用等转化率方法求解动力学参数是复杂生物质热解动力学过程控制的关键环节。本作品通过在推导过程中引入微小量,并采用迭代计算方法,提出了一种新的迭代线性等转化率方法。该方法比传统线性方法精确,比非线性方法计算速度快且复杂度低,并能精确解析传统方法不能有效求解的活化能随反应进程剧烈变化的动力学过程。新方法应用于甜高粱茎杆残渣等生物质热解反应动力学的过程控制,大幅提高了过程控制的响应速度和精度。
近年来国际能源短缺问题突出,各种新型替代能源广受关注。生物质热解技术因其能将生物质原料转化为生物油而成为最具前景的生物质能转化技术之一。而生物质热解动力学的研究是生物质热解技术应用的基础,其对于生物质热解工艺的优化,热解机理的探究以及生物质热解反应动力学的过程控制具有十分重要的意义。
生物质热解反应动力学过程是一个复杂反应过程,而在复杂的反应动力学分析中,用等转化率方法求解动力学参数是其过程控制的关键环节。然而,传统的线性等转化率方法在计算时会引入较大的系统误差,而非线性等转化率方法计算复杂度高。
本作品根据反应动力学基本方程,在推导过程中引入微小量,并采用迭代计算方法,提出了一种新的迭代线性等转化率方法。该方法比传统线性等转化率方法精确,比非线性方法计算速度快且复杂度低,并能精确解析传统方法不能有效求解的活化能随反应进程剧烈变化的动力学过程。该方法的提出为反应动力学领域的一个理论创新。
本作品首先利用理论模拟反应动力学数据验证了新方法的有效性。在此基础上,作品将新方法应用于甜高粱茎杆残渣等生物质热解反应动力学的过程控制,大幅提高了过程控制的响应速度和精度。
此外,在进行实验数据预处理时,作品研究并提出了一种改进的Logistic混合模型预处理方法,较西班牙学者Ramón Artiaga教授提出的Logistic混合模型方法提高了预处理精度。
新的迭代线性等转化率方法自2009年11月发表以来,被引用5次,其中他引4次。国际反应动力学研究领域的权威专家,Thermochimica Acta主编Sergey Vyazovkin教授在其撰写的论文“Sergey Vyazovkin. Thermal analysis. Analytical Chemistry, 2010, 82(12), 4936-4949”中给予了该方法较高的评价,认为该方法对于活化能随反应进程剧烈变化的动力学过程也能精确求解。国际反应动力学研究领域的权威专家,罗马尼亚科学院热分析与量热委员会副主席,Journal of Thermal Analysis and Calorimetry副主编Petru Budrugeac教授也给予了该方法很好的评价,认为该方法能在较Vyazovkin方法更短的时间内精确解析热解动力学过程。
作品研究成果在Journal of Computational Chemistry, Chemistry Engineering Science, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry等国际权威期刊上发表论文7篇。
[1] A New Iterative Linear Integral Isoconversional Method for the Determination of the Activation Energy Varying with the Conversion Degree. Journal of Computational Chemistry, 2009, 30, 1986–1991. (IF = 3.769,第二作者,第一作者为通讯联系人、指导老师)
[2] Evaluation of realistic 95% confidence intervals for the activation energy calculated by the iterative linear integral isoconversional method. Chemical Engineering Sciences, 2011, 66, 2879-2882. (IF = 2.136,第二、三、四作者,第一作者为通讯联系人、指导老师)
[3] Application of the golden section search algorithm in the nonlinear isoconversional calculations to the determination of the activation energy from nonisothermal kinetic conversion data. Solid State Sciences, 2010, 12, 829-833. (IF = 1.675,第二、四作者,第一作者为通讯联系人、指导老师)
[4] Kinetic analysis of wheat straw pyrolysis using isoconversional Methods. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2009, 98, 325–330. (IF = 1.587,第二作者,第一作者为通讯联系人、指导老师)
[5] Modified Logistic Mixture Model for Kinetics of Sweet Sorghum Bagasse by Dynamic Thermogravimetric Analysis. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects (Accepted). (IF = 1.094,第四作者,第一作者为通讯联系人、指导老师)
[6] Thermal decomposition kinetics of sweet sorghum bagasse analysed by model free methods. Journal of the Energy Institute, 2011, 84, 1-4. (IF = 0.659,第一作者,第二作者为通讯联系人、指导老师)
[7] Weibull mixture model for isoconversional kinetic analysis of biomass oxidative pyrolysis. Journal of the Energy Institute, 2009, 82, 4-7. (IF = 0.659,第二作者,第一作者为通讯联系人、指导老师。该文同时还参加了6th International Symposium on Multiphase Flow, Heat Transfer and Energy Conversion的交流)
第十二届“挑战杯”作品 二等奖
作品的相关内容发表SCI论文7篇。其中关于新方法的提出、验证及预处理方法各发表一篇,关于新方法的应用发表三篇。(由于字数限制,仅列出3篇,详见附加材料)
[1] A New Iterative Linear Integral Isoconversional Method for the Determination of the Activation Energy Varying with the Conversion Degree. Journal of Computational Chemistry, 2009, 30, 1986–1991. (IF = 3.769,第二作者,第一作者为通讯联系人、指导老师)
[2] Evaluation of realistic 95% confidence intervals for the activation energy calculated by the iterative linear integral isoconversional method. Chemical Engineering Sci