Ottimizzazione del processo dell'unità di separazione dell'aria criogenica

Con il rapido sviluppo dell'industria chimica, la domanda di gas industriali come l'ossigeno sta crescendo. Come attrezzatura chiave, l'efficienza operativa e l'economia dell'unità di separazione dell'aria criogenica da 50.000 m³/h hanno attirato molta attenzione. Al momento, l'aumento dei prezzi dell'energia e la concorrenza intensificata del mercato hanno spinto le aziende a cercare l'ottimizzazione dei processi per ridurre i costi e aumentare l'efficienza. Questo documento prende l'unità di un impianto chimico come oggetto di ricerca, crea un modello con l'aiuto del software Aspen Plus, si concentra sui parametri di processo della torre di distillazione, determina la soluzione ottimale attraverso l'analisi della sensibilità e lo verifica in diversi carichi, mirando a fornire un riferimento per migliorare le prestazioni dell'unità e aumentare i benefici economici. ​
 

 

Costruzione del modello di flusso di processo per l'impianto di separazione dell'aria

 

Flusso di processo

L'impianto di separazione dell'aria criogenica da 50.000 m³/h adottata da una fabbrica di produzione chimica, nella produzione reale, l'aria entra nel sistema di rettifica dopo aver attraversato il sistema di filtrazione, il sistema di compressione, il sistema di precool e il sistema di espansione in sequenza per raggiungere la separazione del gas. Questo documento analizza principalmente il processo di produzione di ossigeno e il flusso del processo di produzione è il seguente:

 

L'aria entra nel compressore d'aria dopo aver rimosso le impurità attraverso un filtro ad alta efficienza. L'aria compressa entra nel sistema di precool di pentole e scambia calore con acqua di raffreddamento per ridurre la temperatura. Quindi parte dell'aria entra nel sistema di compressione in stadio successivo e l'altra parte entra nella torre di rettifica dopo un ulteriore trattamento di purificazione.

 

Il flusso d'aria che entra nel sistema di compressione in stadio successivo è di circa 4.500 kmol/h. Questa parte del gas entra nell'espansore dopo lo scambio di calore, la temperatura scende a circa -115 gradi, la pressione viene ridotta a circa 0,15 MPa attraverso l'espansore e quindi entra nella torre di rettifica dopo lo scambio di calore con la temperatura che scende a circa -165 gradi.

 

La torre di rettifica è divisa in una torre superiore e una torre inferiore. La torre superiore è una torre a bassa pressione con una pressione di circa 130 kPa e la torre inferiore è una torre ad alta pressione con una pressione di circa 580 kPa. Il gas dopo lo scambio di calore e il gas dall'espansore vengono inviati rispettivamente alla parte superiore e alla parte centrale della torre superiore della torre di rettifica. Il gas viene rettificato per molte volte nella torre di rettifica. L'azoto è ottenuto nella parte superiore della torre, l'ossigeno si ottiene nella parte inferiore della torre e alcuni prodotti liquidi sono conservati nei corrispondenti serbatoi di stoccaggio.

 

Costruzione del modello di flusso di processo

Dal processo di separazione dell'aria di cui sopra può essere noto che l'effettivo processo di produzione include compressione, raffreddamento, espansione, rettifica e altri processi. Quando si utilizzano il software Aspen Plus per la simulazione del processo, i moduli e le funzioni applicati sono i seguenti:

 

●Il compressore d'aria adotta il modulo di componente;

● L'espansore adotta il modulo Exp;

● Lo scambiatore di calore adotta il modulo HeatX;

● La torre di rettifica adotta il modulo RADFRAC;

● La pompa adotta il modulo della pompa;

● Il separatore adotta il modulo SEP.

Nel processo di simulazione del modello, secondo le funzioni di diversi moduli unitari, sono collegate attraverso il flusso del materiale e il flusso viene eseguito in base al processo di produzione di ossigeno. Durante la simulazione, i parametri dell'attrezzatura sono impostati in base ai valori di progettazione. La pressione nella parte superiore della torre superiore della torre di rettifica è impostata su 0,132 MPa, la pressione nella parte inferiore della torre è impostata su 0,138 MPa, la temperatura nella parte superiore della torre è impostata su -193,5 gradi, la temperatura nella parte inferiore della torre è impostata su -180,2 gradi e il numero di vassoi è impostato dopo l'analisi della simulazione, i risultati sono mostrati in tabella.

