Otimização do processo da unidade de separação de ar criogênica

Com o rápido desenvolvimento da indústria química, a demanda por gases industriais como o oxigênio está crescendo. Como equipamento -chave, a eficiência operacional e a economia da unidade de separação de ar criogênica de 50.000 m³/h atraíram muita atenção. Atualmente, o aumento dos preços da energia e a concorrência intensificada do mercado levaram as empresas a buscar a otimização de processos para reduzir custos e aumentar a eficiência. Este artigo leva a unidade de uma planta química como objeto de pesquisa, constrói um modelo com a ajuda do software Aspen Plus, concentra -se nos parâmetros do processo da torre de destilação, determina a solução ideal por meio da análise de sensibilidade e a verifica sob diferentes cargas, com o objetivo de fornecer uma referência para melhorar o desempenho da unidade e o aumento dos benefícios econômicos. ​
 

 

Construção do modelo de fluxo de processo para planta de separação de ar

 

Fluxo de processo

A planta de separação de ar criogênica de 50.000 m³/h adotada por uma fábrica de produção química, na produção real, o ar entra no sistema de retificação após passar pelo sistema de filtração, sistema de compressão, sistema de pré -resfriamento e sistema de expansão em sequência para obter a separação de gás. Este artigo analisa principalmente o processo de produção de oxigênio, e seu fluxo de processo de produção é o seguinte:

 

O ar entra no compressor de ar após a remoção de impurezas através de um filtro de alta eficiência. O ar comprimido entra no sistema de pré-resfriamento da placa e troca calor com água de resfriamento para reduzir a temperatura. Em seguida, parte do ar entra no sistema de compressão do próximo estágio e a outra parte entra na torre de retificação após um tratamento de purificação adicional.

 

O fluxo de ar que entra no sistema de compressão do próximo estágio é de cerca de 4.500 kmol/h. Essa parte do gás entra no expansor após a troca de calor, a temperatura cai para cerca de -115 graus, a pressão é reduzida para cerca de 0,15 MPa através do expansor e entra na torre de retificação após a troca de calor com a temperatura caindo para cerca de -165 graus.

 

A torre de retificação é dividida em uma torre superior e uma torre inferior. A torre superior é uma torre de baixa pressão com uma pressão de cerca de 130 kPa, e a torre inferior é uma torre de alta pressão com uma pressão de cerca de 580 kPa. O gás após a troca de calor e o gás do expansor são enviados para a parte superior e a parte média da torre superior da torre de retificação, respectivamente. O gás é retificado por muitas vezes na torre de retificação. O nitrogênio é obtido no topo da torre, o oxigênio é obtido na parte inferior da torre e alguns produtos líquidos são armazenados nos tanques de armazenamento correspondentes.

 

Construção do modelo de fluxo de processo

Pode -se saber do processo de separação de ar acima que o processo de produção real inclui compressão, resfriamento, expansão, retificação e outros processos. Ao usar o software Aspen Plus para simulação de processo, os módulos e funções aplicados são os seguintes:

 

●O compressor de ar adota o módulo Compr;

● O expansor adota o módulo exp;

● O trocador de calor adota o módulo Heatx;

● A torre de retificação adota o módulo RADFRAC;

● A bomba adota o módulo da bomba;

● O separador adota o módulo SEP.

No processo de simulação do modelo, de acordo com as funções de diferentes módulos de unidade, eles são conectados através do fluxo do material e o fluxo é executado de acordo com o processo de produção de oxigênio. Durante a simulação, os parâmetros do equipamento são definidos de acordo com os valores do projeto. A pressão no topo da torre superior da torre de retificação é ajustada para 0,132 MPa, a pressão na parte inferior da torre é ajustada para 0,138 MPa, a temperatura no topo da torre é definida como -193,5, a temperatura na parte inferior da torre é definida para -180.

 

Pode ser visto nos resultados da simulação do modelo na tabela que vários índices do modelo são basicamente consistentes com os índices de projeto da planta de separação de ar criogênica. A diferença entre a pureza do oxigênio líquido na torre superior e o valor do projeto é de 0,8%, a flutuação do valor da simulação está dentro da faixa permitida e a saída simulada de oxigênio está próxima do valor do projeto, com erros dentro da faixa permitida. Assim, pode -se observar que o modelo estabelecido esse tempo pode ser usado para análise de verificação de otimização de processos [2].

Tabela 1 Resultados da simulação do modelo de fluxo de processo de separação de ar

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Item	Índice de design	Índice de simulação
Taxa de fluxo de nitrogênio líquido de resíduos na torre superior/(kmol/h)	4000	4007
Taxa de fluxo de ar líquido na torre superior/(kmol/h)	5000	5000
Taxa de fluxo de nitrogênio líquido na torre superior/(kmol/h)	4000	4000
Pureza do ar líquido na torre inferior, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Pureza do nitrogênio de resíduos na torre superior, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Taxa de fluxo de nitrogênio fora da caixa fria/(kmol/h)	2350	2350
Pressão inferior da torre superior/MPA	0.14	0.14
Pressão superior da torre inferior/MPA	0.56	0.558
Saída do produto de nitrogênio/(kmol/h)	2400	2400
Média - saída de nitrogênio líquido de pressão/(kmol/h)	2940	2924.38
Saída de nitrogênio líquido de baixa pressão/(kmol/h)	1360	1336.58

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Análise de otimização de processos

 

No processo de separação de gás da planta de separação de ar criogênica, a torre superior da torre de retificação desempenha um papel fundamental. Através da pesquisa e da análise teórica do equipamento, o objetivo de economia de energia e redução do consumo pode ser alcançado alterando os parâmetros do processo da torre superior da torre de retificação. Desta vez, o módulo de sensibilidade do Aspen Plus é usado para analisar os diferentes parâmetros do processo da torre superior da torre de retificação em detalhes, e o esquema de operação ideal do processo é obtido.

