A kriogén levegő elválasztó egység folyamatának optimalizálása

A vegyipar gyors fejlődésével növekszik az ipari gázok, például az oxigén iránti igény. Kulcsfontosságú berendezésként az 50 000 m³/h kriogén levegő -elválasztó egység működési hatékonysága és gazdasága nagy figyelmet fordított. Jelenleg a növekvő energiaárak és az intenzívített piaci verseny arra késztette a vállalatokat, hogy a költségek csökkentése és a hatékonyság növelése érdekében a folyamat optimalizálását kérjék. Ez a cikk egy vegyi üzem egységét veszi fel kutatási objektumként, az Aspen Plus szoftver segítségével készít egy modellt, a desztillációs torony folyamatparamétereire összpontosít, az optimális megoldást érzékenységi elemzéssel határozza meg, és különféle terhelések alatt ellenőrzi, és arra törekszik, hogy referenciát nyújtson az egység teljesítményének javításához és a növekvő gazdasági előnyöket. ​
 

 

A levegő -elválasztó üzem folyamatának felépítése

 

Folyamatáramlás

A kémiai termelési gyár által alkalmazott 50 000 m³/h kriogén levegő -elválasztó üzem a tényleges termelés során a szűrőrendszer, a kompressziós rendszer, az előadó rendszer és a bővítési rendszer áthaladása után a levegőbe lép, a gáz elválasztásának elérése érdekében. Ez a cikk elsősorban az oxigéntermelési folyamatot elemzi, és termelési folyamatának áramlása a következő:

 

A levegő belép a légkompresszorba, miután eltávolította a szennyeződéseket egy nagy hatékonyságú szűrőn keresztül. A sűrített levegő belép a lemezkészlet-előző rendszerbe, és hőt cserél a hűtővízzel a hőmérséklet csökkentése érdekében. Ezután a levegő egy része belép a következő stádiumú kompressziós rendszerbe, a másik rész pedig a további tisztítási kezelés után belép a kijavító toronyba.

 

A következő stádiumú kompressziós rendszerbe belépő légáram körülbelül 4500 kmol/h. A gáznak ez a része a hőcsere után belép az expanderbe, a hőmérséklet -115 fokra esik, a nyomást kb. 0,15 MPa -ra csökkentik az expanderen keresztül, majd a hőcserét követően belépnek a rektifikációs toronyba, a hőmérséklet körülbelül -165 fokra esik.

 

A rektifikációs tornyot egy felső toronyra és az alsó toronyra osztják. A felső torony egy alacsony nyomású torony, kb. 130 kPa nyomáson, az alsó torony pedig egy nagynyomású torony, kb. 580 kPa nyomáson. A gázcserét és az expanderből származó gázt a felső torony felső toronyjának felső részére és középső részére továbbítják. A gázt sokszor kijavítják a kijavító toronyban. A torony tetején nitrogént kapunk, az oxigént a torony alján kapjuk, és néhány folyékony terméket a megfelelő tárolótartályokban tárolnak.

 

A folyamatáramlási modell felépítése

A fenti levegő -szétválasztási folyamatból ismert lehet, hogy a tényleges gyártási folyamat magában foglalja a kompressziót, a hűtést, a bővítést, a helyesbítést és az egyéb folyamatot. Az Aspen Plus szoftver használatakor a folyamatszimulációhoz az alkalmazott modulok és funkciók a következők:

 

●A légkompresszor elfogadja a CompR modult;

● Az Expander elfogadja az EXP modult;

● A hőcserélő elfogadja a Heatx modult;

● A rektifikációs torony elfogadja a RadFrac modult;

● A szivattyú elfogadja a szivattyú modult;

● Az elválasztó elfogadja az SEP modult.

A modellszimuláció folyamatában, a különböző egységmodulok funkciói szerint, az anyagáramlással kapcsolódnak, és az áramlást az oxigéntermelési folyamat szerint hajtják végre. A szimuláció során a berendezés paramétereit a tervezési értékek szerint állítják be. A rektifikációs torony felső torony tetején lévő nyomás 0,132 MPa -ra van állítva, a torony alján lévő nyomást 0,138 MPa -ra állítják, a torony tetején lévő hőmérsékletet -193,5 fokra állítják, a torony alján lévő hőmérsékletet -180,2 fokra állítják, és a tészta száma 55. A szimulációs elemzés után a táblázatban látható.

