Βελτιστοποίηση διαδικασίας της μονάδας διαχωρισμού κρυογονικού αέρα

Με την ταχεία ανάπτυξη της χημικής βιομηχανίας, η ζήτηση για βιομηχανικά αέρια όπως το οξυγόνο αυξάνεται. Ως βασικός εξοπλισμός, η απόδοση λειτουργίας και η οικονομία της μονάδας διαχωρισμού του κρυογονικού αέρα 50.000 m³/h έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή. Επί του παρόντος, η αύξηση των τιμών της ενέργειας και ο εντατικός ανταγωνισμός της αγοράς ώθησαν τις εταιρείες να αναζητήσουν τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών για να μειώσουν το κόστος και να αυξήσουν την αποτελεσματικότητα. Το παρόν έγγραφο λαμβάνει τη μονάδα ενός χημικού εργοστασίου ως ερευνητικού αντικειμένου, δημιουργεί ένα μοντέλο με τη βοήθεια του λογισμικού Aspen Plus, επικεντρώνεται στις παραμέτρους της διεργασίας του πύργου απόσταξης, καθορίζει τη βέλτιστη λύση μέσω της ανάλυσης ευαισθησίας και την επαληθεύει κάτω από διαφορετικά φορτία, με στόχο την παροχή αναφοράς για τη βελτίωση της απόδοσης της μονάδας και την αύξηση των οικονομικών οφελών. ​
 

 

Κατασκευή μοντέλου ροής διαδικασιών για εργοστάσιο διαχωρισμού αέρα

 

Ροή διαδικασίας

Το εργοστάσιο διαχωρισμού αέρα των 50.000 m³/h κρυογονικού αέρα που υιοθετείται από ένα εργοστάσιο χημικής παραγωγής, στην πραγματική παραγωγή, εισέρχεται στο σύστημα διόρθωσης μετά από να περάσει από το σύστημα φιλτραρίσματος, το σύστημα συμπίεσης, το σύστημα προτίμησης και το σύστημα επέκτασης σε ακολουθία για να επιτευχθεί διαχωρισμός αερίου. Το παρόν έγγραφο αναλύει κυρίως τη διαδικασία παραγωγής οξυγόνου και η ροή της διαδικασίας παραγωγής έχει ως εξής:

 

Ο αέρας εισέρχεται στον συμπιεστή αέρα μετά την αφαίρεση των ακαθαρσιών μέσω φίλτρου υψηλής απόδοσης. Ο συμπιεσμένος αέρας εισέρχεται στο σύστημα προώθησης του πτερυγίου και η ανταλλαγή θερμότητας με νερό ψύξης για να μειώσει τη θερμοκρασία. Στη συνέχεια, μέρος του αέρα εισέρχεται στο σύστημα συμπίεσης επόμενου σταδίου και το άλλο μέρος εισέρχεται στον πύργο διόρθωσης μετά από περαιτέρω θεραπεία καθαρισμού.

 

Η ροή αέρα που εισέρχεται στο σύστημα συμπίεσης επόμενου σταδίου είναι περίπου 4.500 kmol/h. Αυτό το τμήμα του αερίου εισέρχεται στον διαστολέα μετά την ανταλλαγή θερμότητας, η θερμοκρασία πέφτει σε περίπου -115 βαθμούς, η πίεση μειώνεται σε περίπου 0,15 MPa μέσω του διαστολέα και στη συνέχεια εισέρχεται στον πύργο διόρθωσης μετά την ανταλλαγή θερμότητας με την πτώση της θερμοκρασίας σε περίπου -165 βαθμούς.

 

Ο πύργος διόρθωσης χωρίζεται σε έναν ανώτερο πύργο και έναν κάτω πύργο. Ο άνω πύργος είναι ένας πύργος χαμηλής πίεσης με πίεση περίπου 130 kPa και ο κάτω πύργος είναι ένας πύργος υψηλής πίεσης με πίεση περίπου 580 kPa. Το αέριο μετά την ανταλλαγή θερμότητας και το αέριο από τον διαστολέα αποστέλλονται στο πάνω μέρος και στο μεσαίο τμήμα του ανώτερου πύργου του πύργου διόρθωσης αντίστοιχα. Το αέριο διορθώνεται για πολλές φορές στον πύργο διόρθωσης. Το άζωτο λαμβάνεται στην κορυφή του πύργου, το οξυγόνο λαμβάνεται στο κάτω μέρος του πύργου και ορισμένα υγρά προϊόντα αποθηκεύονται στις αντίστοιχες δεξαμενές αποθήκευσης.

