吸附剂研究是吸附分离研究的核心，加速新型吸附分离技术发展的关键在于多孔吸附剂的筛选。金属有机框架等新型多孔材料在吸附分离领域受到了广泛关注，近年其数量呈爆炸式增长，但这也给吸附剂筛选带来了压力。机器学习引领了多孔材料在发现、设计和应用上的创新突破，正推动多孔吸附剂研究进入数据驱动的全新范式。本文介绍了近年来机器学习在多孔吸附剂领域的研究现状，通过关键案例研究梳理了多孔材料数据库、吸附性能预测及其他相关机器学习任务上的进展，分析了在多孔材料机器学习中模型输入的原理和特点。最后总结出标准化数据库、促进知识迁移、弥合实验与模拟数据的差异及可解释模型是未来多孔吸附剂机器学习研究的发展方向。本文为使用机器学习开发新型多孔吸附剂的研究者提供了简明的资源。

通过分子动力学模拟，探讨了再生沥青与集料界面的黏附性能及生物再生剂对老化沥青的影响机制。合理构建了老化沥青以及添加2%腰果壳油、2%妥尔油两种生物再生剂后的沥青模型。进一步建立石灰岩集料模型，采用直接拉伸模拟计算了沥青-集料界面的相互作用能表征黏附性能，最后通过均方位移和相对浓度解释了沥青分子在界面的扩散行为和生物再生剂改善机制。研究结果表明，腰果壳油通过π-π堆积作用和酚基极性改善了老化沥青的聚集行为，黏附性能提高约32%；妥尔油通过其分子支链结构的解聚作用改善了老化沥青的分散性，黏附性能提高约17%。研究创新性地结合界面拉伸模拟与生物再生剂，系统揭示了生物再生剂对沥青-集料界面黏附性能的影响机制，为沥青-集料界面的黏附性能优化和生物再生剂在沥青中的应用提供了理论支持，对沥青路面中的沥青-集料界面性能表征试验的跨尺度研究具有重要的指导意义。

规整填料因能够提供较大比表面积的同时产生较低压降而被广泛应用在化工气液分离过程。填料性能取决于局部气液分布，射孔对填料内部气液流动有较大影响，以往研究往往忽略了填料波纹板表面射孔。本文在VOF框架下建立了填料内气液两相流动的CFD模型，针对华能正宁1.5×10⁶t/a碳捕集项目吸收塔内规整填料波纹板表面CO₂吸收剂流动开展了模拟，探讨了开孔波纹板上典型吸收剂的流体力学特性。模拟结果表明当喷淋密度为20m³/(m²·h)时，射孔的存在导致了溪流流动分离和大量液滴形成，但对持液率和界面面积率影响较小，未开孔波纹板上液体主要以稳定溪流形式沿着波谷流动，而开孔波纹板上则以液滴形式流动。吸收剂溶液物性显著影响填料表面液体流动形貌，随着溶液Ka（Kapitza数）减小（即表面张力降低或黏度增加），流动达到稳态所需时间、持液率、界面面积率和润湿率均增加。通过改变壁面边界条件，有效地研究了接触角（波纹板表面纹理）的影响。随着接触角减小，观察到30%MEA水溶液在开孔波纹板上的流动形式由液滴流转变为溪流继而转变为膜状流，这导致了持液率、界面面积率和润湿率也随着接触角的减小而增加。此外，当接触角为20°时，模拟预测的界面面积率与Olujic模型预测的结果高度一致，持液率的预测结果略低于Billet-Schultes模型预测的结果，整体趋势有较高的一致性。

针对多晶硅生产工艺中的化学气相沉积过程涉及的三氯氢硅在氢气氛中的热分解及还原体系开展微观层面的反应分子动力学模拟，定性和定量地探究了反应物H₂与氢自由基（H·）的数量配比对反应过程的微观作用机制的影响，并比较分析了不同的反应体系中反应物SiHCl₃与H₂及H·、中间产物HCl与SiH₂Cl₂及SiH₄的动态演化情况及其主要的转化路径，为多晶硅化学气相沉积过程的工艺改进提供了基础的理论支撑。模拟结果表明，反应体系中H·的活泼性明显大于H₂，H·的引入可以明显加快SiHCl₃分子在氢气氛中的热分解与还原过程，具体表现为加入初始反应体系的H·与H₂数量比越大，达到反应平衡时被转化的SiHCl₃分子越多；中间产物HCl分子的生成量与加入初始反应体系的H·的数量正相关；适量的H·可以促使SiHCl₃分子形成一氢代物，而过量的H·促使SiHCl₃分子形成多氢取代物，当实际反应体系的反应温度设置为1000K且SiHCl₃与H₂数量配比设置为1∶1时，有利于副产物SiH₂Cl₂的形成；为了在相对较低的反应温度（1000K）下得到中间产物SiH₄，SiHCl₃与H₂的数量配比至少需要大于1∶1，增加反应体系中H₂的含量，有利于提高中间产物SiH₄的产量。

橡胶材料的应力软化是指经多次循环加载（拉伸-恢复）后应力降低的现象，是影响相关工程应用效果和工程安全的重要因素。利用全原子分子动力学模拟方法，本文研究了丁苯橡胶材料的应力软化现象，从分子尺度探索和总结了应力软化的微观特征和关键影响因素。研究发现，丁苯橡胶的应力软化是由链间相互作用决定的，高分子总动能和势能分布是描述链间相互作用的重要方法。苯环基单元在丁苯橡胶总动能分布和总势能分布中发挥着主导作用。这是因为它们在丁苯橡胶分子中以侧支链的形式存在，且具有较大的体积。丁烯基单元在总动能分布中也发挥着主要作用，却几乎不影响总势能分布。乙烯基单元不是影响总动能、总势能分布的主要因素。在相同应变下，体系中自由体积随着循环拉伸次数增加而增大，并逐渐形成集中而连续的空腔，这些空腔是应力软化现象的重要微观结构特征。

传统配方产品设计通常是基于经验和大量的实验。计算机辅助分子设计（CAMD）将配方设计问题转化为确定与目标产品功能相匹配的化学物质及其分子组成的问题，显著提高设计效率和准确性。然而，对于结构性产品（如洗涤剂、牙膏等），其性能主要由微观结构决定，且一些难以描述的性质（如泡沫性能）缺乏可量化的数据，导致定量构效关系（QSPR）模型的建立存在困难。针对这一问题，本文提出了一种结合分子动力学（MD）模拟与机器学习的计算机辅助配方设计方法。首先，利用分子动力学模拟研究配方产品中不同成分的微观行为及其形成的微观结构，揭示了成分间的相互作用机理。然后，从模拟结果中提取可量化的分子动力学描述符，结合贝叶斯神经网络构建QSPR模型，预测配方成分与产品性能之间的关系。最后，通过数学优化算法求解最优配方组成。本文以牙膏产品为例，设计了满足泡沫性能需求的配方。结果表明，该方法能够显著减少配方设计的搜索空间，提高设计效率和科学性，为配方设计指明了方向。未来，随着技术进步和市场需求的变化，计算机辅助设计方法将在化工领域发挥更加重要的作用。

