甲醇精馏系统模拟与优化

本文应用过程模拟软件Aspen Plus,采用Wilson和PSRK相结合的物性方法,实现了对某厂甲醇四塔双效精馏系统的模拟。为降低生产成本,本文通过对系统模拟与分析,对生产的工艺流程进行进一步改进,并提出3个优化方案:(1)增加加压精馏塔侧线采出送常压精馏塔作为进料;(2)对常压精馏塔塔底和回收塔塔底部分废水进行循环;(3)采用加压精馏塔与预精馏塔双效精馏。经过模拟计算,改进后的新工艺流程在保证甲醇产品的产量与质量的前提下,共能节省公用工程热量21 173 kW,节省公用工程冷量16 268 kW,节省工业用水10 375 kg/hr,污水处理量减少10 375 kg/hr。本文所选用的单元操作模型及物性方法对于模拟甲醇精馏系统是准确可靠的,因此本文所提出的优化方案能为甲醇工业生产节能、节水以及减少废水排放的改造和新工艺流程的开发提供理论依据。

DFT法研究取代芳烃结构与毒性的定量关系

应用密度泛函方法(DFT)在B3LYP/6-311G^(**)水平上全优化计算38个取代芳烃的量子化学参数,结合辛醇/水分配系数研究取代芳烃化合物对发光菌毒性的定量构效关系(QSAR)。对训练集样本经逐步多元回归分析(SMR)后,所建QSAR方程的复关系数R^2及去一法交互检验复相关系数Q_(LOO)~2分别为0.920和0.896,用预测集样本预测外部,所得外部预测样本复相关系数R_(ext)~2和外部预测集交互检验Q_(ext)~2分别为0.870和0.849。模型结果显示:辛醇/水分配系数愈大,即分子疏水性愈强,化合物对发光菌的毒性愈大;取代基的吸电子能力愈强,化合物毒性愈大;前沿轨道能级差愈小,化合物毒性愈大。

基于神经网络的化工过程故障诊断

由于化工过程的高复杂性及高危险性,且装置都是都是长周期连续运转,一旦出现故障会造成巨大的损失,因此对化工过程和设备进行早期和准确的故障检测与诊断,可以提高设备运行的安全性,避免发生重大安全事故,降低生产成本。人工神经网络具有非线性、大规模、并行处理能力强,以及鲁棒性、容错性、自学习能力强等特点,处理化工过程的复杂非线性问题,比其他方法都优越。本文描述了人工神经网络的基本原理,及近年来人工神经网络在化工过程故障诊断应用中的进展。以BP神经网络为例,分析和介绍了其结构和学习算法,说明了神经网络故障诊断的推理过程,并建议将神经网络与符号有向图(SDG)结合诊断故障。

基于UKF的滚动时域估计方法研究

在实际工业过程中,模型参数往往具有一定的时变性和非线性。为了能够有效地实施过程操作优化,常常要对过程模型参数进行在线估计。滚动时域估计方法是解决非线性系统模型参数在线估计的1种实用方法。滚动时域估计方法的关键问题之一是抵达成本(Arrival Cost)的计算,针对简化计算抵达成本带来的精度问题,提出采用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法来近似估算目标函数中的抵达成本。最后,将基于UKF的滚动时域估计方法应用于2个例子中。结果表明,基于UKF的滚动时域估计方法具有较好的估计效果。

基于GMM的多工况过程监测方法

传统基于主元分析的故障检测方法大多假设工业过程只运行在1个稳定工况,数据服从单一的高斯分布。若这些方法直接用于多工况过程则将会产生大量的误检。为此,本文提出了1种基于高斯混合模型的多工况过程监测方法。首先利用PCA变换对过程数据集进行降维,在主元空间建立高斯混合模型对过程数据进行聚类,自动获取工况数和相关分布特性。然后对每个工况建立主元分析(principal component analysis,PCA)模型来描述整个运行过程数据分布的统计特性。最后在过程监测中,根据监测样本属于各个工况的概率构造综合统计量,实现对多工况过程的故障检测。TE过程的仿真结果表明,本文提出的方法与传统的PCA方法相比,能自动获取工况和精确估计各个工况的统计特性,从而能更准确及时地检测出多工况过程的各种故障。

