新工科背景下化工原理实验教学改革和实践

文章结合“新工科”建设背景,针对目前化工原理实验教学实践中存在的问题和不足,以专业培养目标为导向,通过融入课程思政,增强学生工程伦理和职业操守的责任感;重构课程教学目标,丰富实验教学内容;构建“课赛融合”模式,提升课程高阶性和学生实验动手能力;完善课程考核评价体系,建立过程性评价机制等措施,对化工原理实验教学和评价体系进行改革,旨在推动创新型、交叉复合型高素质人才培养体系的发展。

多级闪蒸海水淡化系统的优化设计

在考虑盐水温度、质量浓度等物性参数的基础上,对多级闪蒸海水淡化系统进行了优化设计,建立了严格的数学模型。引入了热回收段级数、热排放段级数和盐水循环比3个变量,以年度费用最小为目标函数,运用混合遗传算法进行求解,并给出了1个算例分析。

多级闪蒸海水淡化与水电联产模拟与优化

海水淡化技术已成为解决淡水资源紧缺的有效途径之一。将贯通型(OTMSF)、带有盐水循环器(MMSF)和带有排热段(CMSF)的3种不同结构的多级闪蒸(Multi-stage flash,MSF)海水淡化装置分别与水电联产进行集成,并建立集成系统的数学模型,以最大经济效益为优化目标,探讨各操作参数和结构参数对集成系统性能的影响。结果表明,产水量一定时,3种集成系统的经济效益均随闪蒸级数的增大呈现出先增大后减小的变化趋势,而发电量则均出现下降的趋势。产水量Md增大时,CMSF和OTMSF系统的总经济效益均增大,且OTMSF的总经济效益高于CMSF;MMSF的经济效益明显低于前两种,其变化趋势是先升高后下降。

海水淡化技术集成的研究进展

分析了海水淡化技术之间的耦合特性,详细介绍了海水淡化方法自身集成、不同方法间的集成、海水淡化与不同能源的集成、预处理技术与海水淡化的集成以及海水淡化产业链的深度集成的研究进展。指出了海水淡化存在集成度低、缺少理论指导等问题,建议加强海水淡化集成及优化技术的理论研究。

热膜耦合海水淡化系统的优化设计

采用混合节点和分配节点的概念,建立了多级闪蒸(MSF)和反渗透(RO)海水淡化集成系统的超结构模型,以年度总费用最小为目标,引入产水比的概念,并将该参数作为集成系统的一个优化变量,采用改进的遗传算法进行求解,获得了集成系统的最优结构及相应的操作条件。实例结果表明:集成海水淡化系统的淡水成本比独立运行的RO和MSF低,产水比为0.45时集成系统的费用最小,流程结构为MSF-RO。

超滤水处理系统中膜组件化学清洗方法研究

对1级1段超滤水处理系统中膜组件的化学清洗问题进行了研究,改进了膜污染模型,给出清洗依据,规划期为2年,1个月为1个时段,以规划期内总的操作费用最小为目标,将膜组件的化学清洗表达为一个混合整数非线性规划(MINLP)问题,用GAMS软件进行求解,得出规划期内膜组件的最佳清洗时机。算例结果表明,提出的超滤膜组件的化学清洗策略和求解方法是可行的,与实际生产中膜组件的清洗操作相一致。

考虑水需求的水电联产海水淡化系统的优化设计

水电联产不仅能缓解淡水资源不足的问题,而且可有效降低能耗和淡化成本。建立了水电联产系统数学模型,将优化设计描述为一个混合整数非线性规划(MINLP)问题,并采用混合编码的遗传算法进行求解,结果表明,以水定电模式下水电联产系统最优操作模式为发电、多级闪蒸(MSF)和反渗透(RO)三者的集成,且MSF和RO的产水比存在最优值,发电采用背压式蒸汽轮机。随着淡水需求量的增加,联产系统的淡水成本逐渐降低,MSF与RO的产水比呈现出逐渐降低的趋势。

SiC微细颗粒分散特性的研究

采用沉降法,以水、聚乙二醇为介质,对SiC微细颗粒的自然分散行为及分散剂、溶液pH值对其分散行为的影响进行了研究。结果表明:颗粒在不同介质中的自然分散行为有着明显差异;分散剂对分散介质具有选择性,不同分散剂的分散效果不同;分散剂用量及溶液pH值对颗粒的分散也有显著的影响。

复杂反应的反应—分离集成的研究

对复杂反应体系的反应—分离集成问题进行了研究。以 Denbigh反应为例 ,运用遗传算法对反应—分离循环的复杂流程结构进行了优化设计 ,分析了工艺参数对流程结构的影响。计算结果表明 :对含中间产品的复杂反应体系 ,存在反应—分离循环圈的现象 ;反应、分离之间的相互影响主要集中在反应—分离循环圈内。反应—分离集成流程结构和最佳工艺条件不仅与反应动力学有关 ,而且与反应器投资和分离难易程度有关。

多产品多级连续化工过程生产调度的研究

对多产品多级连续化工过程的生产调度问题进行了研究,考虑了设备清洗和设备生产效率下降对生产过程的影响.依据该过程具有组合和连续性特点,将该调度模型归结为一混合整数非线性规划问题(MINLP),以利润最大为目标,采用改进的遗传算法对该模型进行了求解.用一个三产品两级连续过程的例子说明了该算法的有效性.

反渗透海水淡化系统的优化设计

对反渗透海水淡化过程的设计进行了研究。首先对过程的每个单元给出了单元操作模型和相关的经济模型。通过一定的变量将这些模型相互关联,组成系统模型。系统模型主要考虑了一级流程和二级流程。将年费用最小定为目标函数,并满足过程热力学、设备选型、设计要求等约束。系统的设计问题可表达为一个混合整数非线性规划(MINLP)。当产品水的设计要求不同,给水浓度不同时,采用本文的设计方法分别得出了不同的最优设计方案。这个方法可用于海水、苦咸水淡化的工程设计,也可用于高浓度含盐废水的脱盐工艺设计。

基于导数分析的反应器网络综合方法

对反应器网络综合问题进行了研究,分析了瞬时选择性对关键组份组成的偏导数与最佳反应器类型之间 的关系,给出了确定最优反应器的三条规则。对CS符号不变的反应体系,用这些规则可获得最优反应器网络。对 一般的反应体系,假设了五种典型S-CA曲线所对应的反应过程,分别对不同曲线类型给出了确定最优反应器网络的方法。此外,按本文方法所得的最优反应器网络结构是一个CSTR或PFR或由CSTR、PFR组成的串联结构, 由 AddCS的符号及其变化情况决定。给出了两个说明本文方法的例子,结果表明本文方法简单并可获得与文献相同或相似的结果。

脱盐过程的比较和选择

本文简要介绍世界上三种主要海水淡化方法-多级闪蒸、低温多效蒸馏和反渗透的原理、特点和方法选择。将这三种方法进行比较并结合实践对选择海水淡化方法的依据进行探讨。预计21世纪的海水淡化市场会有更大发展。

海水淡化过程优化设计的研究进展

海水淡化是能源密集型工业,对淡化工艺、操作参数及设备结构等进行优化设计是降低淡化过程能耗的有效途径。本文分析了不同海水淡化方法的技术特点,详细介绍了海水淡化过程的优化设计方法及海水淡化技术集成的研究进展。

海水、苦咸水反渗透淡化系统的模型及设计

基于过程系统综合的方法，对采用多级反渗透工艺的海水、苦咸水淡化系统的设计进行了研究。首先，建立1个包括所有可行设计方案的超结构模型，同时采用本文提出的膜组件模型来近似描述当中的反渗透单元的分离过程。该单元模型考虑了膜元件中的压降和浓差极化。然后给出了相关的经济模型，将投资费用、操作费用和设计变量相关联。以年费用最小为目标，将系统的设计问题表达为1个混合整数非线性规划（MINLP）。对此数学规划问题进行求解，可得到最优的反渗透结构，操作条件，以及每个压力容器中最恰当的膜元件数。对几个苦咸水淡化的实例进行设计，得到较高的产水率，吨水费用比没有进行结构优化的情况低10％-15％，表明这种方法是有效的。