化学吸收法是当前广泛应用的CO₂捕集方法之一，而采用胺溶剂进行化学吸收的技术较为成熟。胺溶剂碳捕集过程是典型具备“三传一反”特性的化工过程。在这一过程中，扩散系数是评估其传质过程的重要参数，同时影响着胺溶剂吸收CO₂过程中的动力学性能评价和反应性能评价。由于传统的实验方法测量胺溶剂扩散系数较为烦琐，本文采用分子动力学模拟的方法进行研究。首先，研究发现通用小分子力场模型（PCFF）在胺溶剂水溶液体系下的模拟精度较低，为确保模拟的准确性，需要针对分子力场模型进行修正。结果表明，修正后的力场模型能准确描述甲基二乙醇胺（MDEA）溶剂中的分子间相互作用和自扩散系数，预测误差小于3%。随后，基于修正模型，本文计算了多种单胺溶剂的自扩散系数，并推导了自扩散系数与温度之间的定量关系。为探明胺溶剂动力学性质受反应进度变化产生的离子的影响，研究构建了不同反应进度下的模拟体系。基于结果，研究发现自扩散系数在反应过程中逐渐减小，且与反应进度呈线性关系。此外，对不同比例混合胺溶剂（如单乙醇胺与甲基二乙醇胺）的模拟显示，自扩散系数与MEA的质量分数近似呈线性关系。通过对分子间相互作用能和径向分布函数的进一步分析，本文阐明了胺溶剂自扩散系数的变化规律及其微观机制。综上，本文针对通用小分子力场模型进行了修正，并为优化胺溶剂的CO₂捕集性能提供了重要的理论支持和模拟工具。

采用机器学习算法中的支持向量机模型（SVM）对水滑石粒度分布进行预测，以超声衰减信号为主要输入变量，以马尔文激光粒度仪测量的粒度分布作为输出。研究首先对超声衰减信号特征进行提取和分析，结合支持向量机的强大学习能力，引入主元分析（PCA），建立了粒度分布预测模型，采用网格搜索（grid search）优化的方式对模型的超参数进行优化。实验结果表明，支持向量机模型能够有效捕捉超声衰减信号与水滑石粒度分布之间的复杂关系，预测值与测量值峰型相似，均方误差MSE为0.1373，模型拟合优度R²=0.9758，累计粒度分布绝对误差最大值为0.0405，预测精度显著高于传统统计方法。研究表明，该方法在处理非线性复杂数据方面具有很大的优势，为水滑石粒度分布的无损检测和实时监测提供了新思路，具有较高的应用价值和推广潜力。

对矩形流化床中5种不同长径比（AR=1~5）的柱形颗粒进行流态化实验，测量了床层总压降和分段压降分布。通过高速摄像机拍摄不同柱形颗粒的流态化视频，采用图像处理方法分析了不同气速下柱形颗粒的高度和转角倾向分布。实验结果表明，在矩形流化床中，长径比小于5的柱形颗粒能够完全流化，而AR=5的柱形颗粒通道流现象显著且难以流化。AR会影响分段压降分布以及最小流化速度，柱形颗粒的堵塞作用随着AR的增大而增强。不同AR的柱形颗粒在完全流化后，其轴向趋于与重力方向一致。本文的实验数据以及观察到的通道流现象可为气固系统中计算流体动力学模拟的验证和研究提供基础数据。

双层多孔介质燃烧反应器具有燃烧效率高、燃料燃烧极限宽、污染物排放少等优点，在工业应用中具有重要应用价值，然而其内部流动-传递-反应过程复杂，难以实现双层多孔介质反应器的精准调控与优化。为此，本文基于孔隙尺度的计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）方法，采用搭桥的方法模拟固体间的热传导，对双层多孔介质甲烷燃烧器进行了二维全尺寸数值模拟，研究了特定当量比下不同入口速度以及特定入口速度不同当量比对燃烧行为的影响。计算结果表明，火焰分散在孔隙中，稳定在燃烧器某一水平位置，当入口气体速度较低时（0.3m/s），火焰驻定在双层多孔介质的交界面附近，火焰位置随流速的增大向下游移动，随当量比的增大向上游移动，火焰温度随入口速度的增加而增加，温度分布局部化，局部高温出现在较小的孔隙间。燃烧在孔隙内更加剧烈，最大速度可达到入口速度的56.0~58.7倍。因此，双层多孔介质燃烧反应器的孔隙尺度CFD模拟可以揭示其内部的流动-传递-反应特性。

为提高人工设计开孔泡沫的对流传热性能，提出了一种新型泡沫多孔Laguerre Voronoi（LV）模型，该模型能够有效还原实际泡沫的周期性和随机性，避免了流动贯穿，同时还可对孔隙堵塞问题进行定量调控，具有良好的对流传热性能。基于参数式一体化建模方法，重建了一系列具有不同几何参数的LV泡沫，通过孔隙尺度数值模拟分析了入口流速、表观及孔隙结构参数（孔隙率、水力直径、元胞直径、相对肋筋直径）对LV泡沫对流传热性能的影响，结合实验测量验证数值结果可靠性，并与现有研究中提出的Lord-Kelvin（L-K）模型、传统工艺模型及X射线计算机断层成像（X-CT）扫描模型进行对比。在此基础上，基于孔隙参数及表观参数分别拟合了两类对流传热关联式，对关联式的适用性、预测精度及误差分布特性进行了详细分析。结果表明，相比L-K模型，LV泡沫具有更为真实的孔隙结构，对流传热性能更佳；容积传热系数随入口流速增大而单调增大，随相对肋筋直径增大（或孔隙率减小）成抛物线分布，其对称轴与雷诺数相关。本文提出的两类对流换热关联式适用于广泛的几何参数和雷诺数范围，最大相对误差均小于20%，具有良好的预测精度，可用于高效预测开孔泡沫的对流传热性能。

计算流体力学-群体平衡模型（CFD-PBM）由于结合了CFD预测流场信息和PBM计算气泡尺寸分布两方面的优势，被广泛应用于鼓泡塔反应器的数值模拟。但目前大多数研究工作主要针对常压下空气-水体系，其结果无法直接应用到高温、高压下操作的真实工业浆态床反应器中。本文从不同操作环境下气泡破碎及聚并行为建模角度出发，阐述了压力、黏度、表面张力及颗粒对流体力学行为影响的最新进展。模拟结果表明，CFD-PBM耦合模型可以准确描述浆态床内流体力学行为，与传统的经验关联式相比模型适用性更广。目前的模拟工作大多集中在实验室规模浆态床反应器的冷模研究，未来需要克服工业规模反应器多尺度耦合的难题，从而推动CFD-PBM耦合模型从实验室规模模拟向工业应用跨越。

