本文關(guān)鍵詞：基于非穩(wěn)態(tài)操作的非線性生物化工過程強化研究

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【摘要】：由于傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)對不可再生能源的過度依賴以及產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境問題,所以現(xiàn)在人們大力發(fā)展通過生物化工技術(shù)來代替相關(guān)傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè),獲得需要的工業(yè)產(chǎn)品或達到節(jié)能減排的效果。而非穩(wěn)態(tài)操作技術(shù)是一種新的過程強化技術(shù),有的過程體系中的狀態(tài)變量在非穩(wěn)態(tài)操作下輸出的時均值較在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)操作下輸出的時均值效果好,過程的性能得到了改善,同時還可以起到降低過程能耗的作用。針對生物化工過程的非線性特點,對其進行非穩(wěn)態(tài)操作過程強化技術(shù)的研究是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段之一。因此在本文中選擇了兩個具有非線性特征的生物化工過程的案例進行非穩(wěn)態(tài)操作過程強化研究。本論文主要研究內(nèi)容如下：1對選定處理冰淇淋廢水厭氧消化過程的非線性生物化工案例進行數(shù)學(xué)建模分析。通過穩(wěn)定性分析得到該過程的內(nèi)部動態(tài)特性,結(jié)果顯示處理冰淇淋廢水厭氧消化過程內(nèi)部是穩(wěn)定的。通過強制周期擾動使過程處于非穩(wěn)態(tài)操作狀態(tài),并對強制周期擾動參數(shù)對過程影響效果進行分析,發(fā)現(xiàn)該過程在操作區(qū)間穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)周期性輸入后,當(dāng)該過程基于同頻率的輸出時,過程輸出參數(shù)強化源自非穩(wěn)定操作的時間平均增強,能夠達到了過程強化的效果。2對選定的連續(xù)生物乙醇發(fā)酵(CBEF)過程的非線性生物化工案例進行數(shù)學(xué)建模分析�；诮⒌腃BEF過程數(shù)學(xué)模型進行穩(wěn)定性分析,選定過程的稀釋率D與基質(zhì)進料濃度Sf作為分岔參數(shù)進行單參、雙參分析,從做出的單參、雙參分岔圖中可以得到此過程內(nèi)部存在穩(wěn)定點區(qū)域與自激振蕩區(qū)域。選定過程自激振蕩區(qū)域中點Pd為設(shè)計點,以此點出發(fā)選定基質(zhì)進料濃度Sf為操作變量并對該參數(shù)進行強制周期擾動。對強制周期擾動參數(shù)振幅、頻率對過程的影響效果進行分析。對擾動參數(shù)振幅對過程的影響的分析策略是采用頻閃分岔圖,對擾動參數(shù)頻率對過程的影響分析策略是采用最大分岔圖,從頻閃分岔圖與最大分岔圖中可以得到隨著強制擾動振幅、頻率的變化過程呈現(xiàn)不同的動態(tài)特性。與頻閃分岔圖、最大分岔圖相比較,極限環(huán)分岔分析得到的分岔圖能夠更有效與完整的對過程模型行為進行描述。所以為了充分展示過程的動態(tài)行為,對該過程又進行了極限環(huán)分岔分析形成交叉的驗證。極限環(huán)分岔圖中NS分岔導(dǎo)致一個周期軌道不變環(huán)面,PD分岔導(dǎo)致一個周期軌道的新軌道周期(大約)翻了一番。極限環(huán)分岔圖中將過程操作區(qū)域直觀的劃分了三個區(qū)域,其中S1區(qū)域是在保證過程安全與可控的條件下可以進行過程強化非穩(wěn)態(tài)操作的參數(shù)區(qū)域。最后對該過程在非穩(wěn)態(tài)操作狀態(tài)時狀態(tài)變量輸出時均特性進行了分析,得到從自激振蕩設(shè)計點的位置出發(fā)在不同的強制擾動參數(shù)下,過程的性能能夠得到進一步的提升,能夠達到過程強化的效果。綜上所述,針對具有非線性特征的生物化工過程,對其采取非穩(wěn)態(tài)操作的過程強化手段,對過程的動態(tài)特性研究表明其不僅僅受到過程本身的影響,也受到強制擾動參數(shù)的影響,過程自身與強制擾動的耦合使過程在一定的參數(shù)域內(nèi)過程的性能得到很好的改善,達到過程強化的效果。所以對作為過程強化手段的非穩(wěn)態(tài)操作技術(shù)研究是非常有意義的。
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ033

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