Uvod
V industrijski proizvodnji plina je enota za ločevanje zraka (ASU) osrednji del opreme, ki se uporablja predvsem za ločevanje in uporabo plinov, kot so kisik, dušik in argon, iz zraka. Z naraščajočimi stroški energije in cilji "dvojnega ogljika" je izboljšanje energetske učinkovitosti ASU-jev postalo ključna točka industrije. Nedavna študija, ki je kot primer uporabila kriogeno enoto za ločevanje zraka s 60.000 Nm³/h v določenem obratu, je uporabila programsko opremo Aspen Plus za modeliranje in optimizacijo procesa, doseganje znatnih prihrankov energije in gospodarskih koristi, kar je zagotovilo dragoceno študijo primera za industrijo.
Načelo delovanja enot za kriogeno ločevanje zraka
Postopek kriogenega ločevanja zraka predvsem loči plinske komponente od zraka skozi korake, kot so stiskanje zraka, predhlajenje, izmenjava toplote in destilacija. Zrak je najprej stisnjen in ohlajen s kompresorjem, nato pa globoko-ohlajen na približno -170 stopinj z ekspanderjem. Kisik in dušik se nato ločita v visoko- in nizkotlačnih destilacijskih stolpih.
Zgornji in spodnji stolp sta neodvisna, vendar povezana s cevovodi: visoko{0}}tlačni stolp vzdržuje tlak približno 0,55 MPa, nizko{2}}tlačni stolp pa približno 0,14 MPa. Plin kondenzira na vrhu stolpa, da proizvede tekoči dušik, katerega nekaj še naprej teče v zgornji stolp za nadaljnjo destilacijo, pri čemer nastane dušikov plin ali tekoči dušikovi produkti visoke-čistosti.
Poraba energije v tem procesu je predvsem koncentrirana v fazah stiskanja, hlajenja in destilacije. Zato je optimizacija toplotne obremenitve in parametrov dovajanja ključna za izboljšanje energetske učinkovitosti.
Vloga simulacijskega modeliranja pri optimizaciji procesov
Raziskovalna skupina je uporabila Aspen Plus za izdelavo digitalnega modela enote za ločevanje zraka, ki zajema ključno opremo enote, kot so kompresorji, toplotni izmenjevalniki, črpalke in destilacijski stolpi. Primerjava rezultatov simulacije s konstrukcijskimi specifikacijami je pokazala, da je bila napaka modela znotraj 1 %, kar dokazuje njegovo visoko natančnost in potencial za-preverjanje varčevanja z energijo in optimizacijo parametrov. Analiza simulacije se je osredotočila na štiri ključne dejavnike:
Lokacija krme
Pretok krme
Delovni tlak destilacijske kolone
Temperatura krme
Ti parametri skupaj vplivajo na toplotno obremenitev nad glavo stolpa, izkoristek tekočega dušika in čistost ter tako določajo celotno energetsko učinkovitost sistema.
Vpliv procesnih parametrov na prihranke energije
Lokacija krme
Študija je ob ohranjanju drugih pogojev nespremenjena pokazala, da je nastavitev lokacije podajanja na pladnju 33 povzročila najnižjo in najbolj stabilno toplotno obremenitev nad glavo stolpa, zaradi česar je to optimalna točka napajanja.
Pretok krme
Povečanje hitrosti dovajanja poveča donos tekočega dušika, vendar zmanjša čistost. Ko je hitrost dovajanja spodnjega stolpa nadzorovana pri 804 kmol/h, se lahko poveča izkoristek ob ohranjanju čistosti dušika (99,999 %).
Nadzor temperature
Temperatura dovoda je v pozitivni korelaciji s pretokom tekočega dušika, vendar lahko previsoke temperature vplivajo na ločevanje kisika in argona, medtem ko prenizke temperature povečajo porabo energije. Študija je določila -173 stopinj kot optimalno delovno temperaturo.
S prilagajanjem teh parametrov lahko enota za ločevanje zraka doseže večjo moč ob ohranjanju enake porabe energije, s čimer doseže cilj "varčevanje z energijo in izboljšanje učinkovitosti."
Praktična uporaba in analiza ekonomskih koristi
Ta optimizacijska rešitev je bila leta 2022 uvedena v plinski tovarni. Rezultati so pokazali, da lahko tovarna stabilno deluje pri 120 % svoje nazivne obremenitve, kar znatno poveča proizvodnjo:
Proizvodnja dušika se je povečala za 450 kmol/h;
Proizvodnja srednje{0}}tekočega dušika se je povečala za 625 kmol/h;
Proizvodnja-nizkotlačnega tekočega dušika se je povečala za 281 kmol/h.
Hkrati se je toplotna obremenitev nad glavo destilacijske kolone zmanjšala za 7,48 %, kar je prihranilo približno 721.000 juanov pri letnih stroških električne energije. Na podlagi tržnih cen je skupna letna gospodarska korist dosegla približno 4,6 milijona juanov. Ta dosežek dokazuje pomembno vrednost optimizacije procesov za industrijske proizvajalce plina.
Sklepi in posledice za industrijo
Ta študija prikazuje znanstveni pristop in praktične rezultate optimizacije-varčevanja z energijo v enotah za kriogeno ločevanje zraka. Napredna programska oprema za simulacijo, kot je Aspen Plus, omogoča zgodnje predvidevanje delovanja sistema med fazo načrtovanja procesa, kar zmanjšuje stroške poskusov-in-napak.
Za proizvajalce plina ima ta digitalna optimizacija procesa tri ključne posledice:
Odločanje-na podlagi-simulacije: Simulacijski modeli omogočajo vizualizacijo procesa in dinamično analizo. Varčevanje z energijo in dobičkonosnost gresta z roko v roki: Optimizacija procesov ne le zmanjša porabo energije, ampak tudi neposredno poveča proizvodnjo in dobiček.
Trendi zelene proizvodnje: z zaostrovanjem globalnih politik zmanjševanja emisij ogljika mora industrija ločevanja zraka še naprej spodbujati-preobrazbo varčevanja z energijo in inteligentne nadgradnje.
V prihodnosti bo usmeritev optimizacije enot za kriogeno ločevanje zraka dodatno integrirana s prediktivnim krmiljenjem z umetno inteligenco, sistemi digitalnih dvojčkov in integriranim inženiringom EPC, da bi dosegli upravljanje energetske učinkovitosti v celotnem življenjskem ciklu od zasnove do delovanja.
