Optimizarea procesului unității de separare a aerului criogenic

Odată cu dezvoltarea rapidă a industriei chimice, cererea de gaze industriale precum oxigenul este în creștere. Ca echipament cheie, eficiența de funcționare și economia unității de separare a aerului criogenic de 50.000 m³/H au atras multă atenție. În prezent, creșterea prețurilor la energie și concurența intensificată de piață au determinat companiile să caute optimizarea proceselor pentru a reduce costurile și a crește eficiența. Această lucrare ia unitatea unei instalații chimice ca obiect de cercetare, construiește un model cu ajutorul software -ului Aspen Plus, se concentrează pe parametrii procesului turnului de distilare, determină soluția optimă prin analiza sensibilității și o verifică în diferite sarcini, urmărind să ofere o referință pentru îmbunătățirea performanței unității și creșterea beneficiilor economice. ​
 

 

Construcția modelului de flux de proces pentru uzina de separare a aerului

 

Flux de proces

Uzina de separare criogenică de 50.000 m³/h criogenic adoptată de o fabrică de producție chimică, în producția reală, aerul intră în sistemul de rectificare după ce a trecut prin sistemul de filtrare, sistemul de compresie, sistemul prealabil și sistemul de expansiune în secvență pentru a obține separarea gazelor. Această lucrare analizează în principal procesul de producție de oxigen, iar fluxul procesului său de producție este următorul:

 

Aerul intră în compresorul de aer după eliminarea impurităților printr-un filtru de înaltă eficiență. Aerul comprimat intră în sistemul precool al farfuriei și schimbă căldura cu apă de răcire pentru a reduce temperatura. Apoi, o parte a aerului intră în sistemul de compresie în stadiu următor, iar cealaltă parte intră în turnul de rectificare după un tratament suplimentar de purificare.

 

Fluxul de aer care intră în sistemul de compresie în stadiu următor este de aproximativ 4.500 kmol/h. Această parte a gazului intră în expandent după schimbul de căldură, temperatura scade la aproximativ -115 grade, presiunea este redusă la aproximativ 0,15 MPa prin expandent, iar apoi intră în turnul de rectificare după schimbul de căldură, cu temperatura scăzând la aproximativ -165 grade.

 

Turnul de rectificare este împărțit într -un turn superior și un turn inferior. Turnul superior este un turn de joasă presiune, cu o presiune de aproximativ 130 kPa, iar turnul inferior este un turn de înaltă presiune, cu o presiune de aproximativ 580 kPa. Gazul după schimbul de căldură și gazul de la expandent sunt trimiși în partea superioară și, respectiv, partea de mijloc a turnului superior al turnului de rectificare. Gazul este rectificat de mai multe ori în turnul de rectificare. Azotul este obținut în partea de sus a turnului, oxigenul se obține în partea de jos a turnului, iar unele produse lichide sunt păstrate în rezervoarele de depozitare corespunzătoare.

 

Construcția modelului de flux de proces

Din procesul de separare a aerului de mai sus se poate cunoaște că procesul de producție efectiv include compresie, răcire, expansiune, rectificare și alte procese. Când utilizați software Aspen Plus pentru simularea procesului, modulele și funcțiile aplicate sunt următoarele:

 

●Compresorul de aer adoptă modulul COMP;

● Expander adoptă modulul EXP;

● Schimbătorul de căldură adoptă modulul Heatx;

● Turnul de rectificare adoptă modulul radfrac;

● Pompa adoptă modulul pompei;

● Separatorul adoptă modulul SEP.

În procesul de simulare a modelului, în funcție de funcțiile diferitelor module de unități, acestea sunt conectate prin fluxul materialului, iar fluxul este executat în funcție de procesul de producție de oxigen. În timpul simulării, parametrii echipamentului sunt setați în funcție de valorile de proiectare. Presiunea în partea de sus a turnului superior al turnului de rectificare este setată la 0,132 MPa, presiunea din partea de jos a turnului este setată la 0,138 MPa, temperatura din partea de sus a turnului este setată la -193,5 grade, temperatura din partea de jos a turnului este stabilită la -180.2 grade, iar numărul de trape este 55. După ce analiza simulării, rezultatele sunt prezentate în tabel.