 

Si può vedere dai risultati della simulazione del modello nella tabella che vari indici del modello sono sostanzialmente coerenti con gli indici di progettazione dell'impianto di separazione dell'aria criogenica. La differenza tra la purezza dell'ossigeno liquido nella torre superiore e il valore di progettazione è dello 0,8%, la fluttuazione del valore di simulazione rientra nell'intervallo consentito e l'uscita dell'ossigeno simulato è vicina al valore di progettazione, con errori all'interno dell'intervallo ammissibile. Pertanto, si può vedere che il modello stabilito questa volta può essere utilizzato per l'analisi della verifica dell'ottimizzazione del processo [2].

Tabella 1 Risultati di simulazione del modello di flusso del processo dell'impianto di separazione dell'aria

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Articolo	Indice di progettazione	Indice di simulazione
Portata dei rifiuti azoto liquido nella torre superiore/(kmol/h)	4000	4007
Portata dell'aria liquida nella torre superiore/(kmol/h)	5000	5000
Portata dell'azoto liquido nella torre superiore/(kmol/h)	4000	4000
Purity di aria liquida nella torre inferiore, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
PURITÀ DI AZIONE DEL SIGNI nella torre superiore, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Portata dell'azoto fuori dalla scatola fredda/(kmol/h)	2350	2350
Pressione inferiore della torre superiore/MPa	0.14	0.14
Pressione massima della torre inferiore/MPa	0.56	0.558
Output del prodotto azoto/(kmol/h)	2400	2400
Uscita di azoto liquido di media pressione/(kmol/h)	2940	2924.38
Azoto liquido a bassa pressione/(kmol/h)	1360	1336.58

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Analisi di ottimizzazione del processo

 

Nel processo di separazione del gas dell'impianto di separazione dell'aria criogenica, la torre superiore della torre di rettifica svolge un ruolo chiave. Attraverso la ricerca e l'analisi teorica dell'apparecchiatura, l'obiettivo del risparmio energetico e della riduzione del consumo può essere ottenuto modificando i parametri di processo della torre superiore della torre di rettifica. Questa volta, il modulo di sensibilità di Aspen Plus viene utilizzato per analizzare i diversi parametri di processo della torre superiore della torre di rettifica in dettaglio e si ottiene lo schema operativo di processo ottimale.

 

Relazione tra posizione del mangime ed efficienza di separazione

 

Nel processo di simulazione, mantenendo invariati altri parametri e modificando la posizione di alimentazione, il risultato di cambiamento dell'efficienza di separazione della torre superiore è mostrato in figura.

 

Si può vedere dalla figura che con altri parametri invariati, cambiando la posizione di alimentazione della torre superiore della torre di rettifica, l'efficienza di separazione della torre superiore aumenterà prima e quindi diminuirà. Quando la posizione di alimentazione è impostata al 28 ° vassoio, l'efficienza di separazione raggiunge la più alta. Pertanto, si può vedere che il 28 ° vassoio è la posizione ottimale dell'alimentazione.

Figura 1 Relazione tra la posizione di alimentazione della torre inferiore e il carico termico nella parte superiore della torre di distillazione

 

Relazione tra flusso di alimentazione e produzione di ossigeno e purezza

Modificando la portata dell'alimentazione della torre inferiore e mantenendo invariati altri parametri, le variazioni dell'uscita e della purezza dell'azoto liquido nella parte superiore della torre di distillazione sono mostrate nella Figura 2.

 

Modifica del flusso di alimentazione della torre superiore, mantenendo invariati altri parametri, i cambiamenti dell'uscita dell'ossigeno e della purezza nella torre superiore della torre di rettifica sono mostrati in figura.

 

Dalla Figura 2 si può vedere che con l'aumento del flusso di alimentazione della torre superiore, l'uscita dell'ossigeno aumenta gradualmente, ma la purezza mostra una tendenza verso il basso, che è coerente con l'analisi teorica. Dalla figura si può vedere che quando il flusso di alimentazione della torre superiore è inferiore a 780 kmol/h, la purezza dell'ossigeno è superiore al 99,6%, che soddisfa la domanda di gas dell'industria chimica. Al momento, l'output è di 2850 kmol/h, che è significativamente più alto del flusso di alimentazione iniziale di 750 kmol/h e la produzione di ossigeno di 2780 kmol/h. Pertanto, il flusso di alimentazione dovrebbe essere controllato a 780 kmol/h, il che può aumentare la produzione garantendo pur essendo la purezza dell'ossigeno.

