بهینه سازی فرآیند واحد جداسازی هوای کرایوژنیک

با توسعه سریع صنعت شیمیایی ، تقاضای گازهای صنعتی مانند اکسیژن در حال رشد است. به عنوان یک تجهیزات کلیدی ، راندمان عملیاتی و اقتصاد واحد جداسازی هوای کرایوژنیک 50،000 متر مربع در ساعت توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در حال حاضر ، افزایش قیمت انرژی و تشدید رقابت در بازار باعث شده است که شرکت ها به دنبال بهینه سازی فرآیند برای کاهش هزینه ها و افزایش کارایی باشند. در این مقاله واحد یک گیاه شیمیایی به عنوان شیء تحقیق در نظر گرفته شده است ، الگویی را با کمک نرم افزار Aspen Plus می سازد ، بر پارامترهای فرآیند برج تقطیر متمرکز می شود ، راه حل بهینه را از طریق تجزیه و تحلیل حساسیت تعیین می کند و آن را تحت بارهای مختلف تأیید می کند ، با هدف ارائه مرجع برای بهبود عملکرد واحد و افزایش مزایای اقتصادی. ​
 

 

ساخت مدل جریان فرآیند برای کارخانه جداسازی هوا

 

جریان فرآیند

کارخانه جداسازی هوای کرایوژنیک 50،000 متر مربع در ساعت که توسط یک کارخانه تولید شیمیایی اتخاذ شده است ، در تولید واقعی ، هوا پس از عبور از سیستم تصفیه ، سیستم فشرده سازی ، سیستم پیش بینی و سیستم انبساط در توالی برای دستیابی به جداسازی گاز وارد سیستم اصلاح می شود. این مقاله به طور عمده فرآیند تولید اکسیژن را مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهد و جریان فرآیند تولید آن به شرح زیر است:

 

هوا پس از از بین بردن ناخالصی ها از طریق فیلتر با راندمان بالا وارد کمپرسور هوا می شود. هوای فشرده شده وارد سیستم پیشرونده صفحه می شود و با آب خنک کننده گرما را مبادله می کند تا درجه حرارت کاهش یابد. سپس بخشی از هوا وارد سیستم فشرده سازی مرحله بعدی می شود و قسمت دیگر پس از درمان بیشتر تصفیه وارد برج اصلاح می شود.

 

جریان هوا که وارد سیستم فشرده سازی مرحله بعدی می شود ، حدود 4500 کیلومتر در ساعت است. این قسمت از گاز پس از تبادل گرما وارد گسترش می شود ، درجه حرارت به حدود -115 درجه کاهش می یابد ، فشار از طریق Extander به حدود 0.15 مگاپاسکال کاهش می یابد و سپس پس از تبادل گرما با کاهش دما به حدود -165 درجه ، وارد برج اصلاح می شود.

 

برج اصلاح به یک برج فوقانی و یک برج پایین تقسیم می شود. برج فوقانی یک برج کم فشار با فشار حدود 130 کیلو پاسکال است و برج پایین یک برج با فشار بالا با فشار حدود 580 کیلو پاسکال است. گاز پس از تبادل گرما و گاز از قسمت داخلی به ترتیب به قسمت فوقانی و قسمت میانی برج فوقانی برج اصلاح ارسال می شود. گاز برای بسیاری از اوقات در برج اصلاح اصلاح می شود. نیتروژن در بالای برج به دست می آید ، اکسیژن در پایین برج به دست می آید و برخی از محصولات مایع در مخازن ذخیره سازی مربوطه ذخیره می شوند.

 

ساخت مدل جریان فرآیند

از فرآیند جداسازی هوای فوق می توان شناخته شد که فرآیند تولید واقعی شامل فشرده سازی ، خنک کننده ، انبساط ، اصلاح و سایر فرآیندهای است. هنگام استفاده از نرم افزار Aspen Plus برای شبیه سازی فرآیند ، ماژول ها و توابع کاربردی به شرح زیر است:

 

●کمپرسور هوا ماژول Compr را اتخاذ می کند.

● Expander ماژول EXP را اتخاذ می کند.

● مبدل حرارتی ماژول Heatx را اتخاذ می کند.

● برج اصلاح ماژول RADFRAC را اتخاذ می کند.

● پمپ ماژول پمپ را اتخاذ می کند.

● جداکننده ماژول SEP را اتخاذ می کند.

در فرآیند شبیه سازی مدل ، با توجه به توابع ماژول های واحد مختلف ، آنها از طریق جریان مواد متصل می شوند و جریان مطابق فرآیند تولید اکسیژن اجرا می شود. در طول شبیه سازی ، پارامترهای تجهیزات با توجه به مقادیر طراحی تنظیم می شوند. فشار در بالای برج فوقانی برج اصلاح به 0.132 مگاپاسکال تنظیم شده است ، فشار در پایین برج روی 0.138 مگاپاسکال تنظیم شده است ، درجه حرارت در بالای برج تا -193.5 درجه تنظیم شده است ، درجه حرارت در پایین برج به -180.2 درجه تنظیم شده است ، و تعداد ترازهای 55 نشان داده شده است.

