Optimizacija procesa kriogene jedinice za razdvajanje zraka

S brzim razvojem kemijske industrije raste potražnja za industrijskim plinovima poput kisika. Kao ključna oprema, operativna učinkovitost i ekonomija jedinice za razdvajanje kriogenih zraka od 50 000 m³/h privukla su veliku pažnju. Trenutno su rastuće cijene energije i pojačana tržišna konkurencija potaknuli tvrtke da zatraže optimizaciju procesa kako bi smanjili troškove i povećali učinkovitost. Ovaj rad uzima jedinicu kemijske tvornice kao istraživački objekt, gradi model uz pomoć softvera Aspen Plus, usredotočen je na parametre procesa destilacijskog tornja, određuje optimalno rješenje kroz analizu osjetljivosti i provjerava ga u različitim opterećenjima, ciljajući pružanje reference za poboljšanje performansi jedinice i sve veće ekonomske prednosti. ​
 

 

Izgradnja modela protoka procesa za postrojenje za odvajanje zraka

 

Protok procesa

Postrojenje za razdvajanje kriogenog zraka od 50 000 m³/h usvojila je tvornica kemijske proizvodnje, u stvarnoj proizvodnji zrak ulazi u sustav ispravljanja nakon prolaska kroz sustav filtracije, sustava kompresije, pred -hladnog sustava i sustava ekspanzije u nizu kako bi se postiglo odvajanje plina. Ovaj rad uglavnom analizira proces proizvodnje kisika, a njegov tijek procesa proizvodnje je sljedeći:

 

Zrak ulazi u zračni kompresor nakon uklanjanja nečistoća kroz filtar visoke učinkovitosti. Komprimirani zrak ulazi u sustav za pred-hlađenje u peći i izmjenjuje toplinu hladnom vodom kako bi se smanjila temperatura. Tada dio zraka ulazi u sustav kompresije u sljedećoj fazi, a drugi dio ulazi u toranj za ispravljanje nakon daljnjeg tretmana pročišćavanja.

 

Protok zraka koji ulazi u sustav kompresije sljedeće faze iznosi oko 4.500 kmol/h. Ovaj dio plina ulazi u ekspander nakon razmjene topline, temperatura pada na oko -115 stupnjeva, tlak se smanjuje na oko 0,15 MPa kroz ekspander, a zatim ulazi u toranj za ispravljanje nakon razmjene topline s padom temperature na oko -165 stupnjeva.

 

Toranj za ispravljanje podijeljen je u gornji toranj i donji toranj. Gornji toranj je toranj niskog tlaka s tlakom od oko 130 kPa, a donji toranj je toranj visokog pritiska s tlakom od oko 580 kPa. Plin nakon izmjene topline i plin iz ekspandera šalju se u gornji dio, a srednji dio gornjeg tornja toranj za ispravljanje. Plin se ispravlja mnogo puta u kuli za ispravljanje. Dušik se dobiva na vrhu tornja, kisik se dobiva na dnu tornja, a neki tekući proizvodi se pohranjuju u odgovarajuće spremnike.

 

Izgradnja modela protoka procesa

Iz gornjeg postupka razdvajanja zraka može se znati da stvarni proces proizvodnje uključuje kompresiju, hlađenje, širenje, ispravljanje i druge procese. Kada koristite softver Aspen Plus za simulaciju procesa, primijenjeni moduli i funkcije su sljedeći:

 

●Zračni kompresor prihvaća modul Comp;

● Expander prihvaća EXP modul;

● Izmjenjivač topline prihvaća modul topline;

● Tower za ispravljanje prihvaća Radfrac modul;

● pumpa prihvaća modul crpke;

● Separator prihvaća SEP modul.

U procesu simulacije modela, prema funkcijama različitih jediničnih modula, oni su povezani kroz protok materijala, a protok se izvodi u skladu s procesom proizvodnje kisika. Tijekom simulacije, parametri opreme postavljaju se prema vrijednostima dizajna. Tlak na vrhu gornjeg tornja kule ispravljanja postavljen je na 0,132 MPa, tlak na dnu tornja postavljen je na 0,138 MPa, temperatura na vrhu kule postavljena je na -193,5 stupnjeva, temperatura na dnu tornja postavljena je na -180,2 stupnjeva, a broj trava, a broj tablica.

