工业规模变压吸附制氧工艺模拟与优化

发布时间：2020-08-04 06:43

【摘要】：变压吸附制氧由于其能耗低、设备简单、操作方便等优点,已经成功地应用于工业生产中,此种工艺的有效性得到普遍认可。由于变压吸附原理的复杂性,变压吸附制氧各操作变量存在相应的耦合关系,不同的变量之间存在协同或抑制的关系,大多数研究机构只有通过大量的实验或具备一定的经验才能摸索出较为满意的工艺。随着吸附理论的完善,数值模拟计算水平的提高,在动态仿真模拟软件中建立模型,通过模拟计算,可以考察结构参数和操作参数对产率、收率、处理量以及单位能耗的影响,从各种结构参数和操作参数的组合中适配出符合生产要求的设计方案,给实验和设计提供指导性意见,进而缩短研发时间、减少人力物力的投入。模拟分析M个参数影响时,各参数通常选取N个数值,将形成M~N种组合,计算次数尤为巨大。在合理的决策变量的变化范围内,采用r-SQP优化算法,对工艺流程进行优化,找到最佳工艺流程的操作点;将能耗和产量进行调优,寻找出最具经济价值的生产流程,即能对现有的工业变压吸附流程进行升级,也可对新项目的流程设计做出指导性的建议。本文在gPROMS中改进并建立基于PDAEs模型的PSA工艺基础模型库,对变压吸附分子筛床层、能耗设备吸附过程中质量、动量、热量、吸附速率以及吸附等温线准确描述,建立了带有单向阀门的两塔六步的真空变压吸附的数值模型,仿真模拟工业规模制取80%氧气的创新工艺,缩短了吸附和再生步骤的准备时间,采用简约序列空间二次规划法进行优化。在不改变结构参数,和产品气氧气浓度不低于80%的条件下,对操作变量进行优化,实现最小功耗和最大产量的目的,最大限度地发挥设备的潜在性能,用来满足各种生产要求。经过计算,最小的消耗能从0.313降低至0.289 kWh Nm~(-3) O_2,同时,氧气产量也从106.42下降到93.75 Nm~3 h~-11 ton~(-1)。当最大产量作为优化目标,产量能够提高到117.87Nm~3h~(-1)ton~(-1),但功耗也随之上升到0.324 kWh Nm~(-3) O_2。为清楚地了解决策变量对变压吸附制氧过程的影响程度,对优化后的流程进行对比分析,为生产调优鉴定基础。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ116.14
【图文】：

吸附塔,轴向流,径向流,变径

图 1-3 立式轴向流吸附塔Figure 1-3 Vertical axial flowadsorption bed图 1-4 卧式吸附塔Figure 1-4 Horizontal adsorption bed图 1-5 径向流吸附塔Figure 1-5 Radial flow adsorption bed图 1-6 变径吸附塔Figure 1-7 Variable diameter

均匀分布,吸附塔

使得能耗增加[42]。为解决立式轴向塔床层处理量较小的问题，采用卧式结构吸附塔，如图1-4，卧式吸附塔通过增加床层截面积从而提高处理量[43]。但是采用较大的床层截面积时，如何能使气流分配均匀以及保持床层吸附截面相对平整成为主要的问题。，并且，截面积过大容易导致分子筛混层，气体会沿着塔壁空隙率高的位置流动，造成局部位置穿透[44]。随着制氧设备的大型化，卧式轴向塔占地面积大的缺点逐渐暴露出来。占地面积小，不受塔高影响的径向流结构吸附器创新地解决了这一问题。径向流的实现是通过三层同心多孔圆筒实现的。其结构如图 1-5 所示[45]。空气从吸附器底部进入，进入吸附层外围均匀分布，穿过同心圆筒的氧化铝层，其中的水分、二氧化碳等被吸附，然后进入分子筛层，氮气被吸附，最后，氧气从中间管道和塔顶流出。

吸附塔,径向流

12图 1-5 径向流吸附塔Figure 1-5 Radial flow adsorption bed图 1-6 变径吸附塔Figure 1-7 Variable diameteradsorption bed无论是立式轴向、卧式轴向还是径向吸附结构的吸附器，随着吸附的体流动方向上氧气浓度逐步升高，气体流量逐渐降低，气体在吸附塔的流速是不均匀的。位于塔顶的吸附剂利用率较低，导致整体的吸附量降低。蒋兆华提出将吸附塔设计为变径型[46]，如图 1-6 所示，从进端方向成由大到小的锥形。保证气体从进气处到产气处气流尽可能维致的流速，从而，提高吸附剂的单位产量，使装置的效率更高。变压吸附的步骤切换是通过阀门开关实现的，在实际生产中，阀门由停的切换使其故障率较高，一旦阀门失效，流程就会发生改变；尤其吸附塔相互耦合时，尽管能够有效的提高产品的回收率，但由于设备的

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