กระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพของหน่วยแยกอากาศแช่แข็ง

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมเคมีความต้องการก๊าซอุตสาหกรรมเช่นออกซิเจนกำลังเติบโต ในฐานะที่เป็นอุปกรณ์สำคัญประสิทธิภาพในการดำเนินงานและเศรษฐกิจของหน่วยแยกอากาศแช่แข็ง 50,000 m³/h ได้รับความสนใจอย่างมาก ในปัจจุบันราคาพลังงานที่เพิ่มขึ้นและการแข่งขันในตลาดที่เข้มข้นทำให้ บริษัท ต่างๆแสวงหาการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเพื่อลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพ บทความนี้ใช้หน่วยของโรงงานเคมีเป็นวัตถุการวิจัยสร้างแบบจำลองด้วยความช่วยเหลือของซอฟต์แวร์ Aspen Plus มุ่งเน้นไปที่พารามิเตอร์กระบวนการของหอกลั่น, กำหนดวิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุดผ่านการวิเคราะห์ความไวและตรวจสอบภายใต้โหลดที่แตกต่างกันโดยมีการอ้างอิงเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของหน่วย
 

 

การสร้างแบบจำลองการไหลของกระบวนการสำหรับโรงงานแยกอากาศ

 

การไหลของกระบวนการ

โรงงานแยกอากาศ 50,000 m³/h cryogenic ที่นำมาใช้โดยโรงงานผลิตสารเคมีในการผลิตจริงอากาศเข้าสู่ระบบแก้ไขหลังจากผ่านระบบการกรองระบบการบีบอัดระบบ precooling และระบบการขยายตามลำดับเพื่อให้ได้การแยกก๊าซ บทความนี้ส่วนใหญ่วิเคราะห์กระบวนการผลิตออกซิเจนและการไหลของกระบวนการผลิตมีดังนี้:

 

อากาศเข้าสู่เครื่องอัดอากาศหลังจากกำจัดสิ่งสกปรกผ่านตัวกรองที่มีประสิทธิภาพสูง อากาศอัดเข้าสู่ระบบ precooling แผ่นเพลทและแลกเปลี่ยนความร้อนด้วยน้ำเย็นเพื่อลดอุณหภูมิ จากนั้นส่วนหนึ่งของอากาศจะเข้าสู่ระบบการบีบอัดขั้นตอนต่อไปและอีกส่วนหนึ่งเข้าสู่หอคอยแก้ไขหลังจากการรักษาด้วยการทำให้บริสุทธิ์ต่อไป

 

การไหลของอากาศที่เข้าสู่ระบบการบีบอัดขั้นตอนต่อไปคือประมาณ 4,500 kmol/h ส่วนนี้ของก๊าซเข้าสู่ตัวขยายหลังจากการแลกเปลี่ยนความร้อนอุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ -115 องศาความดันจะลดลงเหลือประมาณ 0.15 MPa ผ่านตัวขยายจากนั้นเข้าสู่หอคอยแก้ไขหลังจากการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยอุณหภูมิลดลงประมาณ -165 องศา

 

หอคอยแก้ไขถูกแบ่งออกเป็นหอคอยด้านบนและหอคอยล่าง หอคอยด้านบนเป็นหอความดันต่ำที่มีความดันประมาณ 130 kPa และหอคอยล่างเป็นหอความดันสูงที่มีแรงดันประมาณ 580 kPa ก๊าซหลังจากการแลกเปลี่ยนความร้อนและก๊าซจากตัวขยายจะถูกส่งไปยังส่วนบนและส่วนตรงกลางของหอคอยด้านบนของหอคอยแก้ไขตามลำดับ ก๊าซได้รับการแก้ไขหลายครั้งในหอคอยแก้ไข ได้รับไนโตรเจนที่ด้านบนของหอคอยออกซิเจนจะได้รับที่ด้านล่างของหอคอยและผลิตภัณฑ์ของเหลวบางชนิดจะถูกเก็บไว้ในถังเก็บที่สอดคล้องกัน

 

การสร้างแบบจำลองการไหลของกระบวนการ

เป็นที่ทราบกันดีจากกระบวนการแยกอากาศข้างต้นว่ากระบวนการผลิตจริงรวมถึงการบีบอัดการระบายความร้อนการขยายการแก้ไขและกระบวนการอื่น ๆ เมื่อใช้ซอฟต์แวร์ Aspen Plus สำหรับการจำลองกระบวนการโมดูลและฟังก์ชั่นที่ใช้มีดังนี้:

