化工学报
 
 
 
 
 
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  化工学报
 
2017年 68卷 9期
刊出日期:2017-09-05

目录
热力学
流体力学与传递现象
分离工程
过程系统工程
表面与界面工程
能源和环境工程
材料化学工程与纳米技术
   
目录
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2017 Vol. 68 (9): 0-0 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 49565KB] ( 68 )
热力学
3321 二维氮化铝材料传热性能的模拟研究
徐上, 赵伶玲, 蔡庄立, 陈超

二维氮化铝材料是一种新型Ⅲ-Ⅴ族二维材料,具有与石墨烯相似的分子结构和材料性能,受到了广泛的关注,然而其导热性能尚未被充分探讨。应用分子动力学模拟的方法研究了单层二维氮化铝在不同温度的热稳定性和导热性能,并分析了其声子频谱。结果表明,单层二维氮化铝材料可以在极高温度(3500 K)下保持结构稳定性,同时在常温情况热导率可达264.2 W·m-1·K-1;在500 K以上温度时,声子色散现象使得该材料热导率明显降低。为二维氮化铝材料导热过程的调控和高温导热材料的应用提供了理论指导。

2017 Vol. 68 (9): 3321-3327 [摘要] ( 55 ) [HTML 1KB] [PDF 1184KB] ( 100 )
3328 基于密度泛函理论的活性炭孔径分布改进算法
朱子文, 郑青榕, 陈武, 王泽浩, 唐政

为提高非定域密度泛函理论(NLDFT)预测活性炭孔径分布(PSD)的精度,考虑了活性炭孔壁面晶体粗糙度对结果的影响。在传统NLDFT基础上,结合吸附壁面碳原子的密度分布,推导出改进NLDFT,预测了氩在光滑及具粗糙碳晶体表面的吸附平衡,并根据87.3 K、氩在活性炭上的吸附平衡数据,在由两种NLDFT确定了不同孔径的理论等温线核后,由寻优函数确定活性炭在0.35~12 nm区间的PSD。结果表明,以改进的NLDFT预测活性炭的PSD时,确定的活性炭孔径呈连续分布,预测平衡数据的相对误差小于10%;传统NLDFT确定的孔径在1 nm处出现断点,最大的预测相对误差范围达45%。改进NLDFT能较准确预测氩在具有粗糙晶体碳表面活性炭的PSD。

2017 Vol. 68 (9): 3328-3335 [摘要] ( 41 ) [HTML 1KB] [PDF 695KB] ( 91 )
3336 三元水盐体系冰点和共晶点的测定、相图表达及计算
刘福云, 黄雪莉, 黄文婷, 王雪莹, 潘毅

针对Na+//Cl-,NO3--H2O、Na+//Cl-,SO42--H2O和Na+,K+//Cl--H2O 3个三元水盐体系,测定了不同组成时溶液的冰点、共晶点以及降温过程的析盐规律,绘制出三元体系温度-组成立体相图。结果表明:三元体系的冰点、共晶点、相关系与组成可用三棱柱表达,3个三元水盐体系在共晶点温度下均无复盐存在,各含有1个两盐与冰的共晶点,3条单盐与冰或盐盐的共晶线,1个冰和两个单盐结晶区;用三元体系温度-组成立体相图能更直观地表达三元水盐体系的结晶区、冰点、共晶点和溶液组成的关系,可以判断溶液降温过程中的盐或冰的析出类型、温度;同时建立了冰点经验公式,应用经验公式和过量吉布斯自由能模型预测三元体系的冰点和共晶点,计算值和实验值吻合良好。

2017 Vol. 68 (9): 3336-3342 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 617KB] ( 80 )
3343 四元体系Li+,K+,Mg2+//B4O72--H2O 273 K相平衡
桑世华, 张婷婷, 傅超, 杨磊

利用等温溶解平衡法研究了四元体系Li+, K+, Mg2+//B4O72--H2O 273 K相平衡关系。测定了该体系平衡时各组分的溶解度和平衡液相密度。根据实验数据和固相组成分别绘制了四元体系Li+, K+, Mg2+//B4O72--H2O 273 K时的稳定相图、水图以及相应的密度-组成图。结果表明:该体系组分之间没有形成复盐和固溶体,属于简单共饱和型体系;体系的稳定相图由1个共饱点,3条单变量曲线,3个固相结晶区组成,结晶区分别对应Li2B4O7·3H2O、K2B4O7·4H2O和MgB4O7·9H2O;平衡液相密度在共饱点处达到最大。研究还对该四元体系在273 K、288 K和348 K不同温度时的稳定相图作了对比分析和讨论。

2017 Vol. 68 (9): 3343-3349 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 561KB] ( 67 )
流体力学与传递现象
3350 超临界CO2管道减压过程中的热力学特性
喻健良, 朱海龙, 郭晓璐, 闫兴清, 曹琦, 刘少荣

基于工业规模CO2管道(长258 m,内径233 mm)实验装置开展了3组不同泄放口径的超临界CO2的泄放实验,测量了CO2减压过程中管内介质压力变化以及介质与管壁的温度分布,分析了减压过程中CO2相态、密度变化及管壁内外传热过程。研究表明,超临界CO2泄放导致管内介质压力、温度及管壁温度均下降,最终趋于稳定,介质由超临界相变为气液两相最终变为气相。初始阶段的温降幅度最大,对流换热强度最大。距离泄放端越远,管内顶部和底部介质的温降幅度越大,对流换热强度越小,在泄漏口附近的对流换热最为剧烈。随着泄放口径的变大,泄放时间和管道内介质与管道的换热时间都变小,且沿着管道方向的管道内流体和管壁的温度梯度变大,对流换热强度也变大。