卷积神经网络（CNN）是深度学习的代表算法之一，近年来在计算机视觉、自然语言处理等多个领域取得了显著的成绩，其中visual geometry group（VGG）是一种应用广泛的卷积神经网络模型，并且在图像识别分类任务中展现出了极大潜力。然而，该算法在数据回归预测场景中的应用效果不佳，并且存在参数数量多、占用内存大的局限性。为此，提出了一种新的深度VGG架构（D-VGG），该架构改进了VGG中的block1、block2、block3、block4和block5的不同卷积核配置，采用更高效的conv5-32布局，同时在每层block中添加批归一化层，并在全连接层之前添加Dropout层，有效缓解了过拟合问题，并加速了训练过程的收敛，改进的D-VGG网络架构展现出优异的模拟预测性能，解决了卷积神经网络对回归预测效果不佳的问题。使用某厂乙烯裂解炉装置的数据集对该网络的预测性能进行了评估，并与其他机器学习模型CNN、CNN-长短期记忆网络（LSTM）、反向传播（BP）神经网络、支持向量回归（SVR）等比较，实验结果分析表明：D-VGG模型的预测性能均优于其他模型，测试集R²最高达到了0.9748，均方根误差（RMSE）相比于VGG16模型降低了37.5%，其平均绝对误差（MAE）、平均偏差误差（MBE）、RMSE评价指标最小。

沉降器内部异常的气固两相流动状态会影响装置的分离能力，造成催化剂大量跑损，严重影响装置长周期安全稳定的运行。本文采用计算流体力学（CFD）模拟的方法考察装置原料处理量变化、催化剂循环量变化以及分离系统出现磨损穿孔、堵塞等机械故障时装置内部气固两相流动、传热和分离过程，并建立一种沉降器跑剂异常诊断的方法。研究结果表明，沉降器操作参数改变时装置内气固含量发生变化，顶旋入口条件偏离正常运行范围时，装置会出现阵发性的跑剂异常；沉降器发生机械故障时，内部出现窜气、短路流等异常气固流化状态，进而影响装置内速度、温度和压力分布，导致顶旋的分离能力急剧降低，装置出现持续性的跑剂异常。基于沉降器跑剂机理和数值模拟结果，建立了针对沉降器操作参数改变和设备机械故障跑剂的诊断方法，并通过工业实例证实了该方法的准确性。本文为沉降器跑剂问题的预防及应急处理提供理论支持，有助于催化裂化装置高效运行。

氨裂解制氢是一种新兴的制氢方式，采用氨氢燃烧的余热烟气为热源。本文建立了以氨氢燃烧余热为热源的氨裂解反应器多物理场耦合数值模型，将催化区域视为多孔介质模型，研究了余热烟气和反应物氨的进口温度、流量以及流型等对氨转化率、产氢率、热利用率等反应器性能的影响。结果表明，提高余热烟气进口流量和温度、提高反应物进口温度以及降低反应物进口流量可明显提高氨制氢的转化率；提高余热烟气进口温度和反应物进口流量，降低余热烟气进口流量和反应物进口温度对提升反应器整体热利用率有帮助，余热烟气因素对热利用率的影响大于反应物。研究结果有助于耦合氨氢燃烧余热烟气利用的氨裂解反应器的设计和优化。

以三周期极小曲面（triply periodic minimal surface，TPMS）Gyroid胞元构造微通道换热器，通过数值模拟方法分析其流动换热特性。对Gyroid胞元的数学描述及结构特征进行了阐述，并对不同尺寸的Gyroid胞元填充的高温换热器换热构件进行了模拟计算，将结果进行对比分析并生成了流动换热经验关联式。为了降低压降，提出各向异性Gyroid胞元结构并研究其对流动换热特性的影响。研究结果表明：胞元尺寸越小，Gyroid的换热特性越好，但压降随之增大；研究确定了适用于G型胞元结构的流动换热经验关联式，为TPMS换热器设计提供了基础；在各向异性胞元中，增大流向尺寸可以提升流动换热综合性能，但会牺牲一部分换热性能；减小展向尺寸几乎不影响综合性能，可以同时减小体积和单位长度压降，并提高单位体积换热量。因此，需要综合考虑设计需求。

煤气化渣活化过程中硅酸成胶影响整体传质，需通过了解流场分布来优化反应器。本文构建容积3000L搪玻璃反应釜模型，通过计算流体力学方法研究搅拌桨叶结构参数和工况对流场特性的影响。以煤气化渣活化浆料为搅拌介质，使用剪切应力传输（SST）k-ω模型与Eulerian模型，通过多重参考系法和示踪剂浓度法分析锚框式桨叶结构参数与工况对搅拌过程中单位体积搅拌功率、有效搅拌体积分数和混合时间的影响。结果表明，锚框式桨叶适用于煤气化渣浆液的混合搅拌，其中错位锚框式桨搅拌下流速分布最均匀。桨径和转速的变化显著影响流场分布，1320mm桨径在混合效果与能耗之间达到较好的平衡，而转速的增加显著提高单位体积功率和有效搅拌体积分数，最佳运行转速为20r/min，最佳离底高度为216mm，最优设计下，桨以46.96W/m³的低功耗快速混合浆液。

随着国家载人航天的不断发展，临近空间飞行器对极高速度和长航时的需求日益增长，如何准确模拟航天器再入过程中热化学非平衡气动加热对热防护系统的影响，一直是航天再入空气动力学前沿难题。本文根据宏观表面催化反应理论，在直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法架构的基础上构建有限速率表面催化反应模型。考虑五组元混合气体气相反应、表面催化反应的耦合作用，通过典型算例分析表面催化反应对飞行器再入大气层飞行器表面的影响，其表面热流相比未考虑表面催化反应的结果提高近30%。表面催化反应模型的加入为热化学非平衡表面效应难表征问题提供了新的手段，进一步提升了飞行器再入环境下高超声速气动加热预测能力，支撑飞行器热防护设计向高热载荷、轻量化方向发展。

为提高撞击流反应器的混合性能，设计了一种新型自激振荡撞击流反应器，并采用数值模拟方法对其内部流场动力学特征与物质混合过程进行了分析。采用剪切应力输运k-ω（SST）湍流模型模拟了喷嘴内流体流动模式及撞击流反应器内流型分布，考察了雷诺数对射流振荡频率及反应器混合性能的影响。研究结果表明：喷嘴出口射流的振荡是由喷嘴腔室内循环泡的重复生长过程控制，反应器内流场分布受两侧射流偏转角度影响。射流振荡频率随着雷诺数的增大而增加，高频振荡使得两股流体的剪切和径向运动速度加快，雷诺数为30000，混合时间为50s时，反应器出口混合强度达到0.962。本研究拓展了基于振荡射流的撞击流动力学理论体系，为高效反应器设计提供了新思路。

