Optymalizacja procesu kriogenicznego jednostki separacji powietrza

Jul 14, 2025

Zostaw wiadomość

Wraz z szybkim rozwojem przemysłu chemicznego rośnie zapotrzebowanie na gaz przemysłowy, taki jak tlen. Jako kluczowy sprzęt efektywność operacyjna i ekonomia 50 000 m³/H jednostki separacji powietrza kriogenicznego przyciągnęły wiele uwagi. Obecnie rosnące ceny energii i zintensyfikowana konkurencja rynkowa skłoniły firmy do poszukiwania optymalizacji procesu w celu zmniejszenia kosztów i zwiększenia wydajności. Niniejszy artykuł przyjmuje jednostkę zakładu chemicznego jako obiektu badawczego, buduje model za pomocą oprogramowania Aspen Plus, koncentruje się na parametrach procesu wieży destylacji, określa optymalne rozwiązanie poprzez analizę wrażliwości i weryfikuje go pod różnymi obciążeniami, mając na celu odniesienie do poprawy wyników jednostki i zwiększenia korzyści ekonomicznych.

Zakład kriogenicznych powietrza o 50 000 m³/H przyjęty przez fabrykę produkcji chemicznej, w rzeczywistej produkcji, powietrze wchodzi do systemu rektyfikacyjnego po przejściu przez system filtracji, system kompresji, system wstępu i system ekspansji w celu osiągnięcia separacji gazu. Ten artykuł analizuje głównie proces produkcji tlenu, a jego przepływ procesu produkcji jest następujący:

Powietrze wchodzi do sprężarki powietrza po usunięciu zanieczyszczeń przez filtr o wysokiej wydajności. Sprężone powietrze wchodzi do systemu wstępnego zwalczania płyt i wymienia ciepło z wodą chłodzącą, aby zmniejszyć temperaturę. Następnie część powietrza wchodzi do systemu kompresji następnego etapu, a druga część wchodzi do wieży rektyfikacyjnej po dalszym obróbce oczyszczania.

Przepływ powietrza wchodzący do systemu kompresji następnego etapu wynosi około 4500 kmol/h. Ta część gazu wchodzi do ekspandera po wymianie ciepła, temperatura spada do około -115 stopnia, ciśnienie jest zmniejszone do około 0,15 MPa przez ekspander, a następnie wchodzi do wieży rektyfikacyjnej po wymianie ciepła z spadkiem temperatury do około -165 stopnia.

Wieża rektyfikacyjna jest podzielona na górną wieżę i dolną wieżę. Górna wieża jest wieżą niskiego ciśnienia o ciśnieniu około 130 kPa, a dolna wieża jest wieżą pod wysokim ciśnieniem o ciśnieniu około 580 kPa. Gaz po wymianie cieplnej i gaz z ekspandera są wysyłane odpowiednio do górnej części i środkowej części górnej wieży wieży rektyfikacyjnej. Gaz jest wiele razy prostowany w wieży rektyfikacyjnej. Azot jest uzyskiwany na górze wieży, tlen otrzymuje się na dnie wieży, a niektóre płynne produkty są przechowywane w odpowiednich zbiornikach magazynowych.

Z powyższego procesu separacji powietrza można wiedzieć, że faktyczny proces produkcji obejmuje kompresję, chłodzenie, ekspansję, rektyfikację i inne procesy. Podczas korzystania z oprogramowania Aspen Plus do symulacji procesu stosowane moduły i funkcje są następujące:

●Sprężarka powietrza przyjmuje moduł COMPR;

● Expander przyjmuje moduł Exp;

● Wymiennik ciepła przyjmuje moduł Heatx;

● Wieża rektyfikacyjna przyjmuje moduł RADFRAC;

● Pompa przyjmuje moduł pompy;

● Separator przyjmuje moduł SEP.

W procesie symulacji modelu, zgodnie z funkcjami różnych modułów jednostkowych, są one połączone przez przepływ materiału, a przepływ jest wykonywany zgodnie z procesem produkcji tlenu. Podczas symulacji parametry sprzętu są ustawiane zgodnie z wartościami projektowymi. Ciśnienie u góry górnej wieży wieży rektyfikacyjnej jest ustawione na 0,132 MPa, ciśnienie na dole wieży jest ustawione na 0,138 MPa, temperatura u góry wieży jest ustawiona na analiza -193,5 stopnia, temperatura na dole wieży jest ustawiona na -180,2 stopnia, a liczba traesów wynosi 55.