一种新型精细化工过程仿真操作培训系统的开发

精细化工过程工艺复杂、操作繁琐,对操作人员的操作技能要求高,但用实际生产装置培训操作人员受到很多限制,需要开发仿真操作培训系统来培训操作人员。而现有的仿真培训系统开发方法不易做到模块化、通用化,开发不方便,因此需要研究新的更高效的仿真系统开发方法。使用通用监控和数据采集组态软件(Supervisory Control and Data Acquisition,简称SCADA)作为图形用户界面开发平台,综合应用机理建模法和动态补偿建模法建立过程动态模型,提出了一种新的基于通用监控和数据采集组态软件(SCADA)过程仿真系统开发模式。通过设计一种动态链接库函数,经过组态软件的数据库把动态模型计算程序和图形用户界面相连,成功地实现了过程仿真培训系统的集成,开发了一种SCADA模式精细化工生产过程仿真培训系统,其组成更加模块化,开发方法更加通用化,更易开发。一套精细化工生产装置的仿真培训实践表明,该仿真培训系统操作运行效果生动逼真,能较好地满足生产操作培训需要,改善了操作培训效果,提高了操作培训效率。

基于ELM模型的焦炉火道温度预测研究

火道温度稳定在一定范围内是焦炉加热过程优化控制的目的,也是保证焦炭质量、提高产量的前提。针对焦炉加热过程大滞后、强耦合等特点,提出一种基于极限学习机(ELM)的预测算法;考虑到实际生产过程中焦炉机侧与焦侧是分离操作控制的,从而建立两侧的预测模型来分别预测机、焦侧火道温度,增加模型的准确性。实验表明:建立机、焦两侧的ELM预测模型较传统BP网络算法更能准确的预测两侧火道温度,可以为焦炉的优化控制提供良好的指导。

基于LabVIEW的自动绝热量热装置数据处理系统及实验研究

中国计量科学研究院建立了一套用于测量固体物质摩尔热容的中温自动绝热量热装置,针对这套装置,设计开发了基于Lab VIEW的数据处理系统。文章详细阐述了温差修正原理及相关程序的编写,分析了量热装置内的漏热状况。利用自动绝热量热装置进行条件实验,以测量重复性为考查指标,探索了最佳加热时间与加热电流,并探讨了加热时间和加热电流对温升、升温速率和热容的影响。考查了量热装置测量热容的再现性,从而证明了装置的可靠性。

圆形截面T型微反应器的优化设计

对圆形截面T型微反应器进行优化设计,可以增强反应器内流体混合程度,进而提高反应产物收率。和矩形截面微反应器相比,圆形截面的微反应器内部压力各向均衡,有利于克服操作压力提高对微反应器壁面承压的影响。本研究开发了一个描述圆形截面T型微反应器流体流动状态的简化模型,通过层叠式假设边界条件描述反应通道入口处的强混合流动状态,进而计算微反应器内反应产物收率。依据此简化模型,本研究应用改进型模拟退火算法,用来设计具有最优反应器半径和最优入口管径中心差的的T型微反应器。优化问题的目标函数是最大反应产物收率,优化约束包括反应通道半径约束和操作压力约束。本研究利用gPROMS和Matlab的混合编程,利用改进型模拟退火算法,实现优化算法和简化模型的求解。优化求解的有效性通过一个平行串联反应在微反应器中的反应过程来验证,求解结果和CFD模型验证结果比较一致。