 

●คอมเพรสเซอร์อากาศใช้โมดูลคอมพ์;

●ผู้ขยายใช้โมดูล EXP;

●ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนใช้โมดูล HeatX

●หอคอยแก้ไขใช้โมดูล Radfrac;

●ปั๊มใช้โมดูลปั๊ม

●ตัวคั่นใช้โมดูล SEP

ในกระบวนการจำลองแบบจำลองตามฟังก์ชั่นของโมดูลหน่วยที่แตกต่างกันพวกเขาจะเชื่อมต่อผ่านการไหลของวัสดุและการไหลจะดำเนินการตามกระบวนการผลิตออกซิเจน ในระหว่างการจำลองพารามิเตอร์อุปกรณ์จะถูกตั้งค่าตามค่าการออกแบบ ความดันที่ด้านบนของหอคอยด้านบนของหอคอยแก้ไขถูกตั้งค่าเป็น 0.132 MPa ความดันที่ด้านล่างของหอคอยถูกตั้งค่าเป็น 0.138 MPa อุณหภูมิที่ด้านบนของหอ

 

จะเห็นได้จากผลการจำลองของแบบจำลองในตารางที่ดัชนีต่าง ๆ ของแบบจำลองนั้นสอดคล้องกับดัชนีการออกแบบของโรงงานแยกอากาศแช่แข็ง ความแตกต่างระหว่างความบริสุทธิ์ของออกซิเจนของเหลวในหอคอยด้านบนและค่าการออกแบบคือ 0.8%ความผันผวนของค่าการจำลองอยู่ในช่วงที่อนุญาตและเอาต์พุตออกซิเจนจำลองใกล้เคียงกับค่าการออกแบบโดยมีข้อผิดพลาดภายในช่วงที่อนุญาต ดังนั้นจะเห็นได้ว่าแบบจำลองที่จัดตั้งขึ้นในเวลานี้สามารถใช้สำหรับการวิเคราะห์การตรวจสอบการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ [2]

ตารางที่ 1 ผลการจำลองของแบบจำลองกระบวนการไหลของโรงงานแยกอากาศ

​

รายการ	ดัชนีการออกแบบ	ดัชนีการจำลอง
อัตราการไหลของไนโตรเจนเหลวของเสียไปยังหอคอยด้านบน/(kmol/h)	4000	4007
อัตราการไหลของอากาศเหลวเข้าสู่หอคอยด้านบน/(kmol/h)	5000	5000
อัตราการไหลของไนโตรเจนเหลวเข้าสู่หอคอยด้านบน/(kmol/h)	4000	4000
ความบริสุทธิ์ของอากาศเหลวในหอคอยล่าง \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
ความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนเสียในหอคอยตอนบน \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
อัตราการไหลของไนโตรเจนออกจากกล่องเย็น/(kmol/h)	2350	2350
ความดันด้านล่างของหอคอย/MPa	0.14	0.14
แรงดันสูงสุดของหอคอย/MPA ที่ต่ำกว่า	0.56	0.558
เอาท์พุทผลิตภัณฑ์ไนโตรเจน/(kmol/h)	2400	2400
เอาท์พุทไนโตรเจนของเหลวของเหลวของเหลว/(kmol/h)	2940	2924.38
ต่ำ - แรงดันของเหลวไนโตรเจนเอาท์พุท/(kmol/h)	1360	1336.58

​

การวิเคราะห์การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ

 

ในกระบวนการแยกก๊าซของโรงงานแยกอากาศแช่แข็งหอคอยด้านบนของหอคอยแก้ไขมีบทบาทสำคัญ ผ่านการวิจัยและการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีของอุปกรณ์เป้าหมายของการประหยัดพลังงานและการลดการบริโภคสามารถทำได้โดยการเปลี่ยนพารามิเตอร์กระบวนการของหอคอยด้านบนของหอคอยแก้ไข เวลานี้โมดูลความไวของ Aspen Plus ใช้ในการวิเคราะห์พารามิเตอร์กระบวนการที่แตกต่างกันของหอคอยด้านบนของหอแก้ไขในรายละเอียดและได้รับรูปแบบการทำงานของกระบวนการที่ดีที่สุด

