄, 韩永明
    化工学报. 2017, 68(3):  910-915.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161611
    摘要 ( 343 )   PDF (446KB) ( 286 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    为有效分析乙烯生产装置的能效状态,评价乙烯行业的能效水平,并寻找提高乙烯能效的改进方法,提出了一种基于IDA-DEA的乙烯行业能效评价方法。首先运用IDA分解方法获得影响能源消耗的活动、结构与强度3个能源绩效指标(EPI);然后使用基于投入-产出松弛变量的数据包络分析方法(DEA)对活动、结构与强度能源绩效指标进行分析,得到提高乙烯装置能效和产量的改进方向;最后,为提高乙烯装置生产提供操作指导。实验结果验证所提方法的可行性和有效性,为石化行业节能降耗提供了新思路。

    基于改进ELM的递归最小二乘时序差分强化学习算法及其应用
    徐圆, 黄兵明, 贺彦林
    化工学报. 2017, 68(3):  916-924.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161555
    摘要 ( 346 )   PDF (648KB) ( 469 )  
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    针对值函数逼近算法对精度及计算时间等要求,提出了一种基于改进极限学习机的递归最小二乘时序差分强化学习算法。首先,将递推方法引入到最小二乘时序差分强化学习算法中消去最小二乘中的矩阵求逆过程,形成递推最小二乘时序差分强化学习算法,减少算法的复杂度及其计算量。其次,考虑到LSTD(0)算法收敛速度慢,加入资格迹增加样本利用率提高收敛速度的算法,形成LSTD(λ)算法,以保证在经历过相同数量的轨迹后能收敛于真实值。同时,考虑到大部分强化学习问题的值函数是单调的,而传统ELM方法通常运用具有双侧抑制特性的Sigmoid激活函数,增大了计算成本,提出采用具有单侧抑制特性的Softplus激活函数代替传统Sigmoid函数,以减少计算量提高运算速度,使得该算法在提高精度的同时提高了计算速度。通过与传统基于径向基函数的最小二乘强化学习算法和基于极限学习机的最小二乘TD算法在广义Hop-world问题的对比实验,比较结果证明了所提出算法在满足精度的条件下有效提高了计算速度,甚至某些条件下精度比其他两种算法更高。

    基于主元独立性分析与混合核RVM的复杂过程区间预测方法研究及应用
    徐圆, 张明卿
    化工学报. 2017, 68(3):  925-931.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161559
    摘要 ( 364 )   PDF (11130KB) ( 305 )  
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    近年来,随着化工过程日趋复杂,对过程监控及关键变量预测提出了更高的要求。传统意义上的点预测已不能满足化工过程上的实际需求,且点预测无法描述过程上的不确定性问题,因此不能很好地把握预测变量的趋势。由此,提出了一种基于主元独立性分析(principal component independent analysis,PCIA)与混合核相关向量机(RVM)的区间预测方法。首先,结合核主元成分分析(KPCA)和独立元分析(ICA)对复杂过程原始变量进行主元成分提取和独立性分析,形成独立主元;其次,将高斯核函数与多项式核函数相结合形成混合核,与RVM结合对得到的独立主元进行回归建模预测,并运用T分布对预测值进行区间估计;然后,构造区间评价综合函数对区间估计结果进行优劣分析,在分析预测区间覆盖率(PICP)及预测区间宽度(NMPIW)的基础上,引入累积偏差(AD)提高区间评判的合理性。最后,将所提方法应用到TE仿真过程进行区间预测分析,仿真结果表明,提出的区间预测方法对实际生产过程具有较高的预测精度和区间估计质量,可以有效地预测关键变量的趋势。

    通用炼油厂水系统优化模型开发与应用
    江苇, 周晶, 邓春, 冯霄
    化工学报. 2017, 68(3):  932-940.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161285
    摘要 ( 314 )   PDF (489KB) ( 383 )  
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    传统水系统优化往往只考虑了新鲜水用量,而忽视了除盐水、除氧水、各等级蒸汽、蒸汽冷凝水、循环冷却水等类型的水,缺乏对各类型水量关联性的研究。针对这种局限性,提出了包含多种类型水的通用用水过程模型,以及通用炼油厂水系统优化的超结构和相应的数学模型,模型中集成了各装置及各种类型水之间关联的物料衡算方程。利用商业软件GAMS对某炼油厂的水系统进行建模求解,案例分析结果表明,除盐水用量有所下降,回用水用量增加,在优化前后雨水量保持469.36 t·h-1的情况下,系统的新鲜水用量从489.44 t·h-1减小到283.94 t·h-1,以系统新鲜水量和雨水量之和为基准,节水率达到21.4%。加工吨原油取水量从0.649 t减小至0.510 t,接近国内先进水平。案例研究表明,提出的优化模型能够有效地计算整个炼油厂水系统的新鲜水用量,验证了该模型的实用性。

    面向产品分布协调的两段提升管催化裂解多目标优化
    王平, 杨朝合, 田学民
    化工学报. 2017, 68(3):  941-946.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161595
    摘要 ( 360 )   PDF (565KB) ( 249 )  
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    根据两段提升管重油催化裂解过程工艺特点和经济运行要求,基于过程机理模型,考虑多种约束条件,构造了同时最大化丙烯、汽油产量以及最小化干气产量的多目标操作优化问题,并采用标准化法向约束方法求解获得了完整、均匀分布的Pareto最优解。仿真结果表明,多目标优化结果可以定量地描述出丙烯、汽油和干气收率间的最优折中,以及操作变量、约束条件对产品分布的影响,可以为过程优化操作提供指导。

    基于JIT-MOSVR的软测量方法及应用
    汪世杰, 王振雷, 王昕
    化工学报. 2017, 68(3):  947-955.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161605
    摘要 ( 422 )   PDF (1341KB) ( 391 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对传统多模型软测量方法在面对复杂、多变工况时缺少在线更新机制、更新时输出精度降低等问题,提出了一种基于即时学习算法(JIT)的多模型在线软测量方法(MOSVR)。离线阶段首先采用模糊C均值聚类(FCM)对训练数据进行聚类,接着采用SVR建立初始模型集。在线部分以多模型输出作为主要输出,当出现新工况时,通过在线模型更新策略(OSMU)将输出模式切换为JIT,同时多模型集进行在线更新。该方法不仅拥有多模型输出的快速性、精确性,而且在模型更新时通过JIT模式还能保证输出的连续性、稳定性、精确性。最后将该软测量方法进行了数值仿真并运用到乙烷浓度软测量中,验证了该方法的有效性。

