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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:劉鴻澤
研究生(外文):Hong Ze Liu
論文名稱:二氧化碳/氮氣雙成分混合氣體之真空變壓吸附模擬研究
論文名稱(外文):Simulation study of Vacuum Pressure Swing Adsorption process for the CO2/N2 mixture
指導教授:盧贊生盧贊生引用關係
指導教授(外文):T. S. Lu
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:化工與材料工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:87
中文關鍵詞:真空變壓吸附矽膠二氧化碳氮氣正交配置法
外文關鍵詞:vacuum pressure swing adsorptionsilica gelcarbon dioxidenitrogenorthogonal collocation method
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本論文利用數值分析法模擬雙塔五步驟以矽膠作為吸附劑去吸附煙道廢氣中混合氣體(15%CO2和85%N2)的真空變壓吸附(Vacuum Pressure Swing Adsorption, VPSA)程序,目的是將二氧化碳及氮氣分離回收,以達到二氧化碳捕捉封存。
本系統數學方程式的建立包括(1)線性驅動模式、(2)Ergun equation、(3)成分m在吸附床內的質量平衡方程式和(4)吸附床之能量平衡方程式,將這四大方程式無因次化且透過正交配置法將偏微分方程式轉換成常微分方程式,再利用FORTRAN語言的電腦程式建立此模擬系統,去模擬出各個階段吸附床中每個位置壓力、莫耳分率等變化,其中數學方程式所包含的參數及操作條件是參考Yan et al.這篇文獻。
雖然現階段無法完整模擬出真空變壓吸附由第一階段到第五階段之結果,其可能的原因為考量到壓力隨著吸附床在軸方向上的變化,以及邊界條件的假設,但是在於數學模型四大方程式的詳細建構上是完整可被利用的。
A vacuum pressure swing adsorption(VPSA) process that used silica gel as adsorbent to capture CO2 from dry flue gas(15%CO2/85%N2) by two-bed five-steps operation is investigated through the numerical simulation method. The feature of this process is to capture high concentration carbon dioxide and nitrogen gas, and carbon dioxide can be recovered and stored.
The four mathematical equation (1) linear driving force,(2) Ergun equation,(3) component m mass balance equation in adsorption bed,(4) energy balance equation in adsorption bed are established on this simulation system. First, let the four mathematical equation to dimensionless unit. Secondary, the partial differential equation is transformed into the ordinary differential equation solved by orthogonal collocation method. The simulation system to find the each position pressure and mole fraction etc. on adsorption bed in every step is established by Fortran programming language. The operating parameters and conditions used in this study are referred to the paper Yan et al.
Currently, we can’t complete simulation whole VPSA process from first step to fifth step, the possible causes include that we consider the pressure varies with the adsorption bed in the axial direction and the assume of boundary condition, but in the detailed of the mathematical model for the four equations is completely useful.
Keyword:vacuum pressure swing adsorption、silica gel、carbon dioxide、nitrogen、orthogonal collocation method
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誌謝 iii
摘要 iv
Abstract v
目錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 x
第一章 緒論 - 1 -
1.1研究動機 - 1 -
1.2研究目的 - 4 -
第二章 原理及文獻回顧 - 5 -
2.1吸附基本原理 - 5 -
2.1.1吸附現象 - 5 -
2.1.2吸附種類 - 7 -
2.1.3吸附氣體原理 - 10 -
2.1.4變壓吸附程序簡介 - 11 -
2.1.5等溫吸附曲線 - 12 -
2.2文獻回顧 - 20 -
2.2.1變壓吸附程式之發展 - 20 -
2.2.2以PSA製程回收二氧化碳的應用 - 23 -
2.2.3變壓吸附步驟 - 25 -
2.3 程序模擬範例簡介 - 27 -
第三章 數學模式與研究方法 - 32 -
3.1數學模式之基本假設 - 33 -
3.2統御方程式 - 34 -
3.2.1數學模式 - 34 -
3.2.2定義無因次變數及無因次化 - 39 -
3.2.3正交配置法 - 41 -
3.3邊界條件 - 44 -
3.4自由度分析 - 54 -
3.5電腦求解步驟 - 56 -
第四章 結果與討論 - 59 -
4.1 Step1加壓步驟模擬結果 - 59 -
4.2 Step2吸附步驟模擬結果 - 64 -
第五章 結論 - 69 -
參考文獻 - 71 -
符號說明 - 73 -

圖目錄
圖2-1吸附及脫附作用示意圖 - 6
圖2-2IUPAC歸類的六種平衡吸附曲線 - 15
圖2-3VPSA5步驟操作示意圖 - 28
圖3-1電腦流程步驟 - 58
圖4-程序模擬中加壓步驟之壓力隨操作時間關係圖 - 60
圖4-2 範例文獻吸附床內壓力隨操作時間之關係圖 - 60
圖4-3程序模擬中加壓步驟之CO2莫耳分率隨操作時間關圖 - 62
圖4-4程序模擬中加壓步驟之CO2在固相隨操作時間關係圖 - 62
圖4-5程序模擬中加壓步驟之N2莫耳分率隨操作時間關係圖 - 63
圖4-6程序模擬中加壓步驟之N2在固相隨操作時間關係圖 - 63
圖4-7程序模擬中吸附步驟之壓力隨操作時間關係圖 - 65
圖4-8程序模擬中吸附步驟之CO2莫耳分率隨軸向位置關係圖 - 66
圖4-10程序模擬中吸附步驟之不同位置的CO2莫耳分率隨操作時間關係圖 - 67
圖4-11程序模擬中吸附步驟之CO2在固相隨軸向位置關係圖 - 68
圖4-12範例文獻吸附步驟結束時之CO2在固相隨軸向位置關係圖 - 68

表目錄
表2-1 物理吸附及化學吸附主要差異比較表 - 9 -
表2-3 比較從煙道廢氣中捕捉二氧化碳之性能 - 24 -
表2-4 VPSA系統各階段操作時間及總操作時間 - 27 -
表2-5 VPSA系統操作方向 - 29 -
表2-6 VPSA吸附床之參數 - 30 -
表2-7 VPSA吸附劑之參數 - 30 -
表2-8 二氧化碳與氮氣之Langmuir model相關參數 - 30 -
表2-9 系統其它操作參數 - 31 -
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