Proses Optimalisasi Unit Pemisahan Udara Cryogenic

Dengan perkembangan yang cepat dari industri kimia, permintaan gas industri seperti oksigen tumbuh. Sebagai peralatan utama, efisiensi operasi dan ekonomi unit pemisahan udara kriogenik 50.000 m³/jam telah menarik banyak perhatian. Saat ini, kenaikan harga energi dan persaingan pasar yang intensif telah mendorong perusahaan untuk mencari optimasi proses untuk mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi. Makalah ini mengambil unit pabrik kimia sebagai objek penelitian, membangun model dengan bantuan perangkat lunak Aspen Plus, berfokus pada parameter proses menara distilasi, menentukan solusi optimal melalui analisis sensitivitas, dan memverifikasi di bawah beban yang berbeda, bertujuan untuk memberikan referensi untuk meningkatkan kinerja unit dan meningkatkan manfaat ekonomi. ​
 

 

Konstruksi model aliran proses untuk pabrik pemisahan udara

 

Aliran proses

Pabrik pemisahan udara kriogenik 50.000 m³/jam yang diadopsi oleh pabrik produksi kimia, dalam produksi aktual, udara memasuki sistem perbaikan setelah melewati sistem filtrasi, sistem kompresi, sistem prekooling dan sistem ekspansi secara berurutan untuk mencapai pemisahan gas. Makalah ini terutama menganalisis proses produksi oksigen, dan aliran proses produksinya adalah sebagai berikut:

 

Udara memasuki kompresor udara setelah menghilangkan kotoran melalui filter efisiensi tinggi. Udara terkompresi memasuki sistem precooling piring-sirip dan menukar panas dengan air pendingin untuk mengurangi suhu. Kemudian bagian dari udara memasuki sistem kompresi tahap berikutnya, dan bagian lainnya memasuki menara perbaikan setelah perawatan pemurnian lebih lanjut.

 

Aliran udara yang memasuki sistem kompresi tahap berikutnya adalah sekitar 4.500 kmol/jam. Bagian gas ini memasuki expander setelah pertukaran panas, suhu turun menjadi sekitar -115 derajat, tekanan dikurangi menjadi sekitar 0,15 MPa melalui expander, dan kemudian memasuki menara perbaikan setelah pertukaran panas dengan suhu turun hingga sekitar -165 derajat.

 

Menara perbaikan dibagi menjadi menara atas dan menara bawah. Menara atas adalah menara bertekanan rendah dengan tekanan sekitar 130 kPa, dan menara bawah adalah menara bertekanan tinggi dengan tekanan sekitar 580 kPa. Gas setelah pertukaran panas dan gas dari expander dikirim ke bagian atas dan bagian tengah menara atas masing -masing menara perbaikan. Gas ini diperbaiki berkali -kali di menara perbaikan. Nitrogen diperoleh di bagian atas menara, oksigen diperoleh di bagian bawah menara, dan beberapa produk cair disimpan dalam tangki penyimpanan yang sesuai.

 

Konstruksi model aliran proses

Dapat diketahui dari proses pemisahan udara di atas bahwa proses produksi aktual mencakup kompresi, pendinginan, ekspansi, perbaikan dan proses lainnya. Saat menggunakan perangkat lunak Aspen Plus untuk simulasi proses, modul dan fungsi yang diterapkan adalah sebagai berikut:

 

●Kompresor udara mengadopsi modul comp;

● Expander mengadopsi modul exp;

● Penukar panas mengadopsi modul HeatX;

● Menara perbaikan mengadopsi modul radfrac;

● Pompa mengadopsi modul pompa;

● Pemisah mengadopsi modul SEP.

Dalam proses simulasi model, sesuai dengan fungsi modul unit yang berbeda, mereka terhubung melalui aliran material, dan aliran dieksekusi sesuai dengan proses produksi oksigen. Selama simulasi, parameter peralatan diatur sesuai dengan nilai desain. Tekanan di bagian atas menara atas menara perbaikan diatur ke 0,132 MPa, tekanan di bagian bawah menara diatur ke 0,138 MPa, suhu di bagian atas menara diatur ke -193,5 derajat, suhu di bagian bawah menara diatur ke -180.2 derajat, dan jumlah trays di bagian bawah menara diatur ke -180.2 derajat, dan jumlah trays 55.

