Kriyojenik hava ayırma ünitesinin işlem optimizasyonu

Jul 14, 2025

Mesaj bırakın

Kimya endüstrisinin hızlı gelişimi ile oksijen gibi endüstriyel gazlara olan talep artmaktadır. Anahtar bir ekipman olarak, 50.000 m³/s kriyojenik hava ayırma ünitesinin işletim verimliliği ve ekonomisi çok dikkat çekmiştir. Şu anda, artan enerji fiyatları ve yoğun piyasa rekabeti, şirketleri maliyetleri azaltmak ve verimliliği artırmak için süreç optimizasyonu aramaya teşvik etti. Bu makale, bir kimyasal tesisin birimini araştırma nesnesi olarak alır, Aspen Plus yazılımı yardımıyla bir model oluşturur, damıtma kulesinin süreç parametrelerine odaklanır, hassasiyet analizi yoluyla optimal çözümü belirler ve farklı yükler altında doğrular, birimin performansını iyileştirmek ve ekonomik faydaları arttırmak için bir referans sağlamayı amaçlamaktadır.

Bir kimyasal üretim fabrikası tarafından benimsenen 50.000 m³/s kriyojenik hava ayırma tesisi, gerçek üretimde, gaz ayırma elde etmek için sırayla filtrasyon sistemi, sıkıştırma sistemi, ön soğutma sistemi ve genişleme sisteminden geçtikten sonra düzeltme sistemine girer. Bu makale esas olarak oksijen üretim sürecini analiz eder ve üretim süreci akışı aşağıdaki gibidir:

Hava, yüksek verimli bir filtreden safsızlıkları çıkardıktan sonra hava kompresörüne girer. Sıkıştırılmış hava, plaka yüzgeç ön soğutma sistemine girer ve sıcaklığı azaltmak için ısıyı soğutma suyu ile değiştirir. Daha sonra havanın bir kısmı bir sonraki aşama sıkıştırma sistemine girer ve diğer kısım daha fazla saflaştırma işleminden sonra düzeltme kulesine girer.

Bir sonraki aşama sıkıştırma sistemine giren hava akışı yaklaşık 4.500 kmol/s'dir. Gazın bu kısmı ısı değişiminden sonra genişleticiye girer, sıcaklık yaklaşık -115 dereceye düşer, basınç genişletici yoluyla yaklaşık 0.15 MPa'ya düşürülür ve daha sonra sıcaklık yaklaşık -165 dereceye düşerek ısı değişiminden sonra düzeltme kulesine girer.

Düzeltme kulesi bir üst kuleye ve bir alt kuleye ayrılır. Üst kule, yaklaşık 130 kPa basıncına sahip düşük basınçlı bir kuledir ve alt kule, yaklaşık 580 kPa basınçlı yüksek basınçlı bir kuledir. Isı değişimi sonrası gaz ve genişleticiden gelen gaz sırasıyla doğrultma kulesinin üst kulesinin üst kısmına ve orta kısmına gönderilir. Gaz, düzeltme kulesinde birçok kez düzeltilir. Azot kulenin üstünde elde edilir, kulenin dibinde oksijen elde edilir ve bazı sıvı ürünler karşılık gelen depolama tanklarında saklanır.

Yukarıdaki hava ayırma işleminden, gerçek üretim sürecinin sıkıştırma, soğutma, genişleme, düzeltme ve diğer işlemleri içerdiği bilinebilir. Proses simülasyonu için Aspen Plus yazılımı kullanırken, uygulanan modüller ve işlevler aşağıdaki gibidir:

●Hava kompresörü Compr modülünü benimser;

● Genişletici EXP modülünü benimser;

● Isı eşanjörü HeatX modülünü benimser;

● Düzeltme kulesi Radfrac modülünü benimser;

● Pompa pompa modülünü benimser;

● Ayırıcı SEP modülünü benimser.

Model simülasyonu sürecinde, farklı birim modüllerinin fonksiyonlarına göre, malzeme akışı yoluyla bağlanırlar ve akış oksijen üretim sürecine göre yürütülür. Simülasyon sırasında, ekipman parametreleri tasarım değerlerine göre ayarlanır. Doğrulama kulesinin üst kulesinin üst kısmındaki basınç 0.132 MPa'ya ayarlanır, kulenin altındaki basınç 0.138 MPa'ya ayarlanır, kulenin üst kısmındaki sıcaklık -180.2 derecesine ayarlanmıştır ve tabakaların sayısı -180.2 derecesine ayarlanır ve sonuçlar, 25.2 derecesine kadar ayarlanmıştır ve sonuçların sayısı 55.

Modelin simülasyon sonuçlarından, modelin çeşitli endekslerinin temel olarak kriyojenik hava ayırma tesisinin tasarım indeksleriyle tutarlı olduğu görülebilir. Üst kuledeki sıvı oksijenin saflığı ile tasarım değeri arasındaki fark%0.8, simülasyon değerinin dalgalanması izin verilen aralık içindedir ve simüle edilmiş oksijen çıkışı, izin verilen aralıktaki hatalarla tasarım değerine yakındır. Böylece, bu kez kurulan modelin süreç optimizasyonu doğrulama analizi için kullanılabileceği görülebilir [2].

