一种多相态有机污染物治理的能量平衡混合建模方法技术

本发明专利技术提供了一种多相态有机污染物治理的能量平衡混合建模方法，针对反应精馏生产过程排放的废气、废水和精馏残液等多相态有机污染物，采用临氧裂解催化氧化治理工艺，构建能量转化方程和能量传递方程，定义自热平衡率；采用长短时记忆循环神经网络的半监督学习建模方法，建立不同组分浓度和操作条件的催化反应速率估计模型，依据反应速率建立临氧裂解及催化氧化反应动力学模型实时预测治理过程各组分浓度及耗氧量的变化，再根据能量转换方程和能量传递方程计算治理过程的能量动态自热平衡率。本发明专利技术利用高浓度有机污染物中蕴含着大量的能量，将催化反应过程释放大量的能量，直接用于非气态污染物温升与汽化所需热量，显著降低治理装置运行能耗。著降低治理装置运行能耗。著降低治理装置运行能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种多相态有机污染物治理的能量平衡混合建模方法


[0001]本专利技术涉及化学工程、有机污染物治理及复杂工业过程建模及优化领域，具体但不限于涉及一种多相态有机污染物治理的能量平衡混合建模方法。

技术介绍

[0002]化石资源的大规模开发利用使得生态环境不断恶化，是无法回避的问题，绿色低碳的发展理念渐成共识，实现高功能化和绿色化的途径就是“智能化”。化工生产过程中不可避免地会产生数量可观的高浓度有机废气、废水或残液，具有毒性大、组成复杂、处理困难等特点。
[0003]有机污染物治理已成为环境治理技术的热点研究课题之一，目前主流的有机污染物治理方法主要包含以下三种：生物法、焚烧法和催化氧化法。传统生物法是将有机物作为碳源和能源进行代谢作用，通过厌氧微生物将有机物质转化为可再利用的能量和生物固体，生物法不仅投资大、占地广，且需要对高浓度有机废水进行稀释预处理，增加了工艺复杂性和成本。焚烧法直接将有机物进行高温燃烧，去除效率高，但焚烧法所需温度高达1000℃及以上，危险性大，投资和运营成本较为高昂。催化氧化法是通过使用廉价空气氧化剂和先进催化材料，将多相态(气、液、固)、多结构(单质、化合物、聚合物)有害有机大分子，通过“气固”两相催化氧化反应，转变为对无害的CO2、H2O、N2和易于处理的SO2、HCl等小分子。
[0004]有机污染物治理已成为环境治理技术的热点研究课题之一，目前临氧裂解催化氧化治理在装置能量高效利用方面还需要深入探索，以更好地实现超净排放、低能耗目标。由于有机污染物成分的复杂性及不确定性，严格机理模型很难工业在线应用，基于数据驱动的智能建模方法在描述输入输出非线性关系优势明显，基于过程信息源，可以通过改进的最小二乘法、非线性回归、极大似然法等经典辨识方法提高模型的精度，也可以采用进化算法、深度学习、强化学习等智能算法来提高模型的精度或适应度。但是当标记数据非常有限时，它们往往提供较差的预测性能，近年来采用半监督学习与智能学习算法结合，有效利用了大量的无标签工业数据以提高模型在线精度，另外结合混合智能建模方法解决过程模型的在线适应度问题是当今的流行趋势；有机污染物含有大量的潜在可利用能源，如何高效利用污染物自身能源，对于大大降低污染物治理能量消耗是非常关键问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的一个或多个问题，本专利技术提出了一种多相态有机污染物治理的能量平衡混合建模方法，利用智能学习算法与机理模型构建混合模型在线实时预测动态自热平衡率，构建能量自热平衡系统，将催化反应过程释放的大量能量，直接用于非气态污染物温升与汽化所需热量，实现多相态有机污染物的深度净化的同时，显著降低装置运行的能耗。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：
[0007]根据本专利技术的一个方面，一种多相态有机污染物治理的能量平衡混合建模方法，
包括：
[0008]S1、构建多相态有机污染物治理的自热平衡率，所述自热平衡率定义为多相态有机污染物治理中吸收的总能量与释放的总能量之比；
[0009]S2、采用半监督学习的长短时记忆循环神经网络算法，建立不同组分浓度、不同操作条件下的有机污染物催化反应速率预测模型，预测不同组分浓度、不同操作条件下的催化氧化反应速率；
[0010]S3、基于上述预测得到的反应速率，分别建立不同有机污染物临氧裂解及催化氧化反应动力学模型,预测治理过程各组分浓度及耗氧量的变化；
[0011]S4、根据上述各组分浓度及耗氧量的变化建立多相态有机污染物治理过程的能量转换方程和能量传递方程，计算动态自热平衡率，并根据动态自热平衡率构建多相态有机污染物治理的能量动态自热平衡控制系统，协同调控进料配比。
[0012]可选的，S1中构建自热平衡率的具体步骤包括：
[0013]S1
‑
1、建立多相态有机污染物催化氧化过程的能量转化方程，计算多相态有机污染物在反应过程中释放的总能量∑Q
r
；
[0014]S1
‑
2、建立不同相态下的有机污染物治理过程的能量传递方程，计算多相态有机污染物在温升和相变过程中吸收的总能量∑Q
a
；
[0015]S1
‑
3、多相态有机污染物治理的自热平衡率为吸收的总能量与释放的总能量之比：比：
[0016]可选的，S1
‑
