Optimización de procesos de la unidad de separación de aire criogénico

Jul 14, 2025

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Con el rápido desarrollo de la industria química, la demanda de gases industriales como el oxígeno está creciendo. Como equipo clave, la eficiencia operativa y la economía de la unidad de separación criogénica de aire de 50,000 m³/h han atraído mucha atención. En la actualidad, el aumento de los precios de la energía y la competencia intensificada del mercado han llevado a las empresas a buscar la optimización de procesos para reducir los costos y aumentar la eficiencia. Este documento toma la unidad de una planta química como objeto de investigación, construye un modelo con la ayuda del software Aspen Plus, se centra en los parámetros del proceso de la torre de destilación, determina la solución óptima a través del análisis de sensibilidad y lo verifica bajo diferentes cargas, con el objetivo de proporcionar una referencia para mejorar el rendimiento de la unidad y aumentar los beneficios económicos.

La planta de separación de aire criogénica de 50,000 m³/h adoptada por una fábrica de producción de productos químicos, en la producción real, el aire ingresa al sistema de rectificación después de pasar por el sistema de filtración, el sistema de compresión, el sistema de pre -enoque y el sistema de expansión en secuencia para lograr la separación de gases. Este documento analiza principalmente el proceso de producción de oxígeno, y su flujo de proceso de producción es el siguiente:

El aire ingresa al compresor de aire después de eliminar las impurezas a través de un filtro de alta eficiencia. El aire comprimido entra en el sistema de pre-endurecimiento de la aleta de la placa e intercambia calor con agua de enfriamiento para reducir la temperatura. Luego, parte del aire ingresa al sistema de compresión de la siguiente etapa, y la otra parte ingresa a la torre de rectificación después del tratamiento de purificación adicional.

El flujo de aire que ingresa al sistema de compresión de la próxima etapa es de aproximadamente 4,500 kmol/h. Esta parte del gas ingresa al expansor después del intercambio de calor, la temperatura cae a aproximadamente -115 grados, la presión se reduce a aproximadamente 0.15 MPa a través del expansor, y luego ingresa a la torre de rectificación después del intercambio de calor con la temperatura que cae a aproximadamente -165 grados.

La torre de rectificación se divide en una torre superior y una torre inferior. La torre superior es una torre de baja presión con una presión de aproximadamente 130 kPa, y la torre inferior es una torre de alta presión con una presión de aproximadamente 580 kPa. El gas después del intercambio de calor y el gas del expansor se envían a la parte superior y a la parte media de la torre superior de la torre de rectificación, respectivamente. El gas se rectifica muchas veces en la torre de rectificación. El nitrógeno se obtiene en la parte superior de la torre, se obtiene oxígeno en la parte inferior de la torre y se almacenan algunos productos líquidos en los tanques de almacenamiento correspondientes.

Se puede saber en el proceso de separación de aire anterior que el proceso de producción real incluye compresión, enfriamiento, expansión, rectificación y otros procesos. Cuando se usa el software Aspen Plus para la simulación de procesos, los módulos y las funciones aplicadas son los siguientes:

●El compresor de aire adopta el módulo CompR;

● El expansor adopta el módulo exp;

● El intercambiador de calor adopta el módulo HeatX;

● La torre de rectificación adopta el módulo RADFRAC;

● La bomba adopta el módulo de la bomba;

● El separador adopta el módulo SEP.

En el proceso de simulación del modelo, de acuerdo con las funciones de diferentes módulos unitarios, están conectados a través del flujo de material, y el flujo se ejecuta de acuerdo con el proceso de producción de oxígeno. Durante la simulación, los parámetros del equipo se establecen de acuerdo con los valores de diseño. La presión en la parte superior de la torre superior de la torre de rectificación se establece en 0.132 MPa, la presión en la parte inferior de la torre se establece en 0.138 MPa, la temperatura en la parte superior de la torre se establece en -193.5 grados, la temperatura en la parte inferior de la torre se establece en -180.2 grados, y el número de bandejas es 55. Después de la simulación de análisis, los resultados se muestran en la mesa.

