基于多尺度建模的绿色化工流程设计及动态控制(田文德)

《基于多尺度建模的绿色化工流程设计及动态控制》共九章，内容包括：绿色化工的基本概念、方法和新进展，多尺度模拟在绿色化工设计中的具体应用，煤化学链气化过程的分子动力学模拟及实验验证、流体力学参数优化、废水处理优化设计以及联合循环发电系统设计，基于萃取法的废水处理工艺设计，“以废治废”理念下的废水处理工艺设计，基于电渗析的高盐废水处理工艺设计以及基于醇胺吸收的碳捕获技术。采用分子模拟与流程模拟、理论计算与实验测试相结合的多尺度、多策略的新型协同式研究手段，有效提高化工装置的运行效率和能源利用率，降低生产过程中的环境污染和能源消耗。
本书可作为化工、环境及相关专业的研究生教材及参考书，也可供相关专业的工程技术人员参考使用。

在能源紧缺与环境污染的双重压力下，世界各国均重视发展能源清洁高效利用技术。煤炭是我国基础能源和重要工业原料。2023年，我国煤炭产量高达47.1亿吨，预示着以煤为主的能源结构短期内不会改变。煤作为电力生产的主要能源，其在获得电力的同时也产生了大量的二氧化碳，导致气候变化并对人民生活造成不利影响。煤化工今后发展的最大瓶颈来自环保压力和水资源保障程度，对煤化工废水循环利用的关键是设计考虑各影响因素和性能因素的废水处理流程。如何清洁高效地利用煤炭资源，对推进国家中长期能源发展战略具有重要意义。本书系统地介绍了笔者近年来在化学链技术综合利用、工业废水处理、碳捕获等方面动态模拟结合多尺度建模进行绿色化工过程设计和动态控制领域所取得的学术成就，其特点是：专业性强、内容新、实用性好。本书采用分子模拟与流程模拟、理论计算与实验测试相结合的多尺度、多策略的新型协同式研究手段，旨在实现绿色化工过程的动态模拟、系统优化、环境保护的研究开发和装置的安全、平稳高效运行，为生态文明建设贡献力量。
本书内容有助于丰富和发展煤化工的高效清洁利用、化工生产中典型污染物防治和高效低耗的碳捕获理论，为实现化工过程绿色稳定运行提供基础数据和理论支撑。全书共分9章，第1章介绍绿色化工的基本概念、方法和新进展，并给出多尺度模拟在绿色化工设计中的具体应用；第2章介绍煤化学链气化过程的分子动力学模拟及实验验证；第3章介绍煤化学链气化过程的流体力学优化；第4章介绍煤化学链气化过程的废水处理工艺设计；第5章介绍煤化学链气化过程的联合循环发电设计；第6章介绍基于萃取法的废水处理工艺设计；第7章介绍“以废治废”理念下的废水处理工艺设计；第8章介绍基于电渗析的高盐废水处理工艺设计；第9章介绍基于醇胺吸收的碳捕获技术。全书内容完整涵盖了“绿色工艺多尺度模拟→废水处理工艺设计→碳捕获工艺设计→工艺参数动态控制”的绿色化工设计各阶段，有机构成了多尺度机理分析与绿色工艺设计协同作用的化工过程清洁生产分析思路，可作为化工、环境及相关学科的研究生教材及参考书，也可供相关学科的工程技术人员参考使用。
本书由青岛科技大学的田文德、崔哲和刘彬编写，其中第5、6、8章由田文德编写，第1、2、3、4、7章由崔哲编写，第9章由刘彬编写，全书由田文德统稿。青岛科技大学的博士研究生李哲和硕士研究生张浩然、范晨阳、王雪、秦华参与了本书内容的部分研究工作，在此一并表示感谢。
由于著者水平有限，书中不足之处在所难免，有不妥之处，恳请读者批评指正。

著者
2024年5月
于青岛科技大学

第1章　绪论1
1.1　绿色化工背景及意义 1　
1.1.1　化工生产特点 1　
1.1.2　绿色化工生产的必要性 2　
1.2　废水处理研究现状 3　
1.2.1　废水处理方法 4　
1.2.2　萃取剂的选择 5　
1.2.3　高盐废水处理进展 6　
1.2.4　流程设计在废水处理中的应用 7　
1.3　绿色化工过程设计概述 8　
1.3.1　化工过程设计与开发现状 8　
1.3.2　过程综合技术研究 9　
1.4　动态控制研究现状 10　
1.4.1　复杂网络应用 10　
1.4.2　动态机理模拟技术 11　
1.4.3　动态安全评价 12　
1.5　多尺度模拟研究现状 13　
1.5.1　分子动力学模拟 13　
1.5.2　流体力学模拟 14　
1.5.3　流程模拟 15　
1.6　研究思路 15　
本章小结 18　
参考文献 18　

第2章　煤化学链气化过程的分子动力学模拟研究及实验验证26
2.1　研究思路 26　
2.2　以氧化铜为载氧体的煤化学链气化微观过程研究 27　
2.2.1　模型构建 28　
2.2.2　能量和几何优化 32　
2.2.3　MD 退火模拟 34　
2.2.4　温度与压力弛豫 36　
2.2.5　ReaxFF-MD 模拟 37　
2.3　以氧化铜为载氧体的煤化学链气化过程实验 38　
2.3.1　实验材料及设备 38　
2.3.2　载氧体制备 39　
2.3.3　实验流程 39　
2.4　MD 模拟与实验结果对比分析与讨论 40　
本章小结 43　
参考文献 44　