2017 Vol. 68 (9): 3350-3357 [摘要] ( 48 ) [HTML 1KB] [PDF 2645KB] ( 96 )
3358 FLNG绕管式换热器晃动实验分析
朱建鲁, 常学煜, 韩辉, 李玉星, 孙崇正, 董龙飞, 杨洁, 陈杰, 曾伟平

浮式液化天然气生产储卸装置(FLNG,又称LNG-FPSO)是一种用于海上天然气田开发的浮式生产装置。由于FLNG装置海上作业的特殊环境,FLNG液化工艺不仅要实现最基本的天然气液化功能,还需考虑海上恶劣的环境条件对FLNG液化工艺的影响。海洋中海浪的波动对液化系统中的关键设备——换热器影响较大。为了研究绕管式换热器在海上晃荡条件下的性能,通过建立双混合制冷剂液化工艺小试实验装置,进行绕管式换热器实验装置的晃动实验。结果表明实验装置晃动时,节流阀节流前压力降低,节流后压力升高,节流阀的节流效果变差,绕管式换热器换热效果变差。换热器的换热效果受到晃动的方向和FLNG中设备安装方向的耦合影响,倾斜工况下换热器换热效果受影响最大,受横摇影响较纵摇影响大。

2017 Vol. 68 (9): 3358-3367 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 4826KB] ( 104 )
3368 含细长颗粒的洗涤冷却室内的多相分布特性
彭昕, 王亦飞, 位宗瑶, 陈福田, 于广锁

采用改进的直接取样法,在按几何尺寸缩小的工业气化炉洗涤冷却室冷模装置内,同时测量不同操作条件下的轴径向局部固含率和气含率,对细长颗粒在洗涤冷却室内的多相分布特性进行研究。结果表明:以下降管出口截面为界,洗涤冷却室可分为上部气液固混合区和下部固液流动区,其中上部区域由下降管出口区、破泡板作用区和气垫层区组成,下部区域由气相湍动作用区、回流区和二次流动区组成;在颗粒阻碍效应减速沉降和团聚效应加速沉降的共同作用下,轴向固含率呈现波动分布;环隙气速、固相体积分数和长径比的增加均会增强床层的湍动,促进气体的径向扩散;操作条件的改变使颗粒的漂移速度发生改变,径向固含率分布出现波动;在气相扰动和回流作用下,二次流动区呈现环状流动,流体和颗粒的"壁面效应"使该区域的固含率呈现中心高边壁低的特点。

2017 Vol. 68 (9): 3368-3379 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 2747KB] ( 72 )
3380 具有不同孔隙率多孔介质内的蒸发特性
李鸿如, 陈岩, 张劲草, 辛公明

制作了具有3种不同孔隙率(0.85、0.75和0.60)的多孔镍粉样本,并进行了毛细抽吸实验和蒸发冷却实验(包括稳态冷却实验,初始状态为干态和湿态的冷却实验),以探究多孔介质抽吸和蒸发过程规律。毛细抽吸实验发现孔隙率大的镍粉样本抽吸速率更快,且根据毛细单管抽吸实验和毛细抽吸理论分析结果表明:孔隙率大的镍粉样本具有更大孔径是其抽吸速率更快的根本原因。稳态冷却实验结果表明孔隙率0.85的镍粉样本具有最快的蒸发速率,0.60镍粉样本蒸发速率最慢,这是受到多孔样本抽吸速率主导的结果。在初始干态冷却实验中,孔隙率为0.85的镍粉样本具有最大的瞬态冷却热通量,但要达到最大冷却温度幅度须取得瞬态冷却热流与冷却时间的平衡,因此孔隙率0.75样本冷却温度幅度最大。在初始湿态实验中,孔隙率为0.85的镍粉样本具有最高的烧干温度和最长的烧干时间,表现出最强的抗烧干性能,但是孔隙率0.75样本剧烈蒸发过热度最小且剧烈蒸发时间最长,最能有效抑制样本热端温度升高。

2017 Vol. 68 (9): 3380-3387 [摘要] ( 50 ) [HTML 1KB] [PDF 829KB] ( 87 )
3388 汽轮机动叶栅顶部通道湿蒸汽超声速凝结流动特性
韩旭, 韩中合

由于汽轮机内高速凝结流动的复杂性,目前还没有一个得到普遍公认的凝结成核模型,且现有数值模型通常忽略汽液相间滑移。针对叶栅通道内凝结参数分布陡峭、变化敏感的特点,采用既能准确描述可压缩气体跨声速流动又能捕捉参数突跃的双流体数值模型,对汽轮机动叶栅顶部通道内的凝结流动特性进行分析。揭示压比对湿蒸汽非平衡凝结特性的影响,归纳了叶片表面压力、成核率、湿度、水滴数的变化规律。研究表明:各工况压力面的压比计算值与实验数据吻合较好,但吸力面后半段存在一定误差;双流体数值模型适用于过热工况和入口过冷度较小的凝结工况,但当入口过冷度较大时,几乎无法捕捉到凝结激波导致的压力突跃;激波干涉和涡团掺混也会对水滴分布产生较大影响。

2017 Vol. 68 (9): 3388-3396 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 3914KB] ( 58 )
3397 二项式分布在种群平衡模型模拟粒度分布中的应用
李振亮, 卢培利, 张代钧, 周志恩, 张晟, 何强

提出了一种适用于几何网格的子粒子二项式分布函数,并应用于种群平衡模型模拟活性污泥絮凝后的粒度分布。结果表明:与二元分布相比,该二项式分布可以得到更准确的粒度分布和平均粒度模拟值;通过校核二项式分布参数Cp的取值,可以提高粒度分布和平均粒度的模拟精度。相比于二元分布或正态分布只能描述一种类型的子粒子分布,该二项式分布具有较强的适应性,调整参数Cp的取值,可以得到更多可能的子粒子分布;参数Cp还可以表征粒子的破碎方式——较小的Cp值表征粒子具有较强的稳定性,易破碎生成较大的子粒子;较大的Cp值表征粒子具有较弱的稳定性,易破碎生成较小的子粒子。

2017 Vol. 68 (9): 3397-3403 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 566KB] ( 32 )
3404 纳米粒子对CO2水合物导热性能的影响
刘妮, 洪春芳, 柳秀婷

试验研究了不同种类(Al2O3、Cu、SiO2)、不同质量分数(0.05%、0.1%、0.15%)及不同粒径(10、30、50 nm)的纳米粒子对CO2水合物热导率的影响。结果表明温度为-5~5℃时,纯CO2水合物热导率为0.553~0.5861 W·m-1·K-1,具有玻璃体的变化特性。分散剂SDBS的加入,可改善CO2水合物-纳米粒子体系的导热性能。在相同的质量分数和粒径下,纳米Cu粒子对CO2水合物热导率的增强作用最好,但综合考虑水合物生成特性和溶液悬浮稳定性,选用纳米Al2O3粒子较合适。Al2O3粒子粒径越小,水合物热导率越大,15 nm比50 nm纳米粒子体系中CO2水合物热导率的增长率平均提高了12.7%。此外,CO2水合物热导率随Al2O3粒子质量分数的增大而增大,质量分数由0.05%增加到0.15%时,水合物热导率的增长率由4.2%提高到8.2%。

2017 Vol. 68 (9): 3404-3408 [摘要] ( 43 ) [HTML 1KB] [PDF 466KB] ( 99 )
3409 球形气泡界面变化对尾涡性质和尺寸的影响
费洋, 庞明军

利用计算流体力学法研究了中等Reynolds数下(25 ≤ Re ≤ 500)气泡界面污染程度对其尾流的影响。借鉴圆球绕流和停滞帽模型,提出了一种模拟中等Reynolds数下受污染球形气泡尾流的三维模型,气泡界面污染程度取决于帽角(θ)的大小,帽角越大表示气泡表面污染程度越小。研究发现:Re=25~200时,污染程度的减小会减小尾涡长度(s)、分离角(φ)以及涡中心位置(l)和(h)的数值,但不会改变其与Reynolds数表征的关系;污染程度的减小会使Re=250~500时尾涡的三维特性减弱,使Re=350时有序脱落的尾涡的强度减小并最终使其不发生脱落,使Re=500时无规律脱落的尾涡的无序性减弱并最终使其不发生脱落。

2017 Vol. 68 (9): 3409-3419 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 2590KB] ( 71 )
3420 R290在水平光滑管内的沸腾换热
戴源德, 林秦汉, 邹思凯, 郭玉洁

对内径为4、6 mm水平光滑铜管内R290的沸腾换热特性进行了实验研究,分析了质流密度、热通量、饱和温度、管径对沸腾传热系数以及临界干度的影响,选择5种适用于R290的水平光滑管内沸腾换热关联式,对实验工况下R290的沸腾传热系数进行预测,并与实验值对比。结果表明,管径越小、质流密度越大,或者饱和温度越高,则沸腾传热系数越大;在干度逐渐增大的过程中,沸腾传热系数随热通量的增大先增大后减小。热通量、管径相比质流密度、饱和温度对临界干度的影响更明显,且热通量越大,临界干度越小;管径越小,临界干度越大。5种关联式中,Fang关联式的预测能力最佳。

2017 Vol. 68 (9): 3420-3426 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 652KB] ( 62 )
3427 隔板式内循环流化床颗粒循环速率实验与模型
江国栋, 魏利平, 吴长松, 彭浏畅, 何楠, 陈志文

在不同操作参数及结构参数下对隔板式内循环流化床的颗粒内循环速率进行了实验研究,研究了高速区和低速区的流化速度、静床层高度、隔板间隙等参数对颗粒内循环流动的影响。结果表明这4个参数对颗粒内循环速率都有显著的影响,当其他3个参数确定时,随着其中一个参数的增加,颗粒内循环速率均呈现先增加后减小的趋势,这一结果表明,颗粒内循环过程是多种操作和结构参数的非线性复杂系统。为预测颗粒内循环速率,修正了La Nauze 模型,该模型无须提供压降参数即可计算颗粒内循环速率,对于多种颗粒,其计算结果和实验相差在23%之内。

2017 Vol. 68 (9): 3427-3433 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 582KB] ( 44 )
分离工程
3434 离子液体用于燃油萃取脱硫的选择与过程优化
方静, 张淑婷, 李婷婷, 李春利

