《基于多尺度建模的綠色化工流程設(shè)計(jì)及動(dòng)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(jì)中的具體應(yīng)用，煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、流體力學(xué)參數(shù)優(yōu)化、廢水處理優(yōu)化設(shè)計(jì)以及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于萃取法的廢水處理工藝設(shè)計(jì)，“以廢治廢”理念下的廢水處理工藝設(shè)計(jì)，基于電滲析的高鹽廢水處理工藝設(shè)計(jì)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(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yùn)行效率和能源利用率，降低生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境污染和能源消耗。
本書(shū)可作為化工、環(huán)境及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究生教材及參考書(shū)，也可供相關(guān)專(zhuān)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(guó)均重視發(fā)展能源清潔高效利用技術(shù)。煤炭是我國(guó)基礎(chǔ)能源和重要工業(yè)原料。2023年，我國(guó)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(huì)改變。煤作為電力生產(chǎn)的主要能源，其在獲得電力的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的二氧化碳，導(dǎo)致氣候變化并對(duì)人民生活造成不利影響。煤化工今后發(fā)展的最大瓶頸來(lái)自環(huán)保壓力和水資源保障程度，對(duì)煤化工廢水循環(huán)利用的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)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(duì)推進(jìn)國(guó)家中長(zhǎng)期能源發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。本書(shū)系統(tǒng)地介紹了筆者近年來(lái)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(dòng)態(tài)模擬結(jié)合多尺度建模進(jìn)行綠色化工過(guò)程設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)控制領(lǐng)域所取得的學(xué)術(shù)成就，其特點(diǎn)是：專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、內(nèi)容新、實(shí)用性好。本書(shū)采用分子模擬與流程模擬、理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)現(xiàn)綠色化工過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬、系統(tǒng)優(yōu)化、環(huán)境保護(hù)的研究開(kāi)發(fā)和裝置的安全、平穩(wěn)高效運(yùn)行，為生態(tài)文明建設(shè)貢獻(xiàn)力量。
本書(shū)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(shí)現(xiàn)化工過(guò)程綠色穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。全書(shū)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(jì)中的具體應(yīng)用；第2章介紹煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；第3章介紹煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程的流體力學(xué)優(yōu)化；第4章介紹煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程的廢水處理工藝設(shè)計(jì)；第5章介紹煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)計(jì)；第6章介紹基于萃取法的廢水處理工藝設(shè)計(jì)；第7章介紹“以廢治廢”理念下的廢水處理工藝設(shè)計(jì)；第8章介紹基于電滲析的高鹽廢水處理工藝設(shè)計(jì)；第9章介紹基于醇胺吸收的碳捕獲技術(shù)。全書(shū)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(jì)→碳捕獲工藝設(shè)計(jì)→工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)控制”的綠色化工設(shè)計(jì)各階段，有機(jī)構(gòu)成了多尺度機(jī)理分析與綠色工藝設(shè)計(jì)協(xié)同作用的化工過(guò)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(shū)，也可供相關(guān)學(xué)科的工程技術(shù)人員參考使用。
本書(shū)由青島科技大學(xué)的田文德、崔哲和劉彬編寫(xiě)，其中第5、6、8章由田文德編寫(xiě)，第1、2、3、4、7章由崔哲編寫(xiě)，第9章由劉彬編寫(xiě)，全書(shū)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(yáng)、王雪、秦華參與了本書(shū)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(shū)中不足之處在所難免，有不妥之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)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(diǎn) 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(jì)在廢水處理中的應(yīng)用 7　
1.3　綠色化工過(guò)程設(shè)計(jì)概述 8　
1.3.1　化工過(guò)程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 8　
1.3.2　過(guò)程綜合技術(shù)研究 9　
1.4　動(dòng)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(dòng)態(tài)機(jī)理模擬技術(shù) 11　
1.4.3　動(dòng)態(tài)安全評(píng)價(jià) 12　
1.5　多尺度模擬研究現(xiàn)狀 13　
1.5.1　分子動(dòng)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(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guò)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(guò)程實(shí)驗(yàn) 38　
2.3.1　實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備 38　
2.3.2　載氧體制備 39　
2.3.3　實(shí)驗(yàn)流程 39　
2.4　MD 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(guò)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(jì)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(dòng)量方程 47　
3.3.3　能量方程 49　
3.3.4　化學(xué)反應(yīng)動(dòng)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(shí)間 54　
3.4.3　載氧體流量對(duì)化學(xué)鏈氣化過(guò)程的影響 55　
3.4.4　水蒸氣流量對(duì)化學(xué)鏈氣化過(guò)程的影響 55　
3.4.5　燃料反應(yīng)器溫度對(duì)化學(xué)鏈氣化過(guò)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(guò)程廢水處理優(yōu)化設(shè)計(jì)60
4.1　研究思路 61　
4.2　煤化學(xué)鏈氣化廢水來(lái)源研究 61　
4.2.1　煤化學(xué)鏈氣化廢水產(chǎn)生過(guò)程 61　
4.2.2　煤化學(xué)鏈氣化廢水來(lái)源模擬 62　
4.2.3　煤化學(xué)鏈氣化廢水對(duì)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(jì) 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(dòng)態(tài)控制 71　
4.4.1　控制方案設(shè)計(jì) 71　
4.4.2　動(dòng)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(guò)程聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yàn)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(jì)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(jī)理 91　
6.3.1　油中除酚萃取劑的作用機(jī)理 92　
6.3.2　甲基丁基酮與苯酚的作用機(jī)理 94　
6.4　廢水處理流程設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)控制 101　
6.5.1　動(dòng)態(tài)模擬參數(shù)設(shè)置 101　
6.5.2　控制方案的設(shè)計(jì) 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(jì)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(shí)驗(yàn)探究 114　
7.3.1　萃取實(shí)驗(yàn) 115　
7.3.2　酯化反應(yīng) 116　
7.3.3　精餾實(shí)驗(yàn) 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(dòng)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(dòng)態(tài)控制方案設(shè)計(jì) 136　
7.5.3　動(dòng)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(jì)146
8.1　引言 146　
8.2　雙極膜電滲析實(shí)驗(yàn) 146　
8.2.1　實(shí)驗(yàn)材料 146　
8.2.2　實(shí)驗(yàn)過(guò)程 147　
8.2.3　結(jié)果分析 148　
8.3　雙極膜電滲析過(guò)程模擬及結(jié)果分析 150　
8.3.1　過(guò)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(yáng)能熱泵系統(tǒng) 155　
8.4.2　太陽(yáng)能有機(jī)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(duì)比實(shí)驗(yàn) 158　
8.5.1　多效蒸發(fā)技術(shù) 158　
8.5.2　處理效果對(duì)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(dòng)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(dòng)力學(xué) 167　
9.3.3　仲胺吸收CO2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 168　
9.3.4　叔胺吸收CO2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 169　
9.4　四種醇胺溶劑吸收CO2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及機(jī)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