乙炔基双二茂铁丙烷衍生物的密度泛函理论研究

为揭示取代基对金属有机化合物乙炔基双二茂铁丙烷电子结构的影响,采用密度泛函理论方法模拟计算了乙炔基双二茂铁丙烷及其2个衍生物苯炔基双二茂铁丙烷及二茂铁炔基双二茂铁丙烷的电子结构、前线轨道、电离能(IP)以及电子亲和势(EA),并讨论了取代基对化合物能级和能隙的影响。计算结果表明,电子在基态与激发态间的跃迁,主要是发生在双二茂铁丙烷和乙炔基苯或乙炔基二茂铁之间。取代基为苯基时化合物最高占据轨道(HOMO)能级降低量小于最低空轨道(LUMO)能级降低量,因此二者之间的能隙总体降低。取代基为二茂铁基时化合物HOMO能级增加,LUMO能级降低,从而使HOMO-LUMO能隙降低。结合化合物6-苯炔基双二茂铁丙烷电子亲和势最大以及化合物6-二茂铁炔基双二茂铁丙烷电离能最小,可见苯基取代使炔基双二茂铁丙烷类化合物电子传输能力增强,而二茂铁基取代则可以使该类化合物的空穴传输能力增强,这使炔基双二茂铁丙烷类化合物在功能导电材料方面具有较好的应用前景。

模式识别在烟草化学中的过拟合现象研究

烟草化学建模过程中,化学成分间的多重共线性是常见的问题,使用偏最小二乘判别分析可以有效克服这一问题,但是模型容易出现过拟合的现象,即模型的构建效果好,但是预报能力差。本文选取湖南烟区3个种植大区,即湘南、湘中、湘西北种植的53种不同烟叶,使用偏最小二乘判别分析建立了烟叶主要化学指标与地区大类之间的模型,但是由于变量过多以及噪声的干扰,模型的预报精度差,偏最小二乘判别分析方法出现了过拟合现象,模型的稳健性受到破坏。本文采用了多种模式识别的方法,逐步筛选变量,准确提取出特征变量9个,对产地变量有更好的解释能力,并能够有效地在模型预测的过程中避免变量间的多重共线性以及仪器检测的噪声干扰,建立了有效的烟叶一产地识别模型。模型预报的准确率由未筛选变量之前的75%提高到87.5%,模型的稳健性得到很大提高,改善了模型的过拟合现象。

QSRR结合人工神经网络预测多氯联苯色谱保留时间

采用量子化学密度泛函B3LYP/6-311＋G＊,在高斯09软件上计算了32个多氯联苯类化合物的电子结构参数：筛选出影响化合物色谱保留时间显著的5个变量,并建立其结构与保留时间之间的定量关系（MLR模型）;同时,利用人工神经网络（artificial neural network,ANN）法建立相应的QSRR模型（ANN模型）与之对比。所建MLR模型的相关系数R=0.904,标准误差Se=0.542;ANN模型的相关系数R=0.981,标准误差Se=0.213。表明所建立的QSRR模型的稳定性和预测能力良好。结果表明,多氯联苯化合物的色谱保留时间与前沿轨道能级差ΔE和分子最高占有轨道能E_H成正比例关系。所建模型为预测多氯联苯化合物的色谱保留时间提供理论指导。

2-甲基戊烷分子中C-H键和C-C键异裂的分子模拟

为了研究催化裂化过程中,烷烃分子中的C-H键和C-C键异裂生成三配位正碳离子时可能的异裂位置。利用密度泛函理论的量子化学从头算法,计算2-甲基戊烷分子中的伯C-H键、仲C-H键、叔C-H键、仲C-C键和叔C-C键的异裂能。结果表明,在C-H键和C-C的2种不对称的异裂中,总是较大的基团带正电荷,较小的基团带负电荷,即异裂成较大基团为正碳离子载体,较小基团为负碳离子/负氢离子载体时,有利于分散电子云,异裂所需能量较低。C-H键和C-C键的异裂能由大到小的顺序为:伯C-H>仲C-C>仲C-H>叔C-C>叔C-H。异裂能越小,C-H键和C-C键异裂的反应性能越高,其C-H键和C-C键异裂的反应性能由大到小的顺序为:叔C-H>叔C-C>仲C-H>仲C-C>伯C-H。C-H键的异裂能最低,低于异裂能最低的C-C键的异裂能。由于催化裂化过程中,烷烃要参与催化裂化生成正碳离子,如经由质子化裂化和负氢离子转移反应,生成三配位正碳离子,必须按照异裂的方式进行。从异裂能的角度分析,烷烃分子经由催化裂化反应生成正碳离子时,可能是优先从烷烃分子中的C-H键处得以活化。