 

ความสัมพันธ์ระหว่างตำแหน่งอาหารสัตว์และประสิทธิภาพการแยก

 

ในกระบวนการจำลองการรักษาพารามิเตอร์อื่น ๆ ที่ไม่เปลี่ยนแปลงและเปลี่ยนตำแหน่งฟีดผลการเปลี่ยนแปลงของประสิทธิภาพการแยกของหอคอยด้านบนจะแสดงในรูป

 

จะเห็นได้จากรูปที่ด้วยพารามิเตอร์อื่น ๆ ที่ไม่เปลี่ยนแปลงเปลี่ยนตำแหน่งฟีดของหอคอยด้านบนของหอคอยแก้ไขประสิทธิภาพการแยกของหอคอยด้านบนจะเพิ่มขึ้นก่อนและลดลง เมื่อตำแหน่งฟีดถูกตั้งค่าที่ถาดที่ 28 ประสิทธิภาพการแยกจะสูงที่สุด ดังนั้นจะเห็นได้ว่าถาดที่ 28 เป็นตำแหน่งฟีดที่ดีที่สุด

รูปที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างตำแหน่งฟีดของหอคอยล่างและภาระความร้อนที่ด้านบนของหอกลั่น

 

ความสัมพันธ์ระหว่างการไหลของอาหารสัตว์และออกซิเจนและความบริสุทธิ์

โดยการเปลี่ยนอัตราการไหลของฟีดของหอคอยล่างและรักษาพารามิเตอร์อื่น ๆ ไม่เปลี่ยนแปลงการเปลี่ยนแปลงของเอาต์พุตและความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนเหลวที่ด้านบนของหอกลั่นจะแสดงในรูปที่ 2

 

การเปลี่ยนการไหลของฟีดของหอคอยด้านบนทำให้พารามิเตอร์อื่นไม่เปลี่ยนแปลงการเปลี่ยนแปลงของออกซิเจนและความบริสุทธิ์ในหอคอยด้านบนของหอคอยที่ถูกแก้ไขจะแสดงในรูป

 

จะเห็นได้จากรูปที่ 2 ว่าด้วยการเพิ่มขึ้นของการไหลของฟีดของหอคอยด้านบนออกออกซิเจนค่อยๆเพิ่มขึ้น แต่ความบริสุทธิ์แสดงแนวโน้มลดลงซึ่งสอดคล้องกับการวิเคราะห์เชิงทฤษฎี จะเห็นได้จากรูปที่เมื่อการไหลของฟีดของหอคอยด้านบนต่ำกว่า 780 kmol/h ความบริสุทธิ์ของออกซิเจนสูงกว่า 99.6%ซึ่งเป็นไปตามความต้องการก๊าซของอุตสาหกรรมเคมี ในเวลานี้เอาต์พุตคือ 2850 kmol/h ซึ่งสูงกว่าการไหลของฟีดเริ่มต้นอย่างมีนัยสำคัญที่ 750 kmol/h และออกออกซิเจนที่ 2780 kmol/h ดังนั้นการไหลของฟีดควรถูกควบคุมที่ 780 kmol/h ซึ่งสามารถเพิ่มเอาท์พุทในขณะที่ทำให้มั่นใจว่าความบริสุทธิ์ของออกซิเจน

 

อิทธิพลของแรงกดดันต่อการใช้พลังงาน

 

การรักษาพารามิเตอร์อื่น ๆ ไม่เปลี่ยนแปลงและเปลี่ยนความดันของหอคอยด้านบนการเปลี่ยนแปลงการใช้พลังงานของอุปกรณ์จะแสดงในรูป

 

จะเห็นได้จากรูปที่เพิ่มขึ้นของความดันของหอคอยด้านบนการใช้พลังงานของอุปกรณ์จะค่อยๆเพิ่มขึ้น เมื่อพิจารณาถึงผลกระทบการแยกและการใช้พลังงานอย่างครอบคลุมมันมีความเหมาะสมที่จะตั้งค่าความดันของหอคอยด้านบนเป็น 0.135 MPa ซึ่งไม่เพียง แต่สามารถตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีผลการแยกที่ดี แต่ยังหลีกเลี่ยงการใช้พลังงานมากเกินไป

 

การประยุกต์ใช้งานโครงการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ

 

