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锂电池的两阶段老化过程经验模型与分析

高校化学工程学报 2024年第1期38卷 113-120页

作者：吕海潮康丽霞刘永忠西安交通大学化工系陕西西安710049 新能源系统工程与装备陕西省高校工程研究中心陕西西安710049 陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049

锂离子电池的老化过程可分为固体电解质界面膜增长和锂沉积机制主导的2个阶段。为了快速准确预测锂离子电池的循环寿命,并快速识别老化过程两阶段的转折点,建立了基于锂电池电化学过程模型的两阶段老化过程经验模型。针对镍钴锰酸锂电... 详细信息

锂离子电池的老化过程可分为固体电解质界面膜增长和锂沉积机制主导的2个阶段。为了快速准确预测锂离子电池的循环寿命,并快速识别老化过程两阶段的转折点,建立了基于锂电池电化学过程模型的两阶段老化过程经验模型。针对镍钴锰酸锂电池的老化过程,基于电池两阶段电化学过程模型获得不同参数条件下两阶段的电池老化数据,采用两步非线性拟合方法获得了锂离子电池两阶段老化过程的经验模型,验证了该经验模型的有效性,并与传统的半经验模型进行了对比分析。结果表明:所建立的电池老化过程经验模型可以有效预测不同参数条件下电池的两阶段老化过程。特别是在电池加速老化阶段,所建立的经验模型明显优于传统的半经验模型。

关键词：锂离子电池容量衰退循环寿命转折点两阶段经验模型

机器学习驱动的生物质热解模型建立及挥发分化学链重整制氢工艺优化

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化工学报 2024年

作者：刘根孙仲顺张博张榕江吴志强杨伯伦西安交通大学化学工程与技术学院陕西省能源化工过程强化重点实验室

针对生物质气化制备绿氢过程中气化效率低、氢气选择性差的挑战，提出了一种热解串联挥发分化学链重整制氢的解耦工艺。在对上述过程理论分析时发现，热解挥发分的产量和组成与生物质性质和热解操作条件之间的复杂关系难以通过传统模型... 详细信息

针对生物质气化制备绿氢过程中气化效率低、氢气选择性差的挑战，提出了一种热解串联挥发分化学链重整制氢的解耦工艺。在对上述过程理论分析时发现，热解挥发分的产量和组成与生物质性质和热解操作条件之间的复杂关系难以通过传统模型化方法被准确关联，从而制约了上述工艺的精确分析调控。因此本论文基于机器学习方法建立了生物质快速热解过程的产物分布预测的神经网络模型，并结合粒子群优化算法确定最佳热解条件，使热解挥发分的氢原子比和高位热值最大化，氧原子比最小化。随后，基于流程模拟对挥发分化学链重整制氢工艺进行了分析和优化。研究结果显示，所建立的神经网络模型能够准确预测热解三相产物的产率、热解气的详细组成、热解油的元素分布及高位热值等。在上述输出参数的综合测试集中，模型的平均决定系数为0.821，平均均方根误差为2.00。优化后，草本生物质（小麦秸秆、玉米秸秆）和木本生物质（榕树、松木）的热解挥发分产率为64.49%至78.62%，氢原子占比在3.77%至4.39%之间。在重整温度700℃，蒸汽/生物质质量比0.71～0.88的优化工况下，小麦秸秆的氢气产量和CO2负排放能力最高，分别为0.6 Nm3/kg与-1.74 kg CO2/Nm3。采用生物质挥发分化学链重整制氢工艺，四种生物质的氢气产量相较常规气化分别增加了61%、35%、16%和34%。研究结果为生物质制备绿氢提供了有效的基础支撑。

关键词：机器学习化学链重整气化生物质优化

多目标协同正弦优化算法求解分布式流水车间调度问题

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控制理论与应用 2024年第6期41卷 1029-1037页

作者：郎峻顾幸生华东理工大学能源化工过程智能制造教育部重点实验室上海200237

针对最小化最大完工时间(makespan)、总拖期以及平均空闲时间的多目标序列相关准备时间分布式流水车间调度问题,本文提出一种多目标协同正弦优化算法(MCSOA).算法主要包括4个核心阶段:在多邻域搜索阶段,提出了基于关键工厂的搜索策略,... 详细信息

