变压吸附装置最优吸附时间确定方法及系统制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种变压吸附装置最优吸附时间确定方法及系统，所述方法包括：建立变压吸附装置的数学模拟模型；对建立数学模拟模型进行数学求解；判断求解结果中的产品氢组成和流量是否满足预设计算要求，若未满足预设计算要求，则修正吸附平衡动力学参数初始值；若满足预设计算要求，则建立所述变压吸附装置的非线性规划模型，并对建立的非线性规划模型进行求解，判断是否达到退出条件，若是，则退出求解过程，并将此时得到的吸附时间作为所述变压吸附装置的最优吸附时间；否则，修改所述非线性规划模型中的吸附时间变量，并继续求解。本发明专利技术能够在确保氢气回收质量、效率以及吸附剂不被污染的前提下，确定变压吸附装置的最优吸附时间。

Method and System for Determining the Optimum Adsorption Time of Pressure-swing Adsorption Device

The invention provides a method and system for determining the optimal adsorption time of a pressure swing adsorption device. The method includes: establishing a mathematical simulation model of a pressure swing adsorption device; solving the mathematical simulation model; judging whether the hydrogen composition and flow rate of the product in the solution result meet the requirements of the budget design, and modifying the kinetic parameters of the adsorption equilibrium if they do not meet the requirements of the budget design. If the initial value is satisfied, then the non-linear programming model of the pressure swing adsorption device is established and solved to determine whether the exit condition is met, and if so, the solution process is withdrawn, and the adsorption time obtained at this time is taken as the optimal adsorption time of the pressure swing adsorption device; otherwise, the non-linear programming model is modified. Adsorption time variable in type B and continue to solve. The invention can determine the optimal adsorption time of the pressure swing adsorption device on the premise of ensuring the quality and efficiency of hydrogen recovery and the adsorbent is not polluted.