 

Influenza della pressione sul consumo di energia

 

Mantenendo invariati altri parametri e cambiando la pressione della torre superiore, il cambiamento del consumo di energia del dispositivo è mostrato in figura.

 

Si può vedere dalla figura che con l'aumento della pressione della torre superiore, il consumo di energia del dispositivo aumenta gradualmente. Considerando in modo completo l'effetto di separazione e il consumo di energia, è opportuno impostare la pressione della torre superiore su 0,135 MPa, che non solo può garantire un buon effetto di separazione, ma anche evitare un eccessivo consumo di energia.

 

Applicazione pratica dello schema di ottimizzazione del processo

 

Il gas prodotto dalla fabbrica è principalmente fornito alle imprese chimiche e l'ossigeno prodotto viene utilizzato nelle reazioni di ossidazione nelle reazioni chimiche. Negli ultimi anni, a causa dell'aumento dei prezzi dell'energia e della concorrenza del mercato intensificata, lo spazio di profitto della fabbrica si è gradualmente ridotto. In questo caso, la fabbrica ha deciso di ridurre il consumo di energia e migliorare i benefici economici migliorando il processo di produzione. Dopo la ricerca e l'analisi, la fabbrica ha effettuato il miglioramento del processo nel maggio 2023. Lo schema di miglioramento è il seguente: la pressione della torre superiore della torre di rettifica è impostata su 0,135 MPa, la temperatura di alimentazione della torre superiore è impostata a -168 gradi, la quantità di alimentazione della torre superiore viene regolata su 780 kmol/h e la posizione dell'alimentazione è impostata al 28 ° sfera. A causa del miglioramento del processo, il consumo di energia della torre di rettifica è stato ridotto, quindi la capacità di movimentazione dell'aria dell'impianto di separazione dell'aria criogenica può essere adeguatamente aumentata, aumentando così la produzione di ossigeno. Nel processo di miglioramento del processo, il flusso di alimentazione del sistema di compressione dell'aria viene modificato contemporaneamente e l'effetto dell'applicazione dell'impianto di separazione dell'aria criogenica viene analizzato sotto carichi diversi. Il periodo di verifica per ciascun carico è di 15 giorni e la situazione di produzione è mostrata nella Tabella 2.

 

Dalla Tabella 2 si può vedere che dopo l'ottimizzazione del processo, il carico di condizione di lavoro variabile massima può raggiungere il 115% del carico originale e, in questo caso, sono aumentate le uscite di ossigeno di ossigeno e liquido. Inoltre, sotto il 115% di carico, il consumo di energia della torre superiore della torre di rettifica cambia dall'originale -7,85 MW a -7,23 MW, con un risparmio energetico del 7,9%. Attraverso l'analisi dell'energia elettrica dell'apparecchiatura, è noto che la riduzione dell'energia elettrica dell'apparecchiatura inferiore al 115% è di 125 kW · h. Il costo di elettricità industriale nell'area in cui si trova la fabbrica è di 0,72 yuan/(kW · h). Calcolato dalle apparecchiature che operano per 330 giorni, il costo annuale di elettricità può essere salvato di 712.800 yuan. Calcolato dall'aspetto dell'uscita del prodotto, dopo l'ottimizzazione del processo, la produzione di ossigeno è aumentata di 380 kmol/h, la produzione di ossigeno liquido è aumentata di 420 kmol/h e la produzione di argon liquido è aumentata di 25 kmol/h. Si calcola che il profitto annuale può essere aumentato di 3,2 milioni di yuan. Pertanto, si può vedere che il miglioramento del processo può creare ogni anno 3,9128 milioni di benefici per l'impresa.

 

Tabella 2 Situazione di produzione dell'impianto di separazione dell'aria criogenica sotto carichi diversi dopo l'ottimizzazione del processo

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Articolo	Carico dell'80%	Carico del 90%	Carico al 100%	Carico del 110%	Carico del 115%
Importo dell'alimentazione (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Output di ossigeno (KMOL/H)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Ossigeno liquido Ossigeno (KMOL/H)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Output di argon liquido (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

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