Introducció
En la producció de gas industrial, la unitat de separació d'aire (ASU) és un equip bàsic, utilitzat principalment per separar i utilitzar gasos com l'oxigen, el nitrogen i l'argó de l'aire. Amb l'augment dels costos energètics i els objectius de "doble carboni", la millora de l'eficiència energètica de les ASU s'ha convertit en un focus clau per a la indústria. Un estudi recent, amb una unitat de separació d'aire criogènica de 60.000 Nm³/h en una planta específica com a exemple, va utilitzar el programari Aspen Plus per modelar i optimitzar el procés, aconseguint un estalvi energètic significatiu i beneficis econòmics, proporcionant un valuós cas d'estudi per a la indústria.
Principi de funcionament de les unitats de separació d'aire criogènica
El procés de separació de l'aire criogènic separa principalment els components del gas de l'aire mitjançant passos com la compressió de l'aire, el prerefrigerament, l'intercanvi de calor i la destil·lació. Primer es pressuritza i es refreda l'aire mitjançant un compressor, després es refreda profundament-a aproximadament -170 graus mitjançant un expansor. Aleshores, l'oxigen i el nitrogen es separen en torres de destil·lació d'alta- i baixa pressió.
Les torres superior i inferior són independents però connectades per canonades: la torre d'alta pressió -manté una pressió d'aproximadament 0,55 MPa i la torre de baixa pressió d'aproximadament 0,14 MPa. El gas es condensa a la part superior de la torre per produir nitrogen líquid, una part del qual continua fluint a la torre superior per a una posterior destil·lació, donant lloc a nitrogen de gran-puresa o productes de nitrogen líquid.
El consum d'energia en aquest procés es concentra principalment en les etapes de compressió, refredament i destil·lació. Per tant, optimitzar la càrrega de calor i els paràmetres d'alimentació és clau per millorar l'eficiència energètica.
El paper del modelatge de simulació en l'optimització de processos
L'equip d'investigació va utilitzar Aspen Plus per construir un model digital de la unitat de separació d'aire, que abastava equips de la unitat clau com ara compressors, intercanviadors de calor, bombes i torres de destil·lació. La comparació dels resultats de la simulació amb les especificacions de disseny va revelar que l'error del model estava dins de l'1%, demostrant la seva gran precisió i el seu potencial per a la verificació d'estalvi-energètic i l'optimització de paràmetres. L'anàlisi de simulació es va centrar en quatre factors clau:
Ubicació de l'alimentació
Flux d'alimentació
Pressió de funcionament de la columna de destil·lació
Temperatura d'alimentació
Aquests paràmetres influeixen col·lectivament en la càrrega de calor de la torre, el rendiment de nitrogen líquid i la puresa i, per tant, determinen l'eficiència energètica global del sistema.
Impacte dels paràmetres del procés en l'estalvi energètic
Ubicació de l'alimentació
Mantenint altres condicions constants, l'estudi va trobar que establir la ubicació d'alimentació a la safata 33 va donar lloc a la càrrega de calor de la torre més baixa i més estable, convertint-la en el punt d'alimentació òptim.
Flux d'alimentació
Augmentar el cabal d'alimentació augmenta el rendiment de nitrogen líquid però redueix la puresa. Quan la velocitat d'alimentació de la torre inferior es controla a 804 kmol/h, el rendiment es pot augmentar mantenint la puresa del nitrogen (99,999%).
Control de temperatura
La temperatura de l'alimentació està positivament correlacionada amb el cabal de nitrogen líquid, però temperatures excessivament altes poden afectar la separació d'oxigen i argó, mentre que temperatures excessivament baixes augmenten el consum d'energia. L'estudi va determinar que -173 graus era la temperatura de funcionament òptima.
Mitjançant l'ajust d'aquests paràmetres, la unitat de separació d'aire pot aconseguir un rendiment més alt mantenint el mateix consum d'energia, aconseguint l'objectiu de "conservació d'energia i millora de l'eficiència".
Aplicació pràctica i anàlisi del benefici econòmic
Aquesta solució d'optimització es va implementar en una planta de gas l'any 2022. Els resultats van mostrar que la planta podia funcionar de manera estable al 120% de la seva càrrega nominal, augmentant significativament la producció:
La producció de nitrogen va augmentar en 450 kmol/h;
La producció de nitrogen líquid a mitjana-pressió va augmentar en 625 kmol/h;
La producció de nitrogen líquid a baixa-pressió va augmentar en 281 kmol/h.
Al mateix temps, la càrrega tèrmica de la columna de destil·lació va disminuir un 7,48%, estalviant aproximadament 721.000 iuans en costos anuals d'electricitat. Segons els preus del mercat, el benefici econòmic total anual va assolir uns 4,6 milions de iuans. Aquest assoliment demostra el valor significatiu de l'optimització de processos per als productors industrials de gas.
Conclusions i implicacions de la indústria
Aquest estudi demostra l'enfocament científic i els resultats pràctics de l'optimització d'-estalvi d'energia a les unitats de separació d'aire criogènic. El programari de simulació avançat com Aspen Plus permet una predicció precoç del rendiment del sistema durant la fase de disseny del procés, reduint els costos de prova-i-error.
Per als productors de gas, aquesta optimització del procés digital ofereix tres implicacions clau:
Presa de decisions-impulsades- per simulació: els models de simulació permeten la visualització de processos i l'anàlisi dinàmica. L'estalvi d'energia i la rendibilitat van de la mà: l'optimització dels processos no només redueix el consum d'energia sinó que també augmenta directament la producció i els beneficis.
Tendències de fabricació ecològica: amb l'enduriment de les polítiques globals de reducció d'emissions de carboni, la indústria de la separació d'aire ha de continuar promovent la transformació d'estalvi d'energia-i les actualitzacions intel·ligents.
En el futur, la direcció d'optimització de les unitats de separació d'aire criogènic s'integrarà encara més amb el control predictiu d'IA, els sistemes bessons digitals i l'enginyeria EPC integrada per aconseguir una gestió de l'eficiència energètica del cicle de vida complet des del disseny fins a l'operació.