针对基于COSMO-SAC模型分子设计方法的准确性问题,采用离子液体脱硫机理分析和实验的方法对其进行了验证,即对[HMIM] [BF4]、[HMIM] [PF6]、[BMIM] [BF4]、[BMIM] [PF6]、[EMIM] [BF4]、[EMIM] [PF6] 6种离子液体作萃取剂时的脱硫效果进行了脱硫机理的分析和实验的验证,得到的脱硫性能排序与离子液体分子设计结果基本一致,且均认为[HMIM] [PF6]脱硫率较高。以[HMIM] [PF6]为萃取剂,通过液相色谱法测定萃取后的液相组成,考察萃取时间、萃取温度、剂油比3个因素对脱硫率、分配系数和选择性系数的影响。通过正交实验设计确定了萃取时间40 min、萃取温度20℃、剂油比2:1为较优操作条件,单次脱硫率为72.74%,四级萃取可将模型油的含硫量由1200 μg·g-1降至6.98 μg·g-1,符合国Ⅴ标准。

2017 Vol. 68 (9): 3434-3441 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 753KB] ( 76 )
3442 离子液体选择性萃取分离磷脂酰丝氨酸和磷脂酰胆碱
师维, 李煜惠, 锁显, 杨启炜, 杨亦文, 邢华斌

同系物分离是高纯度药物单体和化学品制备中的重要环节,磷脂酰丝氨酸是一类重要的药物和功能添加剂,其制备过程中的关键技术是磷脂酰丝氨酸与其他磷脂同系物的分离,但同系物之间结构相似、分离难度大。报道了以离子液体为介质选择性萃取分离磷脂酰丝氨酸和磷脂酰胆碱的方法,系统研究了离子液体结构和浓度、萃取温度对分离性能的影响。研究表明,离子液体的阴离子结构显著影响同系物的分离选择性,且离子液体与极性稀释剂之间存在协同萃取效应,离子液体的摩尔浓度仅为5%时,1-乙基-3-甲基咪唑溴/甲醇-正己烷两相体系中的磷脂酰丝氨酸和磷脂酰胆碱的选择性高达29.48。采用量子化计算初步研究了萃取机理,结果表明离子液体与磷脂之间形成了多重氢键和静电相互作用,从而促进了磷脂同系物之间的选择性分离。

2017 Vol. 68 (9): 3442-3450 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 2409KB] ( 89 )
3451 基于离子液体的“可设计性”和“软酸”性质萃取分离电镀污泥中Cr6+/Fe3+
魏君怡, 李勇, 薛向欣

基于离子液体的"可设计性"和"软酸"性质对于其在电镀污泥酸浸液中铬铁萃取分离方面的应用及其机理进行研究。结果表明:咪唑环上烷基链的长度对于铬铁萃取分离效果有较大的影响,阴离子为[BF4]-的离子液体对于铬铁萃取分离能力大于阴离子为[PF6]-的离子液体。在所研究的离子液体中,[Omim] [BF4]对于铬铁具有较好的萃取分离效果,实现了电镀污泥中铬铁分离。结合斜率法、红外光谱分析、Raman光谱分析,[Omim] [BF4]萃取铬符合离子缔合机理,可推测[Omim] [BF4]咪唑阳离子与Cr2O72-阴离子形成离子缔合物而进入有机相,达到萃取分离,从而实现电镀污泥资源化目的,具有一定的应用性。

2017 Vol. 68 (9): 3451-3458 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 562KB] ( 49 )
3459 耐碱性蛋白A色谱配基的构建及性能评价
管志龙, 白姝, 孙彦, 史清洪

提出了优化分子内作用力提高蛋白A(SpA)的结构域Z分子稳定性的方法,构建了突变结构域Z'和Z"。圆二色光谱分析结果表明,突变结构域具有与结构域Z一致的特征峰,但突变结构域Z'中α-螺旋含量明显高于突变结构域Z"。在pH 6.0下,突变结构域Z'的热转变温度(Tm)较结构域Z提高了3.9℃,而突变结构域Z"的Tm值仅提高了1.6℃。这表明,突变结构域Z'中第12位引入疏水性更大的Ile残基提高了结构域分子的稳定性。色谱介质耐碱性实验结果表明,突变结构域Z'具有更好的耐碱性,其耐碱性在突变结构域Z'四串联体融合蛋白中得到了进一步提升。研究工作为SpA色谱配基的分子改造提供了新思路。

2017 Vol. 68 (9): 3459-3465 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 763KB] ( 67 )
3466 氧化石墨烯改性PVDF超滤膜制备及分离性能
薛娟琴, 王森, 韩小龙, 王玉琪, 李继定

N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠(EDTS)对氧化石墨烯进行修饰,制备出亲水的EDTS-GO纳米复合物。然后通过共混的方式将EDTS-GO添加到PVDF中,制备出EDTS-GO改性PVDF超滤膜。接触角分析和红外光谱结果表明,在相转化过程中EDTS-GO转移至膜表面,PVDF膜表面的亲水性增强。系统考察了不同EDTS-GO添加量对膜性能的影响。膜性能测试表明,随着EDTS-GO添加量的增加,PVDF膜的纯水通量先增大然后降低,当添加量为0.5%时,纯水通量达到最大值,711.2 L·(m2·h)-1。此外,抗污染实验表明,EDTS-GO改性的PVDF超滤膜比未改性的PVDF超滤膜具有更强的抗污染性能。