1中多相态有机污染物在反应过程中释放的总能量∑Q
r
包括废气、废水、残液在催化氧化反应中释放的热量，具体为：
[0017]1)根据对环境产生危害的高反应性挥发性有机化合物VOCs的含量来计算废气在反应过程中释放的热量：其中，H
wg
表示废气的耗氧量对应的放热量，V
wg
表示废气的进料流量，C
wg
表示废气中有机污染物组分的浓度，V
m
表示废气的摩尔体积；
[0018]2)根据每升废水中的有机物被完全氧化所需要的氧气量COD来计算废水在反应过程中释放的热量：Q
rww
＝H
ww
×
OC
ww
，其中，H
ww
表示废水的耗氧量对应的放热量，OC
ww
表示废水中有机物的耗氧量；
[0019]3)根据热值计算残液在反应过程中释放的热量：Q
rds
＝ρ
ds
×
V
ds
×
H
ds
‑
Q
ds
，其中，ρ
ds
表示残液的密度，V
ds
表示残液的进料流量，H
ds
表示残液的耗氧量对应的放热量，Q
ds
表示残液的氧化放热量，液的氧化放热量，表示残液的燃烧产物中的水在反应器中吸收的热量，表示残液的燃烧产物中的二氧化碳在反应器中吸收的热量；
[0020]4)则多相态有机污染物在反应过程中释放的总能量∑Q
r
为：
[0021][0022]可选的，S1
‑
2多相态有机污染物在温升和相变过程中吸收的总能量∑Q
a
包括反应器中氮气和未被消耗掉的氧气升温所吸收的热量、水升温所吸收的显热和汽化潜热、以及水蒸气升温所吸收的显热，具体为：
[0023]1)氮气升温所吸收的显热为：
[0024][0025]其中，T0表示初始温度，T
flu
表示流化床操作温度，表示反应器中氮气的摩尔流量；
[0026]2)未被消耗掉的氧气升温所吸收的热量为：
[0027][0028]其中，VM
O2
‑
L
表示未被消耗掉的氧气的摩尔流量；
[0029]3)废水由初始温度升温到100℃所吸收的显热为：
[0030][0031]其中，表示水的摩尔流量，表示水的摩尔质量；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多相态有机污染物治理的能量平衡混合建模方法，其特征在于，包括：S1、构建多相态有机污染物治理的自热平衡率，所述自热平衡率定义为多相态有机污染物治理中吸收的总能量与释放的总能量之比；S2、采用半监督学习的长短时记忆循环神经网络算法，建立不同组分浓度、不同操作条件下的有机污染物催化反应速率预测模型，预测不同组分浓度、不同操作条件下的催化氧化反应速率；S3、基于上述预测得到的反应速率，分别建立不同有机污染物临氧裂解及催化氧化反应动力学模型,预测治理过程各组分浓度及耗氧量的变化；S4、根据上述各组分浓度及耗氧量的变化建立多相态有机污染物治理过程的能量转换方程和能量传递方程，计算动态自热平衡率，并根据动态自热平衡率构建多相态有机污染物治理的能量动态自热平衡控制系统，协同调控进料配比。2.根据权利要求1所述的多相态有机污染物治理的能量平衡混合建模方法，其特征在于，S1中构建自热平衡率的具体步骤包括：S1
‑
1、建立多相态有机污染物催化氧化过程的能量转化方程，计算多相态有机污染物在反应过程中释放的总能量∑Q
r
；S1
‑
2、建立不同相态下的有机污染物治理过程的能量传递方程，计算多相态有机污染物在温升和相变过程中吸收的总能量∑Q
a
；S1
‑
3、多相态有机污染物治理的自热平衡率为吸收的总能量与释放的总能量之比：3、多相态有机污染物治理的自热平衡率为吸收的总能量与释放的总能量之比：3.根据权利要求2所述的多相态有机污染物治理的能量平衡混合建模方法，其特征在于，S1
‑
1中多相态有机污染物在反应过程中释放的总能量∑Q
r
包括废气、废水、残液在催化氧化反应中释放的热量，具体为：1)根据对环境产生危害的高反应性挥发性有机化合物VOCs的含量来计算废气在反应过程中释放的热量：其中，H
wg
表示废气的耗氧量对应的放热量，V
wg
表示废气的进料流量，C
wg
表示废气中有机污染物组分的浓度，V
m
表示废气的摩尔体积；2)根据每升废水中的有机物被完全氧化所需要的氧气量COD来计算废水在反应过程中释放的热量：Q
rww
＝H
ww
×
OC
ww
，其中，H
ww
表示废水的耗氧量对应的放热量，OC
ww
表示废水中有机物的耗氧量；3)根据热值计算残液在反应过程中释放的热量：Q
rds
＝ρ
ds
×
V
ds
×
H
ds
‑
Q
ds
，其中，ρ
ds
表示残液的密度，V
ds
表示残液的进料流量，H
ds
表示残液的耗氧量对应的放热量，Q
ds
表示残液的氧化放热量，氧化放热量，表示残液的燃烧产物中的水在反应器中吸收的热量，表示残液的燃烧产物中的二氧化碳在反应器中吸收的热量；4)则多相态有机污染物在反应过程中释放的总能量∑Q
r
为：4.根据权利要求2所述的多相态有机污染物治理的能量平衡混合建模方法，其特征在
于，S1
‑
2多相态有机污染物在温升和相变过程中吸收的总能量∑Q
a
包括反应器中氮气和未被消耗掉的氧气升温所吸收的热量、水升温所吸收的显热和汽化潜热、以及水蒸气升温所吸收...

【专利技术属性】
技术研发人员：薄翠梅，杨澄，李俊，高世达，崔咪芬，乔旭，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：