周期操作是一项利用化学反应非线性来提高化学反应性能指标的技术,对其估值与优化仍然是现阶段在实际中应用周期操作技术待解决的关键问题。完全通过试验寻找最优周期操作状态往往耗费时间、增加成本,行业内通常使用的方法是机理建模与仿真。但是,因反应系统一般非常复杂,在化工领域中很难对复杂的反应器进行机理建模,其理论研究尚且还在不断完善。本文推导了方波作为输入的非线性输出频率响应函数(NOFRFs),将分析非线性系统余弦和方波作为输入的NOFRFs用于化工生产反应物周期操作的输入输出研究,提出了一种基于少量模型或实验输入输出数据的NOFRFs方法解决周期操作的估值与优化问题。该方法不仅可以快速、有效的判断一个反应是否可以通过周期操作改善转化率、产率或选择性等性能,并且无论对非线性较弱还是对非线性较强的反应都能对改善性能的程度进行准确估值,同时在整个工艺条件限制的范围内优化输入参数,使反应以最优周期操作状态运行,最大程度改善相关性能,提高经济效益。本文在非线性较强的非等温CSTR模型和非线性较弱的等温CSTR模型中验证NOFRFs方法的有效性。即使在机理模型存在的前提下,通过仿真可以确定最优周期操作状态,但在优化过程中应用NOFRFs方法可以显著提高优化效率。结合实验室搭建的水吸收二氧化碳反应设备,本文设计实现了吸收反应控制系统,使二氧化碳浓度能够以方波或余弦波的形式变化,并采集相关实验数据,验证NOFRFs方法的有效性。结果表明,在限制范围内NOFRFs方法估值非常准确,对应的非等温CSTR模型最多可提高1.9%的反应物转化率,等温CSTR模型最多可提高7.02%的反应物转化率,二氧化碳吸收量最多可提高约16%。