Kryogeenisen ilmanpoistoyksikön prosessin optimointi

Kemianteollisuuden nopean kehityksen myötä teollisuuskaasujen, kuten hapen, kysyntä kasvaa. Keskeisinä laitteina 50 000 m³/h kryogeenisen ilmanerotusyksikön toimintatehokkuus ja talous ovat herättäneet paljon huomiota. Tällä hetkellä nousevat energian hinnat ja tehostettu markkinakilpailu ovat saaneet yrityksiä hakemaan prosessien optimointia kustannusten vähentämiseksi ja tehokkuuden lisäämiseksi. Tämä artikkeli ottaa kemiallisen kasvin yksikön tutkimusobjektiksi, rakentaa mallin Aspen Plus -ohjelmiston avulla, keskittyy tislaustornin prosessiparametreihin, määrittää optimaalisen ratkaisun herkkyysanalyysin avulla ja varmistaa sen erilaisissa kuormituksissa, joiden tarkoituksena on tarjota viite yksikön suorituskyvyn parantamiseksi ja taloudellisten hyötyjen lisäämiseksi. ​
 

 

Prosessivirtamallin rakentaminen ilmanerotuslaitokselle

 

Prosessivirtaus

Kemiallisen tuotantotehtaan käyttöön otettu 50 000 m³/h kryogeeninen ilmanpoistolaitos, todellisessa tuotannossa, AIR siirtyy korjausjärjestelmään sen jälkeen, kun se on läpäissyt suodatusjärjestelmän, puristusjärjestelmän, esikäsittelyjärjestelmän ja laajennusjärjestelmän järjestyksessä kaasun erottamisen saavuttamiseksi. Tämä artikkeli analysoi pääasiassa hapentuotantoprosessia, ja sen tuotantoprosessin virtaus on seuraava:

 

Ilma tulee ilmakompressoriin sen jälkeen, kun epäpuhtaudet on poistettu korkean tehokkuuden suodattimen kautta. Paineilma tulee levy-e-esikäsittelyjärjestelmään ja vaihtaa lämpöä jäähdytysvedellä lämpötilan alentamiseksi. Sitten osa ilmasta tulee seuraavan vaiheen puristusjärjestelmään, ja toinen osa tulee korjaustorniin lisäpuhdistuskäsittelyn jälkeen.

 

Seuraavan vaiheen puristusjärjestelmään saapuva ilmavirta on noin 4500 kmol/h. Tämä kaasun osa menee laajennukseen lämmönvaihdon jälkeen, lämpötila laskee noin -115 asteeseen, paine alenee noin 0,15 MPa: een laajennuksen läpi ja siirtyy sitten korjaustorniin lämmönvaihdon jälkeen lämpötilan putoamisen ollessa noin -165 asteeseen.

 

Korjaustorni on jaettu ylempiin torniin ja ala -torniin. Ylätorni on matalapaineinen torni, jonka paine on noin 130 kPa, ja alempi torni on korkeapaineinen torni, jonka paine on noin 580 kPa. Lämmönvaihdon jälkeen ja laajennuksesta kaasu lähetetään vastaavasti tasasuuntaustornin yläosaan ja keskiosaan. Kaasu korjataan monta kertaa korjaustornissa. Tornin yläosassa saadaan typpi, happi saadaan tornin alaosasta ja joitain nestemäisiä tuotteita säilytetään vastaavissa varastosäiliöissä.

 

Prosessivirtamallin rakentaminen

Yllä olevasta ilmanerotusprosessista voidaan tietää, että todellinen tuotantoprosessi sisältää pakkauksen, jäähdytyksen, laajennuksen, korjaus- ja muut prosessit. Kun käytät Aspen Plus -ohjelmistoa prosessisimulaatioon, sovelletut moduulit ja toiminnot ovat seuraavat:

 

●Ilmakompressori hyväksyy Comprom -moduulin;

● Expander hyväksyy EXP -moduulin;

● Lämmönvaihdin hyväksyy HeatX -moduulin;

● Korjaustorni hyväksyy RadFRAC -moduulin;

● Pumppu hyväksyy pumpun moduulin;

● Erotin hyväksyy SEP -moduulin.

Mallisimulaatioprosessissa eri yksikkömoduulien toimintojen mukaan ne on kytketty materiaalivirtauksella ja virtaus suoritetaan hapentuotantoprosessin mukaan. Simulaation aikana laiteparametrit asetetaan suunnitteluarvojen mukaan. Paine taskutornin ylätornin yläosassa asetetaan arvoon 0,132 MPa, tornin alaosassa oleva paine on asetettu 0,138 MPa: een, tornin yläosassa oleva lämpötila on asetettu -193,5 asteeseen, tornin alapuolella oleva lämpötila on asetettu -180,2 asteeseen ja tippien lukumäärä 55. Simulaatioanalyysin jälkeen tulos on taulukko.