流向变换催化燃烧反应器操作范围的模拟研究

建立了处理低浓度挥发性有机化合物的流向变换催化燃烧反应器一维非均相催化燃烧数学模型,利用MATLAB软件编写程序,求解模型方程。研究不同的表观气速、换向周期、进口浓度条件下的反应器性能,确定出反应器最优的操作范围。计算结果表明:操作参数需要在最优操作区域范围内取值反应器才能正常运行,当操作参数超出该范围,反应器飞温或熄火,需要调整操作点,确保返回到最优操作区域范围内。反应器最优的操作范围的确定对于反应器的优化控制提供了重要的参考依据。

环境化合物对大型蚤类毒性的QSAR研究

【目的】为了管理化学物质的使用,需要用已知化合物的毒性来预测未知化合物的毒性。【方法】采用定量构效关系（QSAR）方法预测一系列环境化合物对大型蚤类的毒害（50%Lethal Concentration,LC_（50））,确定影响毒性关键分子结构的特征比较几种模拟方法的优劣。将323个有机物分子作为数据集,随机选取其中81个分子作为测试集,其余为训练集,每个分子计算了196个参数。【结果】分别采用逐步多元线性回归分析法（R_（tr）~2=0.661,R_（te）~2=0.612）、主成分回归法（R_（tr）~2=0.590,R_（te）~2=0.577）和偏最小二乘法（R_（tr）~2=0.788,R_（te）~2=0.607）构建QSAR模型。这3种模型都表明分子量参数（M_W）对化合物的毒性影响较大。【结论】借助优质的QSAR模型方法预测和比较该类化合物的毒性情况,对水环境监测具有重要意义。

苯基氨基吡啶派生物类非核苷类HIV-1逆转录酶抑制剂HQSAR研究及分子设计

采用分子全息定量构效关系(HQSAR)方法,研究了21个HIV-1逆转录酶抑制剂苯基氨基吡啶派生物(Phenylaminopyridine,PAP)类化合物的构效关系;探讨了碎片区分参数、分子碎片大小和分子全息长度对模型质量的影响;建立了一组以16个化合物为训练集的最优模型,其交叉验证相关系数q^2为0.801,非交叉验证相关系数r^2为0.963,标准偏差为0.363;对5个化合物构成的测试集进行了预测,其相关系数r_(pred)~2为0.92,表明该模型具有良好的预测能力。最后,通过HQSAR模型色码图对PAP类化合物的活性起重要作用的片段与结构进行了讨论,并根据HQASR最佳模型图设计出了20种PAP派生物类化合物,这些化合物理论上均具有较好的抗HIV-1活性,为PAP派生物类化合物的进一步合成提供理论指导。

远程可视化辅助决策支持系统的建立及在生产中的应用研究建设

远程可视化辅助决策支持系统的建立紧密贴近生产实际,为解决生产实际问题开通了一条便捷、高效的信息通道。该系统将公司现有专用系统及专业系统进行整合,建立了内容管理平台、沟通协作平台、系统集成平台、应用统计分析平台,实现公司对资产管理上的远程应急响应及技术决策支持。

W_nH_2(n=1-6)团簇结构与性能的理论研究

采用密度泛函理论中的B3LYP方法在LANL2DZ基组水平上对H_2与W_n(n=1-6)团簇的相互作用进行了计算研究。结果表明,W_nH_2体系的最低能量结构是H2分子的解离性吸附,基本是在W_n团簇最低能量结构的基础上吸附H原子生长而成,说明吸附H原子未改变W_n(n=1-6)团簇的结构和形状;W_nH_2团簇的稳定性比W_n团簇要好;NBO分析表明,W原子比H原子对电荷调节能力稍强,较易与其他原子作用形成新的混合团簇。

基于高斯过程回归和信息分析法的常压塔操作优化

针对常压塔操作优化问题,通过高斯过程回归建立常压塔的元模型,并用信息分析法进行迭代计算,最终获取常压塔的最优操作条件。用2个实验验证了该算法的有效性:(1)固定常压塔三侧线产品的全塔效益最大化;(2)全塔综合效益最大化。从结果中可以看到,采用高斯过程回归建立常压塔模型进行优化,能够提高常压塔的经济效益。