The optimal design of pressure swing adsorption process of air oxygen enrichment under uncertainty

Abstract

The paper formulates and studies the problem of optimal (by the criterion of profits from oxygen production) design of a pressure swing adsorption (PSA) unit for air oxygen enrichment under partial uncertainty of the source data (the air composition, temperature, atmospheric pressure) with limitations on oxygen purity, unit capacity, and resource saving granular adsorbent. A heuristic iterative algorithm was developed for solving an optimal design problem under partial uncertainty of the source data. An auxiliary optimization problem related to the class of nonlinear programming problems (assuming the approximation of continuous control functions at the stages of the adsorption-desorption cycle by step-functions) was formulated and then solved by the sequential quadratic programming method. The problem of optimal design was solved for the range of PSA units with a capacity of 1 to 4 l/min allowing to obtain oxygen with a purity of 40 to 90% vol. According to the findings, we analyze the most promising operational and design parameters ensuring the maximum profit in the operation of the PSA unit, taking into account the saving of the granular adsorbent. It was established that the introduction of limitations on the gas flow rate in the frontal layer of the PSA unit adsorbent allows to increase the reliability of its operation and the adsorbent service life. 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.