第3章　煤化学链气化过程流体力学参数优化45
3.1　研究思路 45　
3.2　化学链气化装置设计参数 45　
3.3　模型的建立 47　
3.3.1　连续性方程 47　
3.3.2　动量方程 47　
3.3.3　能量方程 49　
3.3.4　化学反应动力学模型 50　
3.4　参数优化 51　
3.4.1　载氧体的选择 51　
3.4.2　载氧体的最佳停留时间 54　
3.4.3　载氧体流量对化学链气化过程的影响 55　
3.4.4　水蒸气流量对化学链气化过程的影响 55　
3.4.5　燃料反应器温度对化学链气化过程的影响 56　
本章小结 58　
参考文献 59　

第4章　煤化学链气化过程废水处理优化设计60
4.1　研究思路 61　
4.2　煤化学链气化废水来源研究 61　
4.2.1　煤化学链气化废水产生过程 61　
4.2.2　煤化学链气化废水来源模拟 62　
4.2.3　煤化学链气化废水对合成气质量的影响 63　
4.3　煤化学链气化废水处理流程设计 64　
4.3.1　萃取剂选择 64　
4.3.2　煤化学链气化废水处理流程模拟 67　
4.3.3　模拟优化结果 68　
4.4　煤化学链气化废水处理流程动态控制 71　
4.4.1　控制方案设计 71　
4.4.2　动态模拟结果与讨论 73　
本章小结 75　
参考文献 76　

第5章　煤化学链气化过程联合循环发电系统设计78
5.1　引言 78　
5.2　煤气化系统 79　
5.2.1　煤气化工艺介绍 79　
5.2.2　煤气化工艺建模 81　
5.3　化学链制氢工艺 82　
5.3.1　化学链制氢工艺描述 82　
5.3.2　化学链制氢工艺模拟 83　
5.4　余热回收系统 85　
5.4.1　余热回收系统描述 85　
5.4.2　余热回收系统模拟 86　
5.5　二氧化碳催化加氢制甲醇工艺 87　
5.5.1　工艺描述 87　
5.5.2　工艺模拟 87　
5.6　结果验证 88　
本章小结 88　
参考文献 88　

第6章　萃取法处理催化裂化含酚废水工艺设计90
6.1　引言 90　
6.2　萃取剂的筛选 90　
6.2.1　油中除酚萃取剂的筛选 90　
6.2.2　水中除酚萃取剂的筛选 91　
6.3　萃取剂的萃取机理 91　
6.3.1　油中除酚萃取剂的作用机理 92　
6.3.2　甲基丁基酮与苯酚的作用机理 94　
6.4　废水处理流程设计与优化 96　
6.4.1　废水处理流程描述 96　
6.4.2　流程模拟与优化 97　
6.4.3　废水处理效果分析 99　
6.5　废水处理流程的动态控制 101　
6.5.1　动态模拟参数设置 101　
6.5.2　控制方案的设计 102　
6.5.3　温度安全控制 106　
本章小结 108　
参考文献 108　

第7章　“以废治废”的Eastman 生产废水处理工艺设计110
7.1　研究思路 110　
7.2　废水处理工艺方案确定及流程模拟 111　
7.2.1　确定工艺方案 111　
7.2.2　流程模拟 114　
7.3　实验探究 114　
7.3.1　萃取实验 115　
7.3.2　酯化反应 116　
7.3.3　精馏实验 123　
7.4　工艺流程模拟与优化 124　
7.4.1　萃取塔模拟 124　
7.4.2　反应器模拟 126　
7.4.3　精馏塔模拟 127　
7.4.4　流程优化 130　
7.5　工艺流程动态控制 133　
7.5.1　复杂网络选取关键变量 133　
7.5.2　工艺流程动态控制方案设计 136　
7.5.3　动态模拟结果与讨论 137　
本章小结 144　
参考文献 144　

第8章　双极膜电渗析处理催化裂化高盐废水工艺设计146
8.1　引言 146　
8.2　双极膜电渗析实验 146　
8.2.1　实验材料 146　
8.2.2　实验过程 147　
8.2.3　结果分析 148　
8.3　双极膜电渗析过程模拟及结果分析 150　
8.3.1　过程模拟 150　
8.3.2　结果分析 154　
8.4　双极膜电渗析流程的优化 155　
8.4.1　太阳能热泵系统 155　
8.4.2　太阳能有机朗肯循环 156　
8.5　双极膜电渗析法与多效蒸发技术的对比实验 158　
8.5.1　多效蒸发技术 158　
8.5.2　处理效果对比 160　
本章小结 161　
参考文献 161　

第9章　醇胺吸收法脱碳163
9.1　引言 163　
9.2　醇胺溶剂现状 163　
9.3　醇胺溶剂吸收CO2 动力学 165　
9.3.1　化学反应的质量传递 165　
9.3.2　伯胺吸收CO2 反应动力学 167　
9.3.3　仲胺吸收CO2 反应动力学 168　
9.3.4　叔胺吸收CO2 反应动力学 169　
9.4　四种醇胺溶剂吸收CO2 反应动力学及机理的研究 170　
9.4.1　MAE-CO2-H2O 体系 171　
9.4.2　EAE-CO2-H2O 体系 175　
9.4.3　IPAE-CO2-H2O 体系 177　
9.4.4　TBAE-CO2-H2O 体系 178　
9.4.5　二氧化碳吸收能力 181　
本章小结 181　
参考文献 181