【摘要】：變壓吸附制氧由于其能耗低、設(shè)備簡單、操作方便等優(yōu)點,已經(jīng)成功地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,此種工藝的有效性得到普遍認可。由于變壓吸附原理的復(fù)雜性,變壓吸附制氧各操作變量存在相應(yīng)的耦合關(guān)系,不同的變量之間存在協(xié)同或抑制的關(guān)系,大多數(shù)研究機構(gòu)只有通過大量的實驗或具備一定的經(jīng)驗才能摸索出較為滿意的工藝。隨著吸附理論的完善,數(shù)值模擬計算水平的提高,在動態(tài)仿真模擬軟件中建立模型,通過模擬計算,可以考察結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對產(chǎn)率、收率、處理量以及單位能耗的影響,從各種結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的組合中適配出符合生產(chǎn)要求的設(shè)計方案,給實驗和設(shè)計提供指導(dǎo)性意見,進而縮短研發(fā)時間、減少人力物力的投入。模擬分析M個參數(shù)影響時,各參數(shù)通常選取N個數(shù)值,將形成M~N種組合,計算次數(shù)尤為巨大。在合理的決策變量的變化范圍內(nèi),采用r-SQP優(yōu)化算法,對工藝流程進行優(yōu)化,找到最佳工藝流程的操作點;將能耗和產(chǎn)量進行調(diào)優(yōu),尋找出最具經(jīng)濟價值的生產(chǎn)流程,即能對現(xiàn)有的工業(yè)變壓吸附流程進行升級,也可對新項目的流程設(shè)計做出指導(dǎo)性的建議。本文在gPROMS中改進并建立基于PDAEs模型的PSA工藝基礎(chǔ)模型庫,對變壓吸附分子篩床層、能耗設(shè)備吸附過程中質(zhì)量、動量、熱量、吸附速率以及吸附等溫線準確描述,建立了帶有單向閥門的兩塔六步的真空變壓吸附的數(shù)值模型,仿真模擬工業(yè)規(guī)模制取80%氧氣的創(chuàng)新工藝,縮短了吸附和再生步驟的準備時間,采用簡約序列空間二次規(guī)劃法進行優(yōu)化。在不改變結(jié)構(gòu)參數(shù),和產(chǎn)品氣氧氣濃度不低于80%的條件下,對操作變量進行優(yōu)化,實現(xiàn)最小功耗和最大產(chǎn)量的目的,最大限度地發(fā)揮設(shè)備的潛在性能,用來滿足各種生產(chǎn)要求。經(jīng)過計算,最小的消耗能從0.313降低至0.289 kWh Nm~(-3) O_2,同時,氧氣產(chǎn)量也從106.42下降到93.75 Nm~3 h~-11 ton~(-1)。當最大產(chǎn)量作為優(yōu)化目標,產(chǎn)量能夠提高到117.87Nm~3h~(-1)ton~(-1),但功耗也隨之上升到0.324 kWh Nm~(-3) O_2。為清楚地了解決策變量對變壓吸附制氧過程的影響程度,對優(yōu)化后的流程進行對比分析,為生產(chǎn)調(diào)優(yōu)鑒定基礎(chǔ)。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ116.14
【圖文】：

圖 1-3 立式軸向流吸附塔Figure 1-3 Vertical axial flowadsorption bed圖 1-4 臥式吸附塔Figure 1-4 Horizontal adsorption bed圖 1-5 徑向流吸附塔Figure 1-5 Radial flow adsorption bed圖 1-6 變徑吸附塔Figure 1-7 Variable diameter

使得能耗增加[42]。為解決立式軸向塔床層處理量較小的問題，采用臥式結(jié)構(gòu)吸附塔，如圖1-4，臥式吸附塔通過增加床層截面積從而提高處理量[43]。但是采用較大的床層截面積時，如何能使氣流分配均勻以及保持床層吸附截面相對平整成為主要的問題。，并且，截面積過大容易導(dǎo)致分子篩混層，氣體會沿著塔壁空隙率高的位置流動，造成局部位置穿透[44]。隨著制氧設(shè)備的大型化，臥式軸向塔占地面積大的缺點逐漸暴露出來。占地面積小，不受塔高影響的徑向流結(jié)構(gòu)吸附器創(chuàng)新地解決了這一問題。徑向流的實現(xiàn)是通過三層同心多孔圓筒實現(xiàn)的。其結(jié)構(gòu)如圖 1-5 所示[45]。空氣從吸附器底部進入，進入吸附層外圍均勻分布，穿過同心圓筒的氧化鋁層，其中的水分、二氧化碳等被吸附，然后進入分子篩層，氮氣被吸附，最后，氧氣從中間管道和塔頂流出。

12圖 1-5 徑向流吸附塔Figure 1-5 Radial flow adsorption bed圖 1-6 變徑吸附塔Figure 1-7 Variable diameteradsorption bed無論是立式軸向、臥式軸向還是徑向吸附結(jié)構(gòu)的吸附器，隨著吸附的體流動方向上氧氣濃度逐步升高，氣體流量逐漸降低，氣體在吸附塔的流速是不均勻的。位于塔頂?shù)奈絼├寐瘦^低，導(dǎo)致整體的吸附量降低。蔣兆華提出將吸附塔設(shè)計為變徑型[46]，如圖 1-6 所示，從進端方向成由大到小的錐形。保證氣體從進氣處到產(chǎn)氣處氣流盡可能維致的流速，從而，提高吸附劑的單位產(chǎn)量，使裝置的效率更高。變壓吸附的步驟切換是通過閥門開關(guān)實現(xiàn)的，在實際生產(chǎn)中，閥門由停的切換使其故障率較高，一旦閥門失效，流程就會發(fā)生改變；尤其吸附塔相互耦合時，盡管能夠有效的提高產(chǎn)品的回收率，但由于設(shè)備的

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本文編號：2780194