化学产品设计方法研究与应用——室内空气净化产品优化设计
文献类型：学位论文
| 作者 | 吴昊 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-27 |
| 授予单位 | 中国科学院过程工程研究所 |
| 授予地点 | 过程工程研究所 |
| 导师 | 温浩 |
| 关键词 | 化学产品设计 混合整数非线性优化 分支切平面 全局优化 耗散粒子动力学 |
| 学位专业 | 化学工程 |
| 中文摘要 | 本文对过程模拟技术、介观模拟技术和优化技术在化学产品设计中的应用进行了研究。建立了室内空气净化产品设计的数学模型，开发了相应的混合整数非线性优化算法和全局优化算法，对产品设计的数学模型进行了求解。主要研究内容和结果如下： 基于传质和吸附理论，建立了一套室内空气净化产品吸附净化空气过程的数学模型并根据实验数据回归得到了模型中所需的参数。通过对模型的求解，模拟了不同的设计参数和使用条件对室内空气净化产品性能的影响，找出了其中的限速步骤为室内扩散过程和从室内向吸附剂容器的质量传递过程。模拟结果表明可以通过增大吸附剂容器的开口面积来提高污染组分的去除速率。针对污染组分分子选择合适的吸附剂，提高吸附平衡常数，可以显著降低污染组分的平衡浓度。 计算机辅助化学产品设计可以通过混合整数非线性优化（MINLP）数学模型来描述。本文发展了一种改进的基于析取切平面的分支切平面方法求解典型的凸MINLP问题，测试了不同算法参数对算法特性的影响。研究发现，采用不同的非线性优化（NLP）求解算法求解MINLP的松弛问题，对分支定界法和分支切平面算法效率有很大影响。采用活度集方法求解MINLP的松弛问题，可以更快地得到整型解。该分支切平面算法的效率与商业求解器DICOPT及SBB相近，对一些商业求解器求解困难的问题，该算法采用切平面加强下界和枚举搜索策略从而得到了较好的计算结果。在不同的问题上，该算法未表现出明显的性能差异，说明其具有较好的通用性。通过合理选择算法中的参数和切的管理策略，该算法可以用于求解各类MINLP问题。本文还首次给出了Trimloss5和Trimloss6问题的最优解，分别为10.8和20.7。 本文建立了室内空气净化产品成本最小化和性能优化的全局优化模型。采用分段线性近似的策略，通过引入0-1整型变量，将非凸的全局优化问题转化为凸的MINLP问题进行求解。利用本文发展的全局优化算法求解产品成本最小化模型，得到了污染组分初始浓度、目标浓度与所需吸附剂用量的关系。在目标浓度不太低时，可以通过调整吸附剂用量来满足不同使用环境的要求，节省开发新产品的投入。当目标浓度非常低时，需要考虑投入开发新的吸附剂，提高最大吸附量或吸附平衡常数来满足产品的性能要求。对优化结果进行了模拟检验。模拟结果显示，优化得到的结果可以满足预先给定的产品性能目标。说明本文所采用的全局优化求解算法，可以得到质量较好的近似全局最优解。 对一种发展较快的介观模拟方法——耗散粒子动力学（DPD）方法在化学产品设计中的应用进行了研究。采用DPD方法对表面活性剂低聚物(Surfactant Oligomer)的自组装行为进行了研究。研究发现，双联和三联表面活性剂的临界胶团浓度（CMC）低于传统的单链表面活性剂，表明双联和三联表面活性剂具有更高的表面活性。单链、双联和三联表面活性剂形成的胶团形貌都将随表面活性剂浓度的升高发生转变。从球状变为棒状，最后变为层状结构。当浓度高于临界胶团浓度不多时，胶团的平均聚集数基本保持稳定。当浓度远大于临界胶团浓度时，平均聚集数随表面活性剂浓度的增加呈指数增长。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-09-13 |
| 页码 | 123 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1267]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 吴昊. 化学产品设计方法研究与应用——室内空气净化产品优化设计[D]. 过程工程研究所. 中国科学院过程工程研究所. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：过程工程研究所
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