 

Κατασκευή μοντέλου ροής διαδικασιών

Μπορεί να είναι γνωστό από την παραπάνω διαδικασία διαχωρισμού αέρα ότι η πραγματική διαδικασία παραγωγής περιλαμβάνει συμπίεση, ψύξη, επέκταση, διόρθωση και άλλες διαδικασίες. Όταν χρησιμοποιείτε λογισμικό Aspen Plus για προσομοίωση διαδικασιών, οι εφαρμοσμένες ενότητες και οι λειτουργίες είναι οι εξής:

 

●Ο συμπιεστής αέρα υιοθετεί τη μονάδα COMM.

● Ο διαστολέας υιοθετεί τη μονάδα EXP.

● Ο εναλλάκτης θερμότητας υιοθετεί τη μονάδα HeatX.

● Ο πύργος διόρθωσης υιοθετεί τη μονάδα RADFRAC.

● Η αντλία υιοθετεί τη μονάδα αντλίας.

● Ο διαχωριστής υιοθετεί τη μονάδα SEP.

Στη διαδικασία προσομοίωσης μοντέλου, σύμφωνα με τις λειτουργίες διαφορετικών μονάδων μονάδας, συνδέονται μέσω της ροής υλικού και η ροή εκτελείται σύμφωνα με τη διαδικασία παραγωγής οξυγόνου. Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, οι παράμετροι του εξοπλισμού ρυθμίζονται σύμφωνα με τις τιμές σχεδιασμού. Η πίεση στην κορυφή του ανώτερου πύργου του πύργου διόρθωσης ρυθμίζεται σε 0,132 MPa, η πίεση στο κάτω μέρος του πύργου ρυθμίζεται σε 0,138 MPa, η θερμοκρασία στο πάνω μέρος του πύργου έχει οριστεί σε -193,5 βαθμούς, η θερμοκρασία στο κάτω μέρος του πύργου έχει οριστεί σε -180,2 βαθμό και ο αριθμός των δίσκων είναι 55.

 

Μπορεί να φανεί από τα αποτελέσματα προσομοίωσης του μοντέλου στον πίνακα ότι διάφοροι δείκτες του μοντέλου είναι βασικά συνεπείς με τους δείκτες σχεδίασης της μονάδας κρυογονικού διαχωρισμού αέρα. Η διαφορά μεταξύ της καθαρότητας του υγρού οξυγόνου στον άνω πύργο και της τιμής σχεδιασμού είναι 0,8%, η διακύμανση της τιμής προσομοίωσης είναι εντός του επιτρεπόμενου εύρους και η προσομοιωμένη έξοδος οξυγόνου είναι κοντά στην τιμή σχεδιασμού, με σφάλματα εντός του επιτρεπόμενου εύρους. Έτσι, μπορεί να φανεί ότι το μοντέλο που καθιερώθηκε αυτή τη φορά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση επαλήθευσης βελτιστοποίησης της διαδικασίας [2].

Πίνακας 1 Αποτελέσματα προσομοίωσης του μοντέλου ροής διεργασίας διαχωρισμού αέρα

​

Είδος	Δείκτης σχεδιασμού	Δείκτης προσομοίωσης
Ρύθμιση ροής υγρού αζώτου στον άνω πύργο/(kmol/h)	4000	4007
Ρυθμός ροής υγρού αέρα στον άνω πύργο/(kmol/h)	5000	5000
Ρυθμός ροής υγρού αζώτου στον άνω πύργο/(kmol/h)	4000	4000
Καθαρότητα υγρού αέρα στον κάτω πύργο, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Καθαρότητα αζώτου αποβλήτων στον άνω πύργο, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Ρυθμός ροής αζώτου από το κρύο κουτί/(kmol/h)	2350	2350
Κατώτατη πίεση του άνω πύργου/MPA	0.14	0.14
Κορυφαία πίεση του κατώτερου πύργου/MPA	0.56	0.558
Εξόδου προϊόντος αζώτου/(kmol/h)	2400	2400
Μεσαία - Έξοδος αζώτου μέσου υγρού/(kmol/h)	2940	2924.38
Χαμηλή - Έξοδος αζώτου χαμηλής πίεσης/(kmol/h)	1360	1336.58

​

Ανάλυση βελτιστοποίησης διαδικασιών

 

Στη διαδικασία διαχωρισμού αερίου του φυτού διαχωρισμού του κρυογονικού αέρα, ο ανώτερος πύργος του πύργου διόρθωσης παίζει βασικό ρόλο. Μέσω της έρευνας και της θεωρητικής ανάλυσης του εξοπλισμού, ο στόχος της εξοικονόμησης ενέργειας και της μείωσης της κατανάλωσης μπορεί να επιτευχθεί με την αλλαγή των παραμέτρων της διαδικασίας του ανώτερου πύργου του πύργου διόρθωσης. Αυτή τη φορά, η μονάδα ευαισθησίας του Aspen Plus χρησιμοποιείται για την ανάλυση των διαφορετικών παραμέτρων διεργασίας του ανώτερου πύργου του πύργου διόρθωσης λεπτομερώς και λαμβάνεται το βέλτιστο σχήμα λειτουργίας διεργασίας.