    基于PBM的L-谷氨酸粒度分布控制优化
    关润铎, 刘涛, 张方坤, 霍焱
    化工学报. 2017, 68(3):  956-963.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160667
    摘要 ( 365 )   PDF (2273KB) ( 546 )  
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    针对β型L-谷氨酸冷却结晶过程,为获取期望粒度分布,采用特征曲线法(MOCH)来建立关于粒度相关生长率的种群平衡方程(PBE),然后通过对种群平衡模型(PBM)参数辨识后确定最优过饱和度及控温曲线。由于辨识模型参数的目标函数具有非线性和非凸型性,因而采用少量经济性的批量冷却结晶实验,结合图像分析晶种和产品粒度分布得到的统计数据,拟合模型参数。根据实际要求的结晶过程时间,为达到目标粒度分布,通过优化结晶过程的过饱和度获得最优调温曲线,实现基于恒定过饱和度的晶体生长过程优化控制。实验结果表明通过优化的控温曲线,实现了基于最优过饱和度控制的期望目标粒度分布。

    酿酒酵母代谢过程的振荡分析
    潘多涛, 史洪岩, 袁德成, 修志龙
    化工学报. 2017, 68(3):  964-969.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161628
    摘要 ( 455 )   PDF (633KB) ( 396 )  
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    振荡现象是生物的固有特征,在不同生物动态过程中都起着重要作用。为探究生物代谢过程中振荡产生的条件,以典型的酿酒酵母发酵生产乙醇过程为研究对象,采用函数连续性分析方法对其数学模型进行深入研究。首先对系统进行仿真,结合相图确认该过程存在等幅持续振荡现象(极限环振荡);以此为切入点,利用分叉分析方法考察模型参数对系统振荡现象的影响;最后根据结果分析系统产生振荡现象的条件。结果显示,该代谢途径中各步反应均有参数会对系统的振荡现象产生影响,得出产生极限环振荡的参数范围,同时根据结果分析,为今后抑制振荡或利用振荡有利特性提供指导。

    基于改进随机梯度Boosting算法的软测量建模
    仓文涛, 杨慧中
    化工学报. 2017, 68(3):  970-975.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161624
    摘要 ( 316 )   PDF (579KB) ( 255 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    在建立复杂化工过程软测量模型时,使用传统的随机梯度Boosting算法(SGB)建模若收缩参数v选取不当会明显降低算法收敛速度,且极易陷入过拟合,难以取得令人满意的泛化效果。为解决这一问题,提出了一种基于SGB集成学习的软测量建模方法,采用高斯过程回归作为基学习器,并针对SGB算法固有的不足,依据每一次迭代中弱学习机的反馈,自适应调整收缩参数v,改善了SGB算法的过度拟合,从而提高了集成模型的估计精度与学习效率。将该方法应用于某双酚A装置的软测量建模中,仿真结果表明,相比于传统SGB建模,该方法具有更高的泛化性能和学习效率。

    基于PLS-LSSVM的谷氨酸发酵产物浓度预测建模
    郑蓉建, 潘丰
    化工学报. 2017, 68(3):  976-983.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161533
    摘要 ( 338 )   PDF (826KB) ( 312 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对谷氨酸发酵过程关键生化参数难以在线检测给发酵优化控制带来困难问题,基于谷氨酸5 L发酵罐发酵过程,建立基于偏最小二乘(PLS)和最小二乘向量机(LSSVM)相结合的谷氨酸浓度预测模型;利用PLS对输入变量进行特征提取降低维数和消除相关性,以简化模型和提高模型精度。为确定谷氨酸发酵最佳预测模型,简化后的预测模型与发酵动力学模型进行比较;实验结果表明,简化后的耦合模拟退火(coupled simulated annealing,CSA)对参数进行优化的LSSVM模型具有最好预测性能,相对PLS预测模型和发酵动力学模型具有明显优势,均方根误差分别为1.597、8.49和2.934,可以为谷氨酸发酵过程操作及时调整及优化控制提供有效指导。

    选择性集成LTDGPR模型的自适应软测量建模方法
    熊伟丽, 李妍君
    化工学报. 2017, 68(3):  984-991.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161570
    摘要 ( 307 )   PDF (656KB) ( 348 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    随着时间的增加,传统时间差(TD)模型会出现性能显著下降的问题。为了提高TD模型的可靠性和预测精度,同时考虑过程的时滞特征,基于一种选择性集成策略,提出一种局部时间差高斯过程回归(LTDGPR)模型的自适应软测量建模方法。首先,提取出数据库中的时滞动态信息,对建模数据进行重构;然后,采取局部化策略对差分后的重构样本进行统计划分,得到LTDGPR模型集。对于新来的输入样本,选择部分泛化能力强的LTDGPR模型进行集成,估计出含一定时间差的主导变量动态偏移值;最后,基于TD模型思想对当前时刻主导变量值进行在线预测。通过脱丁烷塔过程的数据建模仿真研究,验证了所提方法的有效性和精度。

    基于时效关联分析的氧化铝蒸发过程多重时滞辨识
    王峰, 王晓丽, 谢永芳, 谢森, 阳春华
    化工学报. 2017, 68(3):  992-997.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161604
    摘要 ( 274 )   PDF (522KB) ( 255 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    将流程工业中物料在每个单元的滞留时间以整数序列的形式表示,根据时滞序列将原始数据重新匹配生成新的数据矩阵。定义时效关联分析来描述数据矩阵中各个时间序列之间的相关性并使用H范数进行量化,将多重时滞辨识问题转化为求取最大H范数的问题。最后采用离散状态转移算法进行快速求解,得到最优时基序列即为辨识得到的多重时滞。将所提方法用于氧化铝蒸发过程的多重时滞辨识,将辨识出的多重时滞用于预测模型数据的预处理,预测模型的准确性提高了34.4%,验证了辨识方法的有效性。

    一种基于紫外可见光谱的多金属离子浓度检测方法
    朱红求, 陈俊名, 尹冬航, 李勇刚, 阳春华
    化工学报. 2017, 68(3):  998-1004.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161709
    摘要 ( 457 )   PDF (633KB) ( 464 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对Cu2+,Co2+,Zn2+ 3种金属离子混合溶液的紫外可见分光光度法(UV-Vis)光谱重叠而难以检测的问题,提出了一种基于改进型Monte Carle无信息变量消除(MC-UVE)方法的多金属离子浓度检测方法。在MC-UVE的基础上引入指数衰减函数(EDF),提出了一种改进的MC-UVE方法,并基于该方法对料液的紫外-可见光谱进行波长筛选;然后,利用筛选出的波长建立PLS模型并进行各组分浓度检测计算;最后,分别对基于MC-UVE方法和改进型MC-UVE方法PLS模型的计算结果进行对比分析。结果表明:改进型MC-UVE方法可筛选出对模型贡献度高的变量,基于该变量选择方法的PLS模型精度高。

