基于数据驱动非线性频率响应方法的周期操作化工过程分析与优化
CSTR:
作者:
作者单位:

1.大连理工大学;2.谢菲尔德大学

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中图分类号:

TP273

基金项目:

国家自然科学基金项目(面上项目,重点项目,重大项目)


Analysis and Optimization of Chemical Process Forced Periodic Operation Based on Data-Driven Nonlinear Frequency Response Method
Author:
Affiliation:

Fund Project:

The National Natural Science Foundation of China (General Program, Key Program, Major Research Plan)

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    摘要:

    化工过程的周期操作可利用反应过程固有的非线性特性突破稳态操作性能瓶颈。然而,操作参数的合适选取和对非线性特性分析能力的不足使其在应用中受到制约。为此,近年来学者们提出了一种非线性频率响应方法,旨在通过系统输出直流分量快速判定周期操作能否提升化学反应效益。然而,由于该方法对第一原理模型的依赖和对高阶非线性特性分析能力的不足,通常只能实现定性分析。为弥补现有方法在系统定量分析和优化设计中的不足,本研究提出了一种基于数据驱动和非线性频率分析的新方法。新方法利用反应过程的输入-输出数据,结合筛选出的数值方法,构建数据驱动NFR模型代替第一原理模型,实现化工系统定量分析和优化设计,最大限度地发掘周期操作的性能提升效用。同时,针对方波周期操作下的等温CSTR和CO2-水气液平衡过程,从数值仿真和应用层面分别验证了方法的系统分析和优化设计应用潜力。

    Abstract:

    Forced periodic operation can exploit inherent nonlinearities to exceed the steady-state performance. However, the application is limited by parameter selection and inadequate nonlinear analysis. To address these problems, the existing Nonlinear Frequency Response (NFR) method was proposed to judge the operation efficiency through the DC component. Nevertheless, the reliance on the first principle model and the incapacity of higher order nonlinearities analysis restrict the method to qualitative analysis. To address the limitations, a novel data-driven nonlinear frequency analysis method is proposed in this paper. It is to use the input-output process data and the selected numerical approximations to construct a data-driven NFR model, instead of the first principle model, to achieve quantitative analysis and the optimal design, which enables the maximal efficiency of the forced periodic operation. The method is then validated on an isothermal CSTR and a CO2 absorption device under square-wave forced periodic operation via both simulation and experiments respectively.

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  • 收稿日期:2025-10-17
  • 最后修改日期:2026-01-05
  • 录用日期:2026-01-06
  • 在线发布日期: 2026-02-06
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