Prosessoptimalisering av kryogen luftseparasjonsenhet

Med den raske utviklingen av den kjemiske industrien vokser etterspørselen etter industrikasser som oksygen. Som et sentralt utstyr har driftseffektiviteten og økonomien til 50 000 m³/h kryogene luftseparasjonsenheter vekket mye oppmerksomhet. For tiden har stigende energipriser og intensivert markedskonkurranse fått selskapene til å søke prosessoptimalisering for å redusere kostnadene og øke effektiviteten. Denne artikkelen tar enheten til et kjemisk anlegg som forskningsobjekt, bygger en modell ved hjelp av Aspen Plus -programvare, fokuserer på prosessparametrene til destillasjonstårnet, bestemmer den optimale løsningen gjennom sensitivitetsanalyse, og verifiserer den under forskjellige belastninger, som tar sikte på å gi en referanse for å forbedre ytelsen til enheten og øke økonomiske fordeler. ​
 

 

Konstruksjon av prosessstrømningsmodell for luftseparasjonsanlegg

 

Prosessstrøm

Det 50 000 m³/h kryogene luftseparasjonsanlegget som ble vedtatt av en kjemisk produksjonsfabrikk, i faktisk produksjon, kommer luft inn i utbedringssystemet etter å ha passert gjennom filtreringssystemet, komprimeringssystemet, forkjertsystemet og ekspansjonssystemet i rekkefølge for å oppnå gassseparasjon. Denne artikkelen analyserer hovedsakelig oksygenproduksjonsprosessen, og dens produksjonsprosessstrøm er som følger:

 

Luft kommer inn i luftkompressoren etter å ha fjernet urenheter gjennom et filter med høy effektivitet. Den komprimerte luften kommer inn i det prefin-forkjølingssystemet og utveksler varme med kjølevann for å redusere temperaturen. Deretter kommer en del av luften inn i neste trinns komprimeringssystem, og den andre delen kommer inn i utbedringstårnet etter ytterligere rensingsbehandling.

 

Luftstrømmen som kommer inn i neste trinns komprimeringssystem er omtrent 4500 kmol/t. Denne delen av gassen kommer inn i ekspanderet etter varmeutveksling, temperaturen synker til omtrent -115 grad, trykket reduseres til omtrent 0,15 MPa gjennom ekspanderen, og går deretter inn i utbedringstårnet etter varmeutveksling med temperaturen som synker til omtrent -165 grader.

 

Rettingstårnet er delt inn i et øvre tårn og et nedre tårn. Det øvre tårnet er et lavtrykkstårn med et trykk på omtrent 130 kPa, og det nedre tårnet er et høyt trykkstårn med et trykk på omtrent 580 kPa. Gassen etter varmeutveksling og gass fra ekspanderen blir sendt til henholdsvis den øvre delen og den midtre delen av det øvre tårnet i utbedringstårnet. Gassen blir utbedret i mange ganger i utbedringstårnet. Nitrogen oppnås på toppen av tårnet, oksygen oppnås i bunnen av tårnet, og noen flytende produkter lagres i de tilsvarende lagringstankene.

 

Konstruksjon av prosessstrømningsmodell

Det kan være kjent fra ovennevnte luftseparasjonsprosess at den faktiske produksjonsprosessen inkluderer komprimering, kjøling, utvidelse, retting og andre prosesser. Når du bruker Aspen Plus -programvare for prosesssimulering, er de anvendte modulene og funksjonene som følger:

 

●Luftkompressoren vedtar COM -modulen;

● Expander vedtar EXP -modulen;

● Varmeveksleren vedtar HeatX -modulen;

● Rettingstårnet vedtar Radfrac -modulen;

● Pumpen vedtar pumpemodulen;

● Separatoren vedtar SEP -modulen.

I prosessen med modellsimulering er de i henhold til funksjonene til forskjellige enhetsmoduler koblet gjennom materialstrøm, og strømmen utføres i henhold til oksygenproduksjonsprosessen. Under simuleringen settes utstyrsparametrene i henhold til designverdiene. Trykket øverst på det øvre tårnet til utbedringstårnet er satt til 0,132 MPa, trykket nederst på tårnet er satt til 0,138 MPa, temperaturen på toppen av tårnet er satt til -193,2, og temperaturen i bunnen av tårnet er satt til -180,2 grader, og antallet er 55.