    基于(火用)分析的氧化铝多效蒸发过程液位优化设定方法
    左健, 谢永芳, 王晓丽, 王峰, 阳春华
    化工学报. 2017, 68(3):  1005-1013.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161689
    摘要 ( 381 )   PDF (773KB) ( 281 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    在拜耳法生产氧化铝多效蒸发过程中,各蒸发器液位是影响流程各个参数的重要变量,对整个蒸发过程的优化操作十分重要。但实际生产中各效蒸发器液位的设定值通常是一个较大的范围,难以优化运用。针对此问题提出了一种基于(火用)分析的多效蒸发流程液位优化设定方法。在对液位作用机理分析的基础上,基于整个流程的实际生产数据,拟合得到了每效包含液位随其他参数变化的关系模型。结合蒸发流程物料平衡关系以及(火用)分析方法,建立了综合(火用)效率评价指标的能耗优化模型。最后,采用两种不同约束处理技术和状态转移算法,计算了不同酸洗周期下的各效蒸发器最优液位,得到了优化目标随各个效液位高度变化的关系曲线。

    双流法溶出过程操作参数优化方法
    闫雨晴, 谢永芳, 王晓丽, 尉思谜, 张杏婵
    化工学报. 2017, 68(3):  1014-1022.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161688
    摘要 ( 405 )   PDF (581KB) ( 204 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    氧化铝双流法溶出是拜耳法氧化铝生产中的关键环节,是我国特有的生产工艺。但是,双流法溶出过程中闪蒸器的自蒸水能力没有充分发掘,结疤造成新蒸汽用量不断增加,而人工设定工作点,造成能耗过高。因此,本文建立双流法溶出过程的(火用)优化模型,在一个酸洗周期内根据结疤程度将溶出过程分为3个阶段,并提出一种自适应状态转移算法分别对双流法溶出过程的3个阶段进行操作参数的优化,得到有利于节能降耗的操作条件,为生产提供操作指导。

    基于复杂网络时空特性的泡沫图像动态纹理特征分析
    马爱莲, 徐德刚, 谢永芳, 阳春华, 桂卫华
    化工学报. 2017, 68(3):  1023-1031.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161632
    摘要 ( 287 )   PDF (2594KB) ( 308 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    基于机器视觉的浮选过程监控方法已经被广泛应用于浮选过程中,泡沫表面纹理特征是过程监控的关键视觉特征之一。当前静态纹理特征只能从空间维度描述图像特征,在时间维度上刻画图像序列的内在变化特性存在不足,不能准确反映浮选泡沫浮选过程动态特性。提出了基于复杂网络时空特性的泡沫图像序列动态纹理特征方法。通过将每帧图像的像素点映射到网络各节点,利用邻接矩阵建立复杂网络模型和网络权值动态演化反应不同时刻的图像特征,基于复杂网络时空特性提取泡沫图像序列的动态纹理特征。结合实际生产数据进行仿真验证,实验结果表明该方法可准确识别浮选动态状况,为浮选生产过程的实时调节提供重要的指导信息。

    基于区间二型模糊神经网络的出水氨氮软测量
    韩红桂, 陈治远, 乔俊飞, 张会清
    化工学报. 2017, 68(3):  1032-1040.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161613
    摘要 ( 370 )   PDF (705KB) ( 430 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对污水处理过程出水氨氮(ammonia nitrogen,NH4-N)难以实时检测的问题,提出了一种基于区间二型模糊神经网络(interval type-2 fuzzy neural networks,IT2FNN)的软测量方法,建立了出水NH4-N的软测量模型,实现了出水NH4-N的实时检测。首先,采集和预处理相关过程变量的实际运行数据,通过主元分析法筛选出与出水NH4-N相关性较强的过程变量。其次,利用IT2FNN建立所选变量与出水NH4-N的软测量模型,通过梯度下降算法对模型相关参数进行修正。最后,将基于IT2FNN的出水NH4-N软测量模型应用于实际污水处理过程。实验结果表明,提出的出水NH4-N软测量方法不仅能够实现污水处理过程出水NH4-N的实时检测,而且具有较高的检测精度。

    一种基于改进核Fisher的故障诊断方法
    马立玲, 徐发富, 王军政
    化工学报. 2017, 68(3):  1041-1048.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161000
    摘要 ( 366 )   PDF (1222KB) ( 385 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对化工过程故障数据呈非线性分布,数据类别复杂,难以进行故障诊断的问题,提出一种改进核Fisher的故障诊断方法。对于原始样本数据投影后,样本出现因类间距离存在很大差异性而导致部分类别样本存在混叠的现象,以及不同类别的边界数据归类模糊问题,给出了统一的解决办法。该方法首先采用改进类间距的方法来改变样本投影空间的分布,使得样本具有较好的投影效果,然后通过定义阈值参数来筛选出边界数据,对于边界数据,采用改进的K近邻(K-NN)算法来分类,对于非边界数据,采用马氏距离来分类。最后在TE过程中进行了仿真验证,结果表明方法在兼顾了故障诊断时间的同时,有效提高了故障诊断精度。

    基于鲸鱼优化算法的汽轮机热耗率模型预测
    牛培峰, 吴志良, 马云鹏, 史春见, 李进柏
    化工学报. 2017, 68(3):  1049-1057.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161099
    摘要 ( 593 )   PDF (855KB) ( 643 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    为了准确地建立汽轮机热耗率预测模型,提出了一种基于反向学习自适应的鲸鱼优化算法(AWOA)和快速学习网(FLN)综合建模的方法。首先将改进后的鲸鱼算法与经典改进的粒子群、差分进化算法和基本鲸鱼算法进行比较,结果证明其具有更高的收敛精度和更快的收敛速度;然后采用某热电厂600 MW超临界汽轮机组现场收集的运行数据建立汽轮机热耗率预测模型,并将改进后的鲸鱼算法优化的快速学习网模型的预测结果与基本快速学习网及经典改进的粒子群、差分进化算法和基本鲸鱼算法优化的快速学习网模型预测结果相比较。结果表明,AWOA-FLN预测模型具有更高的预测精度和更强的泛化能力,更能准确地预测汽轮机的热耗率。

