《基于多尺度建模的綠色化工流程設(shè)計及動態(tài)控制》共九章，內(nèi)容包括：綠色化工的基本概念、方法和新進(jìn)展，多尺度模擬在綠色化工設(shè)計中的具體應(yīng)用，煤化學(xué)鏈氣化過程的分子動力學(xué)模擬及實驗驗證、流體力學(xué)參數(shù)優(yōu)化、廢水處理優(yōu)化設(shè)計以及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，基于萃取法的廢水處理工藝設(shè)計，“以廢治廢”理念下的廢水處理工藝設(shè)計，基于電滲析的高鹽廢水處理工藝設(shè)計以及基于醇胺吸收的碳捕獲技術(shù)。采用分子模擬與流程模擬、理論計算與實驗測試相結(jié)合的多尺度、多策略的新型協(xié)同式研究手段，有效提高化工裝置的運行效率和能源利用率，降低生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染和能源消耗。
本書可作為化工、環(huán)境及相關(guān)專業(yè)的研究生教材及參考書，也可供相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員參考使用。

在能源緊缺與環(huán)境污染的雙重壓力下，世界各國均重視發(fā)展能源清潔高效利用技術(shù)。煤炭是我國基礎(chǔ)能源和重要工業(yè)原料。2023年，我國煤炭產(chǎn)量高達(dá)47.1億噸，預(yù)示著以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)不會改變。煤作為電力生產(chǎn)的主要能源，其在獲得電力的同時也產(chǎn)生了大量的二氧化碳，導(dǎo)致氣候變化并對人民生活造成不利影響。煤化工今后發(fā)展的最大瓶頸來自環(huán)保壓力和水資源保障程度，對煤化工廢水循環(huán)利用的關(guān)鍵是設(shè)計考慮各影響因素和性能因素的廢水處理流程。如何清潔高效地利用煤炭資源，對推進(jìn)國家中長期能源發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。本書系統(tǒng)地介紹了筆者近年來在化學(xué)鏈技術(shù)綜合利用、工業(yè)廢水處理、碳捕獲等方面動態(tài)模擬結(jié)合多尺度建模進(jìn)行綠色化工過程設(shè)計和動態(tài)控制領(lǐng)域所取得的學(xué)術(shù)成就，其特點是：專業(yè)性強、內(nèi)容新、實用性好。本書采用分子模擬與流程模擬、理論計算與實驗測試相結(jié)合的多尺度、多策略的新型協(xié)同式研究手段，旨在實現(xiàn)綠色化工過程的動態(tài)模擬、系統(tǒng)優(yōu)化、環(huán)境保護(hù)的研究開發(fā)和裝置的安全、平穩(wěn)高效運行，為生態(tài)文明建設(shè)貢獻(xiàn)力量。
本書內(nèi)容有助于豐富和發(fā)展煤化工的高效清潔利用、化工生產(chǎn)中典型污染物防治和高效低耗的碳捕獲理論，為實現(xiàn)化工過程綠色穩(wěn)定運行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。全書共分9章，第1章介紹綠色化工的基本概念、方法和新進(jìn)展，并給出多尺度模擬在綠色化工設(shè)計中的具體應(yīng)用；第2章介紹煤化學(xué)鏈氣化過程的分子動力學(xué)模擬及實驗驗證；第3章介紹煤化學(xué)鏈氣化過程的流體力學(xué)優(yōu)化；第4章介紹煤化學(xué)鏈氣化過程的廢水處理工藝設(shè)計；第5章介紹煤化學(xué)鏈氣化過程的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)計；第6章介紹基于萃取法的廢水處理工藝設(shè)計；第7章介紹“以廢治廢”理念下的廢水處理工藝設(shè)計；第8章介紹基于電滲析的高鹽廢水處理工藝設(shè)計；第9章介紹基于醇胺吸收的碳捕獲技術(shù)。全書內(nèi)容完整涵蓋了“綠色工藝多尺度模擬→廢水處理工藝設(shè)計→碳捕獲工藝設(shè)計→工藝參數(shù)動態(tài)控制”的綠色化工設(shè)計各階段，有機構(gòu)成了多尺度機理分析與綠色工藝設(shè)計協(xié)同作用的化工過程清潔生產(chǎn)分析思路，可作為化工、環(huán)境及相關(guān)學(xué)科的研究生教材及參考書，也可供相關(guān)學(xué)科的工程技術(shù)人員參考使用。
本書由青島科技大學(xué)的田文德、崔哲和劉彬編寫，其中第5、6、8章由田文德編寫，第1、2、3、4、7章由崔哲編寫，第9章由劉彬編寫，全書由田文德統(tǒng)稿。青島科技大學(xué)的博士研究生李哲和碩士研究生張浩然、范晨陽、王雪、秦華參與了本書內(nèi)容的部分研究工作，在此一并表示感謝。
由于著者水平有限，書中不足之處在所難免，有不妥之處，懇請讀者批評指正。

