环境友好的分离过程溶剂的计算机辅助分子设计

论文摘要

化工生产中常遇到欲分离组分之间的相对挥发度接近1或形成共沸物的难分离物系,萃取精馏和液液萃取是常用且有效的方法,其中萃取剂的选择是关键。随着全球性污染问题的日益严峻,选择环境友好的萃取剂是今后溶剂选择发展的大趋势。本文提出了一种新的基于模拟退火算法和模糊综合评价的多目标优化方法,用于萃取精馏和液液萃取分离过程环境友好的溶剂的计算机辅助分子设计。首先针对萃取剂的评价具有多指标性和模糊性的特点,将模糊综合评价的方法用于萃取精馏溶剂和液液萃取萃取剂的评价,基于萃取剂的分离性能和环境性能,建立了的模糊综合评价隶属函数。其次,提出了改进的模拟退火算法,相对与传统的模拟退火算法,增加了记忆功能,能将搜索过程中最优的解保存下来,将所得的最终解与记忆器中的解比较取较优的作为最后结果,提高了算法的解的质量;使用加权后的综合目标函数进行多目标优化的考核,多次运行或并行该算法可得到Pareto边界上不同方向的Pareto最优解。再次,基于Mod.UNIFAC基团贡献法,对基团进行了预选及分类,有效克服了传统分子设计方法的“组合爆炸”,提出了实数编码的基团编码策略和二行矩阵的分子表达方法,第一行表示分子中包含的基团的种类,第二行表示分子中包含的这些基团的数目。将提出的多目标优化方法用于萃取精馏和液液萃取过程萃取剂的计算机辅助分子设计,生成策略包括引入基团、删除基团、替换基团、修复操作四种,避免了垃圾分子的生成,确保产生的分子满足结构可行性及化学可行性准则。最后将提出了方法用于实际分离物系的萃取剂选择和设计,对甲苯-甲基环己烷、甲醇-丙酮、乙醇-乙酸乙酯、甲醇-乙酸甲酯四个萃取精馏体系进行了环境友好溶剂的计算机辅助分子设计,编制了相应的Matlab源程序,得到一组满足分离要求和环境要求的溶剂,并针对甲醇-丙酮体系,采用PROII软件对设计的溶剂进行了模拟验证及比较;对醋酸-水、糠醛-水、正丁醇-水、和苯酚-水四个液液萃取体系进行了环境友好溶剂的计算机辅助分子设计,编制了相应的Matlab源程序,得到一组满足分离要求和环境要求的溶剂,并针对苯酚-水体系,选择了四种设计的溶剂采用PROII软件进行了模拟验证,证明了设计结果的准确性,且模拟结果表明本文设计的溶剂性能更优。由此表明采用本文提出的结合模拟退火算法和模糊综合评价的多目标优化方法进行计算机辅助分子设计具有较高的准确性和很好的实用性,选择的溶剂不仅满足分离过程的要求,且考虑到了设计的溶剂对环境的影响,为工业生产提供了更优的选择。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 萃取精馏
• 1.1.1 萃取精馏概述
• 1.1.2 萃取精馏溶剂的选择
• 1.2 液液萃取
• 1.2.1 液液萃取概述
• 1.2.2 萃取剂的选择
• 1.3 溶剂的选择方法
• 1.3.1 实验筛选方法
• 1.3.2 性质约束方法
• 1.3.3 计算机优化方法
• 1.4 CAMD 在溶剂选择中的应用
• 1.4.1 生成验证方法
• 1.4.2 数学规划方法
• 1.4.3 组合优化方法
• 1.5 环境友好的萃取剂的分子设计进展
• 1.6 本文研究意义及主要内容
• 第二章 溶剂性质的估算方法及溶剂的模糊综合评价
• 2.1 溶剂性质的估算方法
• 2.1.1 纯物质的物理性质
• 2.1.2 混合物的热力学性质
• 2.1.3 环境性质
• 2.2 溶剂性能的模糊综合评价
• 2.2.1 模糊综合评价的数学方法
• 2.2.2 萃取精馏溶剂目标函数的隶属函数的确定
• 2.2.3 液液萃取萃取剂目标函数的隶属函数的确定
• 2.2.4 权重系数的确定
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于SA 的多目标优化算法及其在CAMD 中的应用
• 3.1 分子设计的多目标优化问题的提出及模型的建立
• 3.1.1 分子设计多目标问题描述
• 3.1.2 分子设计多目标优化问题的解
• 3.1.3 多目标优化中对多个目标的处理方法
• 3.2 基于模拟退火算法的多目标优化方法
• 3.2.1 模拟退火算法的物理基础
• 3.2.2 模拟退火算法的基本步骤
• 3.2.3 算法中包含的关键参数
• 3.2.4 改进的模拟退火算法及其在多目标优化中的应用
• 3.3.5 基于改进的SA 的多目标优化方法的Pareto 解的验证
• 3.3 基团的预选及分类
• 3.3.1 基团的预选
• 3.3.2 基团的分类
• 3.4 基团连接的可行性准则
• 3.4.1 结构可行性准则
• 3.4.2 化学可行性准则
• 3.5 基于SA 算法的多目标优化在CAMD 中的应用
• 3.5.1 基于SA 算法的多目标优化用于CAMD 的流程框图
• 3.5.2 基团编码及分子结构的表达
• 3.5.3 状态产生函数的设计
• 3.5.4 状态接受函数的设计
• 3.5.5 初温的确定
• 3.5.6 温度更新函数
• 3.5.7 内循环终止准则
• 3.5.8 外循环终止准则
• 3.6 本章小结
• 第四章 萃取精馏过程溶剂的分子设计
• 4.1 甲苯－甲基环己烷体系的分离
• 4.1.1 问题的提出
• 4.1.2 条件的确定
• 4.1.3 分子设计结果
• 4.1.4 结果讨论
• 4.2 甲醇－丙酮体系的分离
• 4.2.1 问题的提出
• 4.2.2 条件的确定
• 4.2.3 分子设计结果
• 4.2.4 结果讨论
• 4.3 乙醇－乙酸乙酯体系的分离
• 4.3.1 问题的提出
• 4.3.2 条件的确定
• 4.3.3 分子设计结果
• 4.3.4 结果讨论
• 4.4 甲醇－乙酸甲酯体系的分离
• 4.4.1 问题的提出
• 4.4.2 条件的确定
• 4.4.3 分子设计结果
• 4.4.4 结果讨论
• 4.5 萃取精馏过程CAMD 溶剂选择的模拟验证
• 4.5.1 甲醇－丙酮－水体系
• 4.5.2 甲醇－丙酮－2-（乙氨基）乙醇
• 4.5.3 两种溶剂的比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 液液萃取过程溶剂的分子设计
• 5.1 醋酸－水体系的分离
• 5.1.1 问题的提出
• 5.1.2 条件的确定
• 5.1.3 分子设计结果
• 5.1.4 结果讨论
• 5.2 糠醛－水体系的分离
• 5.2.1 问题的提出
• 5.2.2 条件的确定
• 5.2.3 分子设计结果
• 5.2.4 结果讨论
• 5.3 正丁醇－水体系的分离
• 5.3.1 问题的提出
• 5.3.2 条件的确定
• 5.3.3 分子设计结果
• 5.3.4 结果讨论
• 5.4 苯酚－水体系的分离
• 5.4.1 问题的提出
• 5.4.2 条件的确定
• 5.4.3 分子设计结果
• 5.4.4 结果讨论
• 5.5 液液萃取过程CAMD 溶剂选择的模拟验证
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 符号说明
• 附录
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