אופטימיזציה של תהליכים של יחידת הפרדת אוויר קריוגנית

עם התפתחות מהירה של התעשייה הכימית, הגדל הביקוש לגזים תעשייתיים כמו חמצן. כציוד מפתח, יעילות התפעול והכלכלה של יחידת הפרדת האוויר הקריוגנית של 50,000 מ"ק/שעה משכו תשומת לב רבה. נכון לעכשיו, עליית מחירי האנרגיה ותחרות השוק המתעצמת גרמו לחברות לבקש אופטימיזציה של תהליכים להפחתת העלויות ולהגדיל את היעילות. מאמר זה לוקח את היחידה של מפעל כימי כאובייקט המחקר, בונה מודל בעזרת תוכנת אספן פלוס, מתמקד בפרמטרי התהליך של מגדל הזיקוק, קובע את הפיתרון האופטימלי באמצעות ניתוח רגישות ומאמת אותו תחת עומסים שונים, במטרה לספק התייחסות לשיפור ביצועי היחידה והגדלת היתרונות הכלכליים. ​
 

 

בניית מודל זרימת תהליכים למפעל להפרדת אוויר

 

זרימת תהליכים

מפעל הפרדת אוויר קריוגני של 50,000 מ"ק/שעה שאומץ על ידי מפעל לייצור כימי, בייצור בפועל, AIR נכנס למערכת התיקון לאחר שעבר במערכת הסינון, מערכת הדחיסה, מערכת הקפידה מראש ומערכת הרחבה ברצף להשגת הפרדת גז. מאמר זה מנתח בעיקר את תהליך ייצור החמצן, וזרימת תהליך הייצור שלו היא כדלקמן:

 

אוויר נכנס למדחס האוויר לאחר הסרת זיהומים באמצעות פילטר יעיל גבוה. האוויר הדחוס נכנס למערכת המיקום המוקדמת של סנפיר הצלחת ומחליף חום עם מי קירור כדי להפחית את הטמפרטורה. ואז חלק מהאוויר נכנס למערכת הדחיסה בשלב הבא, והחלק השני נכנס למגדל התיקון לאחר טיפול נוסף בטיהור.

 

זרימת האוויר הנכנסת למערכת הדחיסה בשלב הבא היא כ -4,500 קמ"ש. חלק זה של הגז נכנס למרחב לאחר חילופי החום, הטמפרטורה יורדת לכ- -115 מעלות, הלחץ מצטמצם לכ- 0.15 מגה -א -פ"ש דרך ההערכה ואז נכנס למגדל התיקון לאחר חילופי החום עם הטמפרטורה שנפילה ל -165 מעלות.

 

מגדל התיקון מחולק למגדל עליון ומגדל תחתון. המגדל העליון הוא מגדל בלחץ נמוך עם לחץ של כ -130 ק"פ, והמגדל התחתון הוא מגדל בלחץ גבוה עם לחץ של כ- 580 kPa. הגז לאחר חילופי החום והגז מהמרחב נשלחים לחלק העליון ולחלק האמצעי של המגדל העליון של מגדל התיקון בהתאמה. הגז מתוקן פעמים רבות במגדל התיקון. חנקן מתקבל בחלקו העליון של המגדל, חמצן מתקבל בתחתית המגדל, וכמה מוצרים נוזליים מאוחסנים במכלי האחסון המתאימים.

 

בניית מודל זרימת תהליכים

ניתן לדעת מתהליך הפרדת האוויר לעיל כי תהליך הייצור בפועל כולל דחיסה, קירור, הרחבה, תיקון ותהליכים אחרים. בעת שימוש בתוכנת Aspen Plus להדמיית תהליכים, המודולים והפונקציות המיושמים הם כדלקמן:

 

●מדחס האוויר מאמץ את מודול CELL;

● המרחיב מאמץ את מודול ה- EXP;

● מחליף החום מאמץ את מודול Heatx;

● מגדל התיקון מאמץ את מודול RADFRAC;

● המשאבה מאמצת את מודול המשאבה;

● המפריד מאמץ את מודול SEP.

בתהליך הדמיית מודלים, על פי פונקציות של מודולי יחידות שונות, הם מחוברים דרך זרימת חומרים, והזרימה מבוצעת על פי תהליך ייצור החמצן. במהלך הסימולציה, פרמטרי הציוד מוגדרים על פי ערכי העיצוב. הלחץ בחלקו העליון של המגדל העליון של מגדל התיקון מוגדר ל- 0.132 MPa, הלחץ בתחתית המגדל מוגדר כ- 0.138 מגפ"ס, הטמפרטורה בחלקו העליון של המגדל מוגדרת ל -193.5 מעלות, הטמפרטורה בתחתית המגדל מוגדרת כ -180.2 מעלות, ומספר המסע הוא 55.

