文 献 综 述

随着经济的飞速发展，人们对于化石燃料的消耗也日益增多，因此导致了化石能源的严重不足，也给环境带来了巨大的污染。于是现在急需寻找一种可替代的新型清洁能源，沼气就是其中的一种，并且可以将废弃物利用起来，减少污染物。

沼气是有机物在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，通过微生物发酵作用产生的一种可燃性混合气体。沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，通常情况下CH₄占40%~75%，CO₂占25%~60%，此外还有少量的氮气（N₂）、水蒸气（H₂O）、氢气（H₂）和一氧化碳（CO）等。CH₄所占比例的多少决定沼气热值的高低，H₂O和CO₂的存在会降低沼气的热值。

工业生产中，脱除CO₂的方法主要有：吸附法、吸收法和膜分离等方法。其中使用变压吸附法分离CH₄和CO₂，能耗更低，纯度更高，工艺流程简单。本课题研究重点在于通过模拟变压吸附提纯沼气中的甲烷过程，为工业优化提供参考价值。

在过去的几十年里，对变压吸附（PSA）过程的研究发展迅速，在化工、医药、造纸、冶金等行业都有广泛的应用，PSA技术也从最初的Skarmstrom循环在不断的更新和进步，发展到现在带有均压、置换等复杂循环过程。随着应用领域的拓展，有效的变压吸附模拟和优化方法也变得尤为重要。但变压吸附属于非稳态过程，在模拟的过程中，需要求解同时带有时间与空间变量的偏微分方程，这对于高速、高精度的求解显得十分困难。

变压吸附过程模拟是通过建立动量、质量、热量平衡模型加以描述。变压吸附过程通常采用循环操作，每个吸附床都经过升压、吸附、降压、抽真空等步骤。当变压吸附装置启动一段时间后，系统可以达到循环稳态；在循环稳态下，吸附床每一个循环的开始和结束状态是相同的。

循环稳态是变压吸附优化控制的核心内容，在迭代求解过程中，迭代次数和每一次迭代的复杂程度决定了能够达到循环稳态的速度。变压吸附模拟的发展趋势主要包括：流程的复杂程度提高但模拟计算结构合理的简化，模拟和实际的工业生产结合，同时进行优化控制等。变压吸附优化控制的发展趋势主要包括：优化结构的简洁化，控制过程的快速准确化，优化控制的同时化等。

目前变压吸附的数值模拟已经实现多塔化，变压吸附过程优化目标由最初的单目标优化转化为现行的多目标优化(Sankararao 2007)或者多目标的加权目标优化(Biegler 2005)，但变压吸附的最优化控制计算主要集中于一塔和两塔，多塔的最优化控制计算鲜有报道，这主要是由于最优化控制随着塔数目的增加，其计算量会有大幅度地提高。对于优化结构和优化算法的简化和改进将会减少最优化控制的计算量。

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本课题研究变压吸附法提纯沼气中甲烷的过程模拟。

首先确定要分离的体系，变压吸附过程中各个操作参数。然后确定模拟过程所选用的模型，如平衡模型、动力学模型等。将模拟结果与实验结果对比，如果结果一致，则可证明所选模型的正确性。可以将该模型用于其他的变压吸附过程。

通过改变工艺参数，如吸附压力、吸附时间等来寻找最佳的工艺条件，为工业上变压吸附过程提供参考。