 

Relação entre a posição da alimentação e a eficiência da separação

 

No processo de simulação, mantendo outros parâmetros inalterados e alterando a posição da alimentação, o resultado da mudança da eficiência da separação da torre superior é mostrado na figura.

 

Pode -se ver da figura que, com outros parâmetros inalterados, alterando a posição de alimentação da torre superior da torre de retificação, a eficiência da separação da torre superior aumentará primeiro e depois diminuirá. Quando a posição da alimentação é definida na 28ª bandeja, a eficiência da separação atinge a maior. Assim, pode -se observar que a 28ª bandeja é a posição ideal de alimentação.

Figura 1 Relação entre a posição de alimentação da torre inferior e a carga de calor na parte superior da torre de destilação

 

Relação entre fluxo de ração e saída de oxigênio e pureza

Ao alterar a taxa de fluxo de alimentação da torre inferior e manter inalterados outros parâmetros, as alterações na saída e pureza do nitrogênio líquido na parte superior da torre de destilação são mostradas na Figura 2.

 

Alterando o fluxo de alimentação da torre superior, mantendo inalterados outros parâmetros, as alterações da saída e pureza do oxigênio na torre superior da torre de retificação são mostradas na figura.

 

Pode ser visto na Figura 2 que, com o aumento do fluxo de alimentação da torre superior, a saída de oxigênio aumenta gradualmente, mas a pureza mostra uma tendência descendente, o que é consistente com a análise teórica. Pode -se ver da figura que, quando o fluxo de alimentação da torre superior está abaixo de 780 kmol/h, a pureza do oxigênio está acima de 99,6%, o que atende à demanda de gás da indústria química. Nesse momento, a saída é de 2850 kmol/h, o que é significativamente maior que o fluxo de alimentação inicial de 750 kmol/h e a saída de oxigênio de 2780 kmol/h. Portanto, o fluxo de alimentação deve ser controlado a 780 kmol/h, o que pode aumentar a saída, garantindo a pureza do oxigênio.

 

Influência da pressão no consumo de energia

 

Manter outros parâmetros inalterados e alterando a pressão da torre superior, a alteração do consumo de energia do dispositivo é mostrada na figura.

 

Pode -se ver da figura que, com o aumento da pressão da torre superior, o consumo de energia do dispositivo aumenta gradualmente. Considerando o efeito de separação e o consumo de energia de forma abrangente, é apropriado definir a pressão da torre superior como 0,135 MPa, o que pode não apenas garantir um bom efeito de separação, mas também evitar consumo excessivo de energia.

 

Aplicação prática do esquema de otimização de processos

 

O gás produzido pela fábrica é fornecido principalmente para empresas químicas, e o oxigênio produzido é usado em reações de oxidação em reações químicas. Nos últimos anos, devido ao aumento dos preços da energia e à concorrência do mercado, o espaço de lucro da fábrica se estreitou gradualmente. Nesse caso, a fábrica decidiu reduzir o consumo de energia e melhorar os benefícios econômicos, melhorando o processo de produção. Após a pesquisa e análise, a fábrica realizou a melhoria do processo em maio de 2023. O esquema de melhoria é o seguinte: a pressão da torre superior da torre de retificação é definida como 0,135 MPa, a temperatura da alimentação da torre superior é ajustada para -168, a quantidade de alimentação na posição de alimentação é definida na posição de 28 anos. Devido à melhoria do processo, o consumo de energia da torre de retificação foi reduzido; portanto, a capacidade de manuseio de ar da planta de separação de ar criogênica pode ser aumentada adequadamente, aumentando assim a produção de oxigênio. No processo de melhoria do processo, o fluxo de alimentação do sistema de compressão do ar é alterado ao mesmo tempo, e o efeito da aplicação da planta de separação de ar criogênico é analisado sob diferentes cargas. O período de verificação para cada carga é de 15 dias e a situação de produção é mostrada na Tabela 2.

 

Pode ser visto na Tabela 2 que, após a otimização do processo, a carga máxima de condição de trabalho variável pode atingir 115% da carga original e, nesse caso, as saídas de oxigênio e oxigênio líquido são aumentadas. Além disso, com menos de 115% de carga, o consumo de energia da torre superior da torre de retificação muda de -7,85 MW original para -7,23 MW, com uma economia de energia de 7,9%. Através da análise da energia elétrica do equipamento, sabe -se que a redução de energia elétrica do equipamento abaixo da carga de 115% é de 125 kW · h. O custo da eletricidade industrial na área onde a fábrica está localizada é de 0,72 yuan/(kW · h). Calculado pelo equipamento que opera por 330 dias, o custo anual da eletricidade pode ser economizado em 712.800 yuan. Calculado a partir do aspecto da saída do produto, após a otimização do processo, a saída de oxigênio aumentou em 380 kmol/h, a saída de oxigênio líquido aumentou 420 kmol/h e a produção de argônio líquido aumentou 25 kmol/h. É calculado que o lucro anual pode ser aumentado em 3,2 milhões de yuans. Assim, pode -se observar que a melhoria do processo pode criar 3,9128 milhões de yuans de benefícios para a empresa anualmente.

 

Tabela 2 Situação de produção da planta de separação de ar criogênica sob diferentes cargas após otimização do processo

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Item	80% de carga	90% de carga	100% de carga	110% de carga	115% de carga
Quantidade de alimentação (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Saída de oxigênio (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Saída de oxigênio líquido (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Saída de argônio líquido (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

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