针对最小化最大完工时间(makespan)、总拖期以及平均空闲时间的多目标序列相关准备时间分布式流水车间调度问题,本文提出一种多目标协同正弦优化算法(MCSOA).算法主要包括4个核心阶段:在多邻域搜索阶段,提出了基于关键工厂的搜索策略,并通过正弦优化算法控制搜索范围;在破坏重构阶段,设计了一种迭代搜索策略引导个体的进化方向,同时使用正弦优化算法平衡全局开发与局部搜索;在选择阶段,使用非支配排序与参考点的方法筛选优质解,外部档案集用于存储所有非支配解;在协同阶段,设计种群间共享与竞争机制,平衡3个目标的优化.本文通过多目标优化的均匀性、反世代距离和覆盖率3项性能指标验证算法的有效性,并使用非参数检验证明所提出的算法具有显著性优势.

关键词：多目标优化分布式流水车间调度序列相关准备时间正弦优化算法协同优化

管道泄漏检测的主动式压力波激发膜片特性研究

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化工设备与管道 2024年第3期61卷 104-110页

作者：郭希健曹峥邓建强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049

设计了主动式压力波发生器,利用压缩空气冲击膜片可以在管道中激发幅值和波形稳定的压力波,从而用于主动式压力波泄漏检测。文章通过实验探究了膜片种类、厚度及预变形对压力波激发特性的影响。实验结果表明,线弹性材料膜片在回弹时会... 详细信息

设计了主动式压力波发生器,利用压缩空气冲击膜片可以在管道中激发幅值和波形稳定的压力波,从而用于主动式压力波泄漏检测。文章通过实验探究了膜片种类、厚度及预变形对压力波激发特性的影响。实验结果表明,线弹性材料膜片在回弹时会产生很强的负压波,且当进气时间为80 ms及100 ms时,其压力波幅值远低于非线弹性的橡胶膜片;当进气时间为100 ms时,用不同种类橡胶膜片激发的压力波幅值仅相差20 kPa。橡胶膜片厚度对压力波幅值的影响较小,但增加膜片厚度可以避免水侧和气侧压力曲线发生分离。膜片施加预变形可以略微提高压力波幅值,同时使水侧和气侧压力曲线不会分离。因此,压力波激发应当选用橡胶作为膜片材料,适当提高膜片厚度且施加预变形。

关键词：压力波压力波发生器膜片管道实验

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N-杂环储氢载体的储放氢性能

化工进展 2024年

作者：李培雅杨福胜王斌方涛西安交通大学化工学院陕西能源化工过程强化重点实验室新能源系统与装备工程研究中心陕西氢易能源科技有限公司

N-杂环有机物因其较低的脱氢反应焓而被认为是最具潜力的有机液态储氢载体。本研究基于五种常见N-杂环储氢载体，使用商业催化剂考察各自的储放氢性能：商业Ru/Al2O3催化剂被用于评估贫氢-N-杂环储氢载体的储氢性能，而商业Pd/Al2O3催... 详细信息

N-杂环有机物因其较低的脱氢反应焓而被认为是最具潜力的有机液态储氢载体。本研究基于五种常见N-杂环储氢载体，使用商业催化剂考察各自的储放氢性能：商业Ru/Al2O3催化剂被用于评估贫氢-N-杂环储氢载体的储氢性能，而商业Pd/Al2O3催化剂被用于评价富氢-N-杂环储氢载体的放氢性能。在 180 ℃反应 6 小时的脱氢过程中，十二氢-N-乙基咔唑、八氢吲哚和八氢-N-甲基吲哚的转化率分别为 96.54%、61.98% 和 75.11%，脱氢率分别为 79.88%、30.15% 和 54.47%；200 ℃ 反应 6 小时后，十氢喹啉和十氢-2-甲基喹啉的转化率分别为 4.92% 和 44.42%，脱氢率为 3.22% 和 35.35%。结果表明，N-乙基咔唑体系在放氢效率方面表现优异，而N-甲基吲哚体系储放氢活性均表现良好，且其所有物料在常温下均为液态，具有实际应用优势。喹啉体系储氢密度高，但其储放氢条件较为苛刻，仍需进一步研究优化。本研究结果为N-杂环储氢载体的选择提供了可参考的依据和储放氢性能评价方法。

关键词： N-杂环有机液态储氢载体加氢脱氢氢钯氧化铝催化剂

2D MoS_(2)及其异质结构在生物传感领域的应用

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应用化工 2024年第5期53卷 1129-1133,1137页