循环流化床全回路系统广泛应用于能源、化工等领域，系统中普遍包含提升管、非机械密封仓、旋风分离器、料腿等复杂结构。随着操作条件变化，一方面系统中出现跨流域流化特性，另一方面系统中也普遍存在颗粒聚团、气泡等非均匀介尺度结构。合理量化循环流化床全回路系统中的流动/传递特性，对优化操作条件及反应器结构、寻找全回路系统的放大规律至关重要。本文作者课题组前期工作已初步证明基于介科学中多尺度分解思想构建的结构双流体模型可从模型架构上兼顾控制方程及本构关系均考虑非均匀介尺度结构影响，它具有针对气固复杂系统多流域情况下的准确模拟能力。由于循环流化床全回路系统平衡压降困难、构体结构复杂、需要满足连续操作等条件，三维全回路系统快速准确模拟一直备受制约。因此，本文尝试利用结构双流体模型刻画两类无机械阀控制的循环流化床全回路系统中的气固流动特性。模拟结果显示：与实验数据相比，结构双流体模型可准确预测床内气固复杂流动特性，如轴向固体浓度、径向固体浓度、径向速度与压降分布等；该模型在多种操作条件下的适用性和鲁棒性良好，且计算效率较高，更适用于预测稠密气固两相流系统，因此为工业尺度的循环流化床系统优化设计与放大奠定坚实的基础。

利用数值模拟技术，深入探讨了固定床反应器中不同水分质量分数对煤热解特性的影响。采用双流体模型结合Zehner-Bauer-Schlunder（ZBS）气固相间导热模型、Breitbach-Barthels（B-B）辐射模型、相变模型、煤热解平行反应动力学模型和焦油二次裂解模型，模拟了煤在固定床反应器中的传热、传质及热解反应过程，分析了不同水分质量分数对煤热解产物生成的影响。模拟结果表明，不同径向位置挥发分生成速率最大时对应的温度都接近热解终温。水分质量分数影响了反应器内的温度分布、挥发分生成速率以及各热解产物的产率。随水分质量分数的增加，煤层升温速度减慢，煤层中心达到热解温度的时间显著延长，热解过程推迟，降低了热解效率。同时，高水分煤的热解产物总体生成速率也有所下降，尤其是挥发分的生成受到了抑制。此外，水分质量分数的增加影响了各热解产物的产率：热解气和热解水的产率上升，焦油和半焦的产率下降。该研究得到了含水率对煤热解行为的影响规律，为优化煤热解工艺、提高煤炭转化效率提供了理论依据。

双圆柱绕流是深入理解复杂结构周围流动的基础模型，已有众多研究者进行了广泛研究，但鲜有涉及低雷诺数高克努森数的流动。本文采用拟颗粒模型，模拟研究0.5≤Re≤5和0.1≤Kn≤1.5条件下，并排及串排双圆柱绕流的阻力及升力情况。研究发现，圆柱并排时，阻力系数随间距增大而增大，并在间距超过临界值后，阻力系数接近单圆柱绕流结果，该临界值随Re增大而减小且与Kn无关；升力系数随间距增大先增大再逐渐减小趋于0，峰值所对应的间距受Re和Kn的影响，升力系数趋于0所需的最小间距随Re和Kn的增大而减小。圆柱串排时，上下游圆柱阻力系数均会降低；上游圆柱阻力系数随间距增大先减小后增大；下游圆柱阻力系数随间距增大而增大，且受上游圆柱影响明显，与连续流区域情况相符；Kn会影响上游圆柱对下游圆柱产生干扰的距离，表现为Kn越小，干扰距离越大。

工业煤基费托合成工艺一般采用铁基催化剂-浆态床反应器的技术路线。针对该工艺中催化剂易失活、需要周期性置换的问题，本文构建了一种Matlab-Aspen Plus集成模型，创新性地将催化剂失活、置换的动态过程与费托合成稳态工艺模拟进行了耦合。以产能为80×10⁴t/a的费托合成系统为例，分析了催化剂动态置换条件对关键性能指标每吨{\mathrm{C}}_{{\mathrm{3}}^{+}}有效气耗和催化剂消耗的影响，并得出了经济性最优的置换条件，即每132h置换20%的催化剂，此时{\mathrm{C}}_{{\mathrm{3}}^{+}}有效气耗为5449m³/t（标准状况），{\mathrm{C}}_{{\mathrm{3}}^{+}}催化剂消耗为1.65kg/t。该模型对费托合成装置的工艺设计、运行预测及实际的催化剂置换操作具有一定的指导意义，同时也为存在催化剂失活与置换操作的工艺系统建模提供了一种思路。

针对网式泡沫发生器内的气液两相流动问题，采用Eulerian双流体模型和标准k-ε湍流模型对网式发泡器中的气液两相流动及混合过程进行了模拟研究，采用发泡量和发泡倍数度量气液两相混合效果。数值模拟研究了气体流量、液体流量、发泡网孔径等影响因素对发泡器内的液相分布、发泡量和发泡倍数的影响。结果表明，气体流量的增加使出口处泡沫的平均速度u和泡沫区域的截面积S增大，从而使发泡量和发泡倍数增大；提高液体流量虽有利于提高发泡量，但是会使发泡倍数降低，从而影响泡沫质量。发泡网孔径的影响主要体现在两个方面：一方面，孔径较大时，气液在发泡网处难以混合产生泡沫，发泡量过低；另一方面，而孔径太小则会导致流体流动阻力增加，不利于发泡产生。因此，发泡网孔径的选择应综合考虑发泡量和流体流动阻力，加以合理优化。

针对含能材料水悬浮造粒工艺气液固三相搅拌过程，采用Eulerian多相流流体体积（VOF）模型对搅拌釜内气液相界面变化及固相分散行为进行了数值模拟，考察了转速和液相黏度对自由液面形态、固相浓度分布及固相速度分布变化的影响。结果表明，该模型能够合理预测具有自由液面的气液固三相搅拌过程；在250~350r/min转速内，提升转速有助于减少自由液面及边壁区域的固相富集，促进固相的均匀分散；当转速超过350r/min时，空气卷吸效应增强，大量气泡进入悬浮液。在0.001~0.1Pa·s液相黏度范围内，提高黏度可增强湍流剪切作用，抑制固相沉降，有利于固相的均匀悬浮；当液相黏度由0.1Pa·s增至0.5Pa·s时，固相流动性降低，不利于搅拌过程的稳定运行。本文为水悬浮造粒工艺的操作和优化提供了理论参考。

