真空變壓吸附分離氮甲烷過程模擬與優(yōu)化

【摘要】：氮氣和甲烷由于其相似的理化性質(zhì)，二者的分離一直被當作難點問題，采用活性炭為吸附劑的變壓吸附法則是實現(xiàn)其分離最具競爭力的方法。成本和收益是化工過程必須考慮的問題，本文采用數(shù)值模擬和優(yōu)化的方法進行研究，對變壓吸附操作條件進行優(yōu)化，以實現(xiàn)節(jié)能降耗、提高回收率等目標。 首先，對變壓吸附的數(shù)學模型進行了探討和研究，摒棄了以往文獻中多數(shù)的模型簡化方法。對變壓吸附中所有單元建立子模型，在固定床吸附器內(nèi)部建立了嚴格數(shù)學模型，建立了自定義式的邊界條件，也對變壓吸附系統(tǒng)中的輔助設(shè)備建模，使模型能夠?qū)崿F(xiàn)全流程模擬。采用三塔變壓吸附小試裝置對所建立的模型進行驗證，通過改變塔頂出口流量的方法，得到了不同塔頂出口流量下產(chǎn)品氣中甲烷的純度和回收率并與模擬結(jié)果進行對比，證明了模型的準確性。 本文中對于變壓吸附模型的求解和靈敏度分析進行了研究。在模型的求解過程中，采用有限差分法對模型中的偏微分方程進行部分離散，并采用線性法（Method of lines）求解離散后的微分代數(shù)方程。靈敏度分析是優(yōu)化過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠分析各個參數(shù)對結(jié)果的影響。在本文中，靈敏度模型與PSA模型伴隨建模并同時求解，通過數(shù)學推導證明了該法的可行性。 在所建立的子模型及其伴隨求解的靈敏度分析基礎(chǔ)上，采用簡約序列空間二次規(guī)劃法（rSQP）對三塔VPSA氮甲烷分離過程進行優(yōu)化，優(yōu)化的目標為在產(chǎn)品氣中甲烷純度（P）達到80%的基礎(chǔ)上，最大化甲烷的回收率（R），最小化過程的能耗（W）。原料氣組分設(shè)定為N2/CH4=70%/30%；在初始條件下，甲烷純度P=78.8079%， R=83.3499%，W=0.163417Kwh/(m3原料氣)。產(chǎn)品氣中甲烷的純度在9次迭代后即達到80%，目標函數(shù)值也在20次迭代后開始趨于穩(wěn)定，并逐漸趨于最優(yōu)化，此時目標函數(shù)值為，R=95.0725%，W=0.188026Kwh/(m3原料氣)。最終經(jīng)過50次迭代后達到最優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果：至P=80.0657%，R=97.0049%，W=0.186949Kwh/(m3原料氣)。結(jié)果表明，該方法對變壓吸附過程的優(yōu)化十分實用，使甲烷純度達到80%，并且甲烷回收率提高了14%。同時根據(jù)靈敏度數(shù)據(jù)研究了各個參數(shù)對過程的影響，為變壓吸附過程的研究提供了理論依據(jù)。 【關(guān)鍵詞】：氮甲烷分離 變壓吸附 模型 數(shù)值優(yōu)化 靈敏度分析
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TQ028.15
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 緒論8-24
• 1.1 吸附基本理論8-16
• 1.1.1 吸附現(xiàn)象8-9
• 1.1.2 變壓吸附9-12
• 1.1.3 常見吸附劑及其應用12-16
• 1.2 甲烷富集16-19
• 1.2.1 深冷法16-17
• 1.2.2 膜分離法17
• 1.2.3 變壓吸附法17-19
• 1.3 變壓吸附過程模擬19-21
• 1.4 變壓吸附過程優(yōu)化21-22
• 1.5 本論文主要工作22-24
• 第二章 模型的選擇與建立24-34
• 2.3 吸附床內(nèi)部模型24-31
• 2.3.1 多組分吸附等溫線模型24-25
• 2.3.2 吸附動力學模型25-27
• 2.3.3 質(zhì)量傳遞模型27-28
• 2.3.4 動量傳遞模型28
• 2.3.5 熱量傳遞模型28-30
• 2.3.6 邊界條件30-31
• 2.4 輔助模型31-33
• 2.4.1 緩沖罐模型31-32
• 2.4.2 閥門及泵流量模型32-33
• 2.4.3 其他模型33
• 2.5 小節(jié)33-34
• 第三章 求解與靈敏度分析34-41
• 3.3 模型的求解34-37
• 3.3.1 離散方法35-36
• 3.3.2 DAEs 的求解36-37
• 3.4 靈敏度分析37-40
• 3.4.1 靈敏度分析基本方法37-38
• 3.4.2 模塊化靈敏度分析38-40
• 3.5 小節(jié)40-41
• 第四章 模擬與實驗驗證41-54
• 4.3 實驗部分41-43
• 4.3.1 實驗原料與儀器41-42
• 4.3.2 流程簡介42-43
• 4.3.3 研究內(nèi)容43
• 4.4 模擬部分43-46
• 4.5 結(jié)果與分析46-53
• 4.5.1 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比46-47
• 4.5.2 出口流量對純度和回收率的影響47-49
• 4.5.3 模擬結(jié)果分析49-53
• 4.6 小節(jié)53-54
• 第五章 變壓吸附的優(yōu)化54-71
• 5.3 sQPR 法簡介55-58
• 5.3.1 非線性規(guī)劃問題55
• 5.3.2 優(yōu)化方向的求解55-56
• 5.3.3 Hessian 矩陣的計算56-57
• 5.3.4 優(yōu)化問題的求解57-58
• 5.4 對氮甲烷分離過程的優(yōu)化58-70
• 5.4.1 過程介紹58-59
• 5.4.2 優(yōu)化目標59-61
• 5.4.3 優(yōu)化結(jié)果與分析61-70
• 5.5 小節(jié)70-71
• 第六章 結(jié)論71-73
• 參考文獻73-79
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明79-80
• 致謝80

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