【技术实现步骤摘要】
变压吸附装置最优吸附时间确定方法及系统
本专利技术涉及气体吸附
，具体涉及一种变压吸附装置最优吸附时间确定方法及系统。
技术介绍
变压吸附是炼厂获得高纯氢的最主要手段，主要利用含氢物流中杂质组分“高压下吸附、低压下解吸”的原理进行氢气富集。变压吸附吸附塔是多种吸附剂的复合床层，通常情况下，从塔底至塔顶依次装填活性氧化铝、硅胶、活性炭、各种类型的分子筛吸附剂，根据处理的原料不同，各种吸附剂装填的种类及比例略有差别，其中，氧化铝类吸附剂对H2O、H2S等组分具有良好的吸附作用，硅胶易吸附H2O、CO2、重烃类杂质，活性炭对CO2、各种烃类杂质吸附较好，各种类型的分子筛吸附剂均是针对特定组分的吸附分离，如CO专用吸附剂、碳分子筛吸附剂等。在实际生产中，变压吸附装置的吸附压力、再生解吸压力等与上下游系统相匹配，基本是恒定不变的，只有吸附时间是装置操作调节的重要参数。通常情况下，延长吸附时间，意味着单位时间内再生频率减少，可提高目的产品氢气的回收效率，但吸附时间过长易造成杂质穿透床层使产品氢质量不合格，严重情况下造成吸附剂中毒；反之，缩短吸附时间，意味着单位时间内再生频率增加，则降低了氢气回收效率。因此对于确定的变压吸附装置，最优吸附时间的确定及准确计算是变压吸附装置运行、操作优化的核心技术。实际生产中变压吸附的吸附时间确定主要有以下两类方法：(1)操作工根据原料气流量、产品流量等仪表显示，按照经验判断进行吸附时间的调整。由于人工调节方法主要依靠操作工经验，受人为因素影响较大，又因在装置运行中原料气流量、原料气产品组成频繁波动，操作工很难及时准确的进行相应最优吸附时间的调整，往往造成滞后或偏差，也就使得产品收率较低、产品质量较差；(2)基于变压吸附原料气或产品气流量、组成信息的吸附时间自动调节。中国专利CN1314200A提供了一种改进的变压吸附装置控制系统，能根据原料气流量、原料气产品含量和产品气流量的变化自动调节控制吸附时间，达到提高产品收率和质量的目的。中国专利CN102527188A提供了一种变压吸附装置吸附时间的确定方法，基本思想是分别计算变压吸附装置预置基准参数的吸附时间-原料流量关系曲线、预置操作条件下的吸附时间-原料流量控制曲线，再由实时检测数据计算变压吸附装置实时动态吸附点，通过判断实时动态吸附点与上述两种曲线的关系，进而调节吸附时间。上述两专利涉及的吸附时间的确定方法均以吸附塔进出物流信息与吸附时间进行简单关联，未深入考察吸附时间与各吸附剂层的关系，不能本质上论证、获取最优吸附时间。例如重整氢提浓变压吸附、炼厂干气提浓变压吸附等装置或变压吸附装置原料气组分、流量变化较大时的吸附时间确定，不能简单的仅以产品氢收率、产品氢纯度或某时刻动态吸附点与设计工况的偏差而调整吸附时间，而是应该在保证产品氢质量合格、收率最大化前提下，还需考虑吸附塔内吸附剂不被某些组分污染中毒等因素，综合确定最优吸附时间。因此，如何将现有技术问题加以解决，提供一种新的炼厂气变压吸附最优吸附时间确定的方法及系统，即为本领域技术人员的研究方向所在。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种变压吸附装置最优吸附时间确定方法及系统，本专利技术能够在确保氢气回收质量、效率以及吸附剂不被污染的前提下，确定变压吸附装置的最优吸附时间，从而提高企业经济效益。第一方面，本专利技术提供了一种变压吸附装置最优吸附时间确定方法，包括：步骤S1：根据变压吸附装置装填吸附剂类别的不同，将变压吸附装置划分成不同的吸附层，并采用吸附平衡方程、传质速率方程和总传质平衡方程，建立所述变压吸附装置的数学模拟模型；步骤S2：根据所述变压吸附装置的设计参数和操作参数，设定所述变压吸附装置的数学模拟模型的吸附平衡动力学参数初始值；步骤S3：对所述变压吸附装置的数学模拟模型进行数学求解，获取产品氢组成和流量，同时获取原料气中预定组分气体穿透预定吸附层的时间；步骤S4：判断步骤S3求解结果中的产品氢组成和流量是否满足预设计算要求，若未满足预设计算要求，则修正步骤S2中的吸附平衡动力学参数初始值；若满足预设计算要求，则执行步骤S5；步骤S5：建立所述变压吸附装置的非线性规划模型；步骤S6：对所述变压吸附装置的非线性规划模型进行求解；在求解时，以所述变压吸附装置的吸附时间为优化变量，以最大化产品氢回收率为目标函数值，以产品氢氢纯度大于或等于预设纯度值以及原料气中预定组分气体不能穿透预定吸附层为约束条件；其中，所述变压吸附装置的吸附时间的初始值根据理论计算的穿透时间进行设置；步骤S7：判断步骤S6的求解是否达到退出条件，其中，退出条件为：总增加吸附时间达到预设限制条件或连续两次非线性规划优化目标函数值没有改进；若是，则退出求解过程，并将此时得到的吸附时间作为所述变压吸附装置的最优吸附时间；否则，修改所述非线性规划模型中的吸附时间变量，并返回步骤S6。进一步地，所述步骤S1中的吸附平衡方程为：其中，θi表示待吸附的混合气体中，某层吸附剂上气体组分i的覆盖率；Pi表示待吸附的混合气体中，气体组分i的分压；Bi表示气体组分i在该层吸附剂上的兰格缪尔吸附常数；Bij表示包含组分i和组分j的二元气体混合物中组分i在该层吸附剂上的兰格缪尔吸附常数；Kij表示包含组分i和组分j的二元气体混合物在该层吸附剂上吸附时组分j对组分i吸附作用的影响程度；Ki,mix表示待吸附的混合气体中所有气体组分对气体组分i的吸附作用影响参数。进一步地，所述步骤S2中的变压吸附装置的设计参数包括变压吸附装置高度、内径及吸附剂装填量、类别、孔容和比表面积；变压吸附装置的操作参数包括原料气流量、组成及吸附操作温度、压力和理论穿透时间。进一步地，所述步骤S2中的变压吸附装置的数学模拟模型的吸附平衡动力学参数包括：扩散系数、传质系数、pelect数和兰格缪尔吸附平衡常数。进一步地，所述步骤S4中判断产品氢组成和流量是否满足预设计算要求是指判断步骤S3求解结果中的产品氢组成和流量与工业实际装置获取的产品氢组成和流量的相对偏差是否控制在1％～5％以内。第二方面，本专利技术还提供了一种变压吸附装置最优吸附时间确定系统，包括：第一建模单元，用于根据变压吸附装置装填吸附剂类别的不同，将变压吸附装置划分成不同的吸附层，并采用吸附平衡方程、传质速率方程和总传质平衡方程，建立所述变压吸附装置的数学模拟模型；初始值设定单元，用于根据所述变压吸附装置的设计参数和操作参数，设定所述变压吸附装置的数学模拟模型的吸附平衡动力学参数初始值；第一求解单元，用于对所述变压吸附装置的数学模拟模型进行数学求解，获取产品氢组成和流量，同时获取原料气中预定组分气体穿透预定吸附层的时间；第一判断单元，用于判断所述第一求解单元的求解结果中的产品氢组成和流量是否满足预设计算要求，若未满足预设计算要求，则修正所述初始值设定单元中的吸附平衡动力学参数初始值；若满足预设计算要求，则执行第二建模单元；第二建模单元，用于建立所述变压吸附装置的非线性规划模型；第二求解单元，用于对所述变压吸附装置的非线性规划模型进行求解；在求解时，以所述变压吸附装置的吸附时间为优化变量，以最大化产品氢回收率为目标函数值，以产品氢氢纯度大于或等于预设纯度值以及原料气中预定组分气体不能穿透本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变压吸附装置最优吸附时间确定方法，其特征在于，包括：步骤S1：根据变压吸附装置装填吸附剂类别的不同，将变压吸附装置划分成不同的吸附层，并采用吸附平衡方程、传质速率方程和总传质平衡方程，建立所述变压吸附装置的数学模拟模型；步骤S2：根据所述变压吸附装置的设计参数和操作参数，设定所述变压吸附装置的数学模拟模型的吸附平衡动力学参数初始值；步骤S3：对所述变压吸附装置的数学模拟模型进行数学求解，获取产品氢组成和流量，同时获取原料气中预定组分气体穿透预定吸附层的时间；步骤S4：判断步骤S3求解结果中的产品氢组成和流量是否满足预设计算要求，若未满足预设计算要求，则修正步骤S2中的吸附平衡动力学参数初始值；若满足预设计算要求，则执行步骤S5；步骤S5：建立所述变压吸附装置的非线性规划模型；步骤S6：对所述变压吸附装置的非线性规划模型进行求解；在求解时，以所述变压吸附装置的吸附时间为优化变量，以最大化产品氢回收率为目标函数值，以产品氢氢纯度大于或等于预设纯度值以及原料气中预定组分气体不能穿透预定吸附层为约束条件；其中，所述变压吸附装置的吸附时间的初始值根据理论计算的穿透时间进行设置；步骤S7：判断步骤S6的求解是否达到退出条件，其中，退出条件为：总增加吸附时间达到预设限制条件或连续两次非线性规划优化目标函数值没有改进；若是，则退出求解过程，并将此时得到的吸附时间作为所述变压吸附装置的最优吸附时间；否则，修改所述非线性规划模型中的吸附时间变量，并返回步骤S6。...