    稀土萃取分离过程组分含量区间控制方法
    陆荣秀, 何丽娟, 杨辉, 张国庆
    化工学报. 2017, 68(3):  1058-1064.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161634
    摘要 ( 324 )   PDF (589KB) ( 482 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对稀土萃取过程出口产品的组分含量可以在一定区间范围浮动的要求,提出了一种基于广义预测控制的稀土萃取过程组分含量区间控制方法。首先基于萃取分离过程数据辨识建立组分含量回声状态神经网络(echo state network,ESN)模型;然后针对稀土萃取过程中不同运行工况,采用改进的广义预测控制算法设计组分含量预测控制器,将系统的输出约束纳入求解控制律的优化问题中,使预测控制针对组分含量输出在不同的区域范围采用不同的控制强度,从而实现区间控制同时保证两端出口产品的纯度,最后基于CePr/Nd(铈镨/钕)萃取过程数据的仿真试验验证了该方法的有效性。

    蓝藻生长时变系统非线性动力学分析及水华预测方法
    王立, 高崇, 王小艺, 刘载文
    化工学报. 2017, 68(3):  1065-1072.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161622
    摘要 ( 285 )   PDF (710KB) ( 310 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    为解决现有蓝藻生长动力学模型难以有效描述实际水体中蓝藻生长时变系统的非线性动力学特性,导致水华预测准确性不高的问题,构建蓝藻摄食和营养盐循环模型,并考虑水温、光照等主要影响因素随时间变化对蓝藻生长的影响,进一步建立蓝藻生长时变系统非线性动力学模型,对其常值参数采用遗传算法与数值算法结合的方法进行优化率定,对其时变参数采用多元时序方法进行建模预测,根据分岔理论及时变系统理论分析水华暴发行为的非线性动力学机理,实现对蓝藻生长时变系统的水华预测。通过太湖流域监测实例表明,与现有研究相比,引入时变参数的蓝藻生长动力学模型更能反映蓝藻生长时变系统下水华暴发行为的非线性动力学特性,其水华预测结果更为准确。

    基于关键工序的全局随机机器选择和改进GA求解FJSP
    徐文星, 王琴, 边卫斌, 王万红, 董轶群
    化工学报. 2017, 68(3):  1073-1080.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161625
    摘要 ( 378 )   PDF (489KB) ( 235 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    以FJSP的最大完工时间作为优化目标,在考虑同一工件的工序顺序约束的同时,为提高初始种群的多样性,针对FJSP的机器选择问题采用堆栈方式存储工序。P-FJSP中只有一台机器可选的关键工序能直接影响机器总负荷和工件加工时间,进而提出了一种基于关键工序的全局随机选择(GRS)初始化方法。为了避免基本遗传算法在求解FJSP时陷入局部极优而停滞,在GA算法中加入再激活(re-activation)机制,旨在重新激活种群,增加种群的多样性。最后,针对FJSP基准测试算例进行数值分析,通过初始机器选择部分的性能对比实验、不同初始方式下遗传算法求解FJSP对比实验分别验证了GRS初始化机制的有效性和所提改进算法的可靠性。

    基于T-S模糊模型的间歇过程的迭代学习容错控制
    王立敏, 杨继胜, 于晶贤, 李秉芸, 高福荣
    化工学报. 2017, 68(3):  1081-1089.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161608
    摘要 ( 278 )   PDF (556KB) ( 440 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    间歇过程不仅具有强非线性,同时还会受到诸如执行器等故障影响,研究非线性间歇过程在具有故障的情况下依然稳定运行至关重要。针对执行器增益故障及系统所具有的强非线性,提出一种新的基于间歇过程的T-S模糊模型的复合迭代学习容错控制方法。首先根据间歇过程的非线性模型,利用扇区非线性方法建立其T-S模糊故障模型,再利用间歇过程的二维特性与重复特性,在2D系统理论框架内,设计2D复合ILC容错控制器,进而构建此T-S模糊模型的等价二维Rosser模型,接着利用Lyapunov方法给出系统稳定充分条件并求解控制器增益。针对强非线性的连续搅拌釜进行仿真,结果表明所提出方法具有可行性与有效性。

    微生物燃料电池的动态性能分析及其神经网络预测控制
    安爱民, 刘云利, 张浩琛, 郑晨东, 付娟
    化工学报. 2017, 68(3):  1090-1098.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161627
    摘要 ( 383 )   PDF (778KB) ( 329 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)反应底物浓度的控制问题是整个系统优化控制的重要环节,其控制效果的优劣对系统的输出电压有很大的影响。针对MFC输出电压在常规控制策略下超调量大和响应速度慢的特点,对MFC系统模型中输入量、控制量的变化对系统输出的影响进行动态仿真;将负载电流作为扰动量,提出了针对MFC系统阳极进料流量进行控制的神经网络预测控制策略。仿真结果表明,与PID控制方法相对比,利用神经网络预测控制策略的系统输出电压响应速度快且超调量小,其动态性能得到了较大的改善。

    基于密度权重支持向量数据描述的冷水机组故障检测
    顾笑伟, 王智伟, 王占伟, 何所畏, 闫增峰
    化工学报. 2017, 68(3):  1099-1108.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161077
    摘要 ( 276 )   PDF (830KB) ( 356 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    虚警率(FAR)是评价冷水机组故障检测性能的关键指标,用户无法接受过高的FAR。为了降低支持向量数据描述(SVDD)在冷水机组故障检测时的FAR,将密度权重集成到SVDD中,提出了一种基于密度权重支持向量数据描述(DW-SVDD)的冷水机组故障检测方法,该方法考虑了样本数据在真实空间中的密度分布情况。使用ASHRAE RP-1043冷水机组实验数据对提出的方法进行验证,并将检测结果与传统SVDD的冷水机组故障检测方法进行比较。结果表明,提出的方法将FAR从10.5%降低到7%,同比下降超过了30%,同时对4个劣化等级下的7种典型冷水机组故障有着优良的检测性能。

    一种鲁棒半监督建模方法及其在化工过程故障检测中的应用
    周乐, 宋执环, 侯北平, 费正顺
    化工学报. 2017, 68(3):  1109-1115.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161205
    摘要 ( 264 )   PDF (505KB) ( 375 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    复杂化工过程的观测样本往往包含着测量噪声与少量的离群点数据,而这些受污染的数据会影响数据驱动的过程建模与故障检测方法的准确性。本文考虑了化工过程测量样本的这一实际情况,提出了一种鲁棒半监督PLVR模型(RSSPLVR),并利用核方法将其扩展为非线性的形式(K-RSSPLVR)。此类算法利用基于样本相似度的加权系数作为概率模型的先验参数,能有效消除离群点对建模的影响。利用加权后的建模样本,本文通过EM算法训练了RSSPLVR和K-RSSPLVR的模型参数,并提出了相应的故障检测算法。最后,通过TE过程仿真实验验证了所提出方法的有效性。