 

Dapat dilihat dari hasil simulasi model dalam tabel bahwa berbagai indeks model pada dasarnya konsisten dengan indeks desain pabrik pemisahan udara kriogenik. Perbedaan antara kemurnian oksigen cair di menara atas dan nilai desain adalah 0,8%, fluktuasi nilai simulasi berada dalam kisaran yang diijinkan, dan output oksigen yang disimulasikan dekat dengan nilai desain, dengan kesalahan dalam kisaran yang diijinkan. Dengan demikian, dapat dilihat bahwa model yang ditetapkan kali ini dapat digunakan untuk analisis verifikasi optimasi proses [2].

Tabel 1 Hasil Simulasi Model Aliran Proses Pemisahan Udara

​

Barang	Indeks Desain	Indeks simulasi
Laju aliran nitrogen cairan limbah ke menara atas/(kmol/jam)	4000	4007
Laju aliran udara cair ke menara atas/(kmol/jam)	5000	5000
Laju aliran nitrogen cair ke menara atas/(kmol/jam)	4000	4000
Kemurnian udara cair di menara bawah, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Kemurnian limbah nitrogen di menara atas, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Laju aliran nitrogen dari kotak dingin/(kmol/jam)	2350	2350
Tekanan bawah menara atas/MPa	0.14	0.14
Tekanan atas menara bawah/MPa	0.56	0.558
Output Produk Nitrogen/(KMOL/H)	2400	2400
Sedang - Tekanan Output Nitrogen Cair/(KMOL/H)	2940	2924.38
Output nitrogen cair rendah - tekanan/(kmol/jam)	1360	1336.58

​

Analisis Optimalisasi Proses

 

Dalam proses pemisahan gas dari pabrik pemisahan udara cryogenic, menara atas menara perbaikan memainkan peran kunci. Melalui penelitian dan analisis teoritis peralatan, tujuan penghematan energi dan pengurangan konsumsi dapat dicapai dengan mengubah parameter proses menara atas menara perbaikan. Kali ini, modul sensitivitas Aspen Plus digunakan untuk menganalisis parameter proses yang berbeda dari menara atas menara perbaikan secara rinci, dan skema operasi proses yang optimal diperoleh.

 

Hubungan antara posisi pakan dan efisiensi pemisahan

 

Dalam proses simulasi, menjaga parameter lain tidak berubah dan mengubah posisi umpan, hasil perubahan efisiensi pemisahan menara atas ditunjukkan pada gambar.

 

Dapat dilihat dari gambar bahwa dengan parameter lain tidak berubah, mengubah posisi umpan menara atas menara perbaikan, efisiensi pemisahan menara atas pertama -tama akan meningkat dan kemudian menurun. Ketika posisi umpan ditetapkan pada baki ke -28, efisiensi pemisahan mencapai yang tertinggi. Dengan demikian, dapat dilihat bahwa baki ke -28 adalah posisi umpan yang optimal.

Gambar 1 Hubungan antara posisi umpan menara bawah dan beban panas di bagian atas menara distilasi

 

Hubungan antara aliran umpan dan output oksigen dan kemurnian

Dengan mengubah laju aliran umpan menara bawah dan menjaga parameter lain tidak berubah, perubahan output dan kemurnian nitrogen cair di bagian atas menara distilasi ditunjukkan pada Gambar 2.

 

Mengubah aliran umpan menara atas, menjaga parameter lain tidak berubah, perubahan output oksigen dan kemurnian di menara atas menara perbaikan ditunjukkan pada gambar.

 

Dapat dilihat dari Gambar 2 bahwa dengan peningkatan aliran umpan menara atas, output oksigen secara bertahap meningkat, tetapi kemurnian menunjukkan tren penurunan, yang konsisten dengan analisis teoritis. Dapat dilihat dari gambar bahwa ketika aliran umpan menara atas di bawah 780 kmol/jam, kemurnian oksigen di atas 99,6%, yang memenuhi permintaan gas industri kimia. Pada saat ini, outputnya adalah 2850 kmol/jam, yang secara signifikan lebih tinggi dari aliran umpan awal 750 kmol/jam dan output oksigen 2780 kmol/jam. Oleh karena itu, aliran umpan harus dikontrol pada 780 kmol/jam, yang dapat meningkatkan output sambil memastikan kemurnian oksigen.

 

Pengaruh tekanan pada konsumsi energi

 

Menjaga parameter lain tidak berubah dan mengubah tekanan menara atas, perubahan konsumsi energi perangkat ditunjukkan pada gambar.

 

Dapat dilihat dari gambar bahwa dengan peningkatan tekanan menara atas, konsumsi energi perangkat secara bertahap meningkat. Mempertimbangkan efek pemisahan dan konsumsi energi secara komprehensif, sesuai untuk menetapkan tekanan menara atas ke 0,135 MPa, yang tidak hanya dapat memastikan efek pemisahan yang baik, tetapi juga menghindari konsumsi energi yang berlebihan.

 

Aplikasi Praktis Skema Optimasi Proses

 

Gas yang diproduksi oleh pabrik terutama dipasok ke perusahaan kimia, dan oksigen yang diproduksi digunakan dalam reaksi oksidasi dalam reaksi kimia. Dalam beberapa tahun terakhir, karena kenaikan harga energi dan persaingan pasar yang intensif, ruang laba pabrik secara bertahap menyempit. Dalam hal ini, pabrik memutuskan untuk mengurangi konsumsi energi dan meningkatkan manfaat ekonomi dengan meningkatkan proses produksi. Setelah penelitian dan analisis, pabrik melakukan peningkatan proses pada Mei 2023. Skema perbaikan adalah sebagai berikut: Tekanan menara atas menara perbaikan diatur ke 0,135 MPa, suhu umpan menara atas ditetapkan ke -168 derajat, jumlah umpan pada menara atas disesuaikan dengan 780 kmol/jam, dan posisi umpan pada. Karena peningkatan proses, konsumsi energi menara perbaikan telah berkurang, sehingga kapasitas penanganan udara pabrik pemisahan udara cryogenic dapat meningkat secara tepat, sehingga meningkatkan output oksigen. Dalam proses peningkatan proses, aliran umpan sistem kompresi udara diubah pada saat yang sama, dan efek aplikasi dari pabrik pemisahan udara cryogenic dianalisis di bawah beban yang berbeda. Periode verifikasi untuk setiap beban adalah 15 hari, dan situasi produksi ditunjukkan pada Tabel 2.

 

Dapat dilihat dari Tabel 2 bahwa setelah optimasi proses, beban kondisi kerja variabel maksimum dapat mencapai 115% dari beban asli, dan dalam hal ini, baik oksigen dan output oksigen cair meningkat. Selain itu, di bawah beban 115%, konsumsi energi menara atas menara perbaikan berubah dari asli -7,85 MW menjadi -7,23 MW, dengan penghematan energi 7,9%. Melalui analisis energi listrik peralatan, diketahui bahwa pengurangan energi listrik dari peralatan di bawah beban 115% adalah 125 kW · h. Biaya listrik industri di daerah tempat pabrik berada 0,72 yuan/(kW · h). Dihitung oleh peralatan yang beroperasi selama 330 hari, biaya listrik tahunan dapat dihemat oleh 712.800 yuan. Dihitung dari aspek output produk, setelah optimasi proses, output oksigen telah meningkat sebesar 380 kmol/jam, output oksigen cair telah meningkat sebesar 420 kmol/jam, dan output argon cair telah meningkat 25 kmol/jam. Dihitung bahwa laba tahunan dapat ditingkatkan sebesar 3,2 juta yuan. Dengan demikian, dapat dilihat bahwa peningkatan proses dapat menciptakan 3,9128 juta manfaat yuan untuk perusahaan setiap tahun.

 

Tabel 2 Situasi Produksi Pabrik Pemisahan Udara Cryogenic Di bawah beban yang berbeda setelah optimasi proses

​

Item	80% beban	Beban 90%	100% beban	Beban 110%	Beban 115%
Jumlah umpan (kmol/jam)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
Output oksigen (kmol/jam)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
Output oksigen cair (kmol/jam)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
Output argon cair (kmol/jam)	95​	105​	120​	135​	145​

​