Optimització de processos de la unitat de separació de l’aire criogènic

Amb el ràpid desenvolupament de la indústria química, la demanda de gasos industrials com l’oxigen està creixent. Com a equip clau, l’eficiència operativa i l’economia de la unitat de separació d’aire criogènica de 50.000 m³/h han cridat molta atenció. Actualment, l’augment dels preus de l’energia i la competència del mercat intensificada han impulsat les empreses a buscar l’optimització de processos per reduir costos i augmentar l’eficiència. Aquest treball pren la unitat d’una planta química com a objecte de recerca, construeix un model amb l’ajuda del programari Aspen Plus, se centra en els paràmetres del procés de la torre de destil·lació, determina la solució òptima mitjançant l’anàlisi de la sensibilitat i el verifica sota diferents càrregues, amb l’objectiu de proporcionar una referència per millorar el rendiment de la unitat i augmentar els beneficis econòmics. ​
 

 

Construcció del model de flux de processos per a la planta de separació d'aire

 

Procés de flux

La planta de separació d’aire criogènica de 50.000 m³/h adoptada per una fàbrica de producció química, en producció real, l’aire entra al sistema de rectificació després de passar pel sistema de filtració, sistema de compressió, sistema de precour i sistema d’expansió en seqüència per aconseguir la separació de gas. Aquest treball analitza principalment el procés de producció d’oxigen i el seu flux de procés de producció és el següent:

 

L’aire entra al compressor d’aire després d’eliminar les impureses mitjançant un filtre d’alta eficiència. L’aire comprimit entra al sistema de precoia de placa i intercanvia calor amb aigua de refrigeració per reduir la temperatura. A continuació, part de l’aire entra al sistema de compressió en fase següent i l’altra part entra a la torre de rectificació després d’un tractament de purificació posterior.

 

El flux d'aire que entra al sistema de compressió de propera etapa és d'uns 4.500 kmol/h. Aquesta part del gas entra a l'expansor després de l'intercanvi de calor, la temperatura baixa fins a uns -115 graus, la pressió es redueix a uns 0,15 MPa a través de l'expansor, i després entra a la torre de rectificació després de l'intercanvi de calor amb la temperatura que baixa fins a uns -165 graus.

 

La torre de rectificació es divideix en una torre superior i una torre inferior. La torre superior és una torre de baixa pressió amb una pressió d’uns 130 kPa, i la torre inferior és una torre d’alta pressió amb una pressió d’uns 580 kPa. El gas després de l’intercanvi de calor i el gas de l’expansor s’envien a la part superior i a la part mitjana de la torre superior de la torre de rectificació respectivament. El gas es rectifica moltes vegades a la torre de rectificació. El nitrogen s’obté a la part superior de la torre, l’oxigen s’obté a la part inferior de la torre i alguns productes líquids s’emmagatzemen als dipòsits d’emmagatzematge corresponents.

 

Construcció del model de flux de processos

A partir del procés de separació d’aire anterior es pot conèixer que el procés de producció real inclou compressió, refrigeració, expansió, rectificació i altres processos. Quan s'utilitza el programari Aspen Plus per a la simulació de processos, els mòduls i les funcions aplicades són els següents:

 

●El compressor d’aire adopta el mòdul compr;

● L’ampliador adopta el mòdul EXP;

● L’intercanviador de calor adopta el mòdul HeatX;

● La torre de rectificació adopta el mòdul Radfrac;

● La bomba adopta el mòdul de la bomba;

● El separador adopta el mòdul SEP.

En el procés de simulació de models, segons les funcions de diferents mòduls unitaris, es connecten a través del flux de material i el flux s’executa segons el procés de producció d’oxigen. Durant la simulació, els paràmetres de l'equip s'estableixen segons els valors de disseny. La pressió a la part superior de la torre superior de la torre de rectificació s’estableix en 0,132 MPa, la pressió a la part inferior de la torre s’estableix en 0,138 MPa, la temperatura a la part superior de la torre s’estableix en -193,5 graus, la temperatura a la part inferior de la torre s’estableix en -180,2 graus i el nombre de safates és de 55.

