The Optimal Design of Pressure Swing Adsorption Process of Air Oxygen Enrichment Under Uncertainty

Сформулирована и решена задача оптимального (по критерию прибыли от производства кислорода) проектирования установки короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) для обогащения воздуха кислородом в условиях частичной неопределенности исходных данных (состава, температуры, давления атмосферного воздуха) при наличии ограничений по чистоте кислорода, производительности установки и ресурсосбережению гранулированного адсорбента. Разработан эвристический итерационный алгоритм решения задачи оптимального проектирования в условиях частичной неопределенности исходных данных. Сформулирована вспомогательная задача оптимизации, относящаяся к классу задач нелинейного программирования (при допущении об аппроксимации непрерывных функций управлений на стадиях цикла "адсорбция-десорбция" step-функциями), решение которой осуществлялось методом последовательного квадратичного программирования. Поставленная задача оптимального проектирования была решена для типоряда установок КБА производительностью от 1 до 4 л/мин, позволяющих получать кислород с чистотой от 40 до 90 об.%. В ходе анализа полученных результатов установлены наиболее перспективные режимные и конструктивные параметры, обеспечивающие максимальную прибыль при функционировании установки КБА с учетом сбережения гранулированного адсорбента. Установлено, что введение ограничения на скорость газового потока в ≪лобовом≫ слое адсорбента установки КБА позволяет повысить надежность ее функционирования и увеличить срок службы адсорбента.

Ключевые слова

короткоцикловая безнагревная адсорбция; цеолит; математическое моделирование; оптимизация; проектирование; неопределенности.

Литература

1. Chistyakova, T.B. Joint Innovative IT Projects in the Field of Production of Polymeric Sheet Materials / T.B. Chistyakova, A.S. Razygrayev, A.N. Polosin, A.M. Araztaganova // Proceedings of the 2016 IEEE V Forum "Strategic Partnership of Universities and Enterprises of Hi-Tech Branches (Science. Education. Innovations)". - St. Petersburg: Saint Petersburg Electrotechnical University LETI, 2016. - P. 61-64.
2. Chistyakova, T.B. Computer Modelling System of Industrial Extruders with Adjustable Configuration for Polymeric Film Quality Control / T.B. Chistyakova, A.N. Polosin // Proceedings of 2017 IEEE II International Conference on Control in Technical Systems (CTS). - St. Petersburg: Saint Petersburg Electrotechnical University LETI, 2017. - P. 47-50.
3. Шумяцкий, Ю.И. Промышленные адсорбционные процессы / Ю.И. Шумяцкий. - М.: КолосС, 2009.
4. Кельцев, Н.В. Основы адсорбционной техники / Н.В. Кельцев. - М.: Химия, 1984.
5. Ruthven, D.M. Pressure Swing Adsorption / D.M. Ruthven, S. Farooq, K.S. Knaebel. - N.Y.: Wiley, 1994.
6. Chin-Wen Wu. Experimental Study of a Novel Rapid Pressure-Swing Adsorption Based Medical Oxygen Concentrator: Effect of the Adsorbent Selectivity of N2 over O2 / Chin-Wen Wu, R. Vermula, M. Kothare, S. Sircar // Industrial and Engineering Chemistry Research. - 2016. - V. 55, № 16. - P. 4676-4681.
7. Moran, A. Limitations of Portable Pressure Swing Adsorption Processes for Air Separation / A. Moran, O. Talu // Industrial and Engineering Chemistry Research. - 2018. - V. 57, № 35. - P. 11981-11987.
8. Chai, S.W. Rapid Pressure Swing Adsorption for Reduction of Bed Size Factor of a Medical Oxygen Concentrator / S.W. Chai, M.V. Kothare, S. Sircar // Industrial and Engineering Chemistry Research. - 2011. - V. 50. - P. 8703-8710.
9. Akulinin, E.I. Numerical Study of Cyclic Adsorption Processes of Air Oxygen Enrichment in Dynamics / E.I. Akulinin, O.O. Golubyatnikov, D.S. Dvoretsky, S.I. Dvoretsky // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - V. 1278. - Article ID: 012005.
10. Akulinin, E.I. Optimizing Pressure-Swing Adsorption Processes and Installations for Gas Mixture Purification and Separation / E.I. Akulinin, O.O. Golubyatnikov, D.S. Dvoretsky, S.I. Dvoretsky // Chemical Engineering Transactions. - 2019. - V. 74. - P. 883-888.
11. Кириллин, В.А. Техническая термодинамика / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин. - М.: МЭИ, 2016.
12. Дубинин, М.М. Адсорбция и пористость / М.М. Дубинин. - М.: ВАХЗ, 1972.
13. Akulinin, E. Optimization and Analysis of Pressure Swing Adsorption Process for Oxygen Production from Air Under Uncertainty / E. Akulinin, O. Golubyatnikov, D. Dvoretsky, S. Dvoretsky // Chemical Industry and Chemical Engineering Quarterly. - 2020. - V. 26, № 1. - P. 89-104.
14. Rice, R.G. Applied Mathematics and Modelling for Chemical Engineers / R.G. Rice, D.D. Do. - New Jersey: Wiley, 2012.
15. Cruz, P. On the Optimization of Cyclic Adsorption Separation Processes / P. Cruz, F.D. Magalhaes, A. Mendes // AIChE Journal. - 2005. - V. 51. - P. 1377-1395.
16. Хейфец, Л.И. Элементы теории процессов адсорбционного разделения газовых смесей / Л.И. Хейфец, В.Л. Зеленко, Ю.В. Павлов. - М.: МГУ, 2004.
17. Skvortsov, S.A. Mathematical Modelling of Cyclic Pressure Swing Adsorption Processes / S.A. Skvortsov, E.I. Akulinin, O.O. Golubyatnikov, D.S. Dvoretsky, S.I. Dvoretsky // Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - V. 1015. - Article ID: 032002.
18. Гольдштейн, А.Л. Оптимизация в среде MATLAB / А.Л. Гольдштейн. - Пермь: ПНИПУ, 2015.