2017 Vol. 68 (9): 3466-3473 [摘要] ( 64 ) [HTML 1KB] [PDF 2227KB] ( 180 )
3474 润湿性对纳米多孔陶瓷膜输运性能的影响
李云, 胡浩威

为了实现复杂环境中高效回收水资源,采用先进的膜技术,基于建立的半连续超临界相反应改性实验装置对纳米多孔陶瓷膜分别进行亲水和疏水表面改性,通过接触角测量、微观结构观测等方法对润湿改性前后的纳米多孔陶瓷膜进行表征。基于单管管外水蒸气冷凝传热实验系统,对润湿改性前后的纳米多孔陶瓷膜进行了冷凝液输运特性的实验研究,揭示了混合气体温度、冷却水流速、跨膜压差和水蒸气体积分数等典型运行参数对纳米多孔陶瓷膜的冷凝液输运通量的影响规律与机理。同时,采用分子动力学方法,构建了水在不同润湿性纳米孔内输运模拟体系,研究水分子在不同润湿性纳米孔内的输运规律。

2017 Vol. 68 (9): 3474-3481 [摘要] ( 43 ) [HTML 1KB] [PDF 4065KB] ( 105 )
过程系统工程
3482 多变量解耦自抗扰控制在气体流量装置中的应用
赵越, 孙立军, 吴瑕, 陈增强, 唐冰

针对气体流量装置实验管路流量、压力耦合系统,通过机理法和阶跃响应法建立了其数学模型,并利用自抗扰解耦控制算法实现其解耦控制,以保证气体流量计性能测试过程的稳定性和控制快速性。对于气体流量装置多变量系统,自抗扰控制算法将耦合以及所有的内部不确定性和外部扰动都归结到总扰动中,通过扩张状态观测器和控制律对总扰动进行估计和补偿,使原系统被解耦成两个单输入单输出的子系统并利用PD控制器完成控制。自抗扰控制算法使系统在实现解耦的同时既减弱算法对于模型的依赖,又提高了系统的鲁棒性。仿真和实验结果表明,与PID控制算法相比,自抗扰控制算法调节时间更快,解耦效果更好,对扰动的抑制效果更优,性能鲁棒性更强。

2017 Vol. 68 (9): 3482-3493 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 1556KB] ( 43 )
3494 基于核相似度支持向量数据描述的间歇过程监测
王建林, 马琳钰, 刘伟旻, 邱科鹏, 于涛

基于支持向量数据描述的间歇过程监测方法选择历史过程数据中最大的核距离作为控制限,忽略了高维空间中超球体的不规则性,导致基于该方法的过程监测精度不高。针对上述问题,提出了一种基于核相似度支持向量数据描述的间歇过程监测方法,将间歇过程数据待监测样本与支持向量之间的核函数值作为相似度权重,利用该相似度对不同时刻的支持向量球心距加权求和,得到待监测间歇过程数据样本的动态控制限,通过判断待监测样本的球心距是否超过其动态控制限,实现间歇过程监测。所提方法综合考虑了超球体的不规则性和过程数据在高维空间分布的局部特性,以及间歇过程数据待监测样本的时变性,提高了间歇过程监测的准确性。利用数值仿真实验和半导体金属刻蚀实验验证了该方法的有效性。

2017 Vol. 68 (9): 3494-3500 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 492KB] ( 28 )
3501 基于关联变量时滞分析卷积神经网络的生产过程时间序列预测方法
张浩, 刘振娟, 李宏光, 杨博, 路洁

生产过程通常具有大时滞、非线性、多变量耦合等特点,往往难以建立准确的时间序列预测模型。基于生产过程历史数据,提出了一种采用关联变量时滞分析卷积神经网络(CNN)的生产过程时间序列预测方法,首先选取合适的关联变量并对关联变量与输出进行时滞分析,然后利用时滞分析结果确定关联变量时间窗的大小,最后建立合适的CNN模型对时间序列进行预测。某反应精馏过程实验表明,此方法对于大时滞系统的长步长时间序列预测具有较好的准确性。

2017 Vol. 68 (9): 3501-3510 [摘要] ( 14 ) [HTML 1KB] [PDF 3022KB] ( 302 )
3511 混合多目标骨干粒子群优化算法在污水处理过程优化控制中的应用
周红标, 乔俊飞

通过对污水生化处理过程的分析,选取能耗和罚款最低为优化目标,建立污水生化处理过程多目标优化控制模型。为了提高Pareto最优解集的收敛性和多样性,提出一种基于Pareto支配和分解的混合多目标骨干粒子群优化算法(HBBMOPSO)。该方法采用带自适应惩罚因子的分解方法选取个体引导者,采用Pareto支配和拥挤距离法维护外部档案和选取全局引导者。此外,采用精英学习策略增强粒子跳出局部Pareto前沿的能力。最后,将HBBMOPSO与自组织模糊神经网络预测模型和自组织控制器相结合,实现污水生化处理过程溶解氧和硝态氮设定值的动态寻优、智能决策和底层跟踪控制。利用国际基准仿真平台BSM1进行实验验证,结果表明所提HBBMOPSO方法在保证出水水质参数达标的前提下,能够有效降低污水处理过程的能耗。

2017 Vol. 68 (9): 3511-3521 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 1103KB] ( 42 )
3522 采用结构保护策略的强制进化随机游走算法优化换热网络
鲍中凯, 崔国民, 陈家星