 

Es pot veure a partir dels resultats de la simulació del model de la taula que diversos índexs del model són bàsicament coherents amb els índexs de disseny de la planta de separació de l’aire criogènic. La diferència entre la puresa d’oxigen líquid a la torre superior i el valor de disseny és del 0,8%, la fluctuació del valor de simulació es troba dins del rang admissible i la sortida d’oxigen simulada s’acosta al valor de disseny, amb errors dins del rang admissible. Així, es pot veure que el model establert aquest temps es pot utilitzar per a l’anàlisi de verificació d’optimització de processos [2].

Taula 1 Resultats de simulació del model de flux de processos de plantes de separació de l’aire

​

Article	Índex de disseny	Índex de simulació
Flux de flux de nitrogen líquid a la torre superior/(kmol/h)	4000	4007
Plenal d’aire líquid a la torre superior/(kmol/h)	5000	5000
Plenal de nitrogen líquid a la torre superior/(kmol/h)	4000	4000
Puresa de l’aire líquid a la torre inferior, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Puresa dels residus nitrogen a la torre superior, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Flux de nitrogen fora de la caixa freda/(kmol/h)	2350	2350
Pressió inferior de la torre superior/MPa	0.14	0.14
Pressió superior de la torre inferior/MPa	0.56	0.558
Sortida de producte nitrogen/(kmol/h)	2400	2400
Medi - Pressió Líquid Sortida de nitrogen/(kmol/h)	2940	2924.38
Sortida de nitrogen líquid de baixa pressió/(kmol/h)	1360	1336.58

​

Anàlisi d’optimització de processos

 

En el procés de separació de gas de la planta de separació de l’aire criogènic, la torre superior de la torre de rectificació té un paper clau. Mitjançant la investigació i l’anàlisi teòrica de l’equip, l’objectiu de l’estalvi d’energia i la reducció del consum es pot aconseguir canviant els paràmetres del procés de la torre superior de la torre de rectificació. Aquesta vegada, el mòdul de sensibilitat d’Aspen Plus s’utilitza per analitzar els diferents paràmetres de procés de la torre superior de la torre de rectificació en detall i s’obté l’esquema de funcionament del procés òptim.

 

Relació entre la posició de l’alimentació i l’eficiència de separació

 

En el procés de simulació, mantenint a la figura altres paràmetres sense canvis i canviar la posició de l’alimentació, es mostra el resultat del canvi de l’eficiència de separació de la torre superior.

 

Es pot veure a la figura que amb altres paràmetres sense canvis, canviant la posició d’alimentació de la torre superior de la torre de rectificació, l’eficiència de separació de la torre superior augmentarà primer i després disminuirà. Quan la posició d’alimentació s’estableix a la 28a safata, l’eficiència de separació arriba al màxim. Per tant, es pot veure que la 28a safata és la posició òptima d’alimentació.

Figura 1 Relació entre la posició d'alimentació de la torre inferior i la càrrega de calor a la part superior de la torre de destil·lació

 

Relació entre el flux d’alimentació i la sortida d’oxigen i la puresa

Si canvieu el cabal d’alimentació de la torre inferior i mantenint els altres paràmetres sense canvis, es mostren a la figura 2 els canvis en la sortida i la puresa del nitrogen líquid a la part superior de la torre de destil·lació.

 

Canviant el flux d'alimentació de la torre superior, mantenint els altres paràmetres sense canvis, es mostren els canvis de sortida d'oxigen i puresa a la torre superior de la torre de rectificació.

 

A la figura 2 es pot veure que amb l’augment del flux d’alimentació de la torre superior, la sortida d’oxigen augmenta gradualment, però la puresa mostra una tendència a la baixa, que és coherent amb l’anàlisi teòrica. Es pot veure a la figura que quan el flux d’alimentació de la torre superior està per sota dels 780 kmol/h, la puresa d’oxigen se situa per sobre del 99,6%, que compleix la demanda de gas de la indústria química. En aquest moment, la sortida és de 2850 kmol/h, que és significativament superior al flux d'alimentació inicial de 750 kmol/h i la sortida d'oxigen de 2780 kmol/h. Per tant, el flux d’alimentació s’ha de controlar a 780 kmol/h, cosa que pot augmentar la producció alhora que s’assegura la puresa d’oxigen.