针对湍流搅拌槽内固液悬浮过程进行了颗粒解析的数值模拟：搅拌雷诺数Re=9800，固体颗粒处于部分悬浮状态。采用格子玻尔兹曼方法对液相流体进行直接数值模拟，并基于浸没边界法在颗粒尺度下解析固体颗粒的运动。为验证数值模拟结果，利用颗粒解析PIV实验获得了颗粒体积分数在1%~8%工况下液相平均速度场和湍流动能分布。结果表明，颗粒解析数值模拟结果与PIV实验数据吻合良好。本文模拟方法可为模化固液两相搅拌体系中固体颗粒间以及颗粒与液相流体间复杂相互作用提供一种新思路。

作为石化工业的关键中间体，环氧乙烷生产过程中催化剂形貌与操作参数的协同优化是提升反应器效能的核心挑战。本研究针对传统实验和模拟方法在催化剂构效关系解析中的高成本瓶颈，融合颗粒解析计算流体力学（PRCFD）与图卷积神经网络（GCN），构建了反应器多物理场的快速预测策略。基于COMSOL平台构建高保真计算流体力学（CFD）模型，研究了圆柱体、单孔及五孔结构催化剂在随机堆积体系中的流动-反应耦合过程，构建了涵盖三种典型颗粒形貌随机堆积构型及四种进气速率的综合研究场景。通过与真实乙烯转化率数据对比，验证了COMSOL模拟参数设置的有效性。模拟表明催化剂颗粒形状和进气速率对乙烯转化率和床层压降的影响呈现强非线性关系。基于有效的模拟数据，采用图卷积神经网络学习催化剂颗粒几何形状与压力、浓度之间的映射关系。训练后的模型能够快速预测不同催化剂和进气速率下的压力和浓度分布，相关系数R²大于0.9。本研究为化工反应器的智能设计提供了兼具物理可解释性与计算效率的创新技术手段。

四氢呋喃（THF）、甲醇（MeOH）和乙醇（EtOH）三元体系包含一条精馏边界与两个共沸点，导致采用常规精馏技术分离尤为困难。为了解决这一问题，本文探究了三元体系THF/MeOH/EtOH在不同压力下相图的变化趋势及共沸点的移动方向，基于精馏边界、剩余曲线等热力学拓扑理论分析变压精馏分离三元共沸混合物THF/MeOH/EtOH的可行性。进一步地，结合剩余曲线、组分平衡线和精馏边界等热力学拓扑理论对两种变压精馏分离序列进行工艺概念设计。最后，通过组件对象模型（COM）技术连接Aspen Plus和Matlab，采用多目标粒子群算法以经济和安全指标为目标函数对不同分离序列进行优化设计。结果表明：热力学拓扑理论分析可以快速实现变压精馏分离三元共沸混合物的概念设计；相比于EtOH-THF-MeOH分离序列，EtOH-MeOH-THF分离序列在经济和安全性能方面表现出了较强的优势。

Agrawal分壁精馏塔（Agrawal divided-wall column，ADWC）作为分隔壁精馏塔的一种改进构型，能够显著降低四组分分离的设备投资和操作投资，展现出良好的经济效益。本研究旨在针对ADWC在甲醇/乙醇/正丙醇/正丁醇（MEPB）四元醇体系分离中的动态控制问题展开研究。首先，分析ADWC的稳态构型特点。在此基础上，构建了三种控制结构，包括组成控制结构（CC）、温度控制结构（TC）以及组分-温度控制结构（CTC）。结果表明，CC结构能够有效处理±20%的进料扰动；TC结构因仅需温度检测器在工业中易于实施，但其仅能有效处理约±10%的扰动。CTC结构相较于CC结构具有更低的控制设备投资和更短的调节时间；相较TC结构具有优的控制性能和鲁棒性，是最具应用前景的控制方案。

将ET、OT和IT数据融合，构建企业唯一可信数据源，是石化企业数字化转型的数据基础和数据应用的关键。而ET数据具有数据量大、关系复杂、变更频繁、非结构化等特征，如何基于统一信息模型在项目利益方之间实现数据集成和交换面临着诸多挑战。为此，DEXPI、NAMUR等国际性组织正在推动流程工业资产生命周期管理的标准化工作。本文首先概述了工程数据的特征及管理难题，介绍了信息模型概念，并从功能、结构和行为3个维度分析了过程系统工程建模的特征；重点阐述了石化资产生命周期数据集成和交换涉及的4大阶段、3种数据结构特征，全面分析了同构及异构系统之间数据交换的相关标准，总结了现有标准化工作存在的问题和挑战。最后，从资产生命周期管理标准化工作、研发设计类工业软件发展、工程数据治理及运营平台数字化能力建设、资产生命周期数字孪生应用等4个方面进行了展望。

从废物能源化和废物的运输角度出发，构建了一个基于垃圾分类的城市固体废弃物供应链网络，综合考虑了城市生活垃圾对处理方式的选择，以及垃圾收集点到中转站和中转站到处理设施点的运输路线的选择。在此基础上，以城市固体废弃物供应链网络总费用最小和总碳排放最小为优化目标，建立了城市固体废弃物供应链网络的多目标优化模型，并采用ε约束法进行求解。以一个广西省南宁市的城市固体废弃物供应链网络为例说明了该方法的实施步骤和有效性。研究结果表明，采用本文所提出的方法可以得到城市固体废弃物供应链网络的总费用和总碳排放的帕累托前沿，并能获得在不同目标值下的最优供应链网络和能源化方式。当权重因子均为0.5时，为供应链网络的权衡点，系统的总费用和总碳排放分别为-22034USD/d和533830kg/d。此外，本文还探究了电价的变化和垃圾转运效率系数对城市固体废弃物供应链网络帕累托前沿的影响。

城市固废焚烧（MSWI）是实现废弃物管理和能源回收的关键技术之一，该过程不可避免地产生持久性有机污染物二英（DXN）。该污染物产生机理至今模糊不清且难以直接检测。为洞悉DXN生成、分解、再生成、吸附和排放的全生命周期机理，本文提出了基于耦合数值仿真和模糊森林回归的DXN全生命周期模型构建方法。首先，采用FLIC、Aspen Plus和Aspen Adsorption开发DXN全生命周期数值仿真模型。随后，进行双正交实验设计与实施以获得多工况下虚拟机理数据。最后，利用T-S模糊森林回归算法（TSFFR）建立DXN全生命周期模型。结果表明，该模型能够获取MSWI过程DXN全生命周期不同位置的浓度，为后续实现污染减排与优化控制提供了有效支撑。

目前，原油采购和混炼加工方案多采用人工经验或数学规划方法进行决策，存在求解时间过长以及无法统筹考虑全局性等问题。针对炼化场景下的典型混炼工艺和原油采购要求，结合“P模型”的概念建立了混合整数非线性模型，并根据整数变量的特性设计了基于p范数和内点法的迭代求解算法。结果表明，在10种原油、54种物性、58套加工装置的优化背景下，与商用求解器优化结果相比，采用以上方法可以在短时间内找到一个经济效益更好的原油采购加工方案并且在多个算例下均展现出了更好的鲁棒性。

