[发明专利]一种基于LDF模型的PSA优化策略

摘要

本发明公开了一种基于LDF模型的PSA优化策略，通过在两个吸附床之间安装可变孔径流量调节阀，利用遗传算法求解下一次吸附时的最佳孔径值，一方面可使氧气浓度在合格的同时，提高氧气回收率，降低能耗；另一方面，避免冲击孔径过小，导致再生吸附效果较差，影响下一次吸附的能力，从而导致生成氧气浓度的降低。

主权项

1.一种基于LDF模型的PSA优化策略，包括以下步骤：Step.1针对变压吸附双塔循环制氧机，利用扩展Langmuir等温线方程计算氧气的平衡吸附量与氮气的平衡吸附量其中a为氧气，b为氮气，n为混合气体中的组分数，i为混合气体中的气体组分，i＝a,b,b_i为i组分的吸附等温线常数，C_i为i组分的气相摩尔浓度，q_is为i组分的饱和吸附量，上述参数均为已知；Step.2；利用LDF模型的质量传递率方程计算当前时刻的吸附率与其中k_i为i组分LDF模型传质系数，q_i为分子筛中i组分的吸附量，上述参数为已知；Step.3计算下一时刻i组分的吸附量q_i(i,j+1),其中Δt为时间步长，取值区间为[0.005，0.01]，j为时间序列，j＝1,2,3…，上述参数均为已知；Step.4双组分系统的总质量平衡方程为将理想气体状态方程带入上述总质量平衡方程，得到其中ε为床层的空隙率，z为吸附床轴向坐标，C为混合组分总的摩尔浓度,以上参数均为已知；Step.5根据能量守恒关系，得到有关床温变化的能量平衡方程，其中λ为床壁的导热系数，c_g为空气比热，ρ_g为空气的密度，c_s为吸附相的摩尔浓度，ρ_b为氮气的密度，H为吸附热，h为管道的热交换系数，T_w为管壁温度，以上参数均为已知；Step.6设置温度边界条件，令T_Z＝0＝T_入口，L为床体长度，联立Step.4和Step.5的方程可计算出当前时间序列i组分的气体流动速度u(i,j)和当前时间序列i组分的气体温度T(i,j)；Step.7通过冲洗孔孔眼的气体流量为通过孔眼的气体流量受临界压比v_比的影响而变化，当时，当时，其中k为氧气的传质系数，P_上和P_下分别为孔眼的上下游压力，T_上为上游气体温度；Step.8将理想气体状态方程带入流体质量平衡方程得到计算氧气浓度的质量平衡方程其中T为当前时刻的气体温度，y_a为氧气浓度，和分别为氧气和氮气的平均吸附量，D_L为轴向扩散系数；Step.9当床体处于吸附状态时，床体的实际出口流量为Q_出＝Q_产‑Q_冲，氧气回收率为由于采用双床循环吸附，因此床1的Q_冲即为床2解吸的入口流量；Step.8设实际出口流量的氧气浓度下限为α，氧气回收率下限为β，设当前床1处于吸附状态，床2处于解吸状态时，当冲击孔的孔径增加时，冲洗流量增大，对床2的反向清洗更彻底，再生效果好，可提高床2下一次的氧气浓度，但会使当前床1的出口流量降低，氧气回收率降低，能耗升高；当吸氧量增高时，出口流量与氧气浓度均会下降，缩小冲击孔的孔径从而增大出口流量，氧气回收率同样上升，能耗比下降，但冲洗效果下降会影响下一次生成的氧气浓度；通过安装可变孔径流量调节阀，利用遗传算法对孔径进行实施调节，在满足氧气实际出口流量及浓度的同时，提高氧气回收率，降低能耗；Step.9设可变孔径流量调节阀的孔径变化范围为[1mm,10mm]，精度为0.0001mm，随机在孔径变化范围内取N个不同的孔径值，N的范围为[500，1000]，设适应度函数为且y_ai≥a，当F_i最小时，令为计算个体的生存概率其中i为第i个孔径值；Step.10按照个体生存概率，选择N/2个孔径值进行复制，将孔径值转化为二进制，以概率p_c进行两两交叉操作，交叉位置为二进制孔径值的第2、3、7位，交叉后的孔径值满足[1mm,10mm]；设变异概率为p_m,变异时将二进制孔径值的第4、5、7位取反；若则令为否则不变；继续迭代100次后取F_i最小时的可求出使为最大时的孔径值i。