 

Látható a modellben szereplő modell szimulációs eredményeiből, hogy a modell különféle indexei alapvetően összhangban állnak a kriogén levegő -elválasztó üzem tervezési indexeivel. A felső toronyban a folyékony oxigén tisztasága és a tervezési érték közötti különbség 0,8%, a szimulációs érték ingadozása a megengedett tartományon belül van, és a szimulált oxigénkimenet a tervezési értékhez közel van, a hibák a megengedett tartományon belül vannak. Így látható, hogy a modellt ezúttal létrehozott modell felhasználható a folyamat optimalizálásának ellenőrzésére [2].

1. táblázat A levegő elválasztó üzem folyamatának áramlási modelljének szimulációs eredményei

​

Tétel	Tervezési index	Szimulációs index
A hulladék folyékony nitrogén áramlási sebessége a felső toronyba (Kmol/H)	4000	4007
A folyékony levegő áramlási sebessége a felső toronyba/(kmol/h)	5000	5000
A folyékony nitrogén áramlási sebessége a felső toronyba/(kmol/h)	4000	4000
A folyékony levegő tisztasága az alsó toronyban, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
A hulladék nitrogén tisztasága a felső toronyban, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
A nitrogén áramlási sebessége a hideg dobozból/(kmol/h)	2350	2350
A felső torony/MPa alsó nyomása	0.14	0.14
Az alsó torony/MPa felső nyomása	0.56	0.558
Nitrogén termékek kimenete/(kmol/h)	2400	2400
Közepes nyomású folyadék nitrogén kimenete/(kmol/h)	2940	2924.38
Alacsony nyomású folyadék nitrogén kimenete/(kmol/h)	1360	1336.58

​

Folyamat optimalizálási elemzés

 

A kriogén levegő elválasztóüzem gázszétválasztási folyamatában a kijavító torony felső torony kulcsszerepet játszik. A berendezés kutatása és elméleti elemzése révén az energiamegtakarítás és a fogyasztás csökkentésének célja a kijavító torony felső toronyjának paramétereinek megváltoztatásával érhető el. Ezúttal az Aspen Plus érzékenységi modulját használják a kijavító torony felső toronyjának különböző folyamatparamétereinek elemzésére, és az optimális folyamat működési sémáját kapjuk.

 

Kapcsolat a takarmányhelyzet és az elválasztási hatékonyság között

 

A szimulációs folyamatban, ha más paraméterek változatlanul tartják és megváltoztatják a takarmányhelyzetet, a felső torony elválasztási hatékonyságának változási eredményét az ábrán mutatjuk be.

 

Az ábrából látható, hogy más paraméterek változatlanul, megváltoztatva a kijavító torony felső toronyjának takarmányhelyzetét, a felső torony elválasztási hatékonysága először növekedni fog, majd csökken. Amikor a takarmányhelyzetet a 28. tálcán állítják be, az elválasztási hatékonyság eléri a legmagasabbat. Így látható, hogy a 28. tálca az optimális takarmányhelyzet.

1. ábra Az alsó torony takarmányhelyzete és a desztillációs torony tetején lévő hőterhelés közötti kapcsolat

 

Kapcsolat a takarmány -áramlás és az oxigénteljesítmény és a tisztaság között

Az alsó torony takarmány -áramlási sebességének megváltoztatásával és más paraméterek változatlan tartásával a desztillációs torony kimenetének és tisztaságának változásait a 2. ábra mutatja.

 

A felső torony takarmány -áramlásának megváltoztatása, más paraméterek változatlanul tartása, az oxigén kimenetének és a tisztaságának tisztaságának változásait a rektifikációs torony felső toronyjában az ábra mutatja.

 

A 2. ábrából látható, hogy a felső torony takarmányáramának növekedésével az oxigén kimenete fokozatosan növekszik, de a tisztaság lefelé mutató tendenciát mutat, amely összhangban van az elméleti elemzéssel. Az ábrából látható, hogy amikor a felső torony takarmányárama 780 kmol/h alatt van, az oxigén tisztasága meghaladja a 99,6%-ot, ami megfelel a vegyipar gázigényének. Ebben az időben a kimenet 2850 kmol/h, ami szignifikánsan magasabb, mint a 750 kmol/h kezdeti betáplálási áramlás és a 2780 kmol/h oxigén kimenete. Ezért a takarmányáramot 780 kmol/h sebességgel kell szabályozni, ami növeli a termelést, miközben biztosítja az oxigén tisztaságát.

