空気分離ユニットのプロセスフローモデルの構築

1.1プロセスフロー
ガス生産プラントは、60,000 m3/hの極低温空気分離ユニットを使用しています。実際の生産プロセスでは、空気は圧縮システム、事前に冷やされ、拡張システムを介して蒸留システムに入り、ガス分離を実現します。このペーパーでは、主に窒素生産プロセスを分析しており、その生産プロセスの流れは次のとおりです。
1）空気はフィルターを通過し、空気圧縮機に入ります。圧縮空気はプレートフィン熱交換器から迂回され、1つの部分が次段階のガス圧縮システムに入り、もう1つの部分は冷却媒体と熱を交換し、蒸留塔に入ります。
2）次段階のガス圧縮システムに入る空気流量は約5,000 kmol/hです。ガスのこの部分は熱交換後エキスパンダーに入り、温度は約-120度です。その後、エキスパンダーによって抑制され、圧力は約0.14 MPaで、熱交換が行われ、温度は約-170度に低下します
蒸留塔に入ります。
3）蒸留塔は、上部と下部の2つの部分に分割され、互いに独立しており、バルブとパイプラインを介して互いに接続されています。アッパータワーは、約140 kPaの圧力がある低圧タワーであり、下部の塔は、熱交換後のガスとエキスパンダーからのガスがそれぞれ550 kPaの圧力を持つ高圧タワーで、蒸留塔の下部塔の中央と下部に送り返されます。ガスは、上部コンデンサーを介して液体窒素に部分的に変換され、液体窒素タンクに保存され、他の部分はさらなる蒸留のために上部の塔に入ります。

1.2プロセスフローモデルの構築

上記の空気分離プロセスから、実際の生産プロセスには圧縮、膨張、分離、その他のプロセスが含まれることがわかります。プロセスシミュレーションにAspen Plusソフトウェアを使用する場合、使用されるモジュールと関数は次のとおりです。
1）エアコンプレッサーはCOMPR-ICON2モジュールを使用します。
2）expanderはcompr-icon3モジュールを使用します。
3）熱交換器はHEATXモジュールを使用します。
4）蒸留塔はRADFRACモジュールを使用します。
5）ポンプはポンプモジュールを使用します。
6）スプリッターはFAPLITモジュールを使用します。
モデルシミュレーションプロセス中、異なるユニットモジュールの関数に従って材料の流れが互いに接続され、プロセスは酸素の生産プロセスに従って実行されます。シミュレーション中、設計値に従って設定された設計値に従って設定されており、蒸留塔の上圧が0.558 MPaに設定され、底圧は0.564 MPaに設定され、最高温度は-177.62度に設定され、下位温度は-173に設定されました。
65度、およびプレートの数は49でした。シミュレーション分析後、結果を表1に示します。

表1のモデルのシミュレーション結果から、モデルのさまざまな指標が基本的に極低温空気分離ユニットの設計指標と一致していることがわかります。下部タワーの液体空気純度と設計値の違いは0.9％であり、シミュレーション値の変動は許容範囲内です。シミュレートされた窒素出力も設計値に近く、エラーは許容範囲内です。今回確立されたモデルは、プロセス最適化検証分析に使用できることがわかります1。

2プロセス最適化分析

極低温空気分離ユニットのガス分離プロセスでは、蒸留塔の下部塔がコア機器です。機器に関する研究と補助理論分析によれば、蒸留塔の下部塔のプロセスパラメーターを変更することにより、省エネと消費の削減の目的を達成できます。今回、アスペンプラスの感度モジュールを使用して、蒸留塔の下部タワーの異なるプロセスパラメーターの詳細な分析を実施し、最適なプロセス操作計画を取得しました。
2.1
飼料位置と熱負荷の関係
シミュレーションプロセス中、他のパラメーターは変更されず、飼料位置が変更され、タワーの上部の熱負荷が変更されました。結果を図1に示します。図1に示すように、他のパラメーターが蒸留塔の下部タワーの供給位置を変更することにより、他のパラメーターが変化しないままになっている場合、塔の上部の熱荷重は、飼料位置が33番目のタワープレートに設定され、タワーの上部の熱荷重が基本的に一定のままになります。 33番目のタワープレートが最高の飼料位置であることがわかります。
2.2飼料流量と窒素生産と窒素の生成と純度の間の関係下部塔の飼料流量を変更し、他のパラメーターを変化させないようにすることにより、蒸留塔の上部での液体窒素の生成と純度の変化は図2に示されています。理論。図に示すように、下部塔の飼料流量が804 kmol/h未満の場合、液体窒素の純度は99.999％を超えており、冶金産業のガス需要を満たしています。現時点では、出力は3,230 kmol/hで、これは761.3 kmol/hの初期流量流量と3,187.38 kmol/hの液体窒素出力とはまったく異なります。飼料流量は804 kmol/hに制御する必要があることがわかります。これにより、窒素の純度を確保しながら出力が増加する可能性があります。
2.3製品に対する温度の影響
他のパラメーターを変更せずに、液体窒素流量の変化は温度を変更することでチェックされ、結果を図3に示します。図3に示すように、液体窒素流量は飼料温度と正の相関がありますが、液体窒素出力の変化は比較的小さく、実際の生産結果はほとんど影響を与えません。したがって、飼料温度を-173度に設定する方が適切です。温度が高すぎると、後続の空気分離装置に影響して酸素、アルゴンなどを分離します。温度が低すぎる場合、エネルギー消費は比較的大きく、省エネと消費の削減の目的を満たしていません。

3プロセス最適化スキームの実用的なアプリケーション

特定の工場で生産されるガスは主に冶金企業に販売されており、生産された窒素は保護ガスとして冶金企業に直接供給されます。近年、市場経済の減少と人件費の増加により、工場の経済的利益は低下しています。このような状況下で、工場は、機器の運動エネルギー消費を減らし、経済的利益を増やすために生産プロセスの状況を変更することを提案しました。研究と分析の後、工場は2022年3月にプロセスの改善を実施しました。改善計画は次のとおりです。蒸留塔の圧力は0.56 MPaに設定され、低いタワーフィード温度は-173度に設定され、タワーフィードの低下は804 kmol/hに調整され、供給位置は33rdタワープレートに設定されます。プロセスの改善により、蒸留塔の熱荷重が減少するため、極低温空気分離ユニットの空気取り扱い能力を適切に増加させることができ、それにより窒素の出力が増加します。したがって、プロセスの改善中に、空気圧縮システムの飼料流量が同時に変更され、極低温空気分離ユニットの応用効果が異なる負荷で分析されます。各負荷の検証サイクルは10日で、生産状況を表2に示します。
表2から、プロセスの最適化後、可変作業条件の最大負荷が元の負荷の120％に達し、この場合に窒素と液体窒素の出力が増加する可能性があることがわかります。さらに、120％の負荷で、蒸留塔の上部の熱負荷は-8.29 MWから-7.67 MWに変化し、エネルギーの7.48％を節約しました。機器の電力を分析した後、120％の負荷未満の機器の電力が132 kW・h減少することがわかります。工場がある地域の産業電力は0.69元（/ kw・h）です。 330日間の機器操作によると、年間電力コストは721,000元節約できます。製品出力の観点から、プロセスの最適化後、窒素出力は450.54 kmol/h増加し、中圧液窒素出力は625.48 kmol/h増加し、低圧液体窒素出力は281.34 kmol/h増加しました。計算後、利益は年間を通じて3876百万元増加する可能性があります。プロセスの改善により、年間を通じて企業に4597百万元の収入が生まれることがわかります。