 

Taulukon mallin simulaatiotuloksista voidaan nähdä, että mallin eri indeksit ovat periaatteessa yhdenmukaisia ​​kryogeenisen ilmanpoistolaitoksen suunnitteluindeksien kanssa. Ero nestemäisen hapen puhtauden ja suunnittelun arvon ja suunnittelun arvon välillä on 0,8%, simulaatioarvon heilahtelu on sallitulla alueella ja simuloitu hapentuotto on lähellä suunnitteluarvoa, ja virheet ovat sallitulla alueella. Siten voidaan nähdä, että tällä kertaa määritettyä mallia voidaan käyttää prosessien optimoinnin varmennusanalyysiin [2].

Taulukko 1 Ilman erottamisen kasvien prosessin virtausmallin simulaatiotulokset

​

Esine	Suunnittelusindeksi	Simulaatioindeksi
Jätteen nestemäisen typen virtausnopeus ylempään torniin/(kmol/h)	4000	4007
Nestemäisen ilman virtausnopeus ylempään torniin/(kmol/h)	5000	5000
Nestemäisen typen virtaus ylempään torniin/(kmol/h)	4000	4000
Nestemäisen ilman puhtaus alemmassa tornissa, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Jätteen typen puhtaus ylemmällä tornissa, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Typen virtausnopeus kylmästä laatikosta/(kmol/h)	2350	2350
Ylätornin/MPA: n pohjapaine	0.14	0.14
Alemman tornin/MPA: n yläpaine	0.56	0.558
Typpituotteen lähtö/(kmol/h)	2400	2400
Keskipitkä - paineen nesteen typen lähtö/(kmol/h)	2940	2924.38
Matala - paine nestemäinen typen lähtö/(kmol/h)	1360	1336.58

​

Prosessin optimointianalyysi

 

Kryogeenisen ilmanpoistolaitoksen kaasun erotusprosessissa oikaisutornin ylätornilla on avainrooli. Laitteiden tutkimuksen ja teoreettisen analyysin avulla energiansäästön ja kulutuksen vähentämisen tavoite voidaan saavuttaa muuttamalla korjaustornin ylemmän tornin prosessiparametreja. Tällä kertaa Aspen Plus -herkkyysmoduulia käytetään tarkistustornin ylemmän tornin eri prosessiparametrien analysointiin yksityiskohtaisesti ja saadaan optimaalinen prosessitoimintajärjestelmä.

 

Suhteen ja erottelutehokkuuden välinen suhde

 

Simulaatioprosessissa, joka pitää muut parametrit muuttumattomana ja muuttaa syöttöasemaa, ylemmän tornin erotustehokkuuden muutostulos on esitetty kuvassa.

 

Kuvasta voidaan nähdä, että muiden parametrien kanssa muuttumattomana, joka muuttaa tasasuuntaustornin ylemmän tornin syöttöasemaa, ylemmän tornin erotustehokkuus kasvaa ensin ja sitten vähenee. Kun syöttöasento asetetaan 28. lokeroon, erotustehokkuus saavuttaa korkeimman. Siten voidaan nähdä, että 28. lokero on optimaalinen syöttöasento.

Kuva 1 Alemman tornin syöttöasennon ja tislaustornin yläosassa olevan lämpökuorman välinen suhde

 

Syöttövirtauksen ja hapen tuotannon ja puhtauden välinen suhde

Muuttamalla alemman tornin syöttövirtausnopeutta ja pitämällä muut parametrit muuttumattomana, kuviossa 2 esitetään nestemäisen typen lähdön ja puhtauden muutokset tislaustornin yläosassa.

 

Ylätornin syöttövirtauksen muuttaminen pitäen muut parametrit muuttumattomana, hapen ulostulon ja puhtauden muutokset korjaustornin ylätornissa on esitetty kuvassa.

