基于非稳态操作的非线性生物化工过程强化研究

摘要

由于传统的化学工业对不可再生能源的过度依赖以及产生了严重的环境问题，所以现在人们大力发展通过生物化工技术来代替相关传统化学工业，获得需要的工业产品或达到节能减排的效果。而非稳态操作技术是一种新的过程强化技术，有的过程体系中的状态变量在非稳态操作下输出的时均值较在稳态状态操作下输出的时均值效果好，过程的性能得到了改善，同时还可以起到降低过程能耗的作用。针对生物化工过程的非线性特点，对其进行非稳态操作过程强化技术的研究是实现节能减排的重要手段之一。因此在本文中选择了两个具有非线性特征的生物化工过程的案例进行非稳态操作过程强化研究。
　　本论文主要研究内容如下:
　　1对选定处理冰淇淋废水厌氧消化过程的非线性生物化工案例进行数学建模分析。通过稳定性分析得到该过程的内部动态特性，结果显示处理冰淇淋废水厌氧消化过程内部是稳定的。通过强制周期扰动使过程处于非稳态操作状态，并对强制周期扰动参数对过程影响效果进行分析，发现该过程在操作区间稳定的非线性系统周期性输入后，当该过程基于同频率的输出时，过程输出参数强化源自非稳定操作的时间平均增强，能够达到了过程强化的效果。
　　2对选定的连续生物乙醇发酵(CBEF)过程的非线性生物化工案例进行数学建模分析。基于建立的CBEF过程数学模型进行稳定性分析，选定过程的稀释率D与基质进料浓度Sf作为分岔参数进行单参、双参分析，从做出的单参、双参分岔图中可以得到此过程内部存在稳定点区域与自激振荡区域。选定过程自激振荡区域中点Pd为设计点，以此点出发选定基质进料浓度Sf为操作变量并对该参数进行强制周期扰动。对强制周期扰动参数振幅、频率对过程的影响效果进行分析。对扰动参数振幅对过程的影响的分析策略是采用频闪分岔图，对扰动参数频率对过程的影响分析策略是采用最大分岔图，从频闪分岔图与最大分岔图中可以得到随着强制扰动振幅、频率的变化过程呈现不同的动态特性。与频闪分岔图、最大分岔图相比较，极限环分岔分析得到的分岔图能够更有效与完整的对过程模型行为进行描述。所以为了充分展示过程的动态行为，对该过程又进行了极限环分岔分析形成交叉的验证。极限环分岔图中NS分岔导致一个周期轨道不变环面，PD分岔导致一个周期轨道的新轨道周期（大约）翻了一番。极限环分岔图中将过程操作区域直观的划分了三个区域，其中S1区域是在保证过程安全与可控的条件下可以进行过程强化非稳态操作的参数区域。最后对该过程在非稳态操作状态时状态变量输出时均特性进行了分析，得到从自激振荡设计点的位置出发在不同的强制扰动参数下，过程的性能能够得到进一步的提升，能够达到过程强化的效果。
　　综上所述，针对具有非线性特征的生物化工过程，对其采取非稳态操作的过程强化手段，对过程的动态特性研究表明其不仅仅受到过程本身的影响，也受到强制扰动参数的影响，过程自身与强制扰动的耦合使过程在一定的参数域内过程的性能得到很好的改善，达到过程强化的效果。所以对作为过程强化手段的非稳态操作技术研究是非常有意义的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 非稳态操作的研究现状

1．2．1 非稳态操作的实验研究进程

1．2．2 非稳态操作的理论研究进程

1．3 过程强化的研究现状

1．3．1 过程强化技术的概念与发展历程

1．3．2 过程强化技术目前面临的问题

1．4 本文的主要研究内容与结构

1．4．1 本文主要研究内容

1．4．2 本文主要结构

第二章 非线性理论基础知识

2．1 非线性基本理论概述

2．1．1 分岔概念及其简述

2．1．2 混沌概念及其简述

2．1．3 混沌演变的路径

2．1．4 非线性现象主要描述与研究方法

2．2 分析工具简介

2．3 过程分析流程介绍

2．4 本章小结

第三章 冰淇淋废水厌氧消化的生物反应过程非稳态操作分析

3．1 冰淇淋废水厌氧消化的生物反应过程数学模型

3．2 冰淇淋废水厌氧消化的生物反应过程稳定性分析

3．3 对冰淇淋废水厌氧消化的生物反应过程进行非稳态操作研究

3．3．1 对过程参数循环量β加入强制周期振荡

3．3．2 对进料S0加入强制周期振荡

3．4 本章小结

第四章 生物法制乙醇过程非稳态操作过程分析

4．1 CBEF过程非稳态操作分析策略

4．2 连续乙醇发酵过程建模与分析

4．2．1 过程模型

4．2．2 连续生物乙醇发酵过程的稳定性分析

4．2．3 极限环的数值延拓

4．3 强制周期扰动的CBEF过程建模与分析

4．3．1 过程模型

4．3．2 强制性周期操作中振幅对过程影响效果的分岔图

4．3．3 强制性周期操作中频率对过程影响效果的分岔图

4．3．4 CBEF过程强制周期扰动的极限环分析

4．4 CBEF过程强制周期扰动后对输出参数性能的影响

4．4．1 强制周期扰动的振幅变化对过程输出量的影响

4．4．2 强制周期扰动的频率变化对过程输出量的影响

4．4．3 不同设计点时强制周期扰动变化对过程输出量的影响

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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