Xây dựng mô hình dòng chảy của đơn vị tách không khí

1.1 Dòng chảy quá trình
Một nhà máy sản xuất khí sử dụng một đơn vị tách không khí đông lạnh 60.000 m3/h. Trong quy trình sản xuất thực tế, không khí đi vào hệ thống chưng cất thông qua hệ thống nén, hệ thống mở rộng và mở rộng để đạt được sự tách khí. Bài viết này chủ yếu phân tích quá trình sản xuất nitơ và dòng quy trình sản xuất của nó như sau:
1) Không khí đi qua bộ lọc và đi vào máy nén khí. Không khí nén được chuyển hướng qua bộ trao đổi nhiệt-fin, một phần đi vào hệ thống nén khí giai đoạn tiếp theo và phần khác trao đổi nhiệt với môi trường làm mát và đi vào tháp chưng cất;
2) Tốc độ dòng không khí vào hệ thống nén khí giai đoạn tiếp theo là khoảng 5.000 kmol/h. Phần này của khí đi vào phần mở rộng sau khi trao đổi nhiệt và nhiệt độ khoảng -120 độ. Sau đó, nó bị suy giảm bởi sự mở rộng, áp suất là khoảng 0,14 MPa và trao đổi nhiệt được thực hiện và nhiệt độ giảm xuống còn khoảng -170 độ
Nhập tháp chưng cất;
3) Tháp chưng cất được chia thành hai phần, phần trên và phần dưới, độc lập với nhau và được kết nối với nhau thông qua các van và đường ống. Tháp phía trên là một tòa tháp áp suất thấp với áp suất khoảng 140 kPa và tháp dưới là một tháp áp suất cao với áp suất 550 kPa khí sau khi trao đổi nhiệt và khí từ phần mở rộng được gửi trở lại giữa và dưới cùng của tháp dưới của tháp chưng cất. Khí được chuyển đổi một phần thành nitơ lỏng thông qua thiết bị ngưng tụ trên cùng và được lưu trữ trong bình nitơ lỏng, và phần còn lại đi vào tháp trên để chưng cất thêm.

1.2 Xây dựng mô hình dòng quy trình

Có thể thấy từ quá trình tách không khí ở trên rằng quy trình sản xuất thực tế bao gồm nén, mở rộng, tách và các quy trình khác. Khi sử dụng phần mềm Aspen Plus để mô phỏng quá trình, các mô -đun và chức năng được sử dụng như sau:
1) Máy nén khí sử dụng mô-đun compr-Icon2;
2) Mở rộng sử dụng mô-đun compr-Icon3;
3) Bộ trao đổi nhiệt sử dụng mô -đun nhiệt;
4) Tháp chưng cất sử dụng mô -đun RADFRAC;
5) Máy bơm sử dụng mô -đun bơm;
6) Bộ chia sử dụng mô -đun FAPLIT.
Trong quá trình mô hình mô hình, luồng vật liệu được kết nối với nhau theo các chức năng của các mô -đun đơn vị khác nhau và quá trình được thực hiện theo quy trình sản xuất oxy. Trong quá trình mô phỏng, các tham số thiết bị được đặt theo các giá trị thiết kế, trong đó áp suất cao nhất của tháp chưng cất được đặt thành 0,558 MPa, áp suất dưới cùng được đặt thành 0,564 MPa, nhiệt độ trên cùng được đặt thành -177,62 độ, nhiệt độ dưới cùng được đặt thành -173.
65 độ và số lượng tấm là 49. Sau khi phân tích mô phỏng, kết quả được thể hiện trong Bảng 1.

Từ kết quả mô phỏng của mô hình trong Bảng 1, có thể thấy rằng các chỉ số khác nhau của mô hình về cơ bản phù hợp với các chỉ số thiết kế của đơn vị tách không khí lạnh. Sự khác biệt giữa độ tinh khiết của không khí lỏng của tháp thấp hơn và giá trị thiết kế là 0,9%và sự dao động của giá trị mô phỏng nằm trong phạm vi cho phép. Đầu ra nitơ mô phỏng cũng gần với giá trị thiết kế và lỗi nằm trong phạm vi cho phép. Có thể thấy rằng mô hình được thiết lập lần này có thể được sử dụng để phân tích xác minh tối ưu hóa quá trình1.