Z wyników symulacji modelu w tabeli można zobaczyć, że różne indeksy modelu są zasadniczo zgodne z indeksami projektowymi zakłóceń kriogenicznych powietrza. Różnica między czystością ciekłego tlenu w górnej wieży a wartością projektu wynosi 0,8%, fluktuacja wartości symulacyjnej mieści się w dopuszczalnym zakresie, a symulowane wyjście tlenu jest bliskie wartości projektowej, z błędami w dopuszczalnym zakresie. Można zatem zauważyć, że model ustalony tym razem można wykorzystać do analizy weryfikacji optymalizacji procesu [2].

Tabela 1 Wyniki symulacji Separation Separation Process Model przepływu

Przedmiot	Indeks projektowy	Wskaźnik symulacji
Szybkość przepływu ciekłego azotu do górnej wieży/(kmol/h)	4000	4007
Szybkość przepływu ciekłego powietrza do górnej wieży/(kmol/h)	5000	5000
Szybkość przepływu ciekłego azotu do górnej wieży/(kmol/h)	4000	4000
Czystość ciekłego powietrza w dolnej wieży, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Czystość azotu odpadowego w górnej wieży, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Szybkość przepływu azotu z zimnego pudełka/(kmol/h)	2350	2350
Ciśnienie dolne górnej wieży/MPA	0.14	0.14
Najważniejsze ciśnienie dolnej wieży/MPA	0.56	0.558
Wyjście produktu azotu/(kmol/h)	2400	2400
Średnia - ciśnienie ciekłe wyjście azotu/(kmol/h)	2940	2924.38
Niski poziom wyjściowy azotu/(kmol/h)	1360	1336.58

W procesie separacji gazu w zakładzie rozdziału powietrza kriogenicznego górna wieża wieży rektyfikacyjnej odgrywa kluczową rolę. Dzięki badaniom i analizie teoretycznej sprzętu cel oszczędności energii i redukcji zużycia można osiągnąć poprzez zmianę parametrów procesu górnej wieży wieży rektyfikacyjnej. Tym razem moduł czułości Aspen Plus jest używany do szczegółowej analizy różnych parametrów procesu górnej wieży wieży rektyfikacyjnej i uzyskuje się optymalny schemat działania procesu.

W procesie symulacji, utrzymując inne parametry niezmienione i zmieniając pozycję zasilającą, wynik zmiany wydajności separacji górnej wieży pokazano na rysunku.

Z figury można zauważyć, że w przypadku innych parametrów niezmienionych, zmieniając pozycję zasilającą górnej wieży wieży rektyfikacyjnej, wydajność separacji górnej wieży najpierw wzrośnie, a następnie zmniejszy. Gdy pozycja paszowa jest ustawiona na 28. tacę, wydajność separacji osiąga najwyższą część. W związku z tym można zauważyć, że 28. taca jest optymalną pozycją zasilającą.

Process Optimization Of Cryogenic Air Separation Unit

Z ryc. 2 można zauważyć, że wraz ze wzrostem przepływu zasilającego górnej wieży stopniowo wzrasta wyjście tlenu, ale czystość wykazuje tendencję spadkową, która jest zgodna z analizą teoretyczną. Z figury można zauważyć, że gdy przepływ zasilający górnej wieży wynosi poniżej 780 kmol/h, czystość tlenu jest powyżej 99,6%, co spełnia zapotrzebowanie gazu w przemyśle chemicznym. W tym czasie moc wyjściowa wynosi 2850 kmol/h, co jest znacznie wyższe niż początkowy przepływ zasilający 750 kmol/h, a wyjście tlenu 2780 kmol/h. Dlatego przepływ zasilający powinien być kontrolowany przy 780 kmol/h, co może zwiększyć moc wyjściową, zapewniając czystość tlenu.

Utrzymanie innych parametrów niezmienionych i zmieniając ciśnienie górnej wieży, zmiana zużycia energii urządzenia pokazano na rysunku.

