Optimalizace procesu kryogenní jednotky separace vzduchu

S rychlým rozvojem chemického průmyslu roste poptávka po průmyslových plynech, jako je kyslík. Jako klíčové vybavení přitahovala provozní účinnost a ekonomika kryogenní jednotky separace vzduchu 50 000 m³/h. V současné době rostoucí ceny energie a zesílená konkurence na trhu přiměly společnosti, aby hledaly optimalizaci procesů, aby snížily náklady a zvýšily efektivitu. Tento článek bere jednotku chemické rostliny jako výzkumného objektu, vytváří model pomocí softwaru Aspen Plus, zaměřuje se na procesní parametry destilační věže, určuje optimální řešení prostřednictvím analýzy citlivosti a ověřuje jej při různých zatíženích, jehož cílem je poskytnout odkaz na zlepšení výkonnosti jednotky a zvýšení ekonomických přínosů. ​
 

 

Konstrukce modelu procesního toku pro zařízení separace vzduchu

 

Procesní tok

Rostlina 50 000 m³/h kryogenní separace vzduchu přijatá v továrně na výrobu chemických látek ve skutečné výrobě vstupuje vzduch do systému rektifikace po průchodu filtračním systémem, kompresním systémem, předchlazovacím systémem a expanzním systémem v pořadí k dosažení separace plynu. Tento článek analyzuje hlavně proces výroby kyslíku a jeho tok výrobního procesu je následující:

 

Vzduch vstupuje do vzduchového kompresoru po odstranění nečistot prostřednictvím vysoce účinného filtru. Komprimovaný vzduch vstupuje do systému předvádění desky a vyměňuje teplo s chladicí vodou, aby se snížila teplota. Poté část vzduchu vstupuje do dalšího stádijního kompresního systému a druhá část vstupuje do rektikční věže po dalším čištění.

 

Tok vzduchu vstupující do kompresního systému další fáze je asi 4 500 kmol/h. Tato část plynu vstupuje do expandéru po výměně tepla, teplota klesne na asi -115 stupňů, tlak se sníží na přibližně 0,15 MPa prostřednictvím expandéru a poté vstoupí do rektifikační věže po výměně tepla s teplotou přibližně -165 stupňů.

 

Rektifikační věž je rozdělena do horní věže a dolní věže. Horní věž je nízkotlaká věž s tlakem asi 130 kPa a spodní věž je vysokotlaká věž s tlakem asi 580 kPa. Plyn po výměně tepla a plyn z expandéru jsou odesílány do horní části a do střední části horní věže rektikční věže. Plyn je mnohokrát napraven ve věži. Dusík se získává v horní části věže, kyslík se získá na dně věže a některé kapalné produkty jsou uloženy v odpovídajících skladovacích nádržích.

 

Konstrukce modelu procesního toku

Z výše uvedeného procesu separace vzduchu může být známo, že skutečný výrobní proces zahrnuje kompresi, chlazení, expanzi, opravu a další procesy. Při použití softwaru Aspen Plus pro simulaci procesu jsou aplikované moduly a funkce následující:

 

●Vzduchový kompresor přijímá modul Compres;

● Expander přijme modul Exp;

● Tepelný výměník přijímá modul HeatX;

● Rektifikační věž přijímá modul RADFRAC;

● Čerpadlo přijímá modul čerpadla;

● Separátor přijme modul SEP.

V procesu simulace modelu jsou podle funkcí různých jednotkových modulů připojeny průtokem materiálu a tok se provádí podle procesu výroby kyslíku. Během simulace jsou parametry zařízení nastaveny podle návrhových hodnot. Tlak v horní části horní věže rektifikační věže je nastaven na 0,132 MPa, tlak ve spodní části věže je nastaven na 0,138 MPa, teplota v horní části věže je stanovena na -193,5 stupně, teplota je stanovena v tabulce, výsledky jsou uvedeny v tabulce v tabulce v tabulce v tabulce.

 

Z výsledků simulace modelu v tabulce je vidět, že různé indexy modelu jsou v zásadě v souladu s konstrukčními indexy kryogenní separační rostliny. Rozdíl mezi čistotou kapalného kyslíku v horní věži a konstrukční hodnotou je 0,8%, kolísání simulační hodnoty je v přípustném rozsahu a simulovaný výstup kyslíku je blízký konstrukční hodnotě s chybami v přípustném rozsahu. Je tedy vidět, že model stanovený tentokrát lze použít pro analýzu ověření optimalizace procesu [2].

Tabulka 1 Výsledky simulace modelu procesních toků separace vzduchu

​

Položka	Index designu	Simulační index
Průtok odpadní kapalné dusík do horní věže/(kmol/h)	4000	4007
Průtok kapalného vzduchu do horní věže/(kmol/h)	5000	5000
Průtok kapalného dusíku do horní věže/(kmol/h)	4000	4000
Čistota kapalného vzduchu ve spodní věži, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Čistota odpadního dusíku v horní věži, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Průtok dusíku z studené krabice/(kmol/h)	2350	2350
Spodní tlak horní věže/MPa	0.14	0.14
Nejvyšší tlak dolní věže/MPA	0.56	0.558
Výstup produktu dusíku/(kmol/h)	2400	2400
Výstup středního dusíku na tlak/(kmol/h)	2940	2924.38
Výstup nízkotlaké kapaliny/(kmol/h)	1360	1336.58

​

Analýza optimalizace procesu

 

V procesu separace plynu v kryogenní separační zařízení vzduchu hraje horní věž rektikční věže klíčovou roli. Prostřednictvím výzkumu a teoretické analýzy zařízení lze cíle úspory energie a snížení spotřeby dosáhnout změnou procesních parametrů horní věže rektikční věže. Tentokrát se modul citlivosti Aspen Plus používá k podrobné analýze různých parametrů procesu horní věže a je získáno optimální schéma provozu procesu.

