극저온 공기 분리 장치의 공정 최적화

화학 산업의 빠른 발전으로 산소와 같은 산업 가스에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 주요 장비로서, 50,000 m³/h 극저온 공기 분리 장치의 운영 효율과 경제는 많은 관심을 끌었다. 현재 에너지 가격 상승과 시장 경쟁 강화로 인해 기업은 프로세스 최적화를 추구하여 비용을 줄이고 효율성을 높였습니다. 이 논문은 화학 플랜트의 단위를 연구 대상으로, 아스펜 플러스 소프트웨어의 도움으로 모델을 구축하고, 증류 타워의 프로세스 매개 변수에 중점을두고, 민감도 분석을 통해 최적의 솔루션을 결정하며, 다른 하중 하에서이를 검증하여 단위의 성능을 향상시키고 경제적 이점을 높이기위한 참조를 제공합니다. ​
 

 

공기 분리 플랜트를위한 공정 흐름 모델의 구성

 

프로세스 흐름

화학 생산 공장에 의해 채택 된 50,000 m³/h 극저온 공기 분리 플랜트는 실제 생산에서 공기가 가스 분리를 달성하기 위해 여과 시스템, 압축 시스템, 프리 쿨링 시스템 및 확장 시스템을 통과 한 후 정류 시스템에 들어갑니다. 이 백서는 주로 산소 생산 공정을 분석하며 생산 공정 흐름은 다음과 같습니다.

 

공기는 고효율 필터를 통해 불순물을 제거한 후 공기 압축기로 들어갑니다. 압축 공기는 플레이트 핀 프리 쿨링 시스템으로 들어가서 온도를 줄이기 위해 냉각수와 열을 교환합니다. 그런 다음 공기의 일부는 다음 단계 압축 시스템으로 들어가고 다른 부분은 추가 정제 처리 후 정류 타워로 들어갑니다.

 

차세대 압축 시스템에 유입되는 공기 흐름은 약 4,500kmol/h입니다. 가스 의이 부분은 열 교환 후 팽창으로 들어가고, 온도는 약 -115 도로 떨어지고, 압력은 팽창기를 통해 약 0.15 MPa로 감소한 다음, 온도가 약 -165 도로 떨어지면 열 교환 후 정류 타워로 들어갑니다.

 

정류 타워는 상단 타워와 하단 타워로 나뉩니다. 상단 타워는 압력이 약 130kPa의 저압 타워이며, 하단 타워는 약 580kPa의 압력을 가진 고압 타워입니다. 열 교환 후 가스와 팽창기의 가스는 각각 정류 타워의 상단 타워의 상단과 중간 부분으로 전송됩니다. 가스는 정류 타워에서 여러 번 정류됩니다. 질소는 탑의 상단에서 얻어지고, 산소는 타워의 바닥에서 얻어지며, 일부 액체 제품은 해당 저장 탱크에 저장됩니다.

 

프로세스 흐름 모델의 구성

위의 공기 분리 공정에서 실제 생산 공정에는 압축, 냉각, 확장, 정류 및 기타 프로세스가 포함된다는 것이 위의 공기 분리 공정에서 알 수 있습니다. 프로세스 시뮬레이션에 Aspen Plus 소프트웨어를 사용하는 경우 적용된 모듈 및 기능은 다음과 같습니다.

 

●공기 압축기는 CORT 모듈을 채택합니다.

● Expander는 EXP 모듈을 채택합니다.

● 열교환 기는 Heatx 모듈을 채택합니다.

● 정류 타워는 Radfrac 모듈을 채택합니다.

● 펌프는 펌프 모듈을 채택합니다.

● 분리기는 SEP 모듈을 채택합니다.

모델 시뮬레이션 과정에서 다른 단위 모듈의 기능에 따라 재료 흐름을 통해 연결되며 흐름은 산소 생산 공정에 따라 실행됩니다. 시뮬레이션 중에 장비 매개 변수는 설계 값에 따라 설정됩니다. 정류 타워의 상단 타워 상단의 압력은 0.132 MPa로 설정되며 타워 하단의 압력은 0.138 MPa로 설정되고 타워 상단의 온도는 -193.5 도로 설정되며 타워 하단의 온도는 -180.2 도로 설정되며 트레이의 수는 55로 설정됩니다.