    表面与界面工程
    Na0.44MnO2纳米棒/石墨烯正极的制备和电化学储锂性能
    刘才, 王丽媛, 李建刚, 冀德坤, 焦玉海, 张荣月, 徐文星
    化工学报. 2017, 68(3):  1116-1121.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161630
    摘要 ( 312 )   PDF (3769KB) ( 425 )  
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    以KMnO4、MnSO4和NaOH为初始原料,利用水热软化学法制备Na0.44MnO2。XRD证实该材料具有S形孔道结构,TEM表征表明这是一种单晶纳米棒,可能有利于制备高性能正极材料。同时利用Hummers法制备石墨烯作为导电剂,通过搅拌法混合电极材料制备正极涂片。电化学测试研究显示随着的石墨烯添加量的增大,电池容量和倍率性能均得到提高。当石墨烯含量达到45%时,在0.1 A·g-1电流密度下电池容量达到192.5 mAh·g-1,在2.0 A·g-1倍率电流密度下,其容量依然保持在123.4 mAh·g-1,说明该电极材料有潜力应用于下一代高性能电池当中。

    Wood液态合金在NaOH溶液中的电化学反应及表面张力变化行为
    张国堤, 李富祥, 陈剑虹, 曹睿, 林巧力
    化工学报. 2017, 68(3):  1122-1128.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160946
    摘要 ( 352 )   PDF (1724KB) ( 511 )  
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    通过改变液体金属在NaOH溶液中所处的环境介质,利用石墨电极对其施加电场,研究了液态金属的表面张力、界面电化学反应、氧化膜的产生、溶液中电润湿等动态过程。实验发现Wood合金液滴在阳极发生电化学反应产生的氧化膜会迅速减小表面张力并发生铺展,在阴极发生还原反应会使带氧化膜的金属在3 s内恢复到原状,电毛细作用力使氧化膜破裂,各氧化物与NaOH反应产生Sn(OH)62-、SnO32-、SnO22-、PbO32-、Cd(OH)42-使溶液的颜色发生改变,溶液中生成Bi2O3-Bi(OH)3白色共聚物。薄膜电介质层润湿和溶液中电润湿机理在本质上相同,表面张力随着电压的增大而减小并发生明显的电润湿铺展过程,但由于金属液滴通过电化学反应所能吸附的OH-数量有限,润湿角存在饱和性。

    基于黏弹性热流固耦合作用的模内微装配成型过程数值模拟
    周国发, 阳培民, 罗智, 江先念
    化工学报. 2017, 68(3):  1129-1137.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160767
    摘要 ( 315 )   PDF (1273KB) ( 218 )  
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    模内微装配成型技术有望成为高效低成本产业化聚合物微小机械系统制造技术,而如何准确预测和精确控制热流固耦合变形仍是其工业化的技术瓶颈。为此研究建立了考虑二次黏弹性熔体充填流动边界约束作用的模内微装配成型黏弹性热流固耦合变形的理论预测模型,研究表明热流固耦合变形受控于微装配面所承受的热流固耦合压力、黏弹性支撑正应力、黏性摩擦拖曳剪切应力和微型轴的抗变形刚度,且随成型熔体注射速度提高而减小,而微型轴近表面局部跨越393 K区域的PMMA刚度急剧下降是导致微型轴热流固耦合变形随熔体注射速度增加而减小的主控因素。

    能源和环境工程
    储运含油污泥慢速热解特性分析
    王君, 刘天璐, 黄群星, 池涌, 马增益
    化工学报. 2017, 68(3):  1138-1145.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160940
    摘要 ( 324 )   PDF (1150KB) ( 335 )  
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    采用精确控温的固定床反应装置研究了罐底油泥和清罐油泥在不同升温速率下热解产物特性。结果发现当升温速率为5℃·min-1和2℃·min-1时,两种油泥样品的油品回收率均高于65%。提高升温速率有利于促进气相产物的生成,同时得到的油相产物中环状有机物含量提高而链状有机物含量减少,这说明提高升温速率有助于C-H键断裂和环化反应的发生。借助于TG分析和Doyle方程得到两种油泥的热解反应动力学参数。发现随着升温速率加快,表观反应活化能增大了20%~37%。

    操作参数对双蒸发压缩/喷射制冷系统性能的影响
    耿利红, 刘华东, 魏新利, 王珍珍, 邵龙
    化工学报. 2017, 68(3):  1146-1154.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160618
    摘要 ( 408 )   PDF (1110KB) ( 214 )  
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    实验研究了操作参数(冷凝器进水温度、高温蒸发器进水温度和低温蒸发器进水温度)对双蒸发压缩/喷射制冷系统及两相喷射器性能的影响。结果显示,喷射器引射系数随冷凝器进水温度和高温蒸发器进水温度的升高而减小,随低温蒸发器进水温度的升高而增大;喷射器压升比随冷凝器进水温度和高温蒸发器进水温度的升高而增大,随低温蒸发器进水温度的升高而减小。冷凝器进水温度和高温蒸发器进水温度对制冷系统性能的影响较大,而低温蒸发器进水温度对制冷系统性能的影响较小。其中,冷凝器进水温度每降低5℃,制冷系统COP增加0.44;高温蒸发器进水温度每升高2℃,制冷系统COP增加0.16。结果可供双蒸发压缩/喷射制冷系统的设计和运行参考。

    磷石膏加压碳酸化转化过程中平衡转化率分析
    包炜军, 赵红涛, 李会泉, 李松庚, 林伟刚
    化工学报. 2017, 68(3):  1155-1162.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161290
    摘要 ( 388 )   PDF (610KB) ( 291 )  
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    围绕磷石膏加压碳酸化转化过程,首先通过实验研究了原料种类对加压碳酸化转化过程的影响,进一步采用Aspen plus 流程模拟软件深入分析了各工艺参数对磷石膏加压碳酸化过程平衡转化率的影响规律。结果表明,在加压条件下碳酸化反应均可在5 min时达到平衡,其中分析纯无水硫酸钙更容易完全转化,而二水硫酸钙及磷石膏因含有结晶水或其他杂质,使得其难以完全转化。增大初始氨水浓度、N/S(氨和原料中SO3的摩尔比)以及适量提高反应温度与体系压力,均能有效提高磷石膏加压碳酸化反应平衡转化率。特别是在高温和加压条件下,氨与CO2反应生成的碳酸铵盐可以通过降压闪蒸操作实现其自分解,经吸收返回用于加压碳酸化转化过程,可有效提高氨的利用率,降低硫酸铵生产成本。