 

Vztah mezi polohou krmiva a účinností separace

 

V procesu simulace, udržování dalších parametrů nezměněných a změny polohy krmiva, je na obrázku znázorněn výsledek změny účinnosti separace horní věže.

 

Z obrázku je vidět, že s jinými parametry nezměněnými a změnou polohy krmivy horní věže rektikční věže se nejprve zvýší účinnost separace horní věže a poté se sníží. Když je poloha krmiva nastavena na 28. zásobníku, účinnost separace dosáhne nejvyššího. Je tedy vidět, že 28. zásobník je optimální poloha krmiva.

Obrázek 1 Vztah mezi polohou krmiva dolní věže a tepelným zatížením v horní části destilační věže

 

Vztah mezi tokem krmiva a výstupem a čistotou kyslíku

Změnou průtoku přívodu spodní věže a udržováním jiných parametrů nezměněných změny ve výstupu a čistotě kapalného dusíku v horní části destilační věže jsou znázorněny na obrázku 2.

 

Změny toku krmiva horní věže, udržování jiných parametrů nezměněných, změny výstupu kyslíku a čistoty v horní věži rektifikační věže jsou uvedeny na obrázku.

 

Z obrázku 2 je patrné, že se zvýšením průtoku krmiva horní věže se výstup kyslíku postupně zvyšuje, ale čistota ukazuje trend dolů, což je v souladu s teoretickou analýzou. Z obrázku je vidět, že když je tok krmiva horní věže pod 780 kmol/h, čistota kyslíku je nad 99,6%, což splňuje požadavek na plyn chemického průmyslu. V této době je výstup 2850 kmol/h, což je výrazně vyšší než počáteční tok krmiva 750 kmol/h a kyslíkový výkon 2780 kmol/h. Proto by tok krmivo měl být řízen při 780 kmol/h, což může zvýšit výstup a zároveň zajistit čistotu kyslíku.

 

Vliv tlaku na spotřebu energie

 

Udržování dalších parametrů nezměněných a změny tlaku horní věže je změna spotřeby energie zařízení zobrazena na obrázku.

 

Z obrázku je vidět, že se zvýšením tlaku horní věže se spotřeba energie zařízení postupně zvyšuje. S ohledem na separační účinek a spotřebu energie komplexně je vhodné nastavit tlak horní věže na 0,135 MPa, což může nejen zajistit dobrý separační účinek, ale také zabránit nadměrné spotřebě energie.

 

Praktické použití schématu optimalizace procesu

 

Plyn produkovaný továrnou je dodáván hlavně chemickým podnikům a produkovaný kyslík se používá v oxidačních reakcích v chemických reakcích. V posledních letech se díky rostoucím cenám energie a intenzifikované tržní konkurenci postupně zúžila ziskový prostor v továrně. V tomto případě se továrna rozhodla snížit spotřebu energie a zlepšit ekonomické přínosy zlepšením výrobního procesu. Po výzkumu a analýze továrna provedla zlepšení procesu v květnu 2023. Schéma zlepšení je následující: tlak horní věže nápravy je nastaven na 0,135 MPa, teplota krmiva horní věže je nastavena na -168 stupně. V důsledku zlepšení procesu byla snížena spotřeba energie upravené věže, takže vzduchová manipulační kapacita kryogenního separačního zařízení na vzduchu může být náležitě zvýšena, čímž se zvýší výkon kyslíku. V procesu zlepšování procesu se tok přívodního proudu komprese vzduchu mění současně a při různých zátěžích je analyzován aplikační účinek zařízení kryogenního vzduchu. Ověřovací doba pro každé zatížení je 15 dní a výrobní situace je uvedena v tabulce 2.

 

Z tabulky 2 je patrné, že po optimalizaci procesu může maximální zatížení pracovních podmínek proměnlivé dosáhnout 115% původního zatížení a v tomto případě se zvyšují výstupy kyslíku i kapalného kyslíku. Navíc, pod 115% zatížení, spotřeba energie horní věže nápravové věže se změní z původního -7,85 mW na -7,23 mW, s úsporou energie 7,9%. Prostřednictvím analýzy elektrické energie zařízení je známo, že snižování elektrické energie zařízení pod 115% zatížení je 125 kW · h. Náklady na průmyslovou elektřinu v oblasti, kde se nachází továrna, jsou 0,72 juanů/(KW · H). Roční náklady na elektřinu, vypočteno pomocí zařízení pracujícího po dobu 330 dnů, lze ušetřit o 712 800 juanů. Vypočítaný z aspektu produktu produktu po optimalizaci procesu se výstup kyslíku zvýšil o 380 kmol/h, výkon kapalného kyslíku se zvýšil o 420 kmol/h a kapalný argonový výstup se zvýšil o 25 kmol/h. Vypočítá se, že roční zisk lze zvýšit o 3,2 milionu juanů. Je tedy vidět, že zlepšení procesu může pro podnik každoročně vytvářet 3,9128 milionu výhod.

 

Tabulka 2 Výrobní situace kryogenního separace vzduchu při různých zatíženích po optimalizaci procesu

​

Položka	80% zatížení	90% zatížení	100% zátěž	110% zatížení	115% zatížení
Množství krmiva (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Výstup kyslíku (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Výstup kapalného kyslíku (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Výstup tekutého argonu (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

​