鉴于强制进化随机游走算法(random walk algorithm with compulsive evolution, RWCE)在优化换热网络时可能出现有潜力结构被差解代替,提出了一种结构保护策略,增加一个与原种群平行进化的新种群,新种群执行结构保护,个体与原种群一一对应并接收其当前最优解,同时采用一种降维邻域搜索的进化方式,设置个体各维变量更新概率确定搜索维数,充分挖掘个体结构进化潜力,提升了算法的局部搜索能力;原种群则沿用RWCE的主要操作,保留了较强的全局搜索能力。将采用结构保护策略的RWCE算法用于有分流换热网络优化,取得了优于现有文献的结果。

2017 Vol. 68 (9): 3522-3531 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 730KB] ( 47 )
表面与界面工程
3532 基于相变效应的内压型螺旋槽液膜密封性能分析
曹恒超, 郝木明, 李振涛, 杨文静, 汪艳红, 袁俊马

液膜相变现象不仅改变了端面润滑状态,而且对密封性能及稳定性有着显著的影响。使用有限体积法对控制方程进行离散,研究了螺旋槽结构参数与密封工况参数对密封性能及液膜相变率的影响。结果表明:开启力与泄漏量随螺旋角、槽数、槽深、压差、转速的增大而增大,随槽面宽比、槽台宽比的增大先增大后减小,分别在槽面宽比ζ=0.5与槽台宽比φ=0.7时取到最大值。相变率随螺旋角、转速的增大而增大,随槽数、槽深、压差、槽台宽比的增大而减小,随槽面宽比的增大先减小后增大,在槽面宽比ζ=0.8时取最小值。通过对各参数合理地选择与组合,可以有效地抑制相变进程,进而在保证密封运行稳定的同时利用相变现象提高密封性能。

2017 Vol. 68 (9): 3532-3540 [摘要] ( 19 ) [HTML 1KB] [PDF 1294KB] ( 53 )
能源和环境工程
3541 废弃活性炭化学链气化制富氢合成气
王博, 刘永卓, 王东营, 郭庆杰

以废弃活性炭为原料,以Fe4ATP6复合载氧体为载氧体,在间歇高温流化床中考察了废弃活性炭化学链气化制富氢合成气反应的较优条件及复合载氧体的循环反应特性。结果表明,Fe4ATP6复合载氧体具有提供晶格氧及催化气化的双重作用,显著提高了碳转化率,促进了废弃活性炭气化过程,反应活性良好。废弃活性炭化学链气化制富氢合成气的优化反应条件:900℃、水蒸气流量为0.25 g·min-1、OC/C比为1。在上述条件下,碳转化率达92.15%,合成气产量达1.20 L·g-1,其中H2产量为1.09 L·g-1,平均浓度为55.30%。10次循环实验表明Fe4ATP6复合载氧体的反应活性略有降低,通过SEM、XRD分析载氧体的表面形貌、物质组成发现,载氧体反应后结构变化较大,粒径减小,生成了无反应活性的硅酸铁。

2017 Vol. 68 (9): 3541-3550 [摘要] ( 33 ) [HTML 1KB] [PDF 5468KB] ( 110 )
3551 单缸补气转子式压缩机在热泵系统中制热性能
孙晋飞, 朱冬生, 尹应德, 李修真, 涂爱民

利用中间补气技术将单缸滚动转子式压缩机应用于空气源热泵系统中,系统地研究以R410A为冷媒的热泵系统在变频、变补气压力工况下制热性能的变化规律。实验结果表明:中间补气系统的制热量及系统功率均随着压缩机频率f、中间补气压力pinj的增加呈上升趋势,同频率下系统功率则以线性方式增长,而系统制热量随着补气压力及频率的增大,其相对增长率逐渐减小。因此COPh在低频时存在最佳补气压力,而在高频时无极值点;与单级压缩系统相比,在800~1200 kPa、50~80 Hz范围内,中间补气系统的制热量、功率、COPh最大提升分别为27.55%、30.75%、7.1%。随着频率及补气压力的增加,系统COPh下降,因此中间补气技术应与合理的控制策略相结合,可使中间补气系统达到节能高效的目的。

2017 Vol. 68 (9): 3551-3557 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 528KB] ( 68 )
3558 燃煤电厂湿烟气的除湿特性
吕扬, 董勇, 田路泞, 韩哲楠, 申凯, 崔琳, 张立强, 李玉忠

燃煤电厂湿法脱硫后排放的烟气中含有大量水蒸气,造成大量水资源的浪费,溶液除湿工艺是水分回收技术之一。通过绝热型管式降膜除湿试验台,采用价格低廉的CaCl2溶液为除湿剂,探究了湿烟气状态下溶液浓度、溶液温度、传质面积及进口温度对除湿性能的影响,试验得到了CaCl2溶液除湿过程的传质系数,溶液除湿效率远高于清水冷凝除湿,为烟气除湿工艺的选择和性能预测提供了参考。

2017 Vol. 68 (9): 3558-3564 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 638KB] ( 77 )
3565 CaO对汞的选择性吸附及SO2毒化特性
李春峰, 段钰锋, 汤红健, 朱纯, 郑逸武, 韦红旗