 

Iz rezultata simulacije modela u tablici se može vidjeti da su različiti indeksi modela u osnovi u skladu s indeksima dizajna postrojenja za razdvajanje kriogenih zraka. Razlika između čistoće tekućeg kisika u gornjem tornju i vrijednosti dizajna je 0,8%, fluktuacija vrijednosti simulacije je unutar dopuštenog raspona, a simulirani izlaz kisika blizu je vrijednosti dizajna, s pogreškama unutar dopuštenog raspona. Stoga se može vidjeti da se model uspostavljen u ovom vremenu može koristiti za analizu provjere optimizacije procesa [2].

Tablica 1 Simulacijski rezultati modela protoka postrojenja postrojenja za odvajanje zraka

​

Artikal	Indeks dizajna	Indeks simulacije
Brzina protoka dušika otpadne tekućine u gornji toranj/(kmol/h)	4000	4007
Brzina protoka tekućeg zraka u gornji toranj/(kmol/h)	5000	5000
Brzina protoka tekućeg dušika u gornji toranj/(KMOL/H)	4000	4000
Čistoća tekućeg zraka u donjem tornju, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Čistoća dušika otpada u gornjem tornju, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Brzina protoka dušika iz hladne kutije/(KMOL/H)	2350	2350
Donji tlak gornjeg tornja/MPa	0.14	0.14
Gornji tlak donjeg tornja/MPa	0.56	0.558
Izlaz proizvoda dušika/(KMOL/H)	2400	2400
Izlaz dušika srednje - tlaka/(KMOL/H)	2940	2924.38
Izlaz dušika s niskim tlakom/(KMOL/H)	1360	1336.58

​

Analiza optimizacije procesa

 

U procesu razdvajanja plina u postrojenju za razdvajanje kriogenih zraka, gornji toranj ispravljačkog tornja igra ključnu ulogu. Kroz istraživačku i teorijsku analizu opreme, cilj uštede energije i smanjenja potrošnje može se postići promjenom parametara procesa gornjeg tornja kule ispravljanja. Ovog puta, modul osjetljivosti Aspen Plus koristi se za analizu različitih parametara procesa gornjeg tornja toranjskog tornja detaljno, a dobiva se i optimalna shema rada procesa.

 

Odnos između položaja dovoda i učinkovitosti razdvajanja

 

U procesu simulacije, zadržavanje ostalih parametara nepromijenjenim i mijenjanjem položaja dovoda, rezultat promjene učinkovitosti razdvajanja gornjeg tornja prikazan je na slici.

 

Na slici se može vidjeti da će se s drugim parametrima nepromijenjeni, mijenjajući položaj dovoda gornjeg tornja kule ispravljanja, efikasnost razdvajanja gornjeg tornja prvo će se povećati, a zatim smanjiti. Kad je položaj dovoda postavljen na 28. ladici, učinkovitost odvajanja doseže najvišu. Stoga se može vidjeti da je 28. ladica optimalan položaj dovoda.

Slika 1 Odnos između položaja dovoda donjeg tornja i toplinskog opterećenja na vrhu destilacijskog tornja

 

Odnos između protoka hrane i izlaza kisika i čistoće

Promjenom brzine protoka donjeg tornja i održavanjem ostalih parametara nepromijenjenim, promjene u izlazu i čistoći tekućeg dušika na vrhu destilacijskog tornja prikazane su na slici 2.

 

Promjena protoka dovoda gornjeg tornja, zadržavajući ostale parametre nepromijenjenim, promjene kisika i čistoće u gornjem tornju kule ispravljanja prikazane su na slici.

 

Na slici 2 se može vidjeti da se s povećanjem protoka dovoda gornjeg tornja, izlaz kisika postupno povećava, ali čistoća pokazuje trend prema dolje, što je u skladu s teorijskom analizom. Na slici se može vidjeti da kada je protok dovoda gornjeg tornja ispod 780 kmol/h, čistoća kisika je iznad 99,6%, što zadovoljava potražnju plina u kemijskoj industriji. U ovom trenutku, izlaz je 2850 kmol/h, što je značajno veće od početnog protoka dovoda od 750 kmol/h i izlaz kisika od 2780 kmol/h. Stoga bi protok dovoda trebao biti kontroliran na 780 kmol/h, što može povećati izlaz, istovremeno osiguravajući čistoću kisika.