针对传统煤制甲醇工艺的高碳排放、高能耗、低煤炭资源利用效率等问题，本文提出了分别引入二氧化碳加氢技术和甲烷二氧化碳干重整技术的绿氢高效耦合新工艺Ⅰ和新工艺Ⅱ，以年产3×10⁵t的传统煤制甲醇工艺路线为案例，通过对全流程的理论分析和Aspen仿真模拟，系统地研究了绿氢高效耦合新工艺的物料变化和能耗情况，并从能耗、碳排放强度、碳元素利用率、投资成本和生产成本等多维度进行了技术经济分析和对比。结果表明，相比于传统煤制甲醇工艺，新工艺Ⅰ和新工艺Ⅱ的碳元素利用率从38.74%分别提高到了84.56%和67.60%，生产每吨甲醇煤耗从1.42t均降低到了0.65t，单位甲醇碳排放强度分别下降了62.84%和56.42%，通过分析投资和生产成本发现，受制氢规模影响，新工艺Ⅰ投资较高，新工艺Ⅱ与传统工艺总投资相当。由于氢气成本较高，当前两种新工艺的单位甲醇生产成本分别是传统工艺的1.84倍和1.51倍，随着碳税的增加和制氢成本下降，新工艺将逐渐凸显经济性优势。两种新工艺在实现甲醇扩能增产的同时极大地减少了碳排放，且在能耗和经济性上都更具优势，具有良好的应用前景。

工业厂区布局优化可以有效提升生产效率并降低生产成本和风险，但现有优化方法往往导致厂区布局杂乱无章，难以在实际中操作和实施。针对这一问题，提出了一种规整化柔性厂区布局优化策略，结合柔性间隔结构和绕障管道路径约束方法。以改进的绕障最小生成树算法为基础，对传统管道布置路径进行优化，从而生成避开车间障碍的合理管道布局；同时，使用改进的柔性间隔结构进行建模，使车间布局更加灵活规整，在提升空间利用率的同时，保证厂区布局的简洁性和操作便捷性。此外，将管道、土地利用以及安全风险的经济影响纳入综合目标函数进行优化，确保布局方案的经济性、安全性和可实施性。实验结果表明，采用该方法的厂区布局在经济效益、安全性以及布局规整性方面均具有显著优势，为企业实现更高效的厂区管理和生产提供了优化参考，展现了较强的实用性和推广价值。

聚芳酯（PAR）是一种性能优异的特种工程塑料，广泛应用于各个行业中。目前，PAR主流的合成方法是界面缩聚法，因其反应条件温和、工艺成熟且产品性能优良而被广泛采用。然而，该方法合成的PAR产品在后处理过程中面临挑战，尤其是在洗涤环节，存在耗水量大和部分产品浪费等问题。因此，优化洗涤步骤以减少水耗和产品损失尤为重要。本文使用流程模拟软件建立了PAR洗涤模型，由于洗涤过程涉及两相多组分，且内置模块无法直接模拟复杂的洗涤相分离过程，因此在洗涤分离模块中基于Fortran语言开发并导入自定义模块，使其能够基于严格的相平衡机理进行分相计算，从而探讨不同洗涤方法对水耗的影响。基于传统的单级水洗工艺，本文提出了多级错流和逆流水洗工艺，并通过模拟确定了具有经济效益的工艺为三级逆流水洗工艺。结果显示，与两级错流水洗工艺相比，该工艺可节约78.05%的用水量。

复杂工艺流程与氢网络的协同优化是炼厂氢网络集成中的难题。为此，本文提出了一种基于进化响应面的协同优化方法，同步优化甲醇工艺流程与氢网络。该方法构建了CO₂加氢制甲醇流程中反应器、闪蒸罐和精馏塔的机理模型，基于此得到的样本集建立相应的进化响应面模型，利用机理模型验证响应面模型的优化结果并进行修正，提出高效的优化流程框架。将此方法应用于某炼厂的氢网络集成优化，综合考虑了甲醇产量、设备制造成本和用氢成本等因素。结果表明，该方法能够在提升甲醇产量的同时优化炼厂的氢资源分配，降低设备制造与用氢成本，提升了炼厂七百多万元的年度经济效益。该方法求解高效，优化结果的准确性较传统方法显著提高，为炼厂氢网络与甲醇工艺流程的协同优化提供了有效的解决方案。

超临界/密相CO₂管道输送是当前国际上实现长距离、大规模碳运输最为安全且经济的方式。适用于超临界/密相CO₂的水力热力计算模型可为CO₂管道工艺设计参数选择及方案优选提供理论支撑。针对现有模型存在的不足，本文以考虑高程差的管道稳态连续性方程、运动方程和能量守恒方程为基础，采用PR（Peng-Robinson）状态方程计算CO₂物性参数，结合焓、熵、温度、压力、密度的热力学关系式，通过提出合理假设条件，全面联立运动方程和能量方程，推导建立了一维非等温超临界/密相CO₂管道稳态输送水力热力耦合计算模型。本文分别通过实验和OLGA软件从多个方面验证了模型具有较高的精度。该模型简洁易用，避免了烦琐复杂且耗时耗力的数值求解过程，大幅降低了计算难度，可为超临界/密相CO₂管道输送工艺仿真软件国产化提供理论与技术支持。

通过热力学、燃烧动力学和气体动力学分析，提炼出物理与数学模型，然后应用计算流体力学（CFD）方法对3种约束下的加氢站氢气/空气爆燃过程进行求解，通过与以往实验结果进行对比，验证了数学模型的有效性。本文研究了不同约束类型的加氢站中氢气泄漏爆炸过程。结果表明：火焰形状受到约束的影响较大，建筑物可以阻碍火焰的发展。根据爆燃超压场变化趋势将爆燃过程分为超压积聚期与超压释放期。提出了爆燃压力组合波形成机制，包括火焰层层燃烧，产生的能量层层积累，叠加的能量以超压冲击波的形式向外释放，进而在顶部约束诱导下形成网状结构超压组合冲击波。依据超压准则对氢气爆炸事故进行风险评估。全约束形式下爆燃强度最大，超压冲击波超过了200kPa，在0~8.29m范围内可造成人员死亡。

复合精馏序列（CDS）通过将简单精馏塔与隔壁塔整合成一个系统来分离多元混合物，不仅能够实现较低的设备投资成本与操作能耗，还能有效降低系统的工业实施难度。但是，由于隔壁塔单元固有的高度非线性特性，以及各精馏单元间因物料流连接而产生的强烈耦合效应，实现CDS的稳定操作与有效控制面临显著挑战。为解决这一问题，本文提出了3种温度推断控制方案，包括温度控制方案、温差控制方案以及双温差控制方案。闭环仿真验证表明，这3种方案均能保证CDS的平稳运行与有效控制，并且，随着控制策略从简单的温度控制逐步演进到更为复杂的双温差控制，虽然控制复杂度有所增加，但被控产品纯度的稳态偏差能够被有效降低。3种温度推断控制策略的提出有助于解决CDS的操纵与控制难题，为推动CDS的工业应用奠定基础。

