Processoptimering av kryogen luftavskiljningsenhet

Med den snabba utvecklingen av den kemiska industrin växer efterfrågan på industriella gaser som syre. Som en nyckelutrustning har driftseffektiviteten och ekonomin för den 50 000 m³/h kryogena luftseparationsenheten väckt mycket uppmärksamhet. För närvarande har stigande energipriser och intensifierad marknadskonkurrens fått företag att söka processoptimering för att minska kostnaderna och öka effektiviteten. Denna artikel tar enheten för en kemisk anläggning som forskningsobjekt, bygger en modell med hjälp av Aspen Plus -programvara, fokuserar på processparametrarna för destillationstornet, bestämmer den optimala lösningen genom känslighetsanalys och verifierar den under olika belastningar och syftar till att ge en referens för att förbättra enhetens prestanda och öka ekonomiska fördelar. ​
 

 

Konstruktion av processflödesmodell för luftseparationsanläggning

 

Processflöde

Den 50 000 m³/h kryogena luftseparationsanläggningen som antagits av en kemisk produktionsfabrik, i den faktiska produktionen kommer luft in i rektifieringssystemet efter att ha passerat genom filtreringssystemet, komprimeringssystemet, förkylningssystemet och expansionssystemet i följd för att uppnå gasseparation. Detta dokument analyserar huvudsakligen syreproduktionsprocessen, och dess produktionsprocessflöde är som följer:

 

Luft kommer in i luftkompressorn efter att ha tagit bort föroreningar genom ett högeffektivt filter. Komprimerad luft kommer in i plattfinförförkylningssystemet och utbyter värme med kylvatten för att minska temperaturen. Sedan kommer en del av luften in i nästa stegs komprimeringssystem, och den andra delen kommer in i rektifieringstornet efter ytterligare reningsbehandling.

 

Luftflödet som kommer in i nästa stegs komprimeringssystem är cirka 4500 kmol/h. Denna del av gasen kommer in i expander efter värmeväxling, temperaturen sjunker till cirka -115 grad, trycket reduceras till cirka 0,15 MPa genom expander och går sedan in i korrigeringstornet efter värmeväxlingen med temperaturen som sjunker till cirka -165 grader.

 

Rättningstornet är uppdelat i ett övre torn och ett nedre torn. Det övre tornet är ett lågtryckstorn med ett tryck på cirka 130 kPa, och det nedre tornet är ett högtryckstorn med ett tryck på cirka 580 kPa. Gasen efter värmeväxling och gasen från expander skickas till den övre delen och den mellersta delen av det övre tornet i rättegångstornet. Gasen korrigeras många gånger i rättelse tornet. Kväve erhålls högst upp i tornet, syre erhålls längst ner i tornet och vissa flytande produkter lagras i motsvarande lagringstankar.

 

Konstruktion av processflödesmodell

Det kan vara känt från ovanstående luftseparationsprocess att den faktiska produktionsprocessen inkluderar komprimering, kylning, expansion, rättelse och andra processer. När du använder ASPEN PLUS -programvara för processsimulering är de tillämpade modulerna och funktionerna följande:

 

●Luftkompressorn antar compr -modulen;

● Expander antar EXP -modulen;

● Värmeväxlaren antar värmex -modulen;

● Rättningstornet antar Radfrac -modulen;

● Pumpen antar pumpmodulen;

● Separatorn antar SEP -modulen.

I processen med modellsimulering är de enligt funktionerna för olika enhetsmoduler anslutna genom materialflöde, och flödet utförs enligt syreproduktionsprocessen. Under simuleringen ställs ut utrustningsparametrarna enligt designvärdena. Trycket på toppen av det övre tornet i korrigeringstornet är inställt på 0,132 MPa, trycket längst ner i tornet är inställt på 0,138 MPa, temperaturen längst upp i tornet är inställt på -193,5 grader, temperaturen längst ner i tornet är inställt på -180,2 grader och antalet skamar är 55.