作者：高燕王斌姜召方涛西安交通大学新能源系统工程与装备工程研究中心、陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049 陕西氢易能源科技有限公司陕西西安712000

简要介绍了多相态二维(2D)MoS_(2)纳米材料的结构、制备和相态调控策略。MoS_(2)具有可调节的电子转移和光学特性,可以通过制备过程参数的调制对产物相态调控。不同相态的MoS_(2)性质差异巨大,因而在传感器上的应用不同。详细介绍了基... 详细信息

简要介绍了多相态二维(2D)MoS_(2)纳米材料的结构、制备和相态调控策略。MoS_(2)具有可调节的电子转移和光学特性,可以通过制备过程参数的调制对产物相态调控。不同相态的MoS_(2)性质差异巨大,因而在传感器上的应用不同。详细介绍了基于不同相态MoS_(2)及其异质结构的2D纳米材料在生物传感领域的代表性应用。重点剖析了不同相态MoS_(2)在不同类型传感器中所起的作用。生物传感技术的发展对于疾病的诊断和临床治疗,以及环境和食品安全监测等领域都至关重要。希望可以为高性能MoS_(2)基生物传感器的研发和构建提供参考。

关键词： 2D材料 MoS_(2) 相态调控异质结构生物传感器

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陕北富油煤热解提油产物分布特性研究

煤田地质与勘探 2024年第7期52卷 176-188页

作者：俞尊义郭伟杨盼曦高琨杨甫马丽王晶李红强杨伯伦吴志强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室陕西西安710021 陕西省煤田地质集团有限公司陕西西安710021 西安交通大学电气工程学院陕西西安710049

【目的】富油煤是集煤、油、气属性于一体的特殊煤炭资源,富含带有脂肪结构的侧链和桥键等富氢结构,在热解过程中易裂解生成焦油和煤气,是实现煤热转化制油气的理想原材料。目前关于富油煤热解提油相关研究尚处于起步阶段,探究热载体类... 详细信息

【目的】富油煤是集煤、油、气属性于一体的特殊煤炭资源,富含带有脂肪结构的侧链和桥键等富氢结构,在热解过程中易裂解生成焦油和煤气,是实现煤热转化制油气的理想原材料。目前关于富油煤热解提油相关研究尚处于起步阶段,探究热载体类型、升温类型、热解温度等工艺条件对热解过程的影响,对于优化富油煤热解制油气工艺具有重大意义。【方法】以陕北神木富油煤为研究对象探究其在CO_(2)、N_(2)等不同气体热载体条件下热解的油气产出特性,并利用响应面分析法建立富油煤热解所得焦油产率和轻质焦油产率受关键因素影响的回归模型,探究升温类型、气体热载体类型、热解温度三因素交互作用对二者的影响以及焦油产率和轻质焦油产率最大时的最优反应条件。【结果和结论】结果显示:慢速热解过程中,焦油产率在N_(2)气氛下随温度升高呈先升后降趋势,在550℃时最高为10.50%;轻质焦油产率不断增加,在600℃时达到60.67%。相比N_(2)气氛,CO_(2)气氛下,焦油产率和气体产率均有所升高,轻质焦油产率进一步提高,最高达63.67%,焦油中芳香烃和含氧化合物含量也有所升高。相比于慢速热解,富油煤在两种气体热载体条件下快速热解所得焦油产率均有所升高,600℃时CO_(2)气氛下最高(11.71%),焦油中酚油、蒽油等含量增加,轻质焦油产率下降,焦油中酚类、脂肪烃、含氧化合物含量有所增加,热解气中H_(2)和CH_(4)浓度有所降低。基于响应面分析得到三因素对焦油产率和轻质焦油产率影响的显著性顺序均为:热解温度>气体热载体类型>升温类型。以最大焦油产率和最大轻质焦油产率为目标,利用回归模型优化得到最优热解工艺分别为:快速热解、CO_(2)气氛、595℃和慢速热解、CO_(2)气氛、558℃,最优预测值分别为11.72%和60.75%。经过实验验证确定最优条件下的焦油产率和轻质焦油产率分别为:11.94%和60.67%,优化结果与实验验证结果基本一致。

关键词：富油煤气体热载体类型升温类型热解提油响应面法

产物导向与机器学习驱动的富油煤热解提油热效应评估

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煤炭学报 2024年第8期49卷 3635-3646页

作者：俞尊义刘根郭伟杨盼曦杨甫马丽王晶李红强杨伯伦吴志强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049 陕西省煤田地质集团有限公司陕西西安710026 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室陕西西安710026 西安交通大学电气工程学院陕西西安710049