 

ניתן לראות מתוצאות הסימולציה של המודל בטבלה כי אינדקסים שונים של המודל תואמים בעיקר את מדדי העיצוב של מפעל הפרדת האוויר הקריוגני. ההבדל בין טוהר החמצן הנוזלי במגדל העליון לבין הערך התכנון הוא 0.8%, התנודה של ערך הסימולציה היא בטווח המותר, ותפוקת החמצן המדומה קרובה לערך התכנון, עם שגיאות בטווח המותר. לפיכך, ניתן לראות כי המודל שנקבע בזמן יכול לשמש לניתוח אימות אופטימיזציה של תהליכים [2].

טבלה 1 תוצאות סימולציה של מודל זרימת תהליכי הפרדת אוויר

​

פָּרִיט	מדד עיצוב	מדד סימולציה
קצב זרימה של פסולת חנקן נוזלי למגדל העליון/(kmol/h)	4000	4007
קצב זרימה של אוויר נוזלי למגדל העליון/(kmol/h)	5000	5000
קצב זרימה של חנקן נוזלי למגדל העליון/(kmol/h)	4000	4000
טוהר אוויר נוזלי במגדל התחתון, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
טוהר החנקן הפסולת במגדל העליון, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
קצב זרימה של חנקן מהקופסה הקרה/(kmol/h)	2350	2350
הלחץ התחתון של המגדל העליון/MPA	0.14	0.14
לחץ עליון של המגדל/MPA התחתון	0.56	0.558
פלט מוצר חנקן/(KMOL/H)	2400	2400
תופעת חנקן נוזלית בינונית - (KMOL/H)	2940	2924.38
תפוקת חנקן נוזלית נמוכה - לחץ/(kmol/h)	1360	1336.58

​

ניתוח אופטימיזציה של תהליכים

 

בתהליך הפרדת הגז של מפעל הפרדת האוויר הקריוגני, המגדל העליון של מגדל התיקון ממלא תפקיד מפתח. באמצעות המחקר והניתוח התיאורטי של הציוד ניתן להשיג את מטרת חיסכון באנרגיה והפחתת צריכה על ידי שינוי פרמטרי התהליך של המגדל העליון של מגדל התיקון. הפעם, מודול הרגישות של Aspen Plus משמש לניתוח פרמטרי התהליך השונים של המגדל העליון של מגדל התיקון בפירוט, ותכנית הפעולה האופטימלית של התהליך מתקבלת.

 

קשר בין מיקום הזנה ליעילות ההפרדה

 

בתהליך הסימולציה, שמירה על פרמטרים אחרים ללא שינוי ושינוי מיקום ההזנה, תוצאת השינוי של יעילות ההפרדה של המגדל העליון מוצגת באיור.

 

ניתן לראות מהנתון כי עם פרמטרים אחרים ללא שינוי, שינוי מיקום ההזנה של המגדל העליון של מגדל התיקון, יעילות ההפרדה של המגדל העליון תגדל תחילה ואז יירדו. כאשר מיקום ההזנה מוגדר במגש ה -28, יעילות ההפרדה מגיעה לגובה הגבוה ביותר. לפיכך, ניתן לראות כי המגש ה -28 הוא מיקום ההזנה האופטימלי.

איור 1 איור 1 קשר בין מיקום ההזנה של המגדל התחתון לעומס החום בחלקו העליון של מגדל הזיקוק

 

קשר בין זרימת הזנה לתפוקת חמצן לטוהר

על ידי שינוי קצב זרימת ההזנה של המגדל הנמוך יותר ושמירה על פרמטרים אחרים ללא שינוי, השינויים בתפוקה ובטהרת החנקן הנוזלי בחלקו העליון של מגדל הזיקוק מוצגים באיור 2.

 

שינוי זרימת ההזנה של המגדל העליון, תוך שמירה על פרמטרים אחרים ללא שינוי, שינויים בתפוקת החמצן וטהרה במגדל העליון של מגדל התיקון מוצגים באיור.

 

מתרשים 2 ניתן לראות כי עם עליית זרימת ההזנה של המגדל העליון, תפוקת החמצן עולה בהדרגה, אך הטוהר מראה מגמה כלפי מטה, התואמת את הניתוח התיאורטי. ניתן לראות מהנתון שכאשר זרימת ההזנה של המגדל העליון נמצאת מתחת ל 780 קמ"ש לשעה, טוהר החמצן הוא מעל 99.6%, העונה על ביקוש הגז של התעשייה הכימית. בשלב זה, התפוקה היא 2850 קמ"ש/שעה, שהיא גבוהה משמעותית מזרימת ההזנה הראשונית של 750 קמ"ש/שעה ותפוקת החמצן של 2780 קמ"ש/שעה. לפיכך, יש לשלוט בזרימת ההזנה במהירות של 780 קמ"ש, מה שיכול להגדיל את התפוקה תוך הבטחת טוהר החמצן.