Tablo 1 Hava Ayrılma Bitkisi Süreç Akış Modelinin Simülasyon Sonuçları

Öğe	Tasarım endeksi	Simülasyon indeksi
Atık sıvı azotunun üst kuleye akış hızı/(kmol/s)	4000	4007
Üst kuleye sıvı havanın akış hızı/(kmol/s)	5000	5000
Üst kuleye sıvı azot akış hızı/(kmol/s)	4000	4000
Alt Kule'deki Sıvı Havanın Saflığı, \\ (x (\\ CE {O2}) \\)% 1	37	36.1
Üst kulede atık azot saflığı, \\ (x (\\ ce {n2}) \\)% 1	90	89.87
Soğuk kutudan azot akış hızı/(kmol/s)	2350	2350
Üst kulenin alt basıncı/MPa	0.14	0.14
Alt Kule/MPa'nın üst basıncı	0.56	0.558
Azot ürün çıkışı/(kmol/s)	2400	2400
Orta - basınçlı sıvı azot çıkışı/(kmol/s)	2940	2924.38
Düşük basınçlı sıvı azot çıkışı/(kmol/s)	1360	1336.58

Kriyojenik hava ayırma tesisinin gaz ayırma sürecinde, düzeltme kulesinin üst kulesi kilit bir rol oynar. Ekipmanın araştırma ve teorik analizi yoluyla, enerji tasarrufu ve tüketim azaltma amacı, doğrultma kulesinin üst kulesinin işlem parametrelerini değiştirerek elde edilebilir. Bu kez, Aspen Plus'ın duyarlılık modülü, düzeltme kulesinin üst kulesinin farklı işlem parametrelerini ayrıntılı olarak analiz etmek için kullanılır ve optimal işlem işlem şeması elde edilir.

Simülasyon işleminde, diğer parametrelerin değişmeden ve besleme konumunu değiştirmesi, üst kulenin ayırma verimliliğinin değişiklik sonucu şekilde gösterilmiştir.

Diğer parametrelerin değişmeden, düzeltme kulesinin üst kulesinin besleme konumunu değiştirerek, üst kulenin ayırma verimliliğinin önce artacağı ve daha sonra azalacağı şekilde görülebilir. Besleme konumu 28. tepsiye ayarlandığında, ayırma verimliliği en yüksek seviyeye ulaşır. Böylece, 28. tepsinin optimal besleme konumu olduğu görülebilir.

Process Optimization Of Cryogenic Air Separation Unit

Şekil 2'den, üst kulenin besleme akışının artmasıyla oksijen çıkışının kademeli olarak arttığı görülebilir, ancak saflık, teorik analizle tutarlı olan aşağı yönlü bir eğilim gösterir. Üst kulenin besleme akışı 780 kmol/s'nin altında olduğunda, oksijenin saflığının%99.6'nın üzerinde olduğu ve kimya endüstrisinin gaz talebini karşılayan%99.6'nın üzerinde olduğu görülebilir. Şu anda, çıkış 2850 kmol/s'dir, bu da 750 kmol/s başlangıç yem akışından ve 2780 kmol/s'lik oksijen çıkışından önemli ölçüde daha yüksektir. Bu nedenle, besleme akışı 780 kmol/s'de kontrol edilmelidir, bu da oksijen saflığını sağlarken çıkışı artırabilir.

Diğer parametreleri değiştirmeden ve üst kulenin basıncını değiştirerek, cihazın enerji tüketiminin değişimi şekilde gösterilmiştir.

Üst kulenin basıncının artmasıyla, cihazın enerji tüketiminin kademeli olarak arttığı görülebilir. Ayrılma etkisi ve enerji tüketimini kapsamlı bir şekilde göz önüne alındığında, üst kulenin basıncını 0.135 MPa'ya ayarlamak uygundur, bu da sadece iyi bir ayırma etkisi sağlamakla kalmaz, aynı zamanda aşırı enerji tüketiminden de kaçınır.

Fabrika tarafından üretilen gaz esas olarak kimyasal işletmelere verilir ve üretilen oksijen, kimyasal reaksiyonlarda oksidasyon reaksiyonlarında kullanılır. Son yıllarda, artan enerji fiyatları ve yoğun pazar rekabeti nedeniyle, fabrikanın kar alanı yavaş yavaş daralmıştır. Bu durumda, fabrika üretim sürecini iyileştirerek enerji tüketimini azaltmaya ve ekonomik faydaları artırmaya karar verdi. Araştırma ve analizden sonra, fabrika Mayıs 2023'te süreç iyileştirmesi gerçekleştirdi. İyileştirme şeması aşağıdaki gibidir: Düzeltme kulesinin üst kulesinin basıncı 0.135 MPa'ya ayarlanır, üst kulenin besleme sıcaklığı -168 derecesine ayarlanır, üst kulenin besleme miktarı 780 KMol/H'ye ayarlanır ve besleme pozisyonu 28th tray olarak ayarlanır. İşlem iyileştirmesi nedeniyle, düzeltme kulesinin enerji tüketimi azaltılmıştır, bu nedenle kriyojenik hava ayırma tesisinin hava taşıma kapasitesi uygun şekilde arttırılabilir, böylece oksijen çıkışını arttırabilir. İşlem iