基于动态模式分解的精馏吸收状态变量非设计条件下的重构与预测

精馏和吸收作为典型的非线性过程,其操作过程中存在大量描述系统特征的状态变量。为了对这些状态变量进行重构和预测,实现精馏吸收过程的实时数字孪生,通过动态模式分解算法(DMD)获取非线性系统的近似线性化模型,用于快速获取精馏吸收过程中各级浓度、流量、温度和持料量等状态变量。在此基础上,应用Kalman滤波器对DMD生成的线性模型进行实时校正,使得在非设计和有限测量条件下,也可以有效地预测吸收或精馏的状态变量,而无须重新训练模型。

基于梯度提升决策树的三组元精馏流程结构最优化

针对三组元精馏流程结构最优选择问题,提出一种基于梯度提升决策树(gradient boosting decision tree,GBDT)的机器学习方法,利用7种精馏流程结构分离9种三组元混合物的经济评价结果数据用于模型训练。分别应用传统决策树和GBDT模型对多个实际案例进行验证,结果显示无论是对已知物系还是未知物系,提出的GBDT模型相较传统决策树模型具有更高的预测准确率。

基于实验数据的湍流扩散POD模态分析

采用粒子成像测速(PIV)和激光诱导荧光(LIF)技术同时测量了水平通道中湍流扩散过程的流速和荧光剂浓度的瞬时分布,并利用实验数据,通过本征正交分解(POD)模态分析方法,实现了湍流条件下荧光剂扩散过程中浓度分布的数值重构。该方法应用于瞬时浓度分布的特征分析中,得到了瞬时分布的各阶模态,并分析各阶模态空间分布特征及其所含能量。结果表明,浓度分布在距离荧光剂入口较近的区域具有较强的周期性,且低阶POD模态能量占主导地位。应用POD分析得到的模态可以较准确地重构距离荧光剂入口较近区域的浓度分布的基本特征,相对误差主要集中于距离荧光剂入口较远的区域,表明本文提出的基于POD模态分析的湍流条件下浓度场的数值重构更适用于周期性较强的系统,为预测未知时刻的湍流扩散浓度分布提供了基础。

基于信赖域算法的精馏塔优化

从结构优化角度建立精馏塔优化的混合整数非线性规划(MINLP)模型,为了消除整数变量,引入绕流效率将MINLP问题转化为非线性规划(NLP)问题。针对得到的NLP问题提出一种优化方法,在该方法中采用结构优化中常用的信赖域优化算法进行求解,并应用虚拟瞬态连续性方程辅助优化中的稳态模拟。采用提出的优化方法对3个精馏系统进行设计优化,以不同初始值开始,均可得到令人满意的优化结果,表明所提优化方法具有良好的稳健性,对于较复杂的部分热耦合精馏过程仍然可以有效优化求解;信赖域算法在精馏塔优化中也表现出良好的收敛性。

基于决策树的三组元精馏序列结构最优合成规则识别

针对三组元精馏系统结构的优化合成,提出一种数据驱动的基于信息熵最小化的分类回归决策树(CART)模型。三组元精馏优化数据采用文献中严格模拟优化的结果,数据包含4种三组元混合物、34种进料组成以及7个候选精馏序列结构的最优化设计结果,生成数据集用来训练CART决策树。由决策树训练结果给出了三组元精馏结构最优设计决策规则,模型测试结果显示本文提出的决策树模型对数据集范围内三组元物系精馏结构决策的准确率为88.2%,同时表明了影响三组元最优精馏序列的主要影响因素及其重要性。

受限空间内浮升气泡与液体间传质行为实验研究

采用紫外诱导荧光(UIF)实验方法,研究Hele-Shaw狭缝受限尺度对受限空间内浮升气泡流体力学与气液传质行为的影响。实验中以二苯并[b,e]吡啶作为荧光剂实现了受限空间内CO_(2)溶液浓度分布及其气泡运动速度的定量测量,获得了CO_(2)在受限空间内运动过程中的传质量和气泡动力学参数,并分别计算气泡受限空间内液膜区和自由接触区的传质速率。分析得到受限空间中不同狭缝宽度内CO_(2)的传质行为,分析了受限尺度对CO_(2)-水体系传质过程的影响。

气相进料对隔板精馏塔优化设计的影响

隔板精馏塔(DWC)在节能和节省设备投资方面具有十分突出的优势,隔板精馏塔中隔板位置是重要的设计变量,影响分离效果及能耗,当进料中含有气相时这种影响更加显著。选用苯、甲苯和对二甲苯三元物系,研究了进料的气相分率对隔板位置的影响并确定最优隔板位置。采用严格模拟方法,以年度总费用(TAC)为评价指标,比较不同进料气相分率下隔板塔的经济性,其中气相进料较液相进料TAC最高可节省23.33%。并通过灵敏度分析展示了在进料中含有气相时确定最优隔板位置的重要性。

基于在线Kriging模型的隔板塔优化方法

隔板塔是一种新型的精馏节能技术,但其优化设计属于混合整数非线性规划问题,优化求解困难。本文提出在线Kriging代理模型优化方法,将其应用于隔板塔年度总费用优化。与传统离线代理模型相比,本文方法采用少量的隔板塔严格模拟数据点,即可得到优化问题的最优解。计算表明,较传统离线代理模型,本文提出的在线代理模型显示了更高的准确性和有效性,可以克服传统离线代理模型优化耗时、计算量大的缺点。

基于CFD模拟的甲烷裂解太阳能管式反应器结构优化

太阳能裂解甲烷具有产物纯度高且环保的优点。对湍流条件下的甲烷高温裂解太阳能管式反应器进行计算流体力学(CFD)模拟,为提高太阳能甲烷裂解反应器的转化率,通过调节反应器结构对流场进行优化。为了更加准确计算太阳能辐射的加热效应,在湍流反应扩散模型中引入碳颗粒的生成和聚集模型,并采用离散坐标(DO)模型进行辐射模型求解。然后,在太阳能管式反应器中引入射流及挡板进行流场调节,并对挡板高度、射流流速及角度进行优化,达到强化反应过程的目的。优化后的反应器中,甲烷转化率可以提高约8%。以反应转化率和代表强化成本的黏性耗散为指标,筛选出不同离散条件下的Pareto最优解,并用支持向量机回归(SVR)算法对离散的Pareto最优解进行插值,得到操作曲线和与之相对应的最优射流角度及流速。