ก๊าซที่ผลิตโดยโรงงานส่วนใหญ่จะถูกส่งไปยังองค์กรเคมีและออกซิเจนที่ผลิตจะใช้ในปฏิกิริยาออกซิเดชันในปฏิกิริยาเคมี ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเนื่องจากราคาพลังงานที่เพิ่มขึ้นและการแข่งขันในตลาดที่ทวีความรุนแรงมากขึ้นพื้นที่กำไรของโรงงานค่อยๆแคบลง ในกรณีนี้โรงงานตัดสินใจลดการใช้พลังงานและปรับปรุงผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจโดยการปรับปรุงกระบวนการผลิต หลังจากการวิจัยและการวิเคราะห์โรงงานดำเนินการปรับปรุงกระบวนการในเดือนพฤษภาคม 2566 รูปแบบการปรับปรุงมีดังนี้: ความดันของหอคอยด้านบนของหอคอยแก้ไขถูกตั้งค่าเป็น 0.135 MPa อุณหภูมิอาหารของหอคอยด้านบนตั้งอยู่ที่ -168 องศา เนื่องจากการปรับปรุงกระบวนการการใช้พลังงานของหอจำลองการแก้ไขได้ลดลงดังนั้นความสามารถในการจัดการอากาศของโรงงานแยกอากาศแช่แข็งสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างเหมาะสมจึงเพิ่มออกซิเจน ในกระบวนการปรับปรุงกระบวนการการไหลของฟีดของระบบการบีบอัดอากาศจะเปลี่ยนไปในเวลาเดียวกันและผลการใช้งานของโรงงานแยกอากาศแช่แข็งจะถูกวิเคราะห์ภายใต้โหลดที่แตกต่างกัน ระยะเวลาการตรวจสอบสำหรับแต่ละโหลดคือ 15 วันและสถานการณ์การผลิตจะแสดงในตารางที่ 2

 

จะเห็นได้จากตารางที่ 2 ว่าหลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการโหลดสภาพการทำงานของตัวแปรสูงสุดสามารถเข้าถึง 115% ของโหลดดั้งเดิมและในกรณีนี้ทั้งออกซิเจนและออกซิเจนของเหลวจะเพิ่มขึ้น ยิ่งไปกว่านั้นภายใต้โหลด 115% การใช้พลังงานของหอคอยด้านบนของหอคอยแก้ไขเปลี่ยนจากต้นฉบับ -7.85 MW เป็น -7.23 MW เดิมด้วยการประหยัดพลังงาน 7.9% ผ่านการวิเคราะห์พลังงานไฟฟ้าของอุปกรณ์เป็นที่ทราบกันดีว่าการลดพลังงานไฟฟ้าของอุปกรณ์ภายใต้โหลด 115% คือ 125 kW · h ค่าไฟฟ้าอุตสาหกรรมในพื้นที่ที่โรงงานตั้งอยู่คือ 0.72 หยวน/(kW · h) คำนวณโดยอุปกรณ์ที่ใช้งานได้ 330 วันต้นทุนไฟฟ้าประจำปีสามารถประหยัดได้ 712,800 หยวน คำนวณจากแง่มุมของผลผลิตผลิตภัณฑ์หลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการออกซิเจนเพิ่มขึ้น 380 kmol/h, ออกออกซิเจนของเหลวเพิ่มขึ้น 420 kmol/h และเอาต์พุตอาร์กอนของเหลวเพิ่มขึ้น 25 kmol/h มันถูกคำนวณว่ากำไรประจำปีสามารถเพิ่มขึ้น 3.2 ล้านหยวน ดังนั้นจะเห็นได้ว่าการปรับปรุงกระบวนการสามารถสร้างผลประโยชน์ 3.9128 ล้านหยวนสำหรับองค์กรเป็นประจำทุกปี

 

ตารางที่ 2 สถานการณ์การผลิตของโรงงานแยกอากาศแช่แข็งภายใต้โหลดที่แตกต่างกันหลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ

​

รายการ	โหลด 80%	โหลด 90%	โหลด 100%	โหลด 110%	โหลด 115%
จำนวนฟีด (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
ออกออกซิเจน (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
เอาต์พุตออกซิเจนเหลว (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
เอาต์พุตอาร์กอนเหลว (kmol/h)	95​	105​	120​	135​	145​

​