零散氣甲烷液化工藝及關(guān)鍵設(shè)備優(yōu)化研究

【摘要】：甲烷是利用價值極高的化石氣體資源，廣泛存在于天然氣、沼氣之中。受小型液化裝置的技術(shù)所限，儲量較小的零散氣甲烷難以高效的開發(fā)與利用，造成巨大的污染與資源浪費。本文針對零散氣甲烷處理不便的難題，設(shè)計一套小型液化工藝，使用HYSYS對工藝進行仿真與優(yōu)化，形成一套具有商用價值的工藝流程。通過對關(guān)鍵設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計，獲得翅片管式換熱器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低設(shè)備的年投資費用。最終搭建完成零散氣甲烷液化裝置，開機試驗成功，能夠在民用條件下能對零散甲烷進行液化，具有較高商業(yè)與環(huán)保價值。主要研究工作與結(jié)果如下： （1）借鑒小型天然氣液化工藝，在現(xiàn)有帶預(yù)冷的混合制冷劑液化工藝的基礎(chǔ)上，開發(fā)一套微型的適用于民用條件的零散氣甲烷液化工藝，能夠在常溫常壓下液化氣態(tài)甲烷； （2）使用HYSYS對所設(shè)計工藝進行仿真分析，以低功耗為優(yōu)化目標(biāo)，使用SPSS設(shè)計大量仿真實驗，模擬后對數(shù)據(jù)分析，獲得壓比、工質(zhì)配比及節(jié)點溫度等最優(yōu)工藝參數(shù)； （3）介紹并采用一種新型教學(xué)優(yōu)化算法（TLBO）對翅片管式換熱器優(yōu)化設(shè)計，獲得以年投資費用為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，分析設(shè)備各參數(shù)對于年投資費用的影響，作為翅片管式換熱器選型與制造的參考。對比粒子群算法（PSO）及遺傳算法（GA）兩種較為成熟的優(yōu)化算法，表明TBLO無需根據(jù)優(yōu)化問題設(shè)置相應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)，編程更簡單，收斂速度更快； （4）搭建完成后的零散氣甲烷液化裝置，體積不到3m3，開機后僅4小時即成功制取-166.6℃的低溫，在此條件下能夠液化常壓下甲烷。裝置運行溫度的趨勢與模擬值基本一致，表明HYSYS仿真分析對液化工藝的設(shè)計及優(yōu)化具有十分重要的指導(dǎo)意義。 【關(guān)鍵詞】：小型甲烷液化裝置 HYSYS 機械優(yōu)化設(shè)計 Matlab 教學(xué)優(yōu)化算法
【學(xué)位授予單位】：南京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TQ221.11
【目錄】：

• 致謝3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-13
• 1.1 課題研究的目的和意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢10-12
• 1.3 課題研究的主要內(nèi)容12
• 1.3.1 課題來源12
• 1.3.2 主要研究內(nèi)容12
• 1.4 技術(shù)路線12-13
• 第二章 小型液化工藝及系統(tǒng)簡介13-17
• 2.1 常見低溫液化工藝13-15
• 2.1.1 膨脹制冷循環(huán)工藝13-14
• 2.1.2 混合制冷劑制冷循環(huán)工藝14
• 2.1.3 帶預(yù)冷的混合制冷劑循環(huán)工藝14-15
• 2.2 小型液化工藝成套解決方案15-16
• 2.2.1 RFS 系統(tǒng)16
• 2.2.2 NGGLU 液化系統(tǒng)16
• 2.3 本章小結(jié)16-17
• 第三章 零散氣甲烷液化工藝的設(shè)計與模擬優(yōu)化17-42
• 3.1 相平衡計算方法17-18
• 3.2 Peng-Robinson 方程18-20
• 3.3 HYSYS 中單元特點介紹20-23
• 3.3.1 壓縮機21-22
• 3.3.2 節(jié)流元件22-23
• 3.3.3 冷凝器23
• 3.3.4 天然氣換熱器23
• 3.4 零散氣甲烷液化工藝的設(shè)計23-24
• 3.5 零散氣甲烷液化工藝的 HYSYS 建模24-27
• 3.6 零散氣甲烷液化工藝的優(yōu)化27-30
• 3.6.1 正交試驗28
• 3.6.2 工藝組分配比28-29
• 3.6.3 系統(tǒng)吸排氣壓力29
• 3.6.4 工藝系統(tǒng)節(jié)點溫度29-30
• 3.7 零散甲烷液化系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果30-41
• 3.7.1 第 1 壓力實驗組 1.2MPa~0.12MPa30-32
• 3.7.2 第 2 壓力實驗組 1.5MPa~0.15MPa32-34
• 3.7.3 第 3 壓力實驗組 1.8MPa~0.18MPa34-35
• 3.7.4 壓力組實驗小結(jié)35-36
• 3.7.5 制冷工質(zhì)的配比優(yōu)化36-41
• 3.8 本章小結(jié)41-42
• 第四章 翅片管式換熱器的優(yōu)化設(shè)計42-69
• 4.1 優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)42-44
• 4.1.1 最優(yōu)化的概念42
• 4.1.2 設(shè)計變量42-43
• 4.1.3 目標(biāo)函數(shù)43
• 4.1.4 設(shè)計約束43
• 4.1.5 優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型43-44
• 4.2 優(yōu)化算法44-48
• 4.2.1 經(jīng)典優(yōu)化算法44
• 4.2.2 啟發(fā)式優(yōu)化算法44-45
• 4.2.3 新型的啟發(fā)式算法——教學(xué)優(yōu)化算法45-48
• 4.3 翅片管式換熱器的優(yōu)化建模48-59
• 4.3.1 PTHE 的優(yōu)化假設(shè)48
• 4.3.2 PTHE 的優(yōu)化條件48-49
• 4.3.3 PTHE 的幾何結(jié)構(gòu)模型49-50
• 4.3.4 PTHE 的換熱面積數(shù)學(xué)模型50-55
• 4.3.5 PTHE 的壓降的數(shù)學(xué)模型55-58
• 4.3.6 PTHE 的成本估算模型58
• 4.3.7 PTHE 的優(yōu)化約束條件58-59
• 4.4 翅片管式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化59-67
• 4.4.1 翅片管式換熱器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)59-61
• 4.4.2 不同優(yōu)化算法的尋優(yōu)對比61-63
• 4.4.3 翅片管式換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析63-67
• 4.5 本章小結(jié)67-69
• 第五章 零散氣甲烷液化裝置試驗研究69-76
• 5.1 零散氣甲烷氣液化裝置試驗設(shè)計69
• 5.2 零散氣甲烷液化裝置的搭建69-72
• 5.2.1 試驗裝置組成69-71
• 5.2.2 密封性檢測71
• 5.2.3 系統(tǒng)抽真空及制冷劑的灌裝71
• 5.2.4 零散氣甲烷液化裝置71-72
• 5.3 零散氣甲烷液化裝置的試驗研究72-75
• 5.3.1 零散氣甲烷液化裝置開機試驗72-74
• 5.3.2 試驗結(jié)果分析74-75
• 5.4 本章小結(jié)75-76
• 第六章 總結(jié)與展望76-79
• 6.1 總結(jié)76
• 6.2 展望76-79
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文79-80
• 參考文獻80-83
• 附錄83-91

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