1. 研究目的与意义
一、选题背景与意义
沼气是一种生物质能源，是可生物降解有机物在厌氧环境中产生的富含甲烷和二氧化碳的可燃气体，广泛来源于有机废物厌氧发酵处理、高浓度有机废水厌氧降解处理、垃圾填埋等过程。
目前我国的沼气利用方式主要是发电和锅炉制热，这两种方式存在着有效能源利用率不高、经济效益不突出等问题，对沼气利用行业产生一定的制约作用。在此背景下，通过提升沼气中的甲烷含量使之达到天然气标准要求的沼气提纯技术成为一种有前景的发展方向。沼气经提纯处理后，可作为压缩天然气用于车用燃料或输送到城市燃气管网供居民或工业使用。沼气提纯的主要工作是进行脱碳净化，即通过分离沼气中的二氧化碳，使甲烷的含量提升。
2. 课题关键问题和重难点
一、课题关键问题及难点
1.塔同时进气进水，气体从水洗塔的中下部进入，进水从塔的上部进入，塔底的富二氧化碳水自塔底排出，而一旦塔内水位过高淹没进气口，进气管中水回流会损坏压缩机。而一旦塔内水位过低，产品气则有可能从塔底排水口溢出。
3. 国内外研究现状（文献综述）
一、文献综述
沼气[1]是一种很好的可再生能源，目前沼气的应用主要还是以农村照明和做饭，以及发电为主。目前全球的汽车主要还是以燃烧汽油为主，随着石油资源的不断枯竭，汽车燃料转型燃烧甲烷是一种趋势。沼气富含甲烷，脱除沼气中的二氧化碳，目前主要有化学吸收、高压水洗、变压吸附、低温液化和膜分离等方法[2]。水洗或用聚乙二醇水溶液洗涤和用碳分子筛进行变压吸附是去除CO2最常用的方法。而水洗的方法通常在高压下进行，相比变压吸附的压力还要高很多，因此水洗的方法比变压吸附的方法装置要相对较低，如果采用较高自动化水平的控制系统，水洗法的能耗缺点能通过效率的提高进行最大程度的弥补，是未来沼气提纯的重要手段之一[3]。
在设计沼气提纯装置时，我采用自动控制系统设计提纯装置，并利用Aspenplus对塔进行模拟计算。AspenPlus是一款功能强大的标准化大型流程模拟软件，它已应用于石油化工、煤炭、医药、冶金、环境保护、食品加工等许多工业领域，在过程开发、过程设计与改造中发挥着重要的作用。本研究以沼气高压水洗工艺中的核心操作单元吸收塔为研究对象，运用AspenPlus对其进行模拟分析，以期为后续工艺的优化与实际应用奠定基础。运用AspenPlus软件对沼气高压水洗净化工艺中的吸收塔进行了模拟计算[4]。选用RadFrae单元操作模型[5]，RadFrac是可用于模拟普通蒸馏、吸收塔、汽提塔、萃取和共沸蒸馏、三相蒸馏、反应蒸馏的单元操作模块能执行塔严格核算和设计计算。在RadFrac结构设置中，选用速率型非平衡级模型。采用NRTL热力学性质计算方法，对吸收塔的塔压和吸收剂用量进行了初步设计，在一定操作条件下考察了塔顶、塔底组成和塔内流量及组成分布的情况、吸收过程中压强、吸收剂用量及吸收塔出口水高度对净化后甲烷纯度的影响。模拟数据对实际应用具有指导意义[6]。
4. 研究方案
一、方案（设计方案、研制方案、研究方案）论证
使用Aspenplus设计整套工艺流程图，并利用Aspenplus对塔进行模拟计算，在设计工艺图时采用Radfrac作为单元操作模型，填料采用陶瓷鲍尔环，利用Aspenplus计算出最佳进料流量，塔内最佳气压，水的最佳流速，以及水吸收二氧化碳的最佳温度。
为了能够是整个高压水洗塔稳定运行和产品达到规定的分离纯度，并且在提高生产效率的基础上，降低能耗，根据塔的主要扰动因素，针对塔的不稳定因素设置了三个控制系统：
1.出水孔液位控制系统，控制变量为富二氧化碳水的出口流量。
2..塔压控制系统，被控变量为塔压，操作变量为出气口的出口流量，并且设置了塔压报警。
3..进料量流量控制系统，控制进料水于进料气的比例。
5. 工作计划
五、工作计划
1.2022.1.6~2022.1.26编写开题报告，查文献，翻译文献。
2.2022.3.1~2022.3.20利用aspenplus设计整个工艺流程，对塔进行模拟计算，找出出水口水位，塔内气压，塔内温度进气与进水比例最佳的数值，并利用算出的最佳数值进行自动控制系统的设计。
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