Z figury widać, że wraz ze wzrostem ciśnienia górnej wieży stopniowo wzrasta zużycie energii urządzenia. Biorąc pod uwagę efekt separacji i zużycie energii kompleksowo, należy ustawić ciśnienie górnej wieży na 0,135 MPa, co może nie tylko zapewnić dobry efekt separacji, ale także uniknąć nadmiernego zużycia energii.

Gaz wytwarzany przez fabrykę jest dostarczany głównie do przedsiębiorstw chemicznych, a wytwarzany tlen stosuje się w reakcjach utleniania w reakcjach chemicznych. W ostatnich latach, ze względu na rosnące ceny energii i zintensyfikowaną konkurencję rynkową, przestrzeń zysków w fabryce stopniowo zawężała się. W takim przypadku fabryka postanowiła zmniejszyć zużycie energii i poprawić korzyści ekonomiczne poprzez poprawę procesu produkcji. Po badaniach i analizie fabryka przeprowadziła poprawę procesu w maju 2023 r. Schemat poprawy jest następujący: Ciśnienie górnej wieży wieży rektyfikacyjnej jest ustawione na 0,135 MPa, temperatura górnej wieży jest ustawiona do -168 stopni, ilość zasilająca górnej wieży jest dostosowywana do 780 kmol/h, a pozycja zasilająca jest ustawiona na trawie 28.. Ze względu na poprawę procesu zużycie energii w wieży rektyfikacyjnej zostało zmniejszone, więc zdolność obsługi kriogenicznego rozdziału powietrza może być odpowiednio zwiększona, zwiększając w ten sposób moc wyjściową tlenu. W procesie ulepszania procesu przepływ zasilający układ sprężania powietrza jest jednocześnie zmieniony, a efekt zastosowania kriogenicznego separacji powietrza analizuje się pod różnymi obciążeniami. Okres weryfikacji dla każdego obciążenia wynosi 15 dni, a sytuację produkcyjną pokazano w tabeli 2.

Z tabeli 2 można zauważyć, że po optymalizacji procesu maksymalne obciążenie warunków roboczych może osiągnąć 115% pierwotnego obciążenia, aw tym przypadku zwiększone są zarówno wyjścia tlenu, jak i ciekłego tlenu. Ponadto, poniżej 115% obciążenia, zużycie energii górnej wieży wieży rektyfikacyjnej zmienia się z oryginalnego -7,85 MW do -7,23 MW, z oszczędnością energii 7,9%. Poprzez analizę energii elektrycznej sprzętu wiadomo, że redukcja energii elektrycznej sprzętu poniżej 115% obciążenia wynosi 125 kW · h. Koszt energii elektrycznej przemysłowej w obszarze, w którym znajduje się fabryka, wynosi 0,72 juanu/(kW · H). Obliczony przez sprzęt działający na 330 dni roczny koszt energii elektrycznej można zaoszczędzić o 712 800 juanów. Obliczona na podstawie aspektu produktu, po optymalizacji procesu, moc wyjściowa tlenu wzrosła o 380 kmol/h, wyjście ciekłego tlenu wzrosło o 420 kmol/h, a wyjście argonu cieczy wzrosło o 25 kmol/h. Obliczono, że roczny zysk można zwiększyć o 3,2 miliona juanów. Można zatem zauważyć, że poprawa procesu może powodować 3,9128 miliona juanów z korzyści dla przedsiębiorstwa rocznie.

Tabela 2 Sytuacja produkcyjna kriogenicznego separacji powietrza pod różnymi obciążeniami po optymalizacji procesu

Przedmiot	80% obciążenia	90% obciążenia	100% obciążenia	110% obciążenia	115% obciążenia
Kwota paszowa (kmol/h)	9850	11000	12150	13300	14000
Wyjście tlenu (kmol/h)	2180	2450	2750	3020	3130
Wyjście ciekłego tlenu (kmol/h)	2550	2850	3200	3480	3620
Wyjście argonu cieczy (kmol/h)	95	105	120	135	145

Optymalizacja procesu kriogenicznego jednostki separacji powietrza

Budowa modelu przepływu procesu dla zakładu separacji powietrza

Przepływ procesu

Budowa modelu przepływu procesu

Analiza optymalizacji procesu

Związek między pozycją paszową a wydajnością separacji

Zależność między przepływem zasilającym a wyjściem i czystością tlenu

Wpływ nacisku na zużycie energii

Praktyczne zastosowanie schematu optymalizacji procesu