真空變壓吸附凈化升級沼氣過程優(yōu)化.pdf

1、真空變壓吸附凈化升級沼氣過程優(yōu)化真空變壓吸附凈化升級沼氣過程優(yōu)化Optimizationofvacuumpressureswingadsptionprocessfbiogasupgrading學科專業(yè)：化學工程研究生：銀醇彪指導教師：張東輝副研究員天津大學化工學院二零一四年五月摘要沼氣是一種富含甲烷氣的清潔能源，它具有替代石化燃料以緩解全球能源危機的潛力。天然沼氣中二氧化碳含量較高，這導致其熱值較低、利用受限。實現(xiàn)沼氣高值化利用關(guān)鍵在于

2、有效地脫除沼氣中的二氧化碳以提高甲烷純度。本論文以硅沸石為吸附劑，采用三塔真空變壓吸附技術(shù)來分離沼氣中的二氧化碳和甲烷，并應(yīng)用先進的動態(tài)優(yōu)化方法對該分離過程進行優(yōu)化，提高該過程的分離效果和經(jīng)濟效益?；趃PROMS動態(tài)模擬和優(yōu)化平臺，研究和創(chuàng)建了包含變壓吸附工藝系統(tǒng)各單元操作的通用模型庫，實現(xiàn)對任意變壓吸附工藝過程的全流程描述。建立了嚴格的吸附塔數(shù)學模型，詳細地描述了吸附塔內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱、傳動行為；建立了自判定的進出口邊界條件，保障了吸

3、附塔模型方程的合理性。建立了緩沖罐、閥門、壓縮機、真空泵等輔助設(shè)備模型，保障了所描述變壓吸附工藝過程的真實性?？紤]了輔助設(shè)備（閥門、真空泵、壓縮機）進出口節(jié)流效應(yīng)，實現(xiàn)了對變壓吸附工藝過程熱效應(yīng)的準確描述。采用二階精度的中心差分法，對變壓吸附數(shù)學模型中的偏微分方程組在空間上進行部分離散，從而將偏微分方程組轉(zhuǎn)化為常微分方程組，采用四階精度的龍格庫塔積分法求解該常微分方程組。研究了變壓吸附運行時循環(huán)穩(wěn)態(tài)的限定方法，采用求解穩(wěn)定、收斂好的循環(huán)

4、迭代法來定義循環(huán)穩(wěn)態(tài)。研究了變壓吸附工藝設(shè)計參數(shù)的靈敏度求解，采用簡約空間的序貫二次規(guī)劃法作為變壓吸附工藝過程的優(yōu)化方法?；谝陨涎芯?，本文構(gòu)建了嚴格且通用的變壓吸附工藝過程優(yōu)化框架。采用上述優(yōu)化框架，對三塔十二步驟真空變壓吸附凈化升級沼氣過程進行優(yōu)化，在保障產(chǎn)品氣中甲烷純度不低于98%的前提下，實現(xiàn)沼氣中甲烷回收率的最大化、單位質(zhì)量吸附劑產(chǎn)率的最大化、分離過程單位能耗的最小化。原料氣設(shè)定為101.325kPa、313.15K條件下40

5、%CO260%CH4的混合氣。初始工藝參數(shù)條件下，產(chǎn)品氣中甲烷的純度為98.76%、甲烷的回收率為70.93%、單位質(zhì)量吸附劑的甲烷產(chǎn)率為0.1043Nm3CH4kgh、分離過程的單位能耗為0.4423kWh(kgCH4)。經(jīng)過第38次優(yōu)化迭代后，在滿足求解精度和約束條件后，得到了該過程優(yōu)化目標函數(shù)的最優(yōu)值，此時，產(chǎn)品氣中甲烷的純度為98.00%、甲烷回的收率為93.23%、單位質(zhì)量吸附劑的甲烷產(chǎn)率為0.1331Nm3CH4kgh、分離