 

A nyomás hatása az energiafogyasztásra

 

A többi paramétert változatlanul tartva és a felső torony nyomásának megváltoztatásakor az eszköz energiafogyasztásának változása az ábrán látható.

 

Az ábrából látható, hogy a felső torony nyomásának növekedésével az eszköz energiafogyasztása fokozatosan növekszik. Figyelembe véve az elválasztási hatást és az energiafogyasztást, helyénvaló a felső torony nyomását 0,135 MPa -ra állítani, amely nemcsak a jó elválasztási hatást képes biztosítani, hanem elkerülni a túlzott energiafogyasztást.

 

A folyamat optimalizálási rendszerének gyakorlati alkalmazása

 

A gyár által termelt gázt elsősorban a kémiai vállalkozásoknak szállítják, és a termelt oxigént a kémiai reakciókban oxidációs reakciókban használják. Az utóbbi években, az emelkedő energiaárak és az intenzívített piaci verseny miatt, a gyár profitterülete fokozatosan szűkült. Ebben az esetben a gyár úgy döntött, hogy csökkenti az energiafogyasztást és javítja a gazdasági előnyöket a termelési folyamat javításával. Kutatás és elemzés után a gyár 2023 májusában elvégezte a folyamatjavítást. A javítási séma a következő: A rektifikációs torony felső torony nyomása 0,135 MPa -ra van állítva, a felső torony takarmányhőmérsékletét -168 fokra állítják, a felső torony adagolási mennyiségét beállítják, és a takarmányhelyzet be van állítva a 28. tray -ra. A folyamat javítása miatt csökkent a rektifikációs torony energiafogyasztása, így a kriogén levegő -elválasztó üzem légkezelési képessége megfelelően megnövelhető, ezáltal növelve az oxigénteljesítményt. A folyamatjavítás során a légkompressziós rendszer takarmányáramát egyszerre változtatják, és a kriogén levegő elválasztó üzem alkalmazásának hatását különböző terhelések mellett elemezzük. Az egyes terhelések ellenőrzési periódusa 15 nap, és a termelési helyzetet a 2. táblázat mutatja.

 

A 2. táblázatból kitűnik, hogy a folyamat optimalizálása után a maximális változó munkakörülmény -terhelés elérheti az eredeti terhelés 115% -át, és ebben az esetben mind az oxigén, mind a folyadék oxigén kimenete növekszik. Ezenkívül a 115% -os terhelés alatt a rektifikációs torony felső torony energiafogyasztása az eredeti -7,85 MW -ról -7,23 MW -ra változik, 7,9% -os energiamegtakarítással. A berendezés elektromos energiájának elemzésével ismert, hogy a berendezés elektromos energiacsökkentése 115% -os terhelés alatt 125 kW · h. Az ipari villamosenergia -költség abban a területen, ahol a gyár található, 0,72 jüan/(kw · h). A 330 napig működő berendezés által kiszámítva az éves villamosenergia -költség 712 800 jüannal megtakarítható. A termék kimenetének aspektusából kiszámítva, a folyamat optimalizálása után az oxigén kimenete 380 kmol/h -rel nőtt, a folyadék oxigén kimenete 420 kmol/h -rel nőtt, és a folyékony argon kimenete 25 kmol/h -rel nőtt. Kiszámítják, hogy az éves nyereség 3,2 millió jüannal növelhető. Így látható, hogy a folyamatjavítás évente 3,9128 millió jüan előnyt hozhat létre a vállalkozás számára.

 

2. táblázat A kriogén levegő elválasztó üzem előállítási helyzete különböző terhelések alatt a folyamat optimalizálása után

​

Tétel	80% -os terhelés	90% -os terhelés	100% -os terhelés	110% -os terhelés	115% -os terhelés
Takarmány mennyisége (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Oxigén kimenete (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Folyékony oxigén kimenete (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Folyékony argonkimenet (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

​