 

Din rezultatele de simulare ale modelului din tabel, diverși indici ai modelului sunt, în principiu, în concordanță cu indicii de proiectare ai instalației de separare a aerului criogenic. Diferența dintre puritatea oxigenului lichid în turnul superior și valoarea de proiectare este de 0,8%, fluctuația valorii de simulare se află în intervalul admisibil, iar producția de oxigen simulată este apropiată de valoarea de proiectare, cu erori în intervalul admis. Astfel, se poate observa că modelul stabilit de această dată poate fi utilizat pentru analiza verificării optimizării proceselor [2].

Tabelul 1 Rezultatele simulării modelului de flux al procesului de separare a aerului

​

Articol	Indicele de proiectare	Indicele de simulare
Debitul de azot lichid de deșeuri în turnul superior/(kmol/h)	4000	4007
Debitul aerului lichid în turnul superior/(kmol/h)	5000	5000
Debitul azotului lichid în turnul superior/(kmol/h)	4000	4000
Puritatea aerului lichid în turnul inferior, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Puritatea azotului deșeurilor în turnul superior, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Debitul azotului din cutia rece/(kmol/h)	2350	2350
Presiunea de jos a turnului superior/MPA	0.14	0.14
Presiunea superioară a turnului inferior/MPA	0.56	0.558
Produsul produsului de azot/(kmol/h)	2400	2400
Mediu - presiune de azot lichid/(kmol/h)	2940	2924.38
Produs de azot lichid cu presiune joasă/(kmol/h)	1360	1336.58

​

Analiza optimizării proceselor

 

În procesul de separare a gazelor din instalația de separare a aerului criogenic, turnul superior al turnului de rectificare joacă un rol cheie. Prin cercetarea și analiza teoretică a echipamentului, obiectivul de economisire a energiei și reducerea consumului poate fi atins prin schimbarea parametrilor procesului din turnul superior al turnului de rectificare. De această dată, modulul de sensibilitate al Aspen Plus este utilizat pentru a analiza în detaliu diferiții parametri de proces ai turnului superior al turnului de rectificare și se obține schema optimă de funcționare a procesului.

 

Relația dintre poziția furajelor și eficiența de separare

 

În procesul de simulare, menținerea altor parametri neschimbați și schimbarea poziției de alimentare, rezultatul schimbării eficienței de separare a turnului superior este prezentat în figură.

 

Din figură se poate observa că, cu alți parametri neschimbați, schimbarea poziției de alimentare a turnului superior al turnului de rectificare, eficiența de separare a turnului superior va crește mai întâi și apoi va scădea. Când poziția de alimentare este setată la a 28 -a tavă, eficiența de separare atinge cea mai mare. Astfel, se poate observa că a 28 -a tavă este poziția optimă de alimentare.

Figura 1 Relația dintre poziția de alimentare a turnului inferior și sarcina de căldură în partea de sus a turnului de distilare

 

Relația dintre fluxul de alimentare și producția de oxigen și puritatea

Prin schimbarea debitului de alimentare al turnului inferior și menținerea altor parametri neschimbați, modificările de ieșire și puritatea azotului lichid în partea de sus a turnului de distilare sunt prezentate în figura 2.

 

Schimbarea fluxului de alimentare a turnului superior, menținând alți parametri neschimbați, în figură sunt prezentate modificările producției de oxigen și puritatea în turnul superior al turnului de rectificare.

 

Din figura 2 se poate observa că odată cu creșterea fluxului de alimentare a turnului superior, ieșirea de oxigen crește treptat, dar puritatea arată o tendință descendentă, care este în concordanță cu analiza teoretică. Din figură se poate observa că atunci când fluxul de alimentare al turnului superior este sub 780 kmol/h, puritatea oxigenului este peste 99,6%, ceea ce satisface cererea de gaz a industriei chimice. În acest moment, producția este de 2850 kmol/h, care este semnificativ mai mare decât fluxul inițial de alimentare de 750 kmol/h și producția de oxigen de 2780 kmol/h. Prin urmare, fluxul de alimentare trebuie controlat la 780 kmol/h, ceea ce poate crește producția, asigurând în același timp puritatea oxigenului.