 

모델의 모델의 시뮬레이션 결과에서 모델의 다양한 인덱스가 기본적으로 극저온 공기 분리 플랜트의 설계 지수와 일치한다는 것을 알 수 있습니다. 상단 타워에서 액체 산소 순도의 차이와 설계 값의 차이는 0.8%이며, 시뮬레이션 값의 변동은 허용 범위 내에 있으며, 시뮬레이션 된 산소 출력은 허용 범위 내에서 오류와 함께 설계 값에 가깝습니다. 따라서이 시간에 설정된 모델이 프로세스 최적화 검증 분석에 사용될 수 있음을 알 수 있습니다 [2].

표 1 공기 분리 플랜트 공정 흐름 모델의 시뮬레이션 결과

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목	디자인 색인	시뮬레이션 인덱스
상부 타워로의 폐기물 액체 질소의 유량/(kmol/h)	4000	4007
상부 타워로의 액체 공기의 유량/(kmol/h)	5000	5000
상부 타워로의 액체 질소의 유량/(kmol/h)	4000	4000
하부 타워에서 액체 공기의 순도, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
상단 타워에서 폐기물 질소의 순도, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
차가운 상자에서 나온 질소의 유량/(kmol/h)	2350	2350
상단 타워/MPA의 바닥 압력	0.14	0.14
하부 타워/MPA의 최고 압력	0.56	0.558
질소 제품 출력/(kmol/h)	2400	2400
중간 - 압력 액체 질소 출력/(kmol/h)	2940	2924.38
저압 액체 질소 출력/(kmol/h)	1360	1336.58

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프로세스 최적화 분석

 

극저온 공기 분리 공장의 가스 분리 과정에서, 정류 타워의 상단 타워는 중요한 역할을합니다. 장비의 연구 및 이론적 분석을 통해 정류 타워의 상단 타워의 공정 매개 변수를 변경함으로써 에너지 절약 및 소비 감소의 목표를 달성 할 수 있습니다. 이번에는 Aspen Plus의 민감도 모듈은 정류 타워의 상단 타워의 다른 프로세스 매개 변수를 자세히 분석하는 데 사용되며 최적의 프로세스 작동 방식이 얻어집니다.

 

사료 위치와 분리 효율 사이의 관계

 

시뮬레이션 프로세스에서 다른 매개 변수를 변경하고 피드 위치를 변경하면 상단 타워의 분리 효율의 변화 결과가 그림에 표시됩니다.

 

그림에서 다른 매개 변수로 변하지 않고 정류 타워의 상단 타워의 피드 위치를 변경하면 상단 타워의 분리 효율이 먼저 증가한 다음 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 공급 위치가 28 번째 트레이에서 설정되면 분리 효율이 가장 높습니다. 따라서 28 번째 트레이가 최적의 공급 위치임을 알 수 있습니다.

그림 1 하부 타워의 사료 위치와 증류탑 상단의 열 하중 사이의 관계

 

공급 흐름과 산소 출력과 순도 사이의 관계

하부 타워의 공급 유량을 변경하고 다른 파라미터를 변경하지 않으면 증류탑 상단에서 액체 질소의 출력과 순도의 변화가 그림 2에 나와 있습니다.

 

상단 타워의 공급 흐름을 변경하여 다른 매개 변수를 변경하지 않도록 유지하면 정류 타워의 상단 타워에서 산소 출력과 순도의 변화가 그림에 표시됩니다.

 

그림 2에서 상부 타워의 공급 흐름이 증가함에 따라 산소 출력이 점차 증가하지만 순도는 하향 경향을 나타내며 이론적 분석과 일치합니다. 상단 타워의 공급 흐름이 780kmol/h 미만일 때 산소의 순도는 99.6%를 초과하여 화학 산업의 가스 수요를 충족 시킨다는 것을 알 수 있습니다. 현재, 출력은 2850kmol/h이며, 이는 750kmol/h의 초기 공급 흐름과 2780kmol/h의 산소 출력보다 유의하게 높다. 따라서, 공급 흐름은 780kmol/h에서 제어되어야하며, 이는 산소 순도를 보장하면서 출력을 증가시킬 수있다.

 

에너지 소비에 대한 압력의 영향

 

다른 매개 변수를 변경하지 않고 상단 타워의 압력을 변경하면 장치의 에너지 소비의 변화가 그림에 표시됩니다.

 

상단 타워의 압력이 증가함에 따라 장치의 에너지 소비가 점차 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 분리 효과와 에너지 소비를 종합적으로 고려할 때 상단 타워의 압력을 0.135 MPa로 설정하는 것이 적절합니다. 이는 좋은 분리 효과를 보장 할뿐만 아니라 과도한 에너지 소비를 피할 수 있습니다.

 

프로세스 최적화 체계의 실제 적용

 

공장에서 생산 된 가스는 주로 화학 기업에 공급되며, 생산 된 산소는 화학 반응에서 산화 반응에 사용됩니다. 최근 몇 년 동안 에너지 가격 상승과 시장 경쟁이 강화되어 공장의 이익 공간이 점차 좁아졌습니다. 이 경우 공장은 생산 공정을 개선하여 에너지 소비를 줄이고 경제적 이점을 향상시키기로 결정했습니다. 연구 및 분석 후, 공장은 2023 년 5 월에 프로세스 개선을 수행했습니다. 개선 체계는 다음과 같습니다. 정류 타워의 상단 타워의 압력은 0.135 MPa로 설정되고, 상단 타워의 공급 온도는 -168 도로 설정되며, 상단 타워의 공급량은 780kmol/h로 조정됩니다. 공정 개선으로 인해 정류 타워의 에너지 소비가 줄어들어 극저온 공기 분리 플랜트의 공기 취급 용량이 적절하게 증가하여 산소 출력이 증가 할 수 있습니다. 공정 개선 과정에서, 공기 압축 시스템의 공급 흐름은 동시에 변경되고, 극저온 공기 분리 플랜트의 적용 효과는 다른 하중 하에서 분석된다. 각 부하에 대한 검증 기간은 15 일이며 생산 상황은 표 2에 나와 있습니다.

 

공정 최적화 후, 최대 가변 작동 조건 하중이 원래 하중의 115%에 도달 할 수 있으며,이 경우 산소와 액체 산소 출력이 모두 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 또한, 115% 하중 미만, 정류 타워의 상단 타워의 에너지 소비는 원래 -7.85 MW에서 -7.23 MW로 변하고 에너지 절약은 7.9%입니다. 장비의 전기 에너지 분석을 통해 115% 하중 미만의 장비의 전기 에너지 감소는 125kW · h입니다. 공장이있는 지역의 산업 전기 비용은 0.72 위안/(kw · h)입니다. 330 일 동안 작동하는 장비에 의해 계산 된 연간 전기 비용은 712,800 위안으로 절약 할 수 있습니다. 제품 출력 측면으로부터, 공정 최적화 후, 산소 출력은 380kmol/h, 액체 산소 출력은 420kmol/h 증가했으며 액체 아르곤 출력은 25kmol/h 증가했다. 연간 이익은 320 만 위안으로 증가 할 수 있다고 계산됩니다. 따라서 프로세스 개선은 매년 기업에 3,9128 백만 위안의 혜택을 창출 할 수 있음을 알 수 있습니다.

 

표 2 공정 최적화 후 다른 하중 하에서 극저온 공기 분리 공장의 생산 상황

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항목	80% 부하	90% 부하	100% 부하	110%로드	115% 부하
사료 금액 (kmol/h)	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
산소 출력 (kmol/h)	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
액체 산소 출력 (kmol/h)	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
액체 아르곤 출력 (KMOL/H)	95​	105​	120​	135​	145​

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