Indledning
I industriel gasproduktion er luftseparationsenheden (ASU) et kerneudstyr, der primært bruges til at adskille og udnytte gasser som oxygen, nitrogen og argon fra luft. Med stigende energiomkostninger og "dual carbon"-målene er forbedring af energieffektiviteten af ASU'er blevet et centralt fokus for industrien. En nylig undersøgelse, der brugte en 60.000 Nm³/h kryogen luftseparationsenhed på et specifikt anlæg som eksempel, brugte Aspen Plus-software til at modellere og optimere processen, hvilket opnåede betydelige energibesparelser og økonomiske fordele, hvilket gav et værdifuldt casestudie for industrien.
Driftsprincip for kryogene luftseparationsenheder
Den kryogene luftseparationsproces adskiller primært gaskomponenter fra luft gennem trin som luftkompression, forkøling, varmeveksling og destillation. Luften sættes først under tryk og afkøles af en kompressor, derefter dyb-kølet til cirka -170 grader med en ekspander. Ilt og nitrogen adskilles derefter i høj--- og lavtryksdestillationstårne.
De øvre og nedre tårne er uafhængige, men forbundet med rørledninger: Høj-trykstårnet opretholder et tryk på ca. 0,55 MPa, og lavtrykstårnet ca. 0,14 MPa. Gassen kondenserer i toppen af tårnet for at producere flydende nitrogen, hvoraf noget fortsætter med at strømme ind i det øvre tårn til yderligere destillation, hvilket giver høj-ren nitrogengas eller flydende nitrogenprodukter.
Energiforbruget i denne proces er primært koncentreret i kompressions-, afkølings- og destillationsstadierne. Derfor er optimering af varmebelastningen og tilførselsparametrene nøglen til at forbedre energieffektiviteten.
Simulationsmodelleringens rolle i procesoptimering
Forskerholdet brugte Aspen Plus til at konstruere en digital model af luftseparationsenheden, der omfatter nøgleenhedsudstyr såsom kompressorer, varmevekslere, pumper og destillationstårne. Sammenligning af simuleringsresultaterne med designspecifikationer viste, at modelfejlen var inden for 1 %, hvilket viser dens høje nøjagtighed og potentiale for energibesparende verifikation og parameteroptimering. Simuleringsanalysen fokuserede på fire nøglefaktorer:
Foderplacering
Foder flow
Destillationskolonne arbejdstryk
Fodertemperatur
Disse parametre påvirker tilsammen tårnets overliggende varmebelastning, udbyttet af flydende nitrogen og renheden og bestemmer dermed systemets overordnede energieffektivitet.
Indvirkning af procesparametre på energibesparelser
Foderplacering
Ved at holde andre betingelser konstante viste undersøgelsen, at indstilling af foderplaceringen ved bakke 33 resulterede i den laveste og mest stabile tårnoverhead varmebelastning, hvilket gør det til det optimale fødepunkt.
Foder flow
Forøgelse af fødestrømningshastigheden øger udbyttet af flydende nitrogen, men reducerer renheden. Når den nedre tårntilførselshastighed styres til 804 kmol/t, kan udbyttet øges, mens nitrogenrenheden bevares (99,999%).
Temperaturkontrol
Fodertemperaturen er positivt korreleret med flydende nitrogenstrømningshastighed, men for høje temperaturer kan påvirke ilt- og argonseparationen, mens for lave temperaturer øger energiforbruget. Undersøgelsen fastslog -173 grader for at være den optimale driftstemperatur.
Ved at justere disse parametre kan luftseparationsenheden opnå højere ydelse, samtidig med at det samme energiforbrug opretholdes, og nå målet om "energibesparelse og effektivitetsforbedring."
Praktisk anvendelse og økonomisk fordelsanalyse
Denne optimeringsløsning blev implementeret i et gasanlæg i 2022. Resultaterne viste, at anlægget kunne fungere stabilt ved 120 % af dets nominelle belastning, hvilket øgede produktionen markant:
Nitrogenproduktionen steg med 450 kmol/t;
Produktionen af flydende nitrogen ved mellem-tryk steg med 625 kmol/t;
Produktionen af flydende nitrogen ved lavt-tryk steg med 281 kmol/t.
Samtidig faldt destillationskolonnens overheadvarmebelastning med 7,48%, hvilket sparer cirka 721.000 yuan i årlige elomkostninger. Baseret på markedspriser nåede den samlede årlige økonomiske fordel op på cirka 4,6 millioner yuan. Denne præstation viser den betydelige værdi af procesoptimering for industrielle gasproducenter.
Konklusioner og industrikonsekvenser
Denne undersøgelse demonstrerer den videnskabelige tilgang og de praktiske resultater af energibesparende-optimering i kryogene luftseparationsenheder. Avanceret simuleringssoftware som f.eks. Aspen Plus giver mulighed for tidlig forudsigelse af systemets ydeevne under procesdesignfasen, hvilket reducerer omkostningerne til prøve-og-fejl.
For gasproducenter tilbyder denne digitale procesoptimering tre nøgleimplikationer:
Simulerings-drevet beslutningstagning-: Simuleringsmodeller muliggør procesvisualisering og dynamisk analyse. Energibesparelse og rentabilitet går hånd i hånd: Procesoptimering reducerer ikke kun energiforbruget, men øger også direkte produktion og fortjeneste.
Grønne produktionstendenser: Med strammere globale CO2-emissionsreduktionspolitikker skal luftseparationsindustrien fortsætte med at fremme energibesparende-transformation og intelligente opgraderinger.
I fremtiden vil optimeringsretningen for kryogene luftseparationsenheder blive yderligere integreret med AI prædiktiv kontrol, digitale tvillingesystemer og integreret EPC-teknik for at opnå fuld livscyklus energieffektivitetsstyring fra design til drift.