 

Det kan ses från simuleringsresultaten från modellen i tabellen att olika index för modellen i princip överensstämmer med designindexen för den kryogena luftseparationsanläggningen. Skillnaden mellan renheten hos flytande syre i det övre tornet och designvärdet är 0,8%, fluktuationen av simuleringsvärdet ligger inom det tillåtna intervallet och den simulerade syreutgången är nära designvärdet, med fel inom det tillåtna intervallet. Således kan man se att modellen som fastställts den här gången kan användas för analys av procesoptimering av verifiering av processer [2].

Tabell 1 Simuleringsresultat av luftseparationsanläggningens flödesmodell

​

Punkt	Designindex	Simuleringsindex
Flödeshastighet för avfallsvätskekväve in i det övre tornet/(kmol/h)	4000	4007
Flödeshastighet för flytande luft in i det övre tornet/(kmol/h)	5000	5000
Flödeshastighet av flytande kväve in i det övre tornet/(kmol/h)	4000	4000
Renhet av flytande luft i det nedre tornet, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Renhet av avfallskväve i det övre tornet, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Flödeshastighet av kväve ur kalllådan/(kmol/h)	2350	2350
Övre tornets nedre tryck	0.14	0.14
Det övre trycket i det nedre tornet/MPA	0.56	0.558
Kväveproduktutgång/(kmol/h)	2400	2400
Medium - Tryckflytande kväveutgång/(kmol/h)	2940	2924.38
Lågt tryckvätskekväveutgång/(kmol/h)	1360	1336.58

​

Processoptimeringsanalys

 

I gasseparationsprocessen för den kryogena luftseparationsanläggningen spelar det övre tornet i rektifieringstornet en nyckelroll. Genom forskningen och teoretisk analys av utrustningen kan målet för energibesparing och konsumtionsminskning uppnås genom att ändra processparametrarna för det övre tornet i rektifieringstornet. Denna gång används känslighetsmodulen för Aspen Plus för att analysera de olika processparametrarna för det övre tornet i rättelse tornet i detalj och det optimala procesoperationsschemat erhålls.

 

Förhållandet mellan foderposition och separationseffektivitet

 

I simuleringsprocessen, att hålla andra parametrar oförändrade och ändra foderpositionen, visas förändringsresultatet av separationseffektiviteten för det övre tornet i figur.

 

Det kan ses från figuren att med andra parametrar oförändrade, att ändra matningspositionen för det övre tornet i rektifieringstornet, kommer separationseffektiviteten för det övre tornet först att öka och sedan minska. När matningspositionen är inställd vid den 28: e facket når separationseffektiviteten det högsta. Således kan man se att det 28: e facket är det optimala foderpositionen.

Figur 1 Förhållandet mellan foderläget för det nedre tornet och värmebelastningen högst upp i destillationstornet

 

Förhållandet mellan foderflöde och syreproduktion och renhet

Genom att ändra foderflödeshastigheten för det nedre tornet och hålla andra parametrar oförändrade visas förändringarna i utgången och renheten hos flytande kväve på toppen av destillationstornet i figur 2.

 

Ändring av foderflödet i det övre tornet, hålla andra parametrar oförändrade, förändringarna av syreutgången och renheten i det övre tornet i rektifieringstornet visas i figuren.

 

Det kan ses från figur 2 att med ökningen av foderflödet i det övre tornet ökar syreproduktionen gradvis, men renheten visar en nedåtgående trend, som är förenlig med den teoretiska analysen. Det framgår av figuren att när foderflödet i det övre tornet är under 780 kmol/h, är syreens renhet över 99,6%, vilket möter gasbehovet för den kemiska industrin. För närvarande är utgången 2850 kmol/h, vilket är betydligt högre än det initiala matningsflödet på 750 kmol/h och syreutgången på 2780 kmol/h. Därför bör matningsflödet styras vid 780 kmol/h, vilket kan öka utgången samtidigt som syre -renheten säkerställs.

 

Påverkan av tryck på energiförbrukningen

 

Att hålla andra parametrar oförändrade och ändra trycket på det övre tornet, visas förändringen av enhetens energiförbrukning i figuren.

 

Det kan ses från figuren att med ökningen av trycket från det övre tornet ökar enhetens energiförbrukning gradvis. Med tanke på separationseffekten och energiförbrukningen omfattande är det lämpligt att sätta trycket från det övre tornet till 0,135 MPa, vilket inte bara kan säkerställa en god separationseffekt, utan också undvika överdriven energiförbrukning.

 

Praktisk tillämpning av processoptimeringsschema

 

Gasen som produceras av fabriken levereras huvudsakligen till kemiska företag, och det producerade syre används i oxidationsreaktioner i kemiska reaktioner. Under de senaste åren, på grund av de stigande energipriserna och intensifierade marknadskonkurrensen, har fabrikens vinstutrymme gradvis minskat. I detta fall beslutade fabriken att minska energiförbrukningen och förbättra de ekonomiska fördelarna genom att förbättra produktionsprocessen. Efter forskning och analys genomförde fabriken processförbättring i maj 2023. Förbättringsschemat är följande: Trycket från det övre tornet i korrigeringstornet är inställt på 0,135 MPa, matningstemperaturen för det övre tornet är inställt på -168 grad, matningsmängden för det övre tornet är justerat till 780 kmol/h, och foderläget är inställt på den 28 graden, matningsmängden för det övre tornet är justerat till 780 kmol/h, och foderläget är inställt på den 28 graden, matningsmängden för det övre tornet justeras till 780 kmol/h, och det foderläget är inställt på den 28: e graden, matningsmängden för det övre tornet är justerat till 780 kmol/h, och det foderläget är inställt på den 28 graden. På grund av processförbättringen har energiförbrukningen för korrigeringstornet minskat, så lufthanteringskapaciteten för den kryogena luftseparationsanläggningen kan ökas på lämpligt sätt, vilket ökar syreproduktionen. I processen för processförbättring ändras matningsflödet av luftkomprimeringssystemet samtidigt, och appliceringseffekten av den kryogena luftseparationsanläggningen analyseras under olika belastningar. Verifieringsperioden för varje belastning är 15 dagar och produktionssituationen visas i tabell 2.

 

Det kan ses från tabell 2 att efter processoptimering kan den maximala variabla arbetsvillkorbelastningen nå 115% av den ursprungliga belastningen, och i detta fall ökas både syre och flytande syreutgångar. Under 115% belastning förändras dessutom energikonsumtionen för det övre tornet i rektifieringstornet från det ursprungliga -7,85 MW till -7,23 MW, med en energibesparing på 7,9%. Genom analysen av utrustningens elektriska energi är det känt att den elektriska energireduktionen för utrustningen under 115% belastning är 125 kW · h. Den industriella elkostnaden i det område där fabriken är belägen är 0,72 yuan/(kw · h). Den årliga elkostnaden beräknas av utrustningen i 330 dagar och kan sparas med 712 800 yuan. Syreutgången beräknades utifrån produktutgången, efter processoptimering har ökat med 380 kmol/h, den flytande syreutgången har ökat med 420 kmol/h och den flytande argonutgången har ökat med 25 kmol/h. Det beräknas att den årliga vinsten kan ökas med 3,2 miljoner yuan. Således kan man se att processförbättringen kan skapa 3,9128 miljoner yuan förmåner för företaget årligen.

 

Tabell 2 Produktionssituation för kryogen luftseparationsanläggning under olika belastningar efter processoptimering

​

Objekt	80% belastning	90% belastning	100% belastning	110% belastning	115% belastning
Matningsbelopp (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Syreutgång (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Flytande syreutgång (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Flytande argonutgång (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

​