2 Phân tích tối ưu hóa quá trình

Trong quá trình tách khí của bộ phận tách không khí đông lạnh, tháp thấp hơn của tháp chưng cất là thiết bị cốt lõi. Theo nghiên cứu về thiết bị và phân tích lý thuyết phụ trợ, mục đích tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ có thể đạt được bằng cách thay đổi các tham số quy trình của tháp thấp hơn của tháp chưng cất. Lần này, mô -đun độ nhạy ASPEN Plus đã được sử dụng để tiến hành phân tích chi tiết các tham số quy trình khác nhau của tháp thấp hơn của tháp chưng cất và đã thu được kế hoạch vận hành quá trình tối ưu.
2.1
Mối quan hệ giữa vị trí thức ăn và tải nhiệt
Trong quá trình mô phỏng, các tham số khác được giữ không thay đổi, vị trí thức ăn đã được thay đổi và tải nhiệt ở đầu tháp đã thay đổi. Các kết quả được hiển thị trong Hình 1. Như được hiển thị trong Hình 1, khi các tham số khác không thay đổi, bằng cách thay đổi vị trí thức ăn của tháp thấp hơn của tháp chưng cất, tải trọng nhiệt ở đỉnh tháp sẽ giảm dần cho đến khi vị trí thức ăn được đặt thành tấm tháp thứ 33 và tải trọng nhiệt ở đỉnh của tháp. Có thể thấy rằng tấm tháp thứ 33 là vị trí thức ăn tốt nhất.
2.2 Mối quan hệ giữa tốc độ dòng thức ăn và sản xuất nitơ và độ tinh khiết bằng cách thay đổi tốc độ dòng thức ăn của tháp thấp hơn và giữ cho các thông số khác không thay đổi, những thay đổi trong sản xuất và độ tinh khiết của nitơ lỏng ở đỉnh của tháp chưng cất được hiển thị trong hình 2. Phù hợp với lý thuyết. Như thể hiện trong hình, khi tốc độ dòng thức ăn của tháp thấp hơn dưới 804 kmol/h, độ tinh khiết của nitơ lỏng trên 99,999%, đáp ứng nhu cầu khí của ngành công nghiệp luyện kim. Tại thời điểm này, đầu ra là 3.230 kmol/h, khá khác so với tốc độ dòng thức ăn dòng chảy ban đầu là 761,3 kmol/h và sản lượng nitơ lỏng là 3.187,38 kmol/h. Có thể thấy rằng tốc độ dòng thức ăn nên được kiểm soát thành 804 kmol/h, có thể làm tăng sản lượng trong khi đảm bảo độ tinh khiết của nitơ.
2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sản phẩm
Giữ các thông số khác không thay đổi, sự thay đổi tốc độ dòng nitơ lỏng được kiểm tra bằng cách thay đổi nhiệt độ và kết quả được thể hiện trong Hình 3. Như trong Hình 3, tốc độ dòng nitơ lỏng tương quan với nhiệt độ thức ăn, nhưng với sự thay đổi của nhiệt độ, sự thay đổi của đầu ra nitơ lỏng. Do đó, phù hợp hơn để đặt nhiệt độ thức ăn thành -173 độ. Nếu nhiệt độ quá cao, nó sẽ ảnh hưởng đến thiết bị tách không khí tiếp theo để tách oxy, argon, v.v .; Nếu nhiệt độ quá thấp, mức tiêu thụ năng lượng tương đối lớn, không đáp ứng mục đích tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ.

3 Áp dụng thực tế của sơ đồ tối ưu hóa quy trình

Khí được sản xuất bởi một nhà máy nhất định chủ yếu được bán cho các doanh nghiệp luyện kim và nitơ được sản xuất trực tiếp được cung cấp cho các doanh nghiệp luyện kim như một loại khí bảo vệ. Trong những năm gần đây, với sự suy giảm của nền kinh tế thị trường và sự gia tăng chi phí lao động, lợi ích kinh tế của nhà máy đã ngày càng thấp hơn. Trong những trường hợp như vậy, nhà máy đề xuất thay đổi tình hình quá trình sản xuất để giảm mức tiêu thụ động năng của thiết bị và do đó làm tăng lợi ích kinh tế. Sau khi nghiên cứu và phân tích, nhà máy đã thực hiện các cải tiến quy trình vào tháng 3 năm 2022. Kế hoạch cải thiện là: Áp suất tháp chưng cất được đặt thành 0,56 MPa, nhiệt độ thức ăn tháp thấp hơn được đặt thành -173 độ, lượng thức ăn thấp hơn được điều chỉnh thành 804 kmol/h và vị trí thức ăn được đặt ở tấm 33 Do cải thiện quá trình, tải trọng nhiệt của tháp chưng cất sẽ giảm, do đó, khả năng xử lý không khí của bộ phận tách không khí đông lạnh có thể được tăng lên một cách thích hợp, do đó làm tăng sản lượng của nitơ. Do đó, trong quá trình cải thiện quá trình, tốc độ dòng thức ăn của hệ thống nén không khí được thay đổi cùng một lúc và hiệu ứng ứng dụng của bộ phận tách không khí gây lạnh được phân tích dưới các tải khác nhau. Chu kỳ xác minh của mỗi tải là 10 ngày và tình hình sản xuất được thể hiện trong Bảng 2.
Có thể thấy từ Bảng 2 rằng sau khi tối ưu hóa quá trình, tải trọng tối đa của điều kiện làm việc thay đổi có thể đạt 120% tải ban đầu và đầu ra của nitơ và nitơ lỏng được tăng lên trong trường hợp này. Hơn nữa, ở mức tải 120%, tải nhiệt ở đầu tháp chưng cất đã thay đổi từ -8,29 MW thành -7,67 MW, tiết kiệm 7,48% năng lượng. Sau khi phân tích sức mạnh của thiết bị, có thể thấy rằng sức mạnh của thiết bị dưới tải trọng 120% giảm 132 kW · h. Chi phí điện công nghiệp trong khu vực nơi đặt nhà máy là 0,69 nhân dân tệ (/ kW · h). Theo hoạt động của thiết bị trong 330 ngày, chi phí năng lượng hàng năm có thể được tiết kiệm 721.000 nhân dân tệ. Về sản lượng sản phẩm, sau khi tối ưu hóa quá trình, sản lượng nitơ tăng 450,54 kmol/h, sản lượng nitơ chất lỏng áp suất trung bình tăng 625,48 kmol/h và sản lượng nitơ lỏng áp suất thấp tăng 281,34 kmol/h. Sau khi tính toán, lợi nhuận có thể được tăng thêm 3,876 triệu nhân dân tệ trong suốt cả năm. Có thể thấy rằng việc cải thiện quy trình có thể tạo ra 4,597 triệu nhân dân tệ thu nhập cho doanh nghiệp trong suốt cả năm.