 

Utjecaj pritiska na potrošnju energije

 

Održavajući ostale parametre nepromijenjenim i promjenom tlaka gornjeg tornja, promjena potrošnje energije uređaja prikazana je na slici.

 

Na slici se može vidjeti da se s povećanjem tlaka gornjeg tornja, potrošnja energije uređaja postupno povećava. Uzimajući u obzir učinak odvajanja i potrošnju energije sveobuhvatno, prikladno je postaviti tlak gornjeg tornja na 0,135 MPa, što ne samo da može osigurati dobar učinak odvajanja, već i izbjeći prekomjernu potrošnju energije.

 

Praktična primjena sheme optimizacije procesa

 

Plin koji proizvodi tvornica uglavnom se isporučuje kemijskim poduzećima, a proizvedeni kisik koristi se u reakcijama oksidacije u kemijskim reakcijama. Posljednjih godina, zbog rastućih cijena energije i pojačane tržišne konkurencije, profitni prostor tvornice postupno se suzio. U ovom slučaju, tvornica je odlučila smanjiti potrošnju energije i poboljšati ekonomske koristi poboljšavajući proizvodni proces. Nakon istraživanja i analize, tvornica provedena poboljšanja procesa u svibnju 2023. godine. Shema poboljšanja je sljedeća: tlak gornjeg tornja kule ispravljanja postavljen je na 0,135 MPa, temperatura dovoda gornjeg tornja postavljena je na -168 stupnjeva, količina dovoda gornjeg tornja postavljena je na 780 km/h. Zbog poboljšanja procesa smanjena je potrošnja energije ispravljačkog tornja, tako da se sposobnost upravljanja zrakom u postrojenju za razdvajanje kriogenih zraka može na odgovarajući način povećati, povećavajući na taj način izlaz kisika. U procesu poboljšanja procesa, protok dovoda sustava kompresije zraka istodobno se mijenja, a utjecaj primjene kriogenog postrojenja za odvajanje zraka analizira se pod različitim opterećenjima. Period provjere za svako opterećenje je 15 dana, a proizvodna situacija prikazana je u tablici 2.

 

Iz tablice 2 može se vidjeti da nakon optimizacije procesa, maksimalno varijabilno opterećenje radnog stanja može doseći 115% izvornog opterećenja, a u ovom slučaju povećavaju se i izlazi kisika i tekućih kisika. Nadalje, ispod 115% opterećenja, potrošnja energije gornjeg tornja kule ispravljanja mijenja se od izvornog -7,85 MW do -7,23 MW, s uštedom energije od 7,9%. Analizom električne energije opreme poznato je da je smanjenje električne energije opreme ispod 115% opterećenja 125 kW · h. Trošak industrijske električne energije u području na kojem se nalazi tvornica je 0,72 Yuan/(KW · H). Izračunana opremom koja radi na 330 dana, godišnji trošak električne energije može se uštedjeti za 712.800 juana. Izračunana iz aspekta izlaza proizvoda, nakon optimizacije procesa, izlaz kisika povećao se za 380 kmol/h, izlaz tekućeg kisika porastao je za 420 kmol/h, a tekući argonski izlaz povećao se za 25 kmol/h. Izračunava se da se godišnji profit može povećati za 3,2 milijuna juana. Stoga se može vidjeti da poboljšanje procesa može stvoriti 3,9128 milijuna juana koristi za poduzeće godišnje.

 

Tablica 2 Proizvodnja stanja kriogenog postrojenja za odvajanje zraka pod različitim opterećenjima nakon optimizacije procesa

​

Predmet	80% opterećenja	90% opterećenja	100% opterećenje	110% opterećenja	115% opterećenja
Količina hrane (KMOL/H)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Izlaz kisika (KMOL/H)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Izlaz tekućeg kisika (KMOL/H)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Izlaz tekućeg argona (KMOL/H)	95​	105​	120​	135​	145​

​