著者
2024年5月
于青島科技大學(xué)

第1章　緒論1
1.1　綠色化工背景及意義 1　
1.1.1　化工生產(chǎn)特點 1　
1.1.2　綠色化工生產(chǎn)的必要性 2　
1.2　廢水處理研究現(xiàn)狀 3　
1.2.1　廢水處理方法 4　
1.2.2　萃取劑的選擇 5　
1.2.3　高鹽廢水處理進(jìn)展 6　
1.2.4　流程設(shè)計在廢水處理中的應(yīng)用 7　
1.3　綠色化工過程設(shè)計概述 8　
1.3.1　化工過程設(shè)計與開發(fā)現(xiàn)狀 8　
1.3.2　過程綜合技術(shù)研究 9　
1.4　動態(tài)控制研究現(xiàn)狀 10　
1.4.1　復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 10　
1.4.2　動態(tài)機理模擬技術(shù) 11　
1.4.3　動態(tài)安全評價 12　
1.5　多尺度模擬研究現(xiàn)狀 13　
1.5.1　分子動力學(xué)模擬 13　
1.5.2　流體力學(xué)模擬 14　
1.5.3　流程模擬 15　
1.6　研究思路 15　
本章小結(jié) 18　
參考文獻(xiàn) 18　

第2章　煤化學(xué)鏈氣化過程的分子動力學(xué)模擬研究及實驗驗證26
2.1　研究思路 26　
2.2　以氧化銅為載氧體的煤化學(xué)鏈氣化微觀過程研究 27　
2.2.1　模型構(gòu)建 28　
2.2.2　能量和幾何優(yōu)化 32　
2.2.3　MD 退火模擬 34　
2.2.4　溫度與壓力弛豫 36　
2.2.5　ReaxFF-MD 模擬 37　
2.3　以氧化銅為載氧體的煤化學(xué)鏈氣化過程實驗 38　
2.3.1　實驗材料及設(shè)備 38　
2.3.2　載氧體制備 39　
2.3.3　實驗流程 39　
2.4　MD 模擬與實驗結(jié)果對比分析與討論 40　
本章小結(jié) 43　
參考文獻(xiàn) 44　

第3章　煤化學(xué)鏈氣化過程流體力學(xué)參數(shù)優(yōu)化45
3.1　研究思路 45　
3.2　化學(xué)鏈氣化裝置設(shè)計參數(shù) 45　
3.3　模型的建立 47　
3.3.1　連續(xù)性方程 47　
3.3.2　動量方程 47　
3.3.3　能量方程 49　
3.3.4　化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型 50　
3.4　參數(shù)優(yōu)化 51　
3.4.1　載氧體的選擇 51　
3.4.2　載氧體的最佳停留時間 54　
3.4.3　載氧體流量對化學(xué)鏈氣化過程的影響 55　
3.4.4　水蒸氣流量對化學(xué)鏈氣化過程的影響 55　
3.4.5　燃料反應(yīng)器溫度對化學(xué)鏈氣化過程的影響 56　
本章小結(jié) 58　
參考文獻(xiàn) 59　

第4章　煤化學(xué)鏈氣化過程廢水處理優(yōu)化設(shè)計60
4.1　研究思路 61　
4.2　煤化學(xué)鏈氣化廢水來源研究 61　
4.2.1　煤化學(xué)鏈氣化廢水產(chǎn)生過程 61　
4.2.2　煤化學(xué)鏈氣化廢水來源模擬 62　
4.2.3　煤化學(xué)鏈氣化廢水對合成氣質(zhì)量的影響 63　
4.3　煤化學(xué)鏈氣化廢水處理流程設(shè)計 64　
4.3.1　萃取劑選擇 64　
4.3.2　煤化學(xué)鏈氣化廢水處理流程模擬 67　
4.3.3　模擬優(yōu)化結(jié)果 68　
4.4　煤化學(xué)鏈氣化廢水處理流程動態(tài)控制 71　
4.4.1　控制方案設(shè)計 71　
4.4.2　動態(tài)模擬結(jié)果與討論 73　
本章小結(jié) 75　
參考文獻(xiàn) 76　