 

Kuviosta 2 voidaan nähdä, että ylemmän tornin syöttövirtauksen lisääntyessä hapen tuotanto kasvaa vähitellen, mutta puhtaus osoittaa alaspäin suuntautuvan trendin, joka on yhdenmukainen teoreettisen analyysin kanssa. Kuvasta voidaan nähdä, että kun ylemmän tornin syöttövirta on alle 780 kmol/h, hapen puhtaus on yli 99,6%, mikä vastaa kemianteollisuuden kaasun tarvetta. Tällä hetkellä lähtö on 2850 kmol/h, mikä on huomattavasti korkeampi kuin alkuperäinen syöttövirta 750 kmol/h ja happea 2780 kmol/h. Siksi syöttövirtausta tulisi ohjata nopeudella 780 kmol/h, mikä voi lisätä lähtöä samalla kun varmistetaan hapen puhtaus.

 

Paineen vaikutus energiankulutukseen

 

Pitämällä muut parametrit ennallaan ja muuttavat ylemmän tornin painetta, laitteen energiankulutuksen muutos on esitetty kuvassa.

 

Kuvasta voidaan nähdä, että ylemmän tornin paineen noustessa laitteen energiankulutus kasvaa vähitellen. Kun otetaan huomioon erotteluvaikutus ja energiankulutus kattavasti, on aiheellista asettaa ylempi tornin paine 0,135 MPa: een, mikä ei vain takaa hyvää erotteluvaikutusta, vaan myös välttää liiallista energiankulutusta.

 

Prosessien optimointijärjestelmän käytännön soveltaminen

 

Tehtaan tuottama kaasu toimitetaan pääasiassa kemiallisille yrityksille, ja tuotettua happea käytetään hapettumisreaktioissa kemiallisissa reaktioissa. Viime vuosina nousevien energian hintojen ja markkinakilpailun vuoksi tehtaan voittotila on vähitellen kaventunut. Tässä tapauksessa tehdas päätti vähentää energiankulutusta ja parantaa taloudellisia etuja parantamalla tuotantoprosessia. Tutkimuksen ja analyysin jälkeen tehdas suoritti prosessin parannuksen toukokuussa 2023. Parannusjärjestelmä on seuraava: Korjaustornin ylemmän tornin paine asetetaan arvoon 0,135 MPa, ylemmän tornin syöttölämpötila on asetettu -168 -asteeseen, ylemmän tornin syöttömäärä on säädetty 780 kmol/h, ja syöttöasento on asetettu 28. trippiin. Prosessin parannuksen vuoksi tasasuuntaustornin energiankulutus on vähentynyt, joten kryogeenisen ilmanerottelulaitoksen ilmankäsittelykapasiteettia voidaan lisätä asianmukaisesti, mikä lisää happea. Prosessien parantamisprosessissa ilman pakkausjärjestelmän syöttövirta muuttuu samanaikaisesti, ja kryogeenisen ilmanpoistolaitoksen käyttövaikutus analysoidaan eri kuormilla. Kunkin kuorman varmennusjakso on 15 päivää, ja tuotantotilanne on esitetty taulukossa 2.

 

Taulukosta 2 voidaan nähdä, että prosessin optimoinnin jälkeen maksimaalinen muuttuvan toimintaolosuhteiden kuormitus voi saavuttaa 115% alkuperäisestä kuormasta, ja tässä tapauksessa sekä happi- että nestemäiset hapentuotokset lisääntyvät. Lisäksi alle 115%: n kuormitus, oikaisutornin ylemmän tornin energiankulutus muuttuu alkuperäisestä -7,85 MW: sta -7,23 MW: iin, energiansäästö 7,9%. Laitteiden sähköenergian analysoinnin avulla tiedetään, että laitteiden sähköenergian vähentäminen alle 115% on 125 kW · h. Teollisuuden sähkökustannukset alueella, jolla tehdas sijaitsee, on 0,72 yuan/(kW · h). Vuotuiset sähkökustannukset voidaan säästää 712 800 yuanilla, jotka on laskettu 330 päivän ajan toimivan laitteen avulla. Tuotteen ulostulon näkökulmasta laskettu prosessien optimoinnin jälkeen happea on lisääntynyt 380 kmol/h, nesteen hapen tuotanto on kasvanut 420 kmol/h ja nestemäisen argonin lähtö on lisääntynyt 25 kmol/h. Lasketaan, että vuotuinen voitto voidaan lisätä 3,2 miljoonalla yuanilla. Siksi voidaan nähdä, että prosessin parantaminen voi luoda 3,9128 miljoonaa yuania yritykselle vuosittain.

 

Taulukko 2 kryogeenisen ilmanpoistolaitoksen tuotantotilanne eri kuormilla prosessin optimoinnin jälkeen

​

Esine	80% kuorma	90% kuorma	100% kuorma	110% kuorma	115% kuorma
Syöttömäärä (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Hapen ulostulo (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Nestemäisen happea (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Nestemäinen argon -lähtö (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

​