真空变压吸附净化升级沼气过程优化

【摘要】：沼气是一种富含甲烷气的清洁能源，它具有替代石化燃料以缓解全球能源危机的潜力。天然沼气中二氧化碳含量较高，这导致其热值较低、利用受限。实现沼气高值化利用关键在于有效地脱除沼气中的二氧化碳以提高甲烷纯度。本论文以硅沸石为吸附剂，采用三塔真空变压吸附技术来分离沼气中的二氧化碳和甲烷，并应用先进的动态优化方法对该分离过程进行优化，提高该过程的分离效果和经济效益。 基于gPROMS动态模拟和优化平台，研究和创建了包含变压吸附工艺系统各单元操作的通用模型库，实现对任意变压吸附工艺过程的全流程描述。建立了严格的吸附塔数学模型，详细地描述了吸附塔内的传质、传热、传动行为；建立了自判定的进出口边界条件，保障了吸附塔模型方程的合理性。建立了缓冲罐、阀门、压缩机、真空泵等辅助设备模型，保障了所描述变压吸附工艺过程的真实性。考虑了辅助设备（阀门、真空泵、压缩机）进出口节流效应，实现了对变压吸附工艺过程热效应的准确描述。 采用二阶精度的中心差分法，对变压吸附数学模型中的偏微分方程组在空间上进行部分离散，从而将偏微分方程组转化为常微分方程组，采用四阶精度的龙格库塔积分法求解该常微分方程组。研究了变压吸附运行时循环稳态的限定方法，采用求解稳定、收敛好的循环迭代法来定义循环稳态。研究了变压吸附工艺设计参数的灵敏度求解，采用简约空间的序贯二次规划法作为变压吸附工艺过程的优化方法。基于以上研究，本文构建了严格且通用的变压吸附工艺过程优化框架。 采用上述优化框架，对三塔十二步骤真空变压吸附净化升级沼气过程进行优化，在保障产品气中甲烷纯度不低于98%的前提下，实现沼气中甲烷回收率的最大化、单位质量吸附剂产率的最大化、分离过程单位能耗的最小化。原料气设定为101.325kPa、313.15K条件下40%CO2/60%CH4的混合气。初始工艺参数条件下，产品气中甲烷的纯度为98.76%、甲烷的回收率为70.93%、单位质量吸附剂的甲烷产率为0.1043Nm3CH4/kg/h、分离过程的单位能耗为0.4423kWh/(kgCH4)。经过第38次优化迭代后，在满足求解精度和约束条件后，得到了该过程优化目标函数的最优值，此时，产品气中甲烷的纯度为98.00%、甲烷回的收率为93.23%、单位质量吸附剂的甲烷产率为0.1331Nm3CH4/kg/h、分离过程的单位能耗为0.3697kWh/(kg CH4)。优化所得结果表明，采用该优化框架对真空变压吸附净化升级沼气过程进行优化十分必要，甲烷回收率提高了22.3%、单位质量吸附剂的甲烷产率提高了27.61%、分离过程的单位能耗降低了16.41%，具有显著的经济效益。 【关键词】：沼气升级 高值化利用 真空变压吸附 模型库 优化框架
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ221.11;TQ028.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论与综述9-25
• 1.1 引言9-10
• 1.2 脱除沼气中 CO_210-13
• 1.2.1 高压水洗10
• 1.2.2 物理吸收10-11
• 1.2.3 化学吸收11
• 1.2.4 膜分离11-12
• 1.2.5 低温精馏12
• 1.2.6 变温吸附12-13
• 1.2.7 变压吸附13
• 1.3 变压吸附介绍13-18
• 1.3.1 吸附分离机理14-15
• 1.3.2 吸附剂15-16
• 1.3.3 变压吸附工艺16-18
• 1.4 变压吸附工艺系统优化18-23
• 1.4.1 最优化方法19-20
• 1.4.2 优化框架20-22
• 1.4.3 优化软件22-23
• 1.5 论文研究内容23-25
• 第二章 变压吸附模型库建立25-35
• 2.1 吸附塔模型25-32
• 2.1.1 质量传递衡算方程26-27
• 2.1.2 动量传递衡算方程27
• 2.1.3 热量传递衡算方程27-28
• 2.1.4 质量传递方程28-30
• 2.1.5 吸附特性方程30-31
• 2.1.6 吸附塔边界条件31-32
• 2.2 辅助设备模型32-34
• 2.2.1 缓冲罐模型32
• 2.2.2 阀门模型32-33
• 2.2.3 真空泵及压缩机模型33-34
• 2.3 表现因子34
• 2.4 小结34-35
• 第三章 变压吸附优化框架35-46
• 3.1 偏微分方程组离散35-37
• 3.1.1 偏微分方程组离散形式35-36
• 3.1.2 偏微分方程组离散方法36-37
• 3.2 偏微分方程组求解37-38
• 3.3 循环稳态定义38-39
• 3.4 工艺设计参数灵敏度计算39-40
• 3.5 最优化方法40-43
• 3.5.1 非线性规划（NLP）问题41
• 3.5.2 优化方向求解41-42
• 3.5.3 Hessian 矩阵的计算42-43
• 3.5.4 优化终止条件及求解43
• 3.6 变压吸附工艺系统优化框架43-44
• 3.7 小结44-46
• 第四章 变压吸附脱除沼气中 CO2过程优化46-59
• 4.1 过程介绍46-47
• 4.2 过程优化47-51
• 4.2.1 参数设置47-48
• 4.2.2 循环稳态定义48-49
• 4.2.3 优化目标及约束49-51
• 4.3 结果及分析51-57
• 4.3.1 优化结果51-54
• 4.3.2 结果分析54-56
• 4.3.3 甲烷回收率和吸附剂单位产率56-57
• 4.3.4 过程单位能耗57
• 4.4 小结57-59
• 第五章 结论59-61
• 参考文献61-68
• 发表论文和参加科研情况说明68-69
• 致谢69

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