真空變壓吸附凈化升級(jí)沼氣過(guò)程優(yōu)化.pdf

1、真空變壓吸附凈化升級(jí)沼氣過(guò)程優(yōu)化真空變壓吸附凈化升級(jí)沼氣過(guò)程優(yōu)化Optimizationofvacuumpressureswingadsptionprocessfbiogasupgrading學(xué)科專業(yè)：化學(xué)工程研究生：銀醇彪指導(dǎo)教師：張東輝副研究員天津大學(xué)化工學(xué)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(jī)的潛力。天然沼氣中二氧化碳含量較高，這導(dǎo)致其熱值較低、利用受限。實(shí)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(lái)分離沼氣中的二氧化碳和甲烷，并應(yīng)用先進(jìn)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法對(duì)該分離過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，提高該過(guò)程的分離效果和經(jīng)濟(jì)效益?；趃PROMS動(dòng)態(tài)模擬和優(yōu)化平臺(tái)，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(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意變壓吸附工藝過(guò)程的全流程描述。建立了嚴(yán)格的吸附塔數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)地描述了吸附塔內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱、傳動(dòng)行為；建立了自判定的進(jìn)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(jī)、真空泵等輔助設(shè)備模型，保障了所描述變壓吸附工藝過(guò)程的真實(shí)性?？紤]了輔助設(shè)備（閥門、真空泵、壓縮機(jī)）進(jìn)出口節(jié)流效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓吸附工藝過(guò)程熱效應(yīng)的準(zhǔn)確描述。采用二階精度的中心差分法，對(duì)變壓吸附數(shù)學(xué)模型中的偏微分方程組在空間上進(jìn)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(kù)塔積分法求解該常微分方程組。研究了變壓吸附運(yùn)行時(shí)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(lái)定義循環(huán)穩(wěn)態(tài)。研究了變壓吸附工藝設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度求解，采用簡(jiǎn)約空間的序貫二次規(guī)劃法作為變壓吸附工藝過(guò)程的優(yōu)化方法?；谝陨涎芯浚疚臉?gòu)建了嚴(yán)格且通用的變壓吸附工藝過(guò)程優(yōu)化框架。采用上述優(yōu)化框架，對(duì)三塔十二步驟真空變壓吸附凈化升級(jí)沼氣過(guò)程進(jìn)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(shí)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(guò)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(guò)程的單位能耗為0.4423kWh(kgCH4)。經(jīng)過(guò)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(guò)程優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，此時(shí)，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