Se puede ver a partir de los resultados de la simulación del modelo en la tabla que varios índices del modelo son básicamente consistentes con los índices de diseño de la planta de separación de aire criogénico. La diferencia entre la pureza del oxígeno líquido en la torre superior y el valor de diseño es 0.8%, la fluctuación del valor de simulación está dentro del rango permitido, y la salida de oxígeno simulada está cerca del valor de diseño, con errores dentro del rango permitido. Por lo tanto, se puede ver que el modelo establecido este tiempo puede usarse para el análisis de verificación de optimización de procesos [2].

Tabla 1 Resultados de simulación del modelo de flujo de proceso de la planta de separación de aire

Artículo	Índice de diseño	Índice de simulación
Caudal de nitrógeno líquido de desechos en la torre superior/(kmol/h)	4000	4007
Caudal de aire líquido en la torre superior/(kmol/h)	5000	5000
Caudal de nitrógeno líquido en la torre superior/(kmol/h)	4000	4000
Pureza de aire líquido en la torre inferior, \\ (x (\\ ce {o2}) \\) 1%	37	36.1
Pureza del nitrógeno de residuos en la torre superior, \\ (x (\\ ce {n2}) \\) 1%	90	89.87
Caudal de nitrógeno fuera de la caja fría/(kmol/h)	2350	2350
Presión inferior de la torre superior/MPA	0.14	0.14
Presión superior de la torre inferior/MPA	0.56	0.558
Salida de productos de nitrógeno/(kmol/h)	2400	2400
Salida de nitrógeno líquido mediano a presión/(kmol/h)	2940	2924.38
Salida de nitrógeno líquido a baja presión/(kmol/h)	1360	1336.58

En el proceso de separación de gas de la planta de separación de aire criogénico, la torre superior de la torre de rectificación juega un papel clave. A través de la investigación y el análisis teórico del equipo, el objetivo del ahorro de energía y la reducción del consumo se puede lograr cambiando los parámetros del proceso de la torre superior de la torre de rectificación. Esta vez, el módulo de sensibilidad de Aspen Plus se utiliza para analizar los diferentes parámetros de proceso de la torre superior de la torre de rectificación en detalle, y se obtiene el esquema de operación de proceso óptimo.

En el proceso de simulación, manteniendo otros parámetros sin cambios y cambiando la posición de alimentación, el resultado de cambio de la eficiencia de separación de la torre superior se muestra en la figura.

Se puede ver a partir de la figura que con otros parámetros sin cambios, cambiando la posición de alimentación de la torre superior de la torre de rectificación, la eficiencia de separación de la torre superior aumentará primero y luego disminuirá. Cuando la posición de alimentación se establece en la bandeja 28, la eficiencia de separación alcanza la más alta. Por lo tanto, se puede ver que la bandeja 28 es la posición de alimentación óptima.

Process Optimization Of Cryogenic Air Separation Unit

Se puede ver en la Figura 2 que con el aumento del flujo de alimentación de la torre superior, la salida de oxígeno aumenta gradualmente, pero la pureza muestra una tendencia a la baja, que es consistente con el análisis teórico. Se puede ver en la figura que cuando el flujo de alimentación de la torre superior está por debajo de 780 kmol/h, la pureza del oxígeno está por encima del 99.6%, lo que satisface la demanda de gas de la industria química. En este momento, la salida es de 2850 kmol/h, que es significativamente mayor que el flujo de alimentación inicial de 750 kmol/hy la salida de oxígeno de 2780 kmol/h. Por lo tanto, el flujo de alimentación debe controlarse a 780 kmol/h, lo que puede aumentar la salida al tiempo que garantiza la pureza del oxígeno.

Manteniendo otros parámetros sin cambios y cambiando la presión de la torre superior, el cambio del consumo de energía del dispositivo se muestra en la figura.