 

Det kan sees fra simuleringsresultatene fra modellen i tabellen at forskjellige indekser av modellen i utgangspunktet er i samsvar med designindeksene til det kryogene luftseparasjonsanlegget. Forskjellen mellom renheten av flytende oksygen i det øvre tårnet og designverdien er 0,8%, svingningen av simuleringsverdien er innenfor det tillatte området, og den simulerte oksygenutgangen er nær designverdien, med feil innenfor det tillatte området. Dermed kan det sees at modellen som er etablert denne gangen kan brukes til prosessoptimaliseringsverifiseringsanalyse [2].

Tabell 1 Simuleringsresultater av luftseparasjonsplanteprosessstrømningsmodell

​

Punkt	Designindeks	Simuleringsindeks
Strømningshastighet av avfallsvæske nitrogen inn i det øvre tårnet/(kmol/t)	4000	4007
Strømningshastighet for flytende luft inn i det øvre tårnet/(kmol/t)	5000	5000
Strømningshastighet av flytende nitrogen inn i det øvre tårnet/(kmol/t)	4000	4000
Renhet av flytende luft i det nedre tårnet, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Renhet av avfallsnitrogen i det øvre tårnet, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
FLOW REACE av nitrogen ut av den kalde boksen/(KMOL/H)	2350	2350
Bunntrykket i det øvre tårnet/MPA	0.14	0.14
Topptrykket i det nedre tårnet/MPA	0.56	0.558
Nitrogenproduktutgang/(KMOL/H)	2400	2400
Medium - Trykkvæske nitrogenutgang/(kmol/t)	2940	2924.38
Lav - trykkvæske nitrogenutgang/(kmol/t)	1360	1336.58

​

Prosessoptimaliseringsanalyse

 

I gassseparasjonsprosessen til det kryogene luftseparasjonsanlegget spiller det øvre tårnet i utbedringstårnet en nøkkelrolle. Gjennom forsknings- og teoretisk analyse av utstyret kan målet om energisparing og reduksjon av forbruksreduksjon oppnås ved å endre prosessparametrene til det øvre tårnet til rettingstårnet. Denne gangen brukes sensitivitetsmodulen til Aspen Plus til å analysere de forskjellige prosessparametrene til det øvre tårnet til utbedringstårnet i detalj, og det optimale prosessdriftsskjemaet oppnås.

 

Forholdet mellom fôrposisjon og separasjonseffektivitet

 

I simuleringsprosessen, med å holde andre parametere uendret og endre fôrposisjonen, vises endringsresultatet av separasjonseffektiviteten til det øvre tårnet i figur.

 

Det kan sees fra figur at med andre parametere uendret, og endrer fôrposisjonen til det øvre tårnet til utbedringstårnet, vil separasjonseffektiviteten til det øvre tårnet først øke og deretter avta. Når fôrposisjonen er satt til det 28. brettet, når separasjonseffektiviteten den høyeste. Dermed kan det sees at det 28. brettet er den optimale fôrposisjonen.

Figur 1 Forhold mellom fôrposisjonen til det nedre tårnet og varmebelastningen øverst i destillasjonstårnet

 

Forholdet mellom fôrstrøm og oksygenutgang og renhet

Ved å endre fôrstrømningshastigheten til det nedre tårnet og holde andre parametere uendret, er endringene i utgangen og renheten til flytende nitrogen øverst på destillasjonstårnet vist i figur 2.

 

Endre fôrstrømmen til det øvre tårnet, og holder andre parametere uendret, er endringene av oksygenutgang og renhet i det øvre tårnet til utbedringstårnet vist i figur.

 

Det kan sees fra figur 2 at med økningen av fôrstrømmen i det øvre tårnet øker oksygenutgangen gradvis, men renheten viser en nedadgående trend, noe som er i samsvar med den teoretiske analysen. Det kan sees fra figuren at når fôrstrømmen til det øvre tårnet er under 780 kmol/t, er oksygenens renhet over 99,6%, som oppfyller gassens etterspørsel fra den kjemiske industrien. På dette tidspunktet er utgangen 2850 kmol/t, som er betydelig høyere enn den opprinnelige fôrstrømmen på 750 kmol/t og oksygenutgangen på 2780 kmol/t. Derfor bør fôrstrømmen kontrolleres ved 780 kmol/t, noe som kan øke produksjonen og samtidig sikre oksygenrensheten.