煤炭热解过程的热效应是煤炭热解机理研究、反应器设计等过程的关键参数。目前关于煤炭热解热效应的评估方法之间精度差异较大,其中应用最多且可行性最大的方法为基于同步热分析仪(TG-DSC同步联用)来进行测定,但该方法依然对仪器的测量... 详细信息

煤炭热解过程的热效应是煤炭热解机理研究、反应器设计等过程的关键参数。目前关于煤炭热解热效应的评估方法之间精度差异较大,其中应用最多且可行性最大的方法为基于同步热分析仪(TG-DSC同步联用)来进行测定,但该方法依然对仪器的测量精度依赖较大,且在得到热流曲线之后的热效应计算方法之间精度也存在差异,导致数据的可重复性差,难以适应大规模生产及工艺设计的需要。富油煤含有较多的脂肪侧链、桥键等富氢结构,在热解过程中受热裂解生成更多的焦油,是良好的煤制油原材料。热解工艺的调控是影响富油煤热解所制焦油品质的关键因素,这其中热解过程的热效应又是热解工艺开发的重要参数,因此无论是对富油煤热解还是对广义的煤炭转化来说,都迫切需要开发准确、高效的煤炭热解热效应评估方法。基于富油煤慢速热解实验结果并结合热解反应机理和经验公式,以产物为导向构建富油煤热解反应体系,利用经典热力学分析方法进行反应体系的热力学计算,得到富油煤热解过程的化学反应热,再结合热解过程中的物理吸热量,得到了富油煤中低温慢速热解过程中的热效应。结合已报道的煤炭热解实验结果和热解热效应测定值,利用机器学习方法中的随机森林模型对煤炭热解热效应进行非线性建模和预测。结果表明:基于实验结果,以产物为导向计算得到的富油煤慢速热解热效应数值总体要低于利用TG-DSC同步联用测得的数值,误差均在10%以内。基于机器学习算法预测得到的富油煤热解热效应的预测精度达到0.9352。综合来看,所构建的2种富油煤热解热效应预测模型具有实用性和适用性。

关键词：富油煤热解热效应产物导向机器学习

陕北富油煤分子模型构建及其热解提油分子动力学特性

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煤田地质与勘探 2024年第7期52卷 132-143页

作者：郭伟杨盼曦俞尊义杨甫王晶马丽李红强杨伯伦吴志强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室陕西西安710021 陕西省煤田地质集团有限公司陕西西安710021 西安交通大学电气工程学院陕西西安710049

【目的】富油煤结构复杂,热解反应过程与机理不明晰,需要进一步研究富油煤结构与其热解产物分布的构效关系,明晰富油煤热解提油机理。【方法】以陕北典型富油煤为研究对象,结合^(13)C NMR、FTIR和XPS等表征方法,计算并构建富油煤分子模... 详细信息

【目的】富油煤结构复杂,热解反应过程与机理不明晰,需要进一步研究富油煤结构与其热解产物分布的构效关系,明晰富油煤热解提油机理。【方法】以陕北典型富油煤为研究对象,结合^(13)C NMR、FTIR和XPS等表征方法,计算并构建富油煤分子模型,分子式为C_(444)H_(380)O_(74)N_(8)S。基于构建的富油煤分子模型,通过ReaxFF MD对陕北富油热解产物分布、热解特性以及焦油生成机理进行了深入分析。【结果和讨论】结果表明,陕北富油煤具有大量脂肪侧链和桥键等富氢结构,受热容易分解生成焦油和气体等挥发分。温度和升温速率对富油煤热解产物分布影响显著,模拟热解温度在1500 K时富油煤没有完全反应,挥发性产物质量分数为7.8%;模拟热解温度升高至2000~3000 K时,分子及自由基碎片运动越剧烈,二次反应也更明显。随着升温速率的增加,气体产物降低,而焦油产物先增加后减少;升温速率在100~200 K/ps时,富油煤没有完全热解,导致挥发分产率低于36%。根据热解产物分布推测,陕北富油煤热解反应机理是富油煤大分子中富氢结构受热断裂形成自由基碎片,进一步发生热解生成轻质焦油、重质焦油和气体产物。

关键词：富油煤煤热解分子模拟热解温度升温速率模型构建富氢结构