二甲苯异构体是重要的化工中间体产品，但传统生产方法和增产技术获得的异构体含量差异较大，对二甲苯（PX）的含量可由热力学平衡组成（约23.8%）上升至90%以上，对低碳高效的分离策略提出了巨大挑战。针对不同工艺来源二甲苯异构体含量差异，重点探究模拟移动床吸附、深冷结晶、反应精馏3种分离策略的分离效率、能耗和技术经济性，对3种分离策略的关键因素进行灵敏度分析。结果表明，当异构体中PX含量由热力学平衡组成增加至90%以上时，模拟移动床分离效率先降低后增加，过程能耗、设备成本和公用工程都在显著增加，经济性逐渐变差；而反应精馏和结晶分离的分离效率逐渐升高，能耗降低、经济性增加。当二甲苯异构体中PX含量较低时，模拟移动床具有显著的技术经济性；PX含量较高时，反应精馏分离效率较高；当PX含量位于45.49%~72.57%时，结晶分离工艺具有较低的能耗和较优的技术经济性。

近年来挥发性有机物（VOCs）治理工程的安全事故频发，原因在于缺乏针对性的安全理论和方法指导，需要构建相关行业的安全评价，工业涂装行业又是工业源VOCs的主要排放源之一。为此，根据工业涂装行业VOCs治理及排放特点，提出一种基于流程模拟的VOCs治理工程安全评价体系，体系包括安全检查表、HAZOP/风险矩阵/LOPA分析、冲击波超压计算、泄漏后果分析（高斯模型+MATLAB）。引入Aspen流程模拟，一方面通过“实际+模拟”进行HAZOP分析降低了评价人员对经验的依赖，也提供危险边界值、标准规定值的模拟数据支撑定量分析；另一方面Aspen动态模拟参数波动对关键指标的瞬时响应值以及随时间变化的动态变化率，使得风险偏差定量化，也确定了系统运行的合理范围，为制定应急响应计划和预防事故的措施提供依据。采用提出的安全评价体系对典型工艺案例进行了评价应用，结果表明该安全评价体系能有效识别工业涂装行业VOCs治理工程中的潜在安全隐患，并提供改进建议，降低安全评价方法对评价人员数量和经验的需求，并且借助模拟结果能直观呈现爆炸及泄漏事故的影响范围，为报警值的设定和确定合理的运行范围提供依据。

高含硫天然气脱硫净化装置酸气急冷塔凝露冲蚀易造成高危介质泄漏并导致非计划停工或安全事故。为揭示其内多介质传热、冷凝、传质、腐蚀多场交互损伤过程，指导工业装置冲蚀损伤早期预测与风险防控，本文采用欧拉-拉格朗日方法，耦入非均匀相间曳力模型，加入酸气冷凝相变模型和溶解化学平衡方程，嵌入冲刷与腐蚀速率耦合预测模型，建立了一种酸气凝露冲蚀多场交互损伤模拟方法，并模拟考察了不同液滴相质量分数、气相冷凝速率、液滴大小以及二氧化碳和硫化氢浓度等参数的影响。结果表明：该模拟方法能较好揭示多场交互损伤过程，与工业实测数据对比，预测误差在10%以内；发现影响冲蚀速率的因子与影响权重顺序为：液滴相质量分数>液滴大小>气相冷凝速率>CO₂体积分数>H₂S体积分数，影响冲蚀减薄位置的因子及影响权重顺序为：液滴相质量分数>液滴大小>气相冷凝速率>CO₂体积分数>H₂S体积分数。

危险气体泄漏事故早期处理不当，可能会引发二次燃爆等次生灾害，因此开发一种快速泄漏源定位的气体溯源方法至关重要。气体溯源是气体扩散的逆问题，在科学研究和工程应用中仍具有挑战性，人工神经网络与溯源定位方案的结合为解决这一反问题提供了一种可行途径，有望实现快速准确的溯源定位。本文基于计算流体动力学模拟结果建立动态气体溯源数据集，搭建了基于传感器数据序列实时预测泄漏源位置的长短期记忆神经网络动态溯源模型，并对模型进行训练和优化。结果表明：基于人工神经网络的动态溯源模型成功实现了对泄漏源的准确预测，预测点与真实泄漏源位置的距离在20m以内，模型的准确率达97.49%。在输入一组序列浓度数据后，可以在0.04737s内预测泄漏源的初步位置，显著快于传统的溯源定位方法。

甲醇制烯烃（MTO）是非石油路线生产乙烯、丙烯等低碳烯烃的重要途径，工艺条件对产物分布具有重要的影响。为实现MTO过程产物分布的精准计算与优化，本文对MTO反应-再生过程构建了分子级模型，依托实际工业装置实现产物分布的模拟与优化。该过程模型包括MTO反应动力学模型、反应器模型、再生器烧焦动力学模型以及再生器模型。基于烃池机理确定反应路径，编写反应网络与动力学模型，将动力学模型与流化床反应器模型耦合以描述各物质在反应器中的转化行为，再生器模型也采用相同思路进行构建。之后将反应器模型与再生器模型耦合，形成MTO反应-再生过程模型。采用工业生产的数据分别进行单点校正和长周期预测，结果表明：建立的模型可准确预测乙烯、丙烯、C₄等关键产品的分布及收率。在此基础上，通过灵敏度分析和优化算法获得了工艺条件与关键产物分布的定量关系，搭建的MTO模型具备良好的预测和优化能力，可为工业MTO装置的过程模拟与工艺优化提供精准计算工具。

锂电池热管理是确保电池热安全的关键，虽然传统的有限元分析方法被广泛应用于锂电池热管理研究，但存在计算效率低、参数设置复杂等局限性。本文提出了一种结合特征工程和有限元分析结果的机器学习模型，通过正交设计方法有效减小所需的有限元仿真数据量；利用支持向量回归（SVR）模型准确预测混合电池包的温度特征；采用非支配排序遗传算法Ⅱ（NSGA-Ⅱ）系统分析了电池结构参数与冷却策略的协同优化关系，提出了兼顾散热性能与能耗效率的最佳方案。与传统方法相比，本方法在保持预测精度的同时大幅提升了计算效率，为电池热管理系统的智能化设计提供了新思路。本研究构建的“特征提取-机器学习建模-多目标优化”技术框架，不仅能够准确预测电池温度特性，还能为不同应用场景下的热管理方案优化提供决策支持。该方法在电动汽车和储能系统等领域具有重要的工程应用价值，有助于提升电池系统的安全性与能效。