 

Influența presiunii asupra consumului de energie

 

Menținerea altor parametri neschimbați și schimbarea presiunii turnului superior, schimbarea consumului de energie al dispozitivului este prezentată în figură.

 

Din figura se poate observa că odată cu creșterea presiunii turnului superior, consumul de energie al dispozitivului crește treptat. Având în vedere efectul de separare și consumul de energie în mod cuprinzător, este adecvat să setați presiunea turnului superior la 0,135 MPa, ceea ce nu numai că poate asigura un efect bun de separare, dar și să evite consumul excesiv de energie.

 

Aplicarea practică a schemei de optimizare a proceselor

 

Gazul produs de fabrică este furnizat în principal întreprinderilor chimice, iar oxigenul produs este utilizat în reacțiile de oxidare în reacțiile chimice. În ultimii ani, din cauza creșterii prețurilor la energie și a concurenței de piață intensificate, spațiul de profit al fabricii s -a redus treptat. În acest caz, fabrica a decis să reducă consumul de energie și să îmbunătățească beneficiile economice prin îmbunătățirea procesului de producție. După cercetare și analiză, fabrica a efectuat îmbunătățirea procesului în mai 2023. Schema de îmbunătățire este următoarea: Presiunea turnului superior al turnului de rectificare este stabilită la 0,135 MPa, temperatura de alimentare a turnului superior este stabilită la -168 grade, cantitatea de alimentare a turnului superior este ajustată la 780 kmol/h, iar poziția de alimentare este stabilită la locul 28. Datorită îmbunătățirii procesului, consumul de energie al turnului de rectificare a fost redus, astfel încât capacitatea de manipulare a aerului a instalației de separare a aerului criogenic poate fi crescută în mod corespunzător, crescând astfel producția de oxigen. În procesul de îmbunătățire a proceselor, fluxul de alimentare al sistemului de compresie a aerului este schimbat în același timp, iar efectul de aplicare al instalației de separare a aerului criogenic este analizat sub sarcini diferite. Perioada de verificare pentru fiecare sarcină este de 15 zile, iar situația de producție este prezentată în tabelul 2.

 

Se poate observa din tabelul 2 că, după optimizarea procesului, încărcarea de condiție de lucru variabilă maximă poate ajunge la 115% din sarcina inițială, iar în acest caz, atât ieșirile de oxigen, cât și oxigenul lichid sunt crescute. Mai mult decât atât, sub 115%, consumul de energie al turnului superior al turnului de rectificare se schimbă de la original -7,85 MW la -7,23 MW, cu o economie de energie de 7,9%. Prin analiza energiei electrice a echipamentului, se știe că reducerea energiei electrice a echipamentului sub o sarcină de 115% este de 125 kW · h. Costul energiei electrice industriale în zona în care se află fabrica este de 0,72 yuani/(kw · h). Calculată de echipamentele care funcționează timp de 330 de zile, costul anual de energie electrică poate fi economisit cu 712.800 de yuani. Calculată din aspectul producției produsului, după optimizarea procesului, producția de oxigen a crescut cu 380 kmol/h, producția de oxigen lichid a crescut cu 420 kmol/h, iar producția de argon lichid a crescut cu 25 kmol/h. Se calculează că profitul anual poate fi crescut cu 3,2 milioane de yuani. Astfel, se poate observa că îmbunătățirea procesului poate crea anual 3.9128 milioane de yuani pentru întreprindere.

 

Tabelul 2 Situația de producție a instalației de separare a aerului criogenic în diferite sarcini după optimizarea procesului

​

Articol	80% încărcare	90% încărcare	100% încărcare	Încărcare de 110%	115% încărcare
Cantitatea de alimentare (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Ieșire de oxigen (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Producție de oxigen lichid (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Producție de argon lichid (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

​