【摘要】：變壓吸附制氧由于其能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn),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(rèn)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(jī)構(gòu)只有通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)或具備一定的經(jīng)驗(yàn)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(jì)算水平的提高,在動(dòng)態(tài)仿真模擬軟件中建立模型,通過(guò)模擬計(jì)算,可以考察結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)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(jì)方案,給實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性意見,進(jìn)而縮短研發(fā)時(shí)間、減少人力物力的投入。模擬分析M個(gè)參數(shù)影響時(shí),各參數(shù)通常選取N個(gè)數(shù)值,將形成M~N種組合,計(jì)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(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化,找到最佳工藝流程的操作點(diǎn);將能耗和產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)優(yōu),尋找出最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的生產(chǎn)流程,即能對(duì)現(xiàn)有的工業(yè)變壓吸附流程進(jìn)行升級(jí),也可對(duì)新項(xiàng)目的流程設(shè)計(jì)做出指導(dǎo)性的建議。本文在gPROMS中改進(jìn)并建立基于PDAEs模型的PSA工藝基礎(chǔ)模型庫(kù),對(duì)變壓吸附分子篩床層、能耗設(shè)備吸附過(guò)程中質(zhì)量、動(dòng)量、熱量、吸附速率以及吸附等溫線準(zhǔn)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(zhǔn)備時(shí)間,采用簡(jiǎn)約序列空間二次規(guī)劃法進(jìn)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(duì)操作變量進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)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(lái)滿足各種生產(chǎn)要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算,最小的消耗能從0.313降低至0.289 kWh Nm~(-3) O_2,同時(shí),氧氣產(chǎn)量也從106.42下降到93.75 Nm~3 h~-11 ton~(-1)。當(dāng)最大產(chǎn)量作為優(yōu)化目標(biāo),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(duì)變壓吸附制氧過(guò)程的影響程度,對(duì)優(yōu)化后的流程進(jìn)行對(duì)比分析,為生產(chǎn)調(diào)優(yōu)鑒定基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(wèn)題，采用臥式結(jié)構(gòu)吸附塔，如圖1-4，臥式吸附塔通過(guò)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(shí)，如何能使氣流分配均勻以及保持床層吸附截面相對(duì)平整成為主要的問(wèn)題。，并且，截面積過(guò)大容易導(dǎo)致分子篩混層，氣體會(huì)沿著塔壁空隙率高的位置流動(dòng)，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(diǎn)逐漸暴露出來(lái)。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(wèn)題。徑向流的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)三層同心多孔圓筒實(shí)現(xiàn)的。其結(jié)構(gòu)如圖 1-5 所示[45]。空氣從吸附器底部進(jìn)入，進(jìn)入吸附層外圍均勻分布，穿過(guò)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(jìn)入分子篩層，氮?dú)獗晃�，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(wú)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(dòng)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(jì)為變徑型[46]，如圖 1-6 所示，從進(jìn)端方向成由大到小的錐形。保證氣體從進(jìn)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(guò)閥門開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)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(huì)發(fā)生改變；尤其吸附塔相互耦合時(shí)，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(hào)：2780194