伴随着人工智能技术的快速发展以及应用成本的降低，人工智能已经渗透于众多传统行业，推动产业格局变革。化工行业作为全球经济的重要组成部分之一，长期受到高能耗和环境污染等挑战，并面临工艺优化和系统调度复杂、催化剂研发效率低、故障诊断困难以及产物预测不准等一系列“卡脖子”难题，而人工神经网络（artificial neural network，ANN）技术凭借强大的非线性映射、自组织自适应学习及大数据驱动特性，已经逐步融入到化工基础研究和生产过程，为解决这些难题带来了新契机。本文综述了ANN催化剂设计与选用、反应条件优化、化工产品分析预测、过程系统优化以及环境监测与治理等化工领域的应用现状，探讨了ANN驱动化工核心难题解决的突破路径及具体案例，并分析了现有ANN在化工中应用的不足与挑战，最后提出了ANN未来在化工领域中应用的发展方向。

基于人工智能的数据驱动复杂化工过程设计新模式发展迅速，成为推动化工行业变革性发展的强大动力，对引领研究范式变革、新技术开发及流程再造具有重要理论指导与实践意义。本文聚焦人工智能在复杂化工过程设计中的研究进展，系统阐述其在分子结构物性预测、热/动力学预测、反应分离路径推荐、工艺过程优化四个核心环节的作用及应用成效，总结分析了在数据收集与清洗、模式识别与趋势预测的表现，深入剖析了当前面临的专业特征数据质量不稳定、模型可解释性不足等挑战，并提出了未来应构建全要素、多层级化工大数据库，持续探究智能算法与化工流程结构信息关联机制，着力提升模型的可解释和架构稳定性，为构建从分子识别到过程设计的智能模型框架、实现化工过程智能设计提供新思路。

智能工厂建设是提升制造业智能制造水平的重要抓手，是实现中国制造2025强国战略的主攻方向。经过近十年的发展，在国家产业政策和企业自身发展需求双轮驱动下，各地区各行业已建成了一大批智能制造试点示范、智能制造新模式、数字化车间等样板案例，制造业在自动化补课、信息化提升、智能化引领方面取得了显著的提升。然而，随着智能制造进入深水区，数据孤岛、集成困难、个性化需求、价值创造等问题逐渐凸显，成为了制约智能工厂建设的瓶颈，建成企业普遍认可的“真正”智能工厂依然任重道远。工业互联网、人工智能、自动化控制、工业软件等技术的不断创新与发展，为智能工厂建设提供了更多可能性。本文提出了一个流程工业智能工厂建设新架构：1+2+N（1个工厂操作系统+2个自动化+N个工业APPs），以期能帮助企业解决智能工厂建设中遇到的瓶颈问题，指导企业更好地利用新技术与业务进行融合创新，达到企业生产自主运行和企业管理卓越运营的智能工厂新范式。同时，本文在某化工企业智能工厂建设项目中对这一新架构进行了实践验证。展望未来，随着技术发展与产品的不断成熟，希望本架构可以得到业界更为普遍的认可和采用，成为流程工业智能工厂建设架构的新标准。

“分子炼油”是从分子层面描述反应过程、实现对油品特定组成与质量精确描述的一种技术，是石化生产过程数字化建模方法之一。本文以国内某石化企业柴油加氢精制装置为背景，通过构建柴油分子重构模型和柴油加氢精制反应动力学模型，满足智能工厂建设的需要。首先，建立了包括1352个分子的柴油分子物性库，并采用分子类型-同系物（MTHS）矩阵构建柴油分子重构模型，模拟值与真实值最大相对误差为4.83%，证明模型可靠。其次，结合装置特点，通过筛选确定反应分子、建立柴油加氢精制反应规则，构建了包含246个反应、涉及282个分子的反应网络，并基于烷基侧链对化学反应速率常数的影响程度设置反应速度常数影响因子，建立反应速率常数关联模型，将492个反应参数减少至116个，大大减少了变量个数，由此构建分子水平柴油加氢精制反应动力学关联模型。结果表明，在温度398℃、压力9MPa、空速为1h^-1条件下，加氢脱硫后产品含硫量的计算值与真实值相对误差均小于10%，且模型稳定性好，证明模型可靠。基于所建立的模型，可实现不同操作工况下产品组成的预测。本文可为石化企业智能工厂模型建设提供研究思路。

离子液体（ILs）具有高稳定性、溶解性能好、可设计性、易回收等优点，尤其因高 CO₂溶解度在碳捕集方面显示了巨大潜力。但由于ILs种类繁多且价格昂贵，依靠实验研究耗时费力，因此构建 ILs 体系的热力学预测模型至关重要。UNIFAC 模型在 ILs 气体分离工艺设计与优化领域具有重要的理论价值和工程应用意义，基于此，本研究构建了应用于 ILs-CO₂ 体系活度系数预测的 UNIFAC 模型。本文系统收集了 CO₂ 在ILs中的溶解度实验数据，并结合相平衡计算出活度系数，建立了ILs-CO₂体系活度系数数据库。采用COSMO方法和van der Waals规则分别获得了 UNIFAC 模型中基团的重要参数（R_k 和Q_k ）。基于实验值，拟合了 UNIFAC 相互作用参数。通过平均相对误差（AARD），比较了两种方法建立的 UNIFAC 模型的预测效果。结果表明：通过 COSMO 方法（AARD=7.68%）建立的 UNIFAC 模型对 ILs-CO₂ 体系的活度系数预测误差比van der Waals方法（AARD=12.57%）降低了4.89个百分点。并在此基础上建立了ILs-CO₂体系 UNIFAC 模型，获得了近100 对基团的相互作用参数数据库。由于 UNIFAC 模型的基团贡献特点，本工作建立的 UNIFAC 模型可预测数据库中包含的基团组成的新型 ILs 与 CO₂ 体系的活度系数，从而为后续 ILs 法气体吸收的分子设计奠定了扎实基础。

随着气体水合物在碳捕集与在油气运输中的相关研究不断深入，研究其相平衡具有重要意义。形成水合物的气体可以是纯组分，也可以是混合物。水合物的形成伴随着三相或者四相平衡，包括I-H-V（冰-水合物-气相）、L_w-H-V（液态水-水合物-气相）、L_w-H-L_HC（水-水合物-液态烃）以及L_w-H-V-L_HC（液态水-水合物-气相-液态烃）的相平衡。不同气体组分形成的水合物相图有很大的差别，主要体现在四相点的个数。本文以甲烷、氮气、二氧化碳、丙烷等和天然气混合物体系为例，分别讨论了含一个、两个四相点及四相线的水合物相图的数值计算方法。利用自主研发的SimTech Simulator进行了数值模拟，并与商业软件Pro/Ⅱ的计算结果进行了对比，验证了其可靠性。