 

Influència de la pressió sobre el consum d’energia

 

Mantenint altres paràmetres sense canvis i canviant la pressió de la torre superior, es mostra el canvi del consum d’energia del dispositiu.

 

Es pot veure a la figura que, amb l’augment de la pressió de la torre superior, el consum d’energia del dispositiu augmenta gradualment. Tenint en compte l'efecte de separació i el consum d'energia de forma exhaustiva, és convenient establir la pressió de la torre superior a 0,135 MPa, cosa que no només pot assegurar un bon efecte de separació, sinó que també evitar un consum excessiu d'energia.

 

Aplicació pràctica de l’esquema d’optimització de processos

 

El gas produït per la fàbrica es subministra principalment a empreses químiques i l’oxigen produït s’utilitza en les reaccions d’oxidació en reaccions químiques. En els darrers anys, a causa de l’augment dels preus de l’energia i la intensificació de la competència del mercat, l’espai de benefici de la fàbrica s’ha reduït gradualment. En aquest cas, la fàbrica va decidir reduir el consum d’energia i millorar els beneficis econòmics millorant el procés de producció. Després de la investigació i l’anàlisi, la fàbrica va realitzar la millora del procés al maig de 2023. L’esquema de millora és el següent: La pressió de la torre superior de la torre de rectificació s’estableix en 0,135 MPa, la temperatura d’alimentació de la torre superior s’estableix a -168 graus, la quantitat d’alimentació de la torre superior s’ajusta a 780 kmol/h i la posició d’alimentació s’estableix a la 28a tria. A causa de la millora del procés, s'ha reduït el consum d'energia de la torre de rectificació, de manera que es pot augmentar adequadament la capacitat de manipulació de l'aire de la planta de separació de l'aire criogènic, augmentant així la producció d'oxigen. En el procés de millora del procés, el flux d’alimentació del sistema de compressió d’aire es canvia alhora i s’analitza l’efecte d’aplicació de la planta de separació d’aire criogènica sota diferents càrregues. El període de verificació de cada càrrega és de 15 dies i la situació de producció es mostra a la taula 2.

 

Es pot veure a la taula 2 que després de l’optimització del procés, la càrrega de condició de treball variable màxima pot arribar al 115% de la càrrega original i, en aquest cas, s’incrementa tant l’oxigen com les sortides d’oxigen líquid. D'altra banda, menys de 115% de càrrega, el consum d'energia de la torre superior de la torre de rectificació canvia de -7,85 MW a -7,23 MW original, amb un estalvi d'energia del 7,9%. Mitjançant l’anàlisi de l’energia elèctrica de l’equip, se sap que la reducció d’energia elèctrica de l’equip menor del 115% és de 125 kW · h. El cost d’electricitat industrial a la zona on es troba la fàbrica és de 0,72 yuan/(kw · h). Calculat per l'equip que opera durant 330 dies, el cost d'electricitat anual es pot estalviar en 712.800 iuans. Calculat a partir de l’aspecte de la sortida del producte, després de l’optimització del procés, la sortida d’oxigen ha augmentat en 380 kmol/h, la sortida d’oxigen líquid ha augmentat en 420 kmol/h i la sortida d’argó líquida ha augmentat en 25 kmol/h. Es calcula que el benefici anual es pot augmentar en 3,2 milions de iuans. Així, es pot veure que la millora del procés pot crear anualment 3.9128 milions de iuans de beneficis per a l'empresa.

 

Taula 2 Situació de producció de la planta de separació de l’aire criogènic amb diferents càrregues després de l’optimització del procés

​

Article	Càrrega del 80%	Càrrega del 90%	Càrrega 100%	110% de càrrega	115% de càrrega
Import d'alimentació (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Sortida d’oxigen (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Sortida d’oxigen líquid (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Sortida d’argó líquid (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

​