零散气甲烷液化工艺及关键设备优化研究

【摘要】：甲烷是利用价值极高的化石气体资源，广泛存在于天然气、沼气之中。受小型液化装置的技术所限，储量较小的零散气甲烷难以高效的开发与利用，造成巨大的污染与资源浪费。本文针对零散气甲烷处理不便的难题，设计一套小型液化工艺，使用HYSYS对工艺进行仿真与优化，形成一套具有商用价值的工艺流程。通过对关键设备进行优化设计，获得翅片管式换热器的最优结构参数，降低设备的年投资费用。最终搭建完成零散气甲烷液化装置，开机试验成功，能够在民用条件下能对零散甲烷进行液化，具有较高商业与环保价值。主要研究工作与结果如下： （1）借鉴小型天然气液化工艺，在现有带预冷的混合制冷剂液化工艺的基础上，开发一套微型的适用于民用条件的零散气甲烷液化工艺，能够在常温常压下液化气态甲烷； （2）使用HYSYS对所设计工艺进行仿真分析，以低功耗为优化目标，使用SPSS设计大量仿真实验，模拟后对数据分析，获得压比、工质配比及节点温度等最优工艺参数； （3）介绍并采用一种新型教学优化算法（TLBO）对翅片管式换热器优化设计，获得以年投资费用为目标函数的优化结构，分析设备各参数对于年投资费用的影响，作为翅片管式换热器选型与制造的参考。对比粒子群算法（PSO）及遗传算法（GA）两种较为成熟的优化算法，表明TBLO无需根据优化问题设置相应的优化参数，编程更简单，收敛速度更快； （4）搭建完成后的零散气甲烷液化装置，体积不到3m3，开机后仅4小时即成功制取-166.6℃的低温，在此条件下能够液化常压下甲烷。装置运行温度的趋势与模拟值基本一致，表明HYSYS仿真分析对液化工艺的设计及优化具有十分重要的指导意义。 【关键词】：小型甲烷液化装置 HYSYS 机械优化设计 Matlab 教学优化算法
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ221.11
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 课题研究的目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势10-12
• 1.3 课题研究的主要内容12
• 1.3.1 课题来源12
• 1.3.2 主要研究内容12
• 1.4 技术路线12-13
• 第二章 小型液化工艺及系统简介13-17
• 2.1 常见低温液化工艺13-15
• 2.1.1 膨胀制冷循环工艺13-14
• 2.1.2 混合制冷剂制冷循环工艺14
• 2.1.3 带预冷的混合制冷剂循环工艺14-15
• 2.2 小型液化工艺成套解决方案15-16
• 2.2.1 RFS 系统16
• 2.2.2 NGGLU 液化系统16
• 2.3 本章小结16-17
• 第三章 零散气甲烷液化工艺的设计与模拟优化17-42
• 3.1 相平衡计算方法17-18
• 3.2 Peng-Robinson 方程18-20
• 3.3 HYSYS 中单元特点介绍20-23
• 3.3.1 压缩机21-22
• 3.3.2 节流元件22-23
• 3.3.3 冷凝器23
• 3.3.4 天然气换热器23
• 3.4 零散气甲烷液化工艺的设计23-24
• 3.5 零散气甲烷液化工艺的 HYSYS 建模24-27
• 3.6 零散气甲烷液化工艺的优化27-30
• 3.6.1 正交试验28
• 3.6.2 工艺组分配比28-29
• 3.6.3 系统吸排气压力29
• 3.6.4 工艺系统节点温度29-30
• 3.7 零散甲烷液化系统优化结果30-41
• 3.7.1 第 1 压力实验组 1.2MPa~0.12MPa30-32
• 3.7.2 第 2 压力实验组 1.5MPa~0.15MPa32-34
• 3.7.3 第 3 压力实验组 1.8MPa~0.18MPa34-35
• 3.7.4 压力组实验小结35-36
• 3.7.5 制冷工质的配比优化36-41
• 3.8 本章小结41-42
• 第四章 翅片管式换热器的优化设计42-69
• 4.1 优化设计基础42-44
• 4.1.1 最优化的概念42
• 4.1.2 设计变量42-43
• 4.1.3 目标函数43
• 4.1.4 设计约束43
• 4.1.5 优化设计的数学模型43-44
• 4.2 优化算法44-48
• 4.2.1 经典优化算法44
• 4.2.2 启发式优化算法44-45
• 4.2.3 新型的启发式算法——教学优化算法45-48
• 4.3 翅片管式换热器的优化建模48-59
• 4.3.1 PTHE 的优化假设48
• 4.3.2 PTHE 的优化条件48-49
• 4.3.3 PTHE 的几何结构模型49-50
• 4.3.4 PTHE 的换热面积数学模型50-55
• 4.3.5 PTHE 的压降的数学模型55-58
• 4.3.6 PTHE 的成本估算模型58
• 4.3.7 PTHE 的优化约束条件58-59
• 4.4 翅片管式换热器的结构优化59-67
• 4.4.1 翅片管式换热器的最优结构59-61
• 4.4.2 不同优化算法的寻优对比61-63
• 4.4.3 翅片管式换热器结构参数分析63-67
• 4.5 本章小结67-69
• 第五章 零散气甲烷液化装置试验研究69-76
• 5.1 零散气甲烷气液化装置试验设计69
• 5.2 零散气甲烷液化装置的搭建69-72
• 5.2.1 试验装置组成69-71
• 5.2.2 密封性检测71
• 5.2.3 系统抽真空及制冷剂的灌装71
• 5.2.4 零散气甲烷液化装置71-72
• 5.3 零散气甲烷液化装置的试验研究72-75
• 5.3.1 零散气甲烷液化装置开机试验72-74
• 5.3.2 试验结果分析74-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第六章 总结与展望76-79
• 6.1 总结76
• 6.2 展望76-79
• 攻读学位期间发表的学术论文79-80
• 参考文献80-83
• 附录83-91

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