Se puede ver a partir de la figura que con el aumento de la presión de la torre superior, el consumo de energía del dispositivo aumenta gradualmente. Teniendo en cuenta el efecto de separación y el consumo de energía exhaustivamente, es apropiado establecer la presión de la torre superior a 0.135 MPa, lo que no solo puede garantizar un buen efecto de separación, sino también evitar el consumo excesivo de energía.

El gas producido por la fábrica se suministra principalmente a empresas químicas, y el oxígeno producido se usa en reacciones de oxidación en reacciones químicas. En los últimos años, debido al aumento de los precios de la energía y la competencia intensificada del mercado, el espacio de ganancias de la fábrica se ha reducido gradualmente. En este caso, la fábrica decidió reducir el consumo de energía y mejorar los beneficios económicos al mejorar el proceso de producción. Después de la investigación y el análisis, la fábrica realizó la mejora del proceso en mayo de 2023. El esquema de mejora es el siguiente: la presión de la torre superior de la torre de rectificación se establece en 0.135 MPa, la temperatura de alimentación de la torre superior se establece en -168 grados, la cantidad de alimentación de la torre superior se ajusta a 780 kmol/h, y la posición de alimentación se establece en la bandeja 28. Debido a la mejora del proceso, el consumo de energía de la torre de rectificación se ha reducido, por lo que la capacidad de manejo del aire de la planta de separación de aire criogénica puede aumentarse adecuadamente, lo que aumenta la producción de oxígeno. En el proceso de mejora del proceso, el flujo de alimentación del sistema de compresión de aire se cambia al mismo tiempo, y el efecto de aplicación de la planta de separación de aire criogénico se analiza bajo diferentes cargas. El período de verificación para cada carga es de 15 días, y la situación de producción se muestra en la Tabla 2.

Se puede ver en la Tabla 2 que después de la optimización del proceso, la carga de condición de trabajo variable máxima puede alcanzar el 115% de la carga original, y en este caso, se incrementan las salidas de oxígeno y oxígeno líquido. Además, por debajo del 115% de carga, el consumo de energía de la torre superior de la torre de rectificación cambia de -7.85 MW original a -7.23 MW, con un ahorro de energía del 7.9%. Mediante el análisis de la energía eléctrica del equipo, se sabe que la reducción de la energía eléctrica del equipo por debajo del 115% de carga es de 125 kW · h. El costo de electricidad industrial en el área donde se encuentra la fábrica es de 0.72 yuanes/(kW · h). Calculado por el equipo que funciona durante 330 días, el costo anual de electricidad puede ahorrarse en 712,800 yuanes. Calculado a partir del aspecto de la salida del producto, después de la optimización del proceso, la salida de oxígeno ha aumentado en 380 kmol/h, la salida de oxígeno líquido ha aumentado en 420 kmol/h, y la salida de argón líquido ha aumentado en 25 kmol/h. Se calcula que la ganancia anual se puede aumentar en 3,2 millones de yuanes. Por lo tanto, se puede ver que la mejora del proceso puede crear 3.9128 millones de yuanes de beneficios para la empresa anualmente.

Tabla 2 Situación de producción de la planta de separación de aire criogénico bajo diferentes cargas después de la optimización del proceso

Artículo	Carga del 80%	90% de carga	100% de carga	110% de carga	Carga del 115%
Cantidad de alimentación (kmol/h)	9850	11000	12150	13300	14000
Salida de oxígeno (kmol/h)	2180	2450	2750	3020	3130
Salida de oxígeno líquido (kmol/h)	2550	2850	3200	3480	3620
Salida de argón líquido (kmol/h)	95	105	120	135	145

Optimización de procesos de la unidad de separación de aire criogénico

Construcción del modelo de flujo de proceso para la planta de separación de aire

Flujo de proceso

Construcción del modelo de flujo de proceso

Análisis de optimización de procesos

Relación entre la posición de alimentación y la eficiencia de separación

Relación entre el flujo de alimentación y la salida de oxígeno y la pureza

Influencia de la presión sobre el consumo de energía

Aplicación práctica del esquema de optimización de procesos