    化学链燃烧中H2S对NiFe2O4氧载体活性的影响机理
    戴金鑫, 刘晶, 刘丰
    化工学报. 2017, 68(3):  1163-1169.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161223
    摘要 ( 399 )   PDF (3339KB) ( 451 )  
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    采用密度泛函理论方法研究H2S与NiFe2O4(001)完整表面和氧缺陷表面的相互作用机理。结果表明,H2S在NiFe2O4氧载体表面Ni原子位的吸附能比其在Fe原子位的吸附能大。氧缺陷的形成会使H2S在氧载体表面金属原子位的吸附能增大,并且Ni原子位吸附H2S的吸附能增加更为明显。因而,NiFe2O4氧载体表面的Ni原子位是H2S的主要吸附位。同时采用热力学方法进一步研究含H2S的合成气与NiFe2O4氧载体之间的反应,发现H2S与氧载体的反应产物与氧载体的还原程度密切相关。由于铁氧化物的深度还原过程受到热力学限制,H2S与NiFe2O4氧载体反应的主要产物为Ni3S2。密度泛函理论方法与热力学方法研究结果均表明H2S倾向于与NiFe2O4氧载体中Ni发生相互作用,这将对NiFe2O4氧载体的反应性能产生不利影响。

    基于低温烟气余热发电的Kalina循环热经济性能分析
    吴双应, 汪菲, 肖兰
    化工学报. 2017, 68(3):  1170-1177.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160851
    摘要 ( 350 )   PDF (622KB) ( 244 )  
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    以低温烟气余热发电Kalina循环为研究对象,基于热经济学原理,在不同的蒸发器换热端差ΔTe、蒸发压力pe和基本氨水质量分数x下,研究了烟气出口温度Tgo的变化对系统的净输出功Wnet与平准化电能成本LEC的影响。考虑到低温烟气的腐蚀性,分析了固定烟气出口温度为最低允许排烟温度的必要性和合理性。研究结果表明,存在最佳烟气出口温度Tgo,opt和蒸发压力pe,opt使系统的LEC最小;且Tgo,opt与ΔTepex有关。对于Wnet,只存在pe,opt使系统Wnet最大;WnetTgo的增加近似线性减少。经济因素会直接影响到系统的最佳运行参数;在选择循环的运行参数时,应针对不同的热源条件,综合考虑系统的经济性与低温烟气腐蚀性问题。

    Na/K添加剂对SNCR脱硝及NO还原机制的影响
    孙桐, 卢平, 蔡杰, 吴江
    化工学报. 2017, 68(3):  1178-1184.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161189
    摘要 ( 340 )   PDF (525KB) ( 371 )  
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    基于构建的Na-K-C-H-O-N-Cl化学反应机理模型,采用Chemkin动力学模拟软件,研究Na/K添加剂(NaOH、Na2CO3、NaCl、KOH、K2CO3和KCl)对选择性非催化还原(SNCR)脱硝性能影响,通过敏感性分析和产率分析,探讨Na/K添加剂对SNCR过程中NO还原的促进机理和路径。模拟结果表明,在温度为700~800℃且无Na/K添加剂条件下,SNCR脱硝效率几乎为零;Na/K添加剂能够显著提高低温区(小于800℃)SNCR脱硝效率,而其对高温区(大于900℃)SNCR脱硝的促进作用不明显。在温度为700℃和Na/K添加剂参与条件下SNCR脱硝效率可达43.86%~60.76%。不同Na/K添加剂对NO还原促进顺序为NaOH≈Na2CO3 > KOH≈K2CO3 > KCl > NaCl,但同一种Na/K添加剂的浓度变化(6.25~25.0 μmol·mol-1)对SNCR脱硝效率影响较小。Na/K添加剂通过不同的循环路径产生OH基,进而通过NH2基团促进NO的还原,其中碱金属氢氧化物(MOH)对SNCR脱硝的促进路径为NaOH→NaO2→Na→NaO→NaOH,碱金属氯化物(MCl)则主要通过MCl→M→MCl削弱Na/K添加剂的促进作用。

    垂直惰性阳极铝电解槽内的析气行为
    周益文, 周孑民, 陈首慧, 杨建红, 刘志明, 包生重
    化工学报. 2017, 68(3):  1185-1190.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161059
    摘要 ( 266 )   PDF (9757KB) ( 202 )  
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    垂直惰性阳极铝电解槽内,析气行为会影响氧化铝浓度分布和电流效率。利用新设计的透明电解槽进行了电解试验,观察了大尺寸惰性阳极气泡的析出及逸出过程。试验结果表明:在阳极底掌下,气泡进行周期性的生长、长大、并聚和脱离,但大尺寸阳极上气泡的滑动和并聚过程与小尺寸阳极上的不同。阳极工作面上则形成了气泡群,新形成的气泡迅速脱离。紧贴着阳极的气泡运行速度慢,外层的气泡运动速度快。所有气泡最终都经液面逸出,大部分气泡到达液面时立即逸出,少部分未及时逸出的气泡随着电解质做一段水平运动后才逐步逸出。测量到的惰性阳极的气泡运动速度为0.006~0.445 m·s-1,底部的气泡运动速度分布范围宽,然而,受电解质的限制,中上部的范围窄。

    松木成型燃料水蒸气气化反应特性
    牛永红, 韩枫涛, 李义科, 张雪峰
    化工学报. 2017, 68(3):  1191-1198.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161188
    摘要 ( 352 )   PDF (1798KB) ( 296 )  
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    采用自制蒸气气化炉试验系统,以废弃松木屑为原料制作成型颗粒燃料,采用高温水蒸气气化,考察不同气化温度及气料比(S/B)对生物质水蒸气气化反应的影响,利用XRD射线衍射和傅里叶红外图谱分别分析生物质反应残留物及气化焦油,反应残留物的比表面积及空隙特性由BET多点法和BJH法测得。结果表明,蒸汽流量和反应温度有利于促进蒸汽重整、碳还原、CO的变换反应,当S/B由0.5增加到1.5时,温度为900℃,H2体积分数由52.32%增长到67.3%;随温度升高(750~950℃,S/B=1),松木颗粒的失重率由82.91%升高到91.27%,其微孔结构充分发展,平均孔直径由20.96 nm降低到3.76 nm,焦油中脂肪烃含量增加,芳香烃因发生开环反应使其含量降低,有益于降低气化气中焦油含量。

