呂會(huì)超，張長(zhǎng)松，李葉紅

（1. 安陽(yáng)工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000； 2. 安陽(yáng)縣環(huán)境保護(hù)局，河南 安陽(yáng) 455000）

模擬與計(jì)算

H2O-[Bmim]BF4-Na2CO3離子液體雙水相體系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究

呂會(huì)超1，張長(zhǎng)松1，李葉紅2

（1. 安陽(yáng)工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000； 2. 安陽(yáng)縣環(huán)境保護(hù)局，河南 安陽(yáng) 455000）

基于BP(Back-Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，編寫(xiě)了通用的計(jì)算程序，對(duì)30 ℃時(shí)H2O-[Bmim]BF4-Na2CO3離子液體雙水相體系的液液平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試算，得到最佳的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為{3,10,3},采用該結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)富含水相中三種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，平均相對(duì)誤差分別為 0.065%、2.218%和 0.781%，最大相對(duì)誤差為3.916%；優(yōu)于文獻(xiàn)中的Othmer-Tobias經(jīng)驗(yàn)方程+溶解度曲線方程的關(guān)聯(lián)精度，該方程得到的平均相對(duì)誤差分別為0.09%、2.77%和1.73%，最大相對(duì)誤差為4.52%。較為成功地應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型處理了含離子液體的雙水相體系的液液平衡數(shù)據(jù)。

離子液體；雙水相；液液平衡；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

液液平衡數(shù)據(jù)，尤其是多元平衡數(shù)據(jù)是萃取分離技術(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏時(shí)，應(yīng)用適當(dāng)?shù)哪Ｐ停ㄟ^(guò)編程計(jì)算就可獲得共存相的組成；傳統(tǒng)的熱力學(xué)模型隨體系組分?jǐn)?shù)的增加形式變得非常繁瑣，且關(guān)聯(lián)精度往往不能夠令人滿意。因此，尋找更為簡(jiǎn)潔有效的模型，來(lái)關(guān)聯(lián)和推算多元液液平衡數(shù)據(jù)是熱力學(xué)工作者關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新的數(shù)據(jù)處理模型，它在相平衡領(lǐng)域的應(yīng)用已有過(guò)一些報(bào)道[1-6]，但用于離子液體雙水相體系的還較為少見(jiàn)，本文應(yīng)用該模型對(duì)H2O-[Bmim]BF4-Na2CO3體系在30 ℃下的液液平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，并與文獻(xiàn)中的方法進(jìn)行了比較。

1 模型描述

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般由輸入層、隱含層以及輸出層組成，同層節(jié)點(diǎn)間無(wú)聯(lián)系，該層中的所有節(jié)點(diǎn)與下一層任意節(jié)點(diǎn)均為全互連方式。其運(yùn)作過(guò)程主要包括前向計(jì)算和誤差反傳兩部分，詳細(xì)的算法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[ 2,7 ]。

1.1 前向計(jì)算

已知量經(jīng)歸一化處理后由輸入層進(jìn)入，沿連接權(quán)重傳入隱含層，在隱含層處理后傳給輸出層，再處理后產(chǎn)生輸出值，這一過(guò)程稱(chēng)為前向計(jì)算。

1.2 誤差反傳

若前向計(jì)算得到的網(wǎng)絡(luò)輸出值與期望值之間有誤差，則需通過(guò)將誤差信號(hào)沿連接通路后向傳送以修正連接權(quán)重與各節(jié)點(diǎn)閾值，修正后再重復(fù)前向計(jì)算過(guò)程得新的輸出值，直到輸出值與期望值的誤差小于設(shè)定值為止。這一過(guò)程稱(chēng)為誤差反傳，誤差信號(hào)的獲得依賴(lài)于前向計(jì)算所得數(shù)據(jù)。

2離子液體雙水相體系液液平衡數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

雙水相技術(shù)是生物下游工程中一項(xiàng)較為先進(jìn)的分離手段，在生物物質(zhì)的萃取領(lǐng)域，近年來(lái)出現(xiàn)的離子液體雙水相體系被認(rèn)為有著廣闊的應(yīng)用前景,而體系的平衡數(shù)據(jù)可為分離過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

H2O-[Bmim]BF4-Na2CO3體系是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一個(gè)離子液體雙水相體系，其上相富含離子液體，下相富含水。劉丙艷等測(cè)定了該體系在 30 ℃下的液液平衡數(shù)據(jù)，并用 Othmer-Tobias經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)[8]，由于富含水相中離子液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w2′很低，關(guān)聯(lián)的平均相對(duì)誤差為15.69%，為了提高關(guān)聯(lián)精度，劉丙艷等又采用了Othmer-Tobias經(jīng)驗(yàn)方程+溶解度曲線方程重新進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，由于同時(shí)用到了相平衡與溶解度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)w2′的關(guān)聯(lián)誤差降低為2.77%，詳細(xì)結(jié)果列于表1中，其中相對(duì)誤差的計(jì)算公式為：