 

Σχέση μεταξύ θέσης τροφοδοσίας και αποτελεσματικότητας διαχωρισμού

 

Στη διαδικασία προσομοίωσης, διατηρώντας τις άλλες παραμέτρους αμετάβλητες και αλλάζοντας τη θέση τροφοδοσίας, το αποτέλεσμα της μεταβολής της αποτελεσματικότητας του διαχωρισμού του ανώτερου πύργου παρουσιάζεται στο σχήμα.

 

Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι με άλλες παραμέτρους αμετάβλητες, αλλάζοντας τη θέση τροφοδοσίας του ανώτερου πύργου του πύργου διόρθωσης, η απόδοση διαχωρισμού του ανώτερου πύργου θα αυξηθεί πρώτα και στη συνέχεια θα μειωθεί. Όταν η θέση τροφοδοσίας έχει οριστεί στον 28ο δίσκο, η απόδοση διαχωρισμού φτάνει το υψηλότερο. Έτσι, μπορεί να φανεί ότι ο 28ος δίσκος είναι η βέλτιστη θέση τροφοδοσίας.

Σχήμα 1 Σχέση μεταξύ της θέσης τροφοδοσίας του κατώτερου πύργου και του φορτίου θερμότητας στην κορυφή του πύργου απόσταξης

 

Σχέση μεταξύ ροής τροφοδοσίας και εξόδου οξυγόνου και καθαρότητας

Με την αλλαγή του ρυθμού ροής τροφοδοσίας του κατώτερου πύργου και τη διατήρηση άλλων παραμέτρων αμετάβλητων, οι μεταβολές στην έξοδο και την καθαρότητα του υγρού αζώτου στην κορυφή του πύργου απόσταξης παρουσιάζονται στο σχήμα 2.

 

Αλλάζοντας τη ροή τροφοδοσίας του ανώτερου πύργου, διατηρώντας τις άλλες παραμέτρους αμετάβλητες, οι μεταβολές της παραγωγής οξυγόνου και της καθαρότητας στον άνω πύργο του πύργου διόρθωσης φαίνονται στο σχήμα.

 

Μπορεί να φανεί από το Σχήμα 2 ότι με την αύξηση της ροής τροφοδοσίας του ανώτερου πύργου, η παραγωγή οξυγόνου αυξάνεται σταδιακά, αλλά η καθαρότητα δείχνει μια καθοδική τάση, η οποία είναι συνεπής με τη θεωρητική ανάλυση. Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι όταν η ροή τροφοδοσίας του ανώτερου πύργου είναι κάτω από 780 kmol/h, η καθαρότητα του οξυγόνου είναι πάνω από 99,6%, η οποία πληροί τη ζήτηση αερίου της χημικής βιομηχανίας. Αυτή τη στιγμή, η έξοδος είναι 2850 kmol/h, η οποία είναι σημαντικά υψηλότερη από την αρχική ροή τροφοδοσίας 750 kmol/h και την έξοδο οξυγόνου 2780 kmol/h. Ως εκ τούτου, η ροή τροφοδοσίας θα πρέπει να ελέγχεται στα 780 kmol/h, η οποία μπορεί να αυξήσει την παραγωγή ενώ παράλληλα εξασφαλίζει την καθαρότητα του οξυγόνου.

 

Επίδραση της πίεσης στην κατανάλωση ενέργειας

 

Διατηρώντας τις άλλες παραμέτρους αμετάβλητες και μεταβάλλονται την πίεση του ανώτερου πύργου, η αλλαγή της κατανάλωσης ενέργειας της συσκευής φαίνεται στο σχήμα.

 

Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι με την αύξηση της πίεσης του ανώτερου πύργου, η κατανάλωση ενέργειας της συσκευής αυξάνεται σταδιακά. Λαμβάνοντας υπόψη το αποτέλεσμα του διαχωρισμού και την κατανάλωση ενέργειας, είναι σκόπιμο να ρυθμιστεί η πίεση του ανώτερου πύργου σε 0,135 MPa, η οποία όχι μόνο μπορεί να εξασφαλίσει καλή επίδραση διαχωρισμού, αλλά και να αποφευχθεί η υπερβολική κατανάλωση ενέργειας.

 

Πρακτική εφαρμογή του συστήματος βελτιστοποίησης της διαδικασίας

 

Το αέριο που παράγεται από το εργοστάσιο παρέχεται κυρίως σε χημικές επιχειρήσεις και το παραγόμενο οξυγόνο χρησιμοποιείται σε αντιδράσεις οξείδωσης σε χημικές αντιδράσεις. Τα τελευταία χρόνια, λόγω των αυξανόμενων τιμών ενέργειας και του εντατικοποιημένου ανταγωνισμού της αγοράς, ο χώρος κέρδους του εργοστασίου έχει σταδιακά περιορίσει. Σε αυτή την περίπτωση, το εργοστάσιο αποφάσισε να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας και να βελτιώσει τα οικονομικά οφέλη βελτιώνοντας τη διαδικασία παραγωγής. Μετά την έρευνα και την ανάλυση, το εργοστάσιο που διεξήγαγε βελτίωση της διαδικασίας τον Μάιο του 2023. Το σχήμα βελτίωσης έχει ως εξής: Η πίεση του ανώτερου πύργου του πύργου διόρθωσης ρυθμίζεται σε 0,135 MPa, η θερμοκρασία τροφοδοσίας του ανώτερου πύργου ρυθμίζεται σε -168 βαθμού, η ποσότητα τροφοδοσίας του ανώτερου πύργου ρυθμίζεται σε 780 kmol/h και η θέση τροφοδοσίας έχει ρυθμιστεί στον δίσκο 28ου. Λόγω της βελτίωσης της διαδικασίας, η κατανάλωση ενέργειας του πύργου διόρθωσης έχει μειωθεί, έτσι ώστε η ικανότητα χειρισμού του αέρα του φυτού κρυογονικού διαχωρισμού αέρα να μπορεί να αυξηθεί κατάλληλα, αυξάνοντας έτσι την παραγωγή οξυγόνου. Στη διαδικασία βελτίωσης της διαδικασίας, η ροή τροφοδοσίας του συστήματος συμπίεσης αέρα αλλάζει ταυτόχρονα και η επίδραση εφαρμογής του φυτού κρυογονικού διαχωρισμού αέρα αναλύεται υπό διαφορετικά φορτία. Η περίοδος επαλήθευσης για κάθε φορτίο είναι 15 ημέρες και η κατάσταση παραγωγής εμφανίζεται στον Πίνακα 2.

 

Μπορεί να φανεί από τον Πίνακα 2 ότι μετά τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας, το μέγιστο φορτίο της κατάστασης λειτουργίας μπορεί να φτάσει το 115% του αρχικού φορτίου και σε αυτή την περίπτωση, τόσο οι εξόδους οξυγόνου όσο και υγρού οξυγόνου αυξάνονται. Επιπλέον, κάτω από 115% φορτίο, η κατανάλωση ενέργειας του ανώτερου πύργου του πύργου διόρθωσης αλλάζει από το αρχικό -7,85 MW σε -7,23 MW, με εξοικονόμηση ενέργειας 7,9%. Μέσω της ανάλυσης της ηλεκτρικής ενέργειας του εξοπλισμού, είναι γνωστό ότι η μείωση της ηλεκτρικής ενέργειας του εξοπλισμού κάτω από 115% είναι 125 kW · h. Το βιομηχανικό κόστος ηλεκτρικής ενέργειας στην περιοχή όπου βρίσκεται το εργοστάσιο είναι 0,72 γιουάν/(KW · Η). Υπολογίζεται από τον εξοπλισμό που λειτουργεί για 330 ημέρες, το ετήσιο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να αποθηκευτεί κατά 712.800 γιουάν. Υπολογίζεται από την πτυχή της παραγωγής του προϊόντος, μετά τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας, η έξοδος οξυγόνου αυξήθηκε κατά 380 kmol/h, η έξοδος υγρού οξυγόνου αυξήθηκε κατά 420 kmol/h και η παραγωγή υγρού αργού έχει αυξηθεί κατά 25 kmol/h. Υπολογίζεται ότι το ετήσιο κέρδος μπορεί να αυξηθεί κατά 3,2 εκατομμύρια γιουάν. Έτσι, μπορεί να φανεί ότι η βελτίωση της διαδικασίας μπορεί να δημιουργήσει 3,9128 εκατομμύρια γιουάν παροχών για την επιχείρηση ετησίως.

 

Πίνακας 2 Κατάσταση παραγωγής του κρυογονικού φυτού διαχωρισμού αέρα κάτω από διαφορετικά φορτία μετά τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας

​

Αντικείμενο	Φορτίο 80%	Φορτίο 90%	Φορτίο 100%	Φορτίο 110%	Φορτίο 115%
Ποσό τροφοδοσίας (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Έξοδος οξυγόνου (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Έξοδος υγρού οξυγόνου (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Υγρή έξοδος αργού (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

​