    MoO3/石墨烯/碳纳米管复合阴极在MFCs中的应用
    郭文显, 陈妹琼, 程发良
    化工学报. 2017, 68(3):  1199-1204.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161195
    摘要 ( 369 )   PDF (1158KB) ( 506 )  
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    采用简单的水热合成法制备了氧化钼(MoO3)/石墨烯(GNS)/碳纳米管(CNT)复合材料。用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)表征了材料的形貌和结构。用循环伏安(CV)和线性扫描(LSV)测试了材料的氧还原催化性能,结果发现,复合材料的氧还原电流和起始电位均大大优于单一的MoO3,表现出较好的催化性能。含有3 mg·cm-2 MoO3/GNS/CNT复合材料作为阴极催化剂的MFC最大功率密度为510 mW·m-2,达到商业铂碳的83%。因此,廉价的MoO3/GNS/CNT复合材料作为MFC阴极氧还原催化剂具有巨大的应用潜力。

    循环伏安扫描对微生物燃料电池启动和产电性能的影响
    丁为俊, 刘鹏, 刘伟凤, 陈杰, 朱杭, 黄浩斌, 成少安
    化工学报. 2017, 68(3):  1205-1210.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161181
    摘要 ( 401 )   PDF (1479KB) ( 486 )  
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    微生物燃料电池(MFCs)的启动及产电性能直接影响其应用于对实际废水的处理。以屠宰厂废水为基质研究了循环伏安扫描对单室空气阴极微生物燃料电池启动和产电性能的影响。结果表明:经过24 h CV扫描的MFCs其启动时间比常规电阻(1000 Ω)直接启动的MFCs缩短了71.4%(从420 h缩短至120 h),MFCs最大功率密度提高了21.5%,达到37.8 W·m-3。通过电极生物量测定和生物膜表面形貌观察发现,经CV扫描的阳极生物量显著提高且生物膜的产电菌占优势是MFCs性能提高的主要原因。说明CV扫描不断促进产电菌在阳极表面的吸附,而且增加产电微生物的生长速度。这一技术为发展MFCs的快速启动和提升MFCs的产电性能提供了新思路。

    沉淀-微滤组合工艺处理模拟含碘放射性废水
    杨云, 顾平, 刘阳, 张光辉
    化工学报. 2017, 68(3):  1211-1217.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161228
    摘要 ( 338 )   PDF (547KB) ( 385 )  
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    采用实验室规模的沉淀与膜分离组合工艺处理模拟含放射性I-废水,初始I-浓度约为5 mg·L-1,Na2SO3投加量为40 mg·L-1,CuCl投加量为260 mg·L-1。分析考察了不同水温条件下的除碘效果及其他水质参数变化情况和两个膜通量4.17×10-6 m·s-1和8.33×10-6 m·s-1运行条件下的膜污染情况。运行时间均为168 h,处理含碘离子的废水水量为1540 L。两个膜通量在各自运行期间,平均去除率为94.8%,出水水质较稳定,但是出水的Cu(Ⅱ)离子含量较高,需要增加后续除铜工艺;最终膜比通量分别降至初始膜比通量的65.0%和55.0%,膜组件经物理和化学清洗后SF值分别恢复至初始SF值的90.0%和79.0%。反应结束后两次试验的CF(浓缩倍数)平均值为2.02×103,试验产生的污泥体积较小。

    条浒苔与稻壳共热解协同效应
    王爽, 孙超群, 胡亚敏, 王谦, 林骁驰, 曹斌, 徐姗楠
    化工学报. 2017, 68(3):  1218-1223.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161047
    摘要 ( 283 )   PDF (553KB) ( 249 )  
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    为了进一步探究大型海藻与陆生生物质共热解的协同效应,选取条浒苔与稻壳生物质作为代表进行了单样以及不同混合比例的共热解台架试验。通过三相产物产率的计算,以及生物油产物的GC-MS、FT-IR、热值分析和对气相产物的GC分析,研究了条浒苔与稻壳共热解协同效应的影响。共热解的气相产物产率在各个混合比例下均高于理论值,说明共热解对气相产物的生成具有促进作用,同时共热解气相产物中甲烷、乙烷、乙烯、丙烷为主的小分子烃类物质产率高于理论值,生物油中以乙酸为代表的小分子产物明显增多,分析认为条浒苔灰分中Na、K等碱金属具有促进大分子产物进一步裂解的催化作用,进一步验证了条浒苔与稻壳共热解的协同效应。

    材料化学工程与纳米技术
    多孔PZT压电陶瓷膜的制备及其抗污染性能
    毛恒洋, 邱鸣慧, 范益群
    化工学报. 2017, 68(3):  1224-1230.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160994
    摘要 ( 426 )   PDF (1467KB) ( 292 )  
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    以 PbZrxTi1-xO3(PZT)压电陶瓷粉体为原料,通过干压成型的方法制备多孔PZT陶瓷膜,考察了煅烧温度对多孔PZT陶瓷膜的机械强度、孔隙率以及纯水渗透性能的影响。当煅烧温度为950℃时,可制备出纯水渗透率为850 L·m-2·h-1·MPa-1,孔径为300 nm,机械强度为47.8 MPa,孔隙率为34%的多孔PZT陶瓷膜。在此基础上,考察了极化温度与极化电压对多孔PZT陶瓷膜压电性能的影响,并对极化后的PZT压电陶瓷膜进行萃取和表面等离子刻蚀处理。结果表明:极化温度为120℃、极化电压强度为4 kV·mm-1,极化后经热乙醇萃取及表面等离子刻蚀4 min后,多孔PZT压电陶瓷膜在外加交流电为20 V时,产生的共振振幅信号值达34.8 mV。将制备的多孔PZT压电陶瓷膜在粒径为600 nm的含油乳化液中进行过滤实验,发现陶瓷膜两端未加交流电时,其通量在2 h内衰减至4%。而加交流电后,其稳定通量可维持在20%左右,表明制备的多孔PZT压电陶瓷膜具有良好的抗污染效果。