 

از نتایج شبیه سازی مدل در جدول می توان مشاهده کرد که شاخص های مختلف مدل اساساً با شاخص های طراحی گیاه جداسازی هوای کرایوژنیک سازگار است. تفاوت بین خلوص اکسیژن مایع در برج فوقانی و مقدار طراحی 0.8 ٪ است ، نوسانات مقدار شبیه سازی در محدوده مجاز است و خروجی اکسیژن شبیه سازی شده نزدیک به مقدار طراحی است و خطاهای آن در محدوده مجاز است. بنابراین ، می توان دریافت که مدل ایجاد شده در این زمان می تواند برای تجزیه و تحلیل تأیید بهینه سازی فرآیند استفاده شود [2].

جدول 1 نتایج شبیه سازی مدل جریان فرآیند گیاه جداسازی هوا

​

قسمت	شاخص طراحی	شاخص شبیه سازی
سرعت جریان نیتروژن مایع زباله به برج فوقانی/(kmol/h)	4000	4007
سرعت جریان هوای مایع به برج فوقانی/(kmol/h)	5000	5000
سرعت جریان نیتروژن مایع به برج فوقانی/(kmol/h)	4000	4000
خلوص هوای مایع در برج پایین ، \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1 ٪	37	36.1
خلوص نیتروژن زباله در برج فوقانی ، \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1 ٪	90	89.87
سرعت جریان نیتروژن از جعبه سرد/(kmol/h)	2350	2350
فشار پایین برج فوقانی/MPa	0.14	0.14
فشار بالای برج/MPa پایین	0.56	0.558
خروجی محصول نیتروژن/(kmol/h)	2400	2400
متوسط - فشار خروجی نیتروژن مایع/(kmol/h)	2940	2924.38
فشار نیتروژن مایع کم فشار/(kmol/h)	1360	1336.58

​

تجزیه و تحلیل بهینه سازی فرآیند

 

در فرآیند جداسازی گاز گیاه جداسازی هوای کرایوژنیک ، برج فوقانی برج اصلاح نقش اساسی دارد. از طریق تحقیق و تجزیه و تحلیل نظری تجهیزات ، می توان با تغییر پارامترهای فرآیند برج فوقانی برج اصلاح ، هدف از صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف حاصل شد. این بار ، از ماژول حساسیت ASPEN PLUS برای تجزیه و تحلیل پارامترهای فرآیند مختلف برج فوقانی برج اصلاح با جزئیات استفاده می شود و طرح عملکرد بهینه فرآیند به دست می آید.

 

رابطه بین موقعیت خوراک و کارآیی جداسازی

 

در فرآیند شبیه سازی ، نگه داشتن سایر پارامترها بدون تغییر و تغییر موقعیت خوراک ، نتیجه تغییر راندمان جداسازی برج فوقانی در شکل نشان داده شده است.

 

از شکل می توان مشاهده کرد که با پارامترهای دیگر بدون تغییر ، تغییر موقعیت خوراک برج فوقانی برج اصلاح ، بازده جداسازی برج فوقانی ابتدا افزایش می یابد و سپس کاهش می یابد. هنگامی که موقعیت خوراک در سینی 28 تنظیم می شود ، راندمان جداسازی به بالاترین حد می رسد. بنابراین ، مشاهده می شود که سینی 28 موقعیت بهینه خوراک است.

شکل 1 رابطه بین موقعیت خوراک برج پایین و بار گرما در بالای برج تقطیر

 

رابطه بین جریان خوراک و خروجی اکسیژن و خلوص

با تغییر سرعت جریان خوراک برج پایین و نگه داشتن پارامترهای دیگر بدون تغییر ، تغییرات در خروجی و خلوص نیتروژن مایع در بالای برج تقطیر در شکل 2 نشان داده شده است.

 

تغییر جریان خوراک برج فوقانی ، نگه داشتن سایر پارامترها بدون تغییر ، تغییرات خروجی اکسیژن و خلوص در برج فوقانی برج اصلاح در شکل نشان داده شده است.

 

از شکل 2 می توان مشاهده کرد که با افزایش جریان خوراک برج فوقانی ، اکسیژن به تدریج افزایش می یابد ، اما خلوص روند نزولی را نشان می دهد ، که مطابق با تجزیه و تحلیل نظری است. از این شکل می توان دید که وقتی جریان خوراک برج فوقانی زیر 780 کیلومتر در ساعت باشد ، خلوص اکسیژن بالاتر از 99.6 ٪ است که تقاضای گاز صنعت شیمیایی را برآورده می کند. در این زمان ، خروجی 2850 کیلومتر در ساعت است که به طور قابل توجهی بالاتر از جریان خوراک اولیه 750 کیلومتر در ساعت و خروجی اکسیژن 2780 کیلومتر در ساعت است. بنابراین ، جریان خوراک باید با سرعت 780 کیلومتر در ساعت کنترل شود ، که می تواند ضمن اطمینان از خلوص اکسیژن ، خروجی را افزایش دهد.