 

השפעת הלחץ על צריכת האנרגיה

 

שמירה על פרמטרים אחרים ללא שינוי ושינוי לחץ של המגדל העליון, שינוי צריכת האנרגיה של המכשיר מוצג באיור.

 

ניתן לראות מהנתון כי עם עליית הלחץ של המגדל העליון, צריכת האנרגיה של המכשיר עולה בהדרגה. בהתחשב באפקט ההפרדה וצריכת האנרגיה באופן מקיף, ראוי להגדיר את הלחץ של המגדל העליון ל 0.135 MPa, מה שלא רק יכול להבטיח אפקט הפרדה טוב, אלא גם להימנע מצריכת אנרגיה מוגזמת.

 

יישום מעשי של תוכנית אופטימיזציה של תהליכים

 

הגז המיוצר על ידי המפעל מסופק בעיקר למפעלים כימיים, והחמצן המיוצר משמש בתגובות חמצון בתגובות כימיות. בשנים האחרונות, בגלל עליית מחירי האנרגיה ותחרות השוק העוצמה, מרחב הרווח של המפעל הצטמצם בהדרגה. במקרה זה, המפעל החליט להפחית את צריכת האנרגיה ולשפר את היתרונות הכלכליים על ידי שיפור תהליך הייצור. לאחר מחקר וניתוח, המפעל ביצע שיפור תהליכים במאי 2023. תוכנית השיפור היא כדלקמן: הלחץ של המגדל העליון של מגדל התיקון מוגדר כ- 0.135 MPa, טמפרטורת ההזנה של המגדל העליון מוגדרת ל -168 מעלות, כמות ההזנה של המגדל העליון מותאמת ל -780 קמ"ש/שעה, ומצב ההזנה מערך ה -28. בשל שיפור התהליך, הצטמצמה צריכת האנרגיה של מגדל התיקון, ולכן ניתן להגדיל כראוי את יכולת הטיפול באוויר של מפעל הפרדת האוויר הקריוגני, ובכך להגדיל את תפוקת החמצן. בתהליך שיפור התהליכים, זרימת ההזנה של מערכת דחיסת האוויר משתנה בו זמנית, והשפעת היישום של מפעל הפרדת האוויר הקריוגני מנותחת תחת עומסים שונים. תקופת האימות לכל עומס היא 15 יום, ומצב הייצור מוצג בטבלה 2.

 

מטבלה 2 ניתן לראות כי לאחר אופטימיזציה של תהליכים, עומס מצב העבודה המרבי של המשתנה יכול להגיע ל 115% מהעומס המקורי, ובמקרה זה, תפוקות החמצן והן נוזליות הן מוגדלות. יתר על כן, תחת עומס של 115%, צריכת האנרגיה של המגדל העליון של מגדל התיקון משתנה מה- 7.85 מגה וואט ל -7.23 מגוואט המקוריים, עם חיסכון באנרגיה של 7.9%. באמצעות ניתוח האנרגיה החשמלית של הציוד, ידוע כי הפחתת האנרגיה החשמלית של הציוד תחת עומס של 115% היא 125 קילוואט. עלות החשמל התעשייתית באזור בו נמצא המפעל היא 0.72 יואן/(קילוואט · h). מחושב על ידי הציוד הפועל למשך 330 יום, ניתן לחסוך את עלות החשמל השנתית על ידי 712,800 יואן. מחושב מההיבט של תפוקת המוצר, לאחר אופטימיזציה של תהליכים, תפוקת החמצן גדלה ב- 380 קמ"ש/שעה, תפוקת החמצן הנוזלית גדלה ב -420 קמ"ש, ותפוקת הארגון הנוזלית גדלה ב- 25 קמ"ש/שעה. מחושב כי ניתן להגדיל את הרווח השנתי ב -3.2 מיליון יואן. לפיכך, ניתן לראות כי שיפור התהליך יכול ליצור 3.9128 מיליון יואן של הטבות עבור הארגון מדי שנה.

 

טבלה 2 מצב ייצור של מפעל הפרדת אוויר קריוגני תחת עומסים שונים לאחר אופטימיזציה של תהליכים

​

פריט	עומס של 80%	עומס של 90%	עומס של 100%	עומס של 110%	עומס של 115%
סכום הזנה (KMOL/H)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
תפוקת חמצן (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
תפוקת חמצן נוזלית (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
תפוקת ארגון נוזלית (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

​