    干胶转化法合成整体式SSZ-13分子筛
    冯晴, 裴仁彦, 刘红光, 于海斌, 张丽娟, 张耀日
    化工学报. 2017, 68(3):  1231-1238.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161381
    摘要 ( 585 )   PDF (1475KB) ( 829 )  
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    采用干胶转化法合成了整体式SSZ-13分子筛,先成型后晶化,系统地考察了物料配比及晶化条件对合成结果的影响,通过X射线衍射(XRD)、X射线荧光(XRF)、热重-差热分析仪(TG-DTA)、扫描电子显微镜(SEM)、氨气的程序升温吸附-脱附(NH3-TPD)、傅里叶红外光谱仪(FI-IR)、液体核磁共振谱(NMR)对产物进行表征分析,并讨论了混合模板剂N,N,N-三甲基-1-金刚烷氢氧化铵和氯化胆碱在晶化过程中起的作用。结果表明,合成的整体式SSZ-13分子筛具有典型的介孔堆积孔、较大的比表面积,在空气中热稳定性良好。氯化胆碱加速了分子筛晶化,缩短了晶化时间,提高产物的结晶度,明显降低了N,N,N-三甲基-1-金刚烷氢氧化铵的使用量,起到了辅助结构导向的作用,且混合模板剂均填充产物孔道。

    基于分级共沉淀法制备锂离子电池LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料
    夏青, 赵俊豪, 王凯, 李昇, 郭冰, 田院, 杨则恒, 张卫新
    化工学报. 2017, 68(3):  1239-1246.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160974
    摘要 ( 442 )   PDF (8609KB) ( 690 )  
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    通过分级共沉淀(分级进料)方法,结合高温热处理合成了金属元素(Ni,Mn)浓度从中心到表面呈梯度分布(中心富Ni,表面富Mn)的球形三元正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2。利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、能谱仪(EDS)和电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)等表征了所制备材料的成分、形貌和元素分布。通过恒流充放电和循环伏安、交流阻抗等方法对材料的电化学性能进行测试。结果表明,与传统的一级共沉淀方法相比,分级共沉淀所制备材料展现出更高的倍率性能(20 C放电比容量为104.1 mAh·g-1)、循环保持率(0.5 C循环200次容量保持率为95.8%)和快速充放电性能(20 C/20 C放电比容量为85.4 mAh·g-1)。这种分级进料制备技术可以有效提高共沉淀法制备锂离子电池三元正极材料的电化学性能。

    乙二胺后扩链TDI型聚氨酯水分散体的过程
    范仁祥, 陈丁丁, 李嘉晋, 丁运生
    化工学报. 2017, 68(3):  1247-1252.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161013
    摘要 ( 491 )   PDF (509KB) ( 325 )  
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    以甲苯二异氰酸酯(TDI)、聚氧化丙烯二醇和二羟甲基丙酸等为主要原料制备了聚氨酯水分散体,研究了水、扩链温度、原料的-NCO/-OH摩尔比及扩链比对乙二胺(EDA)后扩链TDI型聚氨酯水分散体过程的影响。FT-IR测试表明,分散体中的H2O可通过与聚氨酯中残留异氰酸酯基团(-NCO)的竞争反应影响EDA的后扩链过程。分子量及粒径与zeta电位测试表明,H2O扩链导致分散体失稳;低扩链比时,H2O对EDA的后扩链过程影响明显,但高扩链比时,后扩链聚氨酯的分子量降低;扩链温度升高,经EDA后扩链聚氨酯的分子量降低,而分散体粒径增大。当原料的-NCO/-OH摩尔比为1.20、扩链温度为30℃、扩链比为60%时,可有效降低H2O对EDA后扩链聚氨酯过程的影响。

    乙二胺丙酰化交联壳聚糖微球对甲基橙的吸附性能
    赵世鹏, 冯宗财, 袁爽, 宋秀美, 梁楚欣, 刘芳
    化工学报. 2017, 68(3):  1253-1261.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161439
    摘要 ( 382 )   PDF (6979KB) ( 218 )  
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    通过丙烯酰化交联壳聚糖微球(AGCS)上的丙烯酰基团与乙二胺的Michael加成反应,制备乙二胺丙酰化交联壳聚糖微球(EAGCS)。分别采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)表征了EAGCS的结构,利用激光粒度分析仪进行了粒径分布分析,考察了甲基橙(MO)溶液pH、温度、浓度和EAGCS用量对EAGCS吸附性能的影响。结果表明:EAGCS为球形,微球的体积平均粒径为57.4 μm,粒径分布系数1.53;在最佳条件下,EAGCS的吸附去除率为99.6%,吸附容量可达545.40 mg·g-1,吸附过程属于自发放热过程,吸附动力学符合二级动力学,吸附过程可采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型来描述。

    磁纳米粒子对Vs55溶液反玻璃化等温结晶行为的影响
    于红梅, 胥义, 柳珂, 钮怡清, 程新
    化工学报. 2017, 68(3):  1262-1269.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161440
    摘要 ( 344 )   PDF (4134KB) ( 515 )  
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    借助差示扫描量热仪(DSC)和低温显微系统,研究了磁纳米粒子对典型玻璃化溶液Vs55在反玻璃化过程中等温结晶行为的影响。结果表明:(1)磁纳米粒子经过羧酸(CA)和聚乙二醇(PEG)表面修饰后,对Vs55溶液的玻璃化转变温度(Tg)几乎没有影响,但对其反玻璃化转变温度(Td)和反玻璃化结晶焓(HTd)影响较大;(2)在Vs55的反玻璃化温区范围内(-85~-60℃),随着等温温度的升高和降温速率的增大,经CA修饰的磁纳米粒子均会显著促进Vs55的反玻璃化现象,在-85℃等温时的冰晶生长速率为0.37 μm·s-1,75℃等温时则为2.19 μm·s-1,而当降温速率从2℃·min-1增大到100℃·min-1时(在-75℃等温结晶),其反玻璃化冰晶生长的速率由1.72 μm·s-1增大到3.54 μm·s-1;(3)与Vs55相比,两种修饰均明显促进了其反玻璃化,在-80℃等温结晶时,Vs55溶液的生长速率为0,而CA和PEG修饰分别达到了1.04 μm·s-1和2.31 μm·s-1;与CA修饰相比,PEG修饰后的磁纳米粒子更加促进了Vs55溶液的反玻璃化现象,在-85℃等温时的冰晶生长速率为0.62 μm·s-1,而-75℃等温时则达到了6.25 μm·s-1,这个结果也充分说明了磁纳米粒子表面修饰物质的不同必定会显著影响Vs55的反玻璃化结晶生长。