利用Ca(NO32作为前体,SiO2为载体,制备了一种担载型CaO吸附剂,在固定床实验装置上分别研究了该吸附剂对元素汞(Hg0)和氯化汞(HgCl2)等不同形态汞的选择性吸附性能,以及SO2对CaO吸附剂汞形态吸附过程的影响,同时结合程序升温脱附和原位红外漫反射表征技术,深入探究了CaO的选择性吸附机理及SO2毒化机制。汞形态吸附实验结果表明,在纯N2气氛和掺杂SO2气氛下,CaO对Hg0均保持了接近100%的穿透率,而对HgCl2在两种气氛下则分别表现出66.0%和60.3%的吸附效率,说明SO2与HgCl2在CaO表面存在竞争吸附关系;吸附实验前后CaO的表征结果显示,与Hg0相比,HgCl2更易与CaO表面各碱性位形成单配位、双配位等多种吸附构型,SO2与HgCl2在易形成单配位的活性位上形成竞争吸附关系,进而在一定程度上降低了CaO对HgCl2的吸附效率。

2017 Vol. 68 (9): 3565-3572 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 4317KB] ( 84 )
3573 有机朗肯循环系统中工质泵的运行性能
张红光, 杨宇鑫, 孟凡骁, 赵蕊, 田亚明, 刘毅

为研究车用有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)余热回收系统中工质泵的性能及选型,在模拟车用ORC余热回收系统的工作环境下,设计并搭建了以R123作为工质的多级离心泵性能测试实验系统。通过控制多级离心泵转速(870~2900 r·min-1)、调节工质流量(0.20~5.00 m3·h-1),得到了多级离心泵特性曲线。通过分析变工况时多级离心泵关键参数间相互作用关系,及其对车用ORC余热回收系统性能的影响情况,验证了多级离心泵应用于车用ORC余热回收系统的可行性,并确定了其最佳工况点参数。研究结果表明:变工况时,多级离心泵总效率为15.00%~65.70%。车用ORC余热回收系统的蒸发压力、热效率均随着多级离心泵转速的增加而增加。在高转速区,工质流量对系统蒸发压力和多级离心泵输入功率(多级离心泵消耗的电功率)的影响明显增大。随着系统蒸发温度的升高,工质泵实际输入功率占膨胀机输出功率的比例(back work ratio,BWR)最高可达0.45。当多级离心泵转速为2900 r·min-1时,车用ORC余热回收系统热效率最高可达10.50%。

2017 Vol. 68 (9): 3573-3579 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 898KB] ( 131 )
3580 一种发电和天然气再液化相结合的LNG冷能利用系统
仇阳, 潘振, 李萍, 杨帆, 庞天龙, 陈树军

针对冷能回收再利用问题,提出了一种结合LNG和燃煤废气发电与天然气再液化的冷能利用系统并对系统进行了改进。对原系统和系统改进部分进行了热力学计算,详细分析了蒸发压力、蒸发温度对系统热力性能的影响,分析了天然气液化率对系统净输出功的影响,确定了发电循环的最佳蒸发压力、蒸发温度及天然气液化率的范围。结果表明:以回收1000 kg·h-1的LNG冷量(火用)计算,发电系统最大净输出功为69.6 kW·h,系统冷(火用)回收效率为41.43%;液化系统LNG液化率最大值为24%;系统改进后,发电系统净输出功和冷(火用)回收效率提高了17.85%,液化系统LNG液化率提高至28%。为日后LNG气化供气过程中的冷能利用提供一种新的思路。

2017 Vol. 68 (9): 3580-3591 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 2638KB] ( 39 )
3592 丙胺溶液水热液化海藻残渣及产物生物油分析
陈泳兴, 魏琦峰, 任秀莲

使用丙胺溶液对裙带菜孢子叶残渣进行水热液化,分析了水热液化后生物油、水溶性物质和固体残渣的成分。在丙胺浓度1.5 mol·L-1、反应温度240℃、料液比1:10的条件下得到生物油的最大产率为39.81%(质量)。生物油通过GC-MS和FT-IR进行分析,结果表明成分包含醇类、烷类、酯类、酸类、酚类和酰胺类等,并存在C=C、C=O、O-H等化合键。水溶性物质通过HPLC和GC-MS进行分析,结果表明主要产物为酸类物质。固体残渣通过XRD进行分析,结果表明水热液化后纤维素的结晶度降低。最后对丙胺进行回收,在温度100℃条件下回收率达到92.56%。

2017 Vol. 68 (9): 3592-3599 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 591KB] ( 57 )
材料化学工程与纳米技术
3600 结构有序的Si/void/C/graphene纳米复合结构的制备及储锂性能
何大方, 李丽鲜, 白凤娟, 沈丽明, 暴宁钟

采用简单的超声、冷冻干燥和热还原相结合的自组装方法,设计和构建了纳米硅核/间隙/无定形碳壳层/石墨烯(Si/void/C/graphene) 三维有序纳米复合结构。在该结构中,纳米硅核与碳壳层之间的空隙有效避免了硅的巨大体积膨胀对碳层的破坏,大幅度提高了锂离子电池的循环稳定性;将Si/void/C纳米结构嵌入在石墨烯层与层之间,利用石墨烯卓越的导电性和柔韧性,进一步缓冲了硅材料的体积效应和提高了复合材料的导电性能。该复合材料在4200 mA·h·g-1(1 C)电流密度下循环1000次后比容量仍高达1603 mA·h·g-1;在67 A·g-1(16 C)的高倍率下,比容量仍有310 mA·h·g-1,显示出了在锂离子电池负极材料领域的巨大应用潜力。