為了減少對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的依賴(lài)并降低誤差，文中采用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)該體系的平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，結(jié)果列于表2中；同時(shí)，將上述3種模型對(duì)富含水相中離子液體含量的關(guān)聯(lián)精度進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果繪于圖1中。

圖1 模型關(guān)聯(lián)精度對(duì)比Fig.1 Comparison of correlation accuracy

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Neural network structure

表1 H2O(1)-[Bmim]BF4(2)-Na2CO3(3)體系液液相平衡數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)方程+溶解度曲線方程關(guān)聯(lián)結(jié)果[8]Table 1 Correlation results of LLE data of H2O(1)-[Bmim]BF4(2)-Na2CO3(3) system with Othmer-Tobias and solubility equations

3 結(jié) 論

（1）以 delphi6.0為編程工具，編寫(xiě)了相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算程序，關(guān)聯(lián)了H2O-[Bmim]BF4-Na2CO3系在30 ℃下的液液平衡數(shù)據(jù)，輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3，與富含離子液體相中的 3種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)應(yīng)，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為 3，與富含水相中的三種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)應(yīng)，經(jīng)反復(fù)試算，取隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為10，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示；

表2 H2O(1)-[Bmim]BF4(2)-Na2CO3(3)體系液液相平衡數(shù)據(jù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)結(jié)果Table 2 Correlation results of LLE data of H2O(1)-[Bmim]BF4(2)-Na2CO3(3) system with BP neutral network

從圖1中可以看出，對(duì)富含水相中離子液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)精度高于Othmer-Tobias經(jīng)驗(yàn)方程以及Othmer-Tobias經(jīng)驗(yàn)方程+溶解度曲線方程。從表1和表2中可知，對(duì)富含水相中三種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的平均相對(duì)誤差分別為0.065%、2.218%和0.781%，最大相對(duì)誤差為3.916%；而Othmer-Tobias經(jīng)驗(yàn)方程+溶解度曲線方程的結(jié)果分別為 0.09%、2.77%和1.73%，最大相對(duì)誤差為4.52%，前者優(yōu)于后者。

（2）在應(yīng)用程序進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)達(dá)到上述精度，程序的運(yùn)行時(shí)間比較長(zhǎng)(大約 7～8 min)，這一方面說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)（節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜）會(huì)影響其運(yùn)行時(shí)間，另一方面，有必要對(duì)程序進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，在保證精度的前提下，縮短其響應(yīng)時(shí)間。

（3）傳統(tǒng)的熱力學(xué)模型在離子液體方面還未形成較好的理論基礎(chǔ)[9]，目前也只能進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性的關(guān)聯(lián)，從這一點(diǎn)來(lái)講，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型確實(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

［1］郭寧,崔志芹.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算乙醇-環(huán)己烷-水體系汽-液平衡[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(4):91-93

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Neural Network Model for Ionic Liquid-based Aqueous Two-phase System of H2O-[Bmim]BF4-Na2CO3

LV Hui-chao1, ZHANG Chang-song1, LI Ye-hong2
（1. Department of Chemical and Environmental Engineering, Anyang Institute of Technology, Henan Anyang 455000, China;2. Anyang County Environmental Protection Bureau, Henan Anyang 455000, China)

A reasonable data model for the ionic liquid-based aqueous two-phase system of H2O-[Bmim]BF4-Na2CO3was introduced. Based on the artificial neural network model using back propagation algorithm, the general programme was compiled to correlate liquid-liquid equilibrium data of this system. The perfect topology{3,10,3} for structure of the network was gained by trial computations with the programme.The quality fraction of three components in the aqueous phase were correlated by using this structure. The average relative errors were 0.065%,2.218%and 0.781%respectively,as well as the maximum relative error was 3.916%. The results show that the artificial neural network model has better accuracy compared with the othmer-tobias and solubility equations mentioned in the document, whose average relative error are 0.09%, 2.77% and 1.73%respectively as well as whose maximum relative error is 4.52%.

Ionic liquid; Aqueous two-phase system; Liquid-liquid phase equilibrium; BP neural network

O 642.4

A

1671-0460（2011）07-0748-03

2011-05-18

呂會(huì)超(1979-)，講師，北京理工大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，碩士學(xué)位，主要從事流體相平衡方面的研究工作。E-mail：lvhuichao_7910@126.com，電話：（0372）2909841