 

تأثیر فشار بر مصرف انرژی

 

نگه داشتن پارامترهای دیگر بدون تغییر و تغییر فشار برج فوقانی ، تغییر مصرف انرژی دستگاه در شکل نشان داده شده است.

 

از شکل می توان دریافت که با افزایش فشار برج فوقانی ، مصرف انرژی دستگاه به تدریج افزایش می یابد. با توجه به اثر جداسازی و مصرف انرژی به طور جامع ، مناسب است که فشار برج فوقانی را به 0.135 MPa تنظیم کنید ، که نه تنها می تواند یک اثر جداسازی خوب را تضمین کند ، بلکه از مصرف بیش از حد انرژی نیز جلوگیری می کند.

 

کاربرد عملی طرح بهینه سازی فرآیند

 

گاز تولید شده توسط کارخانه عمدتا به شرکتهای شیمیایی تأمین می شود و اکسیژن تولید شده در واکنشهای اکسیداسیون در واکنشهای شیمیایی استفاده می شود. در سالهای اخیر ، به دلیل افزایش قیمت انرژی و رقابت شدید در بازار ، فضای سود کارخانه به تدریج کاهش یافته است. در این حالت ، کارخانه تصمیم به کاهش مصرف انرژی و بهبود فواید اقتصادی با بهبود روند تولید گرفت. پس از تحقیق و تجزیه و تحلیل ، کارخانه بهبود فرآیند در ماه مه 2023 انجام شده است. طرح بهبود به شرح زیر است: فشار برج فوقانی برج اصلاح به 0.135 مگاپاسکال تنظیم شده است ، دمای خوراک برج فوقانی بر روی -168 درجه تنظیم شده است ، مقدار خوراک برج فوقانی به 780 کیلومتر/ساعت تنظیم می شود. با توجه به بهبود فرآیند ، مصرف انرژی برج اصلاح کاهش یافته است ، بنابراین ظرفیت انتقال هوا از گیاه جداسازی هوای کرایوژنیک می تواند به طور مناسب افزایش یابد ، بنابراین باعث افزایش تولید اکسیژن می شود. در فرآیند بهبود فرآیند ، جریان خوراک سیستم فشرده سازی هوا به طور همزمان تغییر می یابد و اثر کاربردی گیاه جداسازی هوای کرایوژنیک تحت بارهای مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. دوره تأیید برای هر بار 15 روز است و وضعیت تولید در جدول 2 نشان داده شده است.

 

از جدول 2 مشاهده می شود که پس از بهینه سازی فرآیند ، حداکثر بار شرایط کار متغیر می تواند به 115 ٪ بار اصلی برسد و در این حالت ، هر دو اکسیژن و اکسیژن مایع افزایش می یابد. علاوه بر این ، تحت بار 115 ٪ ، مصرف انرژی برج فوقانی برج اصلاح از -7.85 مگاوات به -7.23 مگاوات اصلی تغییر می کند ، با صرفه جویی در انرژی 7.9 ٪. از طریق تجزیه و تحلیل انرژی الکتریکی تجهیزات ، مشخص شده است که کاهش انرژی الکتریکی تجهیزات زیر 115 ٪ بار 125 کیلو وات ساعت است. هزینه برق صنعتی در منطقه ای که کارخانه در آن قرار دارد 0.72 یوان/(کیلو وات ساعت) است. محاسبه شده توسط تجهیزات کار شده به مدت 330 روز ، هزینه برق سالانه می تواند توسط 712.800 یوان ذخیره شود. محاسبه شده از جنبه خروجی محصول ، پس از بهینه سازی فرآیند ، خروجی اکسیژن 380 کیلومتر در ساعت افزایش یافته است ، خروجی اکسیژن مایع با 420 کیلومتر در ساعت افزایش یافته است ، و خروجی آرگون مایع 25 کیلومتر در ساعت افزایش یافته است. محاسبه می شود که سود سالانه با 3.2 میلیون یوان افزایش می یابد. بنابراین ، می توان دریافت که بهبود فرایند می تواند سالانه 3.9128 میلیون یوان مزایا را برای شرکت ایجاد کند.

 

جدول 2 وضعیت تولید کارخانه جداسازی هوای کرایوژنیک تحت بارهای مختلف پس از بهینه سازی فرآیند

​

قسمت	80 ٪ بار	90 ٪ بار	100 ٪ بار	110 ٪ بار	115 ٪ بار
مقدار خوراک (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
خروجی اکسیژن (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
خروجی اکسیژن مایع (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
خروجی آرگون مایع (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

​