2017 Vol. 68 (9): 3600-3606 [摘要] ( 87 ) [HTML 1KB] [PDF 4127KB] ( 71 )
3607 异丙醇钛控制水解的小角X射线散射
杜倩倩, 谷景华, 默广, 魏彦茹, 殷文杰, 李甲

由金属醇盐水解制备溶胶的方法已广泛应用于溶胶-凝胶法制备纳米孔无机膜,但对金属醇盐水解机理的认识十分有限。通过控制异丙醇钛[Ti(i-OC3H74]在异丙醇(i-C3H7OH)中水解制备TiO2溶胶,利用小角X射线散射(SAXS)方法研究了由不同H2O/Ti(i-OC3H74的反应混合物[Ti(i-OC3H74:H2O:i-C3H7OH=1:m:30(摩尔比)]形成TiO2溶胶的过程,探讨了控制Ti(i-OC3H74水解的过程中胶粒形成与长大的规律。研究结果表明,所合成的TiO2溶胶的胶粒粒径小于10 nm,胶粒的形成和长大与H2O/Ti(i-OC3H74摩尔比密切相关。H2O/Ti(i-OC3H74(摩尔比) ≥ 2.0时,随着H2O/Ti(i-OC3H74增加,溶胶的稳定性下降。

2017 Vol. 68 (9): 3607-3615 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 747KB] ( 93 )
3616 制备高纯超细氧化铝粉体新方法
聂玉娟, 王二东, 王许云

以99.99% 高纯铝板为阳极原料,采用电化学方法制备氧化铝前体氢氧化铝,讨论分析了氢氧化铝的焙烧温度、保温时间对制备高纯超细氧化铝的影响,考察了不同电流密度放电对氧化铝形貌和粒度的影响。结果表明:在70 mA·cm-2的较高电流密度下铝/空气电池放电过程可得到平均粒度为268 nm的氢氧化铝;制备的氢氧化铝经洗涤,在1400℃焙烧,保温3 h,可得到平均粒度为200 nm,形貌为近似球状的99.99% 的超细氧化铝粉体;而低电流密度所得氧化铝颗粒团聚严重。主要原因是高电流密度使放电过程中产生的氢氧化铝晶体的介稳区宽度变窄所致。

2017 Vol. 68 (9): 3616-3622 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 4283KB] ( 109 )
3623 乳胶泡沫引火位置对火蔓延特性的影响
郭晨宁, 黄冬梅, 张明振, 赵玉法

利用自行搭建的小尺寸实验平台,开展了对不同点火位置的乳胶泡沫材料燃烧过程的对比实验,通过对火蔓延过程中的部分重要参数(如最大火焰高度、火蔓延速度和蔓延过程中样品表面温度变化等)的测定,分析了点火位置不同时,乳胶泡沫材料的火蔓延特性。结果表明:边缘点火和中间点火条件下,最大火焰高度分别为397和491 mm,火蔓延速度分别为1.8和0.97 mm·s-1;边缘点火时的乳胶泡沫材料表面火蔓延过程中的温度低于中间点火情况下。

2017 Vol. 68 (9): 3623-3630 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 4481KB] ( 61 )
3631 右旋布洛芬/尿素改性蒙脱土复合物的制备及体外释药性能
李婷婷, 赵乐乐, 郑子良, 王振军, 张瑞平

以蒙脱土为药物载体,利用尿素固相研磨法将蒙脱土层间距撑大,以提高其载药量;采用溶液插层法实现右旋布洛芬的有效负载,制备右旋布洛芬/尿素改性蒙脱土[S(+)-IBU/urea-MMT]复合物;借助X射线衍射(XRD)和傅里叶红外变换光谱(FT-IR)对复合物进行结构表征;采用透析法研究复合物中药物的体外释药性能;运用3种数学模型对其体外释放行为进行拟合分析,探索释药机理。结果表明,在尿素的作用下,蒙脱土的层间距由1.20 nm增大到1.79 nm,右旋布洛芬的负载量最高可达227.9 mg·g-1,较改性前提高了30%;S(+)-IBU/urea-MMT复合物具有良好的缓释效果,在人工模拟胃液(pH 1.2)和人工模拟肠液(pH 6.8)中的累计释放量分别为19.2%和88.4%;复合物的释药行为基本符合零级释放动力学模型。

2017 Vol. 68 (9): 3631-3637 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 696KB] ( 76 )
3638 核壳结构α-Fe2O3锂离子电池阳极材料制备及应用
郭志超, 张丽伟, 程素君

以甘氨酸作为结构导向剂,通过一步合成溶剂热法制备了新型的胶体核壳结构α-Fe2O3。胶体核壳α-Fe2O3的结构单元(壳和核)是纳米盘状的α-Fe2O3,而纳米盘由α-Fe2O3纳米粒子组成。以制备的核壳结构材料作为锂离子电池阳极材料的活性物质,组装成锂离子电池进行测试,电池在180圈循环时仍具有1437.2 mA·h·g-1的放电比容量和1425.7 mA·h·g-1的充电比容量,表明核壳α-Fe2O3胶体呈现出高的锂存储容量和倍率性能。独特的核壳状胶体结构,较大的活性物质与电解液接触面积和快速的锂离子扩散能力可能是该材料具有优异性能的关键因素。

2017 Vol. 68 (9): 3638-3644 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 4149KB] ( 78 )

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