第5章　煤化學(xué)鏈氣化過程聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計78
5.1　引言 78　
5.2　煤氣化系統(tǒng) 79　
5.2.1　煤氣化工藝介紹 79　
5.2.2　煤氣化工藝建模 81　
5.3　化學(xué)鏈制氫工藝 82　
5.3.1　化學(xué)鏈制氫工藝描述 82　
5.3.2　化學(xué)鏈制氫工藝模擬 83　
5.4　余熱回收系統(tǒng) 85　
5.4.1　余熱回收系統(tǒng)描述 85　
5.4.2　余熱回收系統(tǒng)模擬 86　
5.5　二氧化碳催化加氫制甲醇工藝 87　
5.5.1　工藝描述 87　
5.5.2　工藝模擬 87　
5.6　結(jié)果驗證 88　
本章小結(jié) 88　
參考文獻(xiàn) 88　

第6章　萃取法處理催化裂化含酚廢水工藝設(shè)計90
6.1　引言 90　
6.2　萃取劑的篩選 90　
6.2.1　油中除酚萃取劑的篩選 90　
6.2.2　水中除酚萃取劑的篩選 91　
6.3　萃取劑的萃取機理 91　
6.3.1　油中除酚萃取劑的作用機理 92　
6.3.2　甲基丁基酮與苯酚的作用機理 94　
6.4　廢水處理流程設(shè)計與優(yōu)化 96　
6.4.1　廢水處理流程描述 96　
6.4.2　流程模擬與優(yōu)化 97　
6.4.3　廢水處理效果分析 99　
6.5　廢水處理流程的動態(tài)控制 101　
6.5.1　動態(tài)模擬參數(shù)設(shè)置 101　
6.5.2　控制方案的設(shè)計 102　
6.5.3　溫度安全控制 106　
本章小結(jié) 108　
參考文獻(xiàn) 108　

第7章　“以廢治廢”的Eastman 生產(chǎn)廢水處理工藝設(shè)計110
7.1　研究思路 110　
7.2　廢水處理工藝方案確定及流程模擬 111　
7.2.1　確定工藝方案 111　
7.2.2　流程模擬 114　
7.3　實驗探究 114　
7.3.1　萃取實驗 115　
7.3.2　酯化反應(yīng) 116　
7.3.3　精餾實驗 123　
7.4　工藝流程模擬與優(yōu)化 124　
7.4.1　萃取塔模擬 124　
7.4.2　反應(yīng)器模擬 126　
7.4.3　精餾塔模擬 127　
7.4.4　流程優(yōu)化 130　
7.5　工藝流程動態(tài)控制 133　
7.5.1　復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)選取關(guān)鍵變量 133　
7.5.2　工藝流程動態(tài)控制方案設(shè)計 136　
7.5.3　動態(tài)模擬結(jié)果與討論 137　
本章小結(jié) 144　
參考文獻(xiàn) 144　

第8章　雙極膜電滲析處理催化裂化高鹽廢水工藝設(shè)計146
8.1　引言 146　
8.2　雙極膜電滲析實驗 146　
8.2.1　實驗材料 146　
8.2.2　實驗過程 147　
8.2.3　結(jié)果分析 148　
8.3　雙極膜電滲析過程模擬及結(jié)果分析 150　
8.3.1　過程模擬 150　
8.3.2　結(jié)果分析 154　
8.4　雙極膜電滲析流程的優(yōu)化 155　
8.4.1　太陽能熱泵系統(tǒng) 155　
8.4.2　太陽能有機朗肯循環(huán) 156　
8.5　雙極膜電滲析法與多效蒸發(fā)技術(shù)的對比實驗 158　
8.5.1　多效蒸發(fā)技術(shù) 158　
8.5.2　處理效果對比 160　
本章小結(jié) 161　
參考文獻(xiàn) 161　

第9章　醇胺吸收法脫碳163
9.1　引言 163　
9.2　醇胺溶劑現(xiàn)狀 163　
9.3　醇胺溶劑吸收CO2 動力學(xué) 165　
9.3.1　化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量傳遞 165　
9.3.2　伯胺吸收CO2 反應(yīng)動力學(xué) 167　
9.3.3　仲胺吸收CO2 反應(yīng)動力學(xué) 168　
9.3.4　叔胺吸收CO2 反應(yīng)動力學(xué) 169　
9.4　四種醇胺溶劑吸收CO2 反應(yīng)動力學(xué)及機理的研究 170　
9.4.1　MAE-CO2-H2O 體系 171　
9.4.2　EAE-CO2-H2O 體系 175　
9.4.3　IPAE-CO2-H2O 體系 177　
9.4.4　TBAE-CO2-H2O 體系 178　
9.4.5　二氧化碳吸收能力 181　
本章小結(jié) 181　
參考文獻(xiàn) 181