应用遗传算法求解多相化学反应体系的相稳定性及平衡组成

基于吉布斯自由能最小法原理,研究用遗传算法求解复杂化学体系的平衡问题。将相数和相态未知体系的平衡计算问题分解为两步最优化问题:假定相态数目下的吉布斯自由能最小化问题和相稳定性判据问题。通过序贯加入新相和用遗传算法交替求解两个最优化子问题,可得到最终体系的相数、相态和平衡组成。对合成甲醇和酯化反应两个多相复杂体系进行了的计算,结果验证了本研究方法的有效性。

反渗透海水淡化系统中膜组件的清洗策略

反渗透海水淡化法中膜组件的定期清洗是防治膜污染的主要措施之一.膜清洗可将膜表面的污染物去除,达到恢复透水量的目的.在保证产水量的情况下,选择恰当的清洗策略和清洗时机可使清洗次数最合理,清洗费用最低.以规划期内总操作费用最小为目标,提出了新的污染模型,给出了清洗的判据,将清洗策略问题表达为一个混合整数非线性规划(MINLP).对一个实例进行计算,给出了该例中的反渗透系统在5年规划期内的最优清洗策略和清洗时机.结果证明这种数学规划方法对于寿命为3～5年的膜组件的清洗维护是有效的.

多相多组分体系相平衡计算的改进τ因子法

提出了一种多相平衡计算的改进τ因子法,该方法基于一种修正各相摩尔分数和的概念,研究模型的建立和用遗传算法计算多组分复杂体系的相平衡问题。首先通过建立数学模型,将相平衡计算问题转化为带线性约束的非线性规划(NLP)问题;其次用遗传算法对模型进行求解,并通过对优化变量采取动态边界的可行域编码方法保证了算法的有效实施;最后对2个体系的计算表明,结果与文献值相吻合,且此方法不仅可以求解不含化学反应体系的相平衡问题,也同样适用于含化学反应体系的相平衡计算,是一种比较可靠和通用的方法。

基于T-H图的全过程能量利用系统逐步优化综合策略

针对大规模复杂过程的能量利用提出了基于T-H图的逐步优化的综合策略。该策略以系统冷、热物流的T-H图为基础,分析系统能量集成的瓶颈和不合理的换热过程,指导系统引入热机、热泵,或进行工艺改进,从而增加或改变冷热物流,使T-H图发生改变。如此重复,通过多次改进,逐步调整冷、热物流在T-H图上的相对位置,构造出两条近似平行的冷、热物流曲线,使系统能量得到梯次合理的利用,从而达到最大限度降低系统公用工程消耗量的目的。该策略综合考虑了能量利用、转换环节的改进以及公用工程和工艺过程的有机结合,能够实现全过程能量利用的综合优化。应用这种策略,对甲醇制烯烃的能量利用系统进行了优化设计,结果表明所提策略是有效且简便易行的。

工业级聚乙二醇溶液的吸附脱色研究

以温度、活性炭用量、脱色时间和溶液pH值为实验因素,以脱色率为考察指标,采用正交实验设计对工业级聚乙二醇溶液进行了脱色及优化;以聚乙二醇溶液的吸光度来表征色素浓度,建立了吸光度与色素浓度之间的函数关系和色素吸附等温线。最终确定了聚乙二醇溶液的脱色最佳条件:活性炭用量10%,脱色温度20℃,脱色时间8 h,溶液pH值为6.0,脱色率为82.4%,加入1%氧化剂H2O2后脱色率提升至90%,满足工业聚乙二醇溶液回收的色度要求。