 

Påvirkning av press på energiforbruket

 

Når du holder andre parametere uendret og endrer trykket til det øvre tårnet, vises endringen av energiforbruket til enheten i figur.

 

Det kan sees fra figur at med økningen av trykket fra det øvre tårnet øker energiforbruket til enheten gradvis. Tatt i betraktning separasjonseffekten og energiforbruket omfattende, er det aktuelt å sette trykket til det øvre tårnet til 0,135 MPa, som ikke bare kan sikre en god separasjonseffekt, men også unngå overdreven energiforbruk.

 

Praktisk anvendelse av prosessoptimaliseringsskjema

 

Gassen produsert av fabrikken leveres hovedsakelig til kjemiske foretak, og det produserte oksygenet brukes i oksidasjonsreaksjoner i kjemiske reaksjoner. De siste årene, på grunn av de økende energiprisene og intensivert markedskonkurranse, har fabrikkens gevinstlokale gradvis innsnevret. I dette tilfellet bestemte fabrikken seg for å redusere energiforbruket og forbedre økonomiske fordeler ved å forbedre produksjonsprosessen. Etter forskning og analyse utførte fabrikken prosessforbedring i mai 2023. Forbedringsordningen er som følger: Trykket på det øvre tårnet til utbedringstårnet er satt til 0,135 MPa, fôrtemperaturen til det øvre tårnet er satt til -168 grader, fôrmengden til det øvre tårnet er justert til 780 Kmol/H og fôrmengden på det øvre tårnet er justert til 780 Kmol/H og fôrmengden på det øvre tårnet er justert til 780 Kmol/H og fôrmengden til det øvre tårnet er justert til 780 Kmol/H og fôrmengden på det øvre tårnet er justert til 780 Kmol/H og fôrmengden på det øvre tårnet er justert til 780. På grunn av prosessforbedringen har energiforbruket til utbedringstårnet blitt redusert, slik at lufthåndteringskapasiteten til det kryogene luftseparasjonsanlegget kan økes på riktig måte, og dermed øke oksygenutgangen. I prosessen med prosessforbedring endres fôrstrømmen av luftkomprimeringssystemet samtidig, og påføringseffekten av det kryogene luftseparasjonsanlegget blir analysert under forskjellige belastninger. Bekreftelsesperioden for hver belastning er 15 dager, og produksjonssituasjonen er vist i tabell 2.

 

Det kan sees fra tabell 2 at etter prosessoptimalisering kan den maksimale variable arbeidstilstandsbelastningen nå 115% av den opprinnelige belastningen, og i dette tilfellet økes både oksygen- og flytende oksygenutganger. Under 115% belastning endres dessuten energiforbruket til det øvre tårnet i utbedringstårnet fra den opprinnelige -7,85 MW til -7,23 MW, med en energisparing på 7,9%. Gjennom analysen av utstyrets elektriske energi er det kjent at den elektriske energireduksjonen av utstyret under 115% belastning er 125 kW · t. Den industrielle elektrisitetskostnaden i området der fabrikken ligger 0,72 yuan/(kw · h). Beregnet av utstyret som opererer i 330 dager, kan de årlige strømkostnadene spares med 712 800 yuan. Beregnet ut fra aspektet av produktutgangen, etter prosessoptimalisering, har oksygenutgangen økt med 380 kmol/t, den flytende oksygenutgangen har økt med 420 kmol/t, og den flytende argonutgangen har økt med 25 kmol/t. Det beregnes at det årlige overskuddet kan økes med 3,2 millioner yuan. Dermed kan det sees at prosessforbedringen kan skape 3,9128 millioner yuan av fordeler for bedriften årlig.

 

Tabell 2 Produksjonssituasjon for kryogen luftseparasjonsanlegg under forskjellige belastninger etter prosessoptimalisering

​

Vare	80% belastning	90% belastning	100% belastning	110% belastning	115% belastning
Fôrmengde (KMOL/H)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Oksygenutgang (kmol/t)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Flytende oksygenutgang (kmol/t)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Flytende argonutgang (kmol/t)	95​	105​	120​	135​	145​

​