【技术特征摘要】
1.一种变压吸附装置最优吸附时间确定方法，其特征在于，包括：步骤S1：根据变压吸附装置装填吸附剂类别的不同，将变压吸附装置划分成不同的吸附层，并采用吸附平衡方程、传质速率方程和总传质平衡方程，建立所述变压吸附装置的数学模拟模型；步骤S2：根据所述变压吸附装置的设计参数和操作参数，设定所述变压吸附装置的数学模拟模型的吸附平衡动力学参数初始值；步骤S3：对所述变压吸附装置的数学模拟模型进行数学求解，获取产品氢组成和流量，同时获取原料气中预定组分气体穿透预定吸附层的时间；步骤S4：判断步骤S3求解结果中的产品氢组成和流量是否满足预设计算要求，若未满足预设计算要求，则修正步骤S2中的吸附平衡动力学参数初始值；若满足预设计算要求，则执行步骤S5；步骤S5：建立所述变压吸附装置的非线性规划模型；步骤S6：对所述变压吸附装置的非线性规划模型进行求解；在求解时，以所述变压吸附装置的吸附时间为优化变量，以最大化产品氢回收率为目标函数值，以产品氢氢纯度大于或等于预设纯度值以及原料气中预定组分气体不能穿透预定吸附层为约束条件；其中，所述变压吸附装置的吸附时间的初始值根据理论计算的穿透时间进行设置；步骤S7：判断步骤S6的求解是否达到退出条件，其中，退出条件为：总增加吸附时间达到预设限制条件或连续两次非线性规划优化目标函数值没有改进；若是，则退出求解过程，并将此时得到的吸附时间作为所述变压吸附装置的最优吸附时间；否则，修改所述非线性规划模型中的吸附时间变量，并返回步骤S6。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的吸附平衡方程为：其中，θi表示待吸附的混合气体中，某层吸附剂上气体组分i的覆盖率；Pi表示待吸附的混合气体中，气体组分i的分压；Bi表示气体组分i在该层吸附剂上的兰格缪尔吸附常数；Bij表示包含组分i和组分j的二元气体混合物中组分i在该层吸附剂上的兰格缪尔吸附常数；Kij表示包含组分i和组分j的二元气体混合物在该层吸附剂上吸附时组分j对组分i吸附作用的影响程度；Ki,mix表示待吸附的混合气体中所有气体组分对气体组分i的吸附作用影响参数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中的变压吸附装置的设计参数包括变压吸附装置高度、内径及吸附剂装填量、类别、孔容和比表面积；变压吸附装置的操作参数包括原料气流量、组成及吸附操作温度、压力和理论穿透时间。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中的变压吸附装置的数学模拟模型的吸附平衡动力学参数包括：扩散系数、传质系数、pelect数和兰格缪尔吸附平衡常数。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中判断产品氢组成和流量是否满足预设计算要求是指判断步骤S3求解结果中的产品氢组成和流量与工业实际装置获取的产品氢组成和流量的相对偏差是否控制在1％～5％以内。6.一种变压吸附装置最优吸附时间确定系统，其特征在于，包括：第...

【专利技术属性】
技术研发人员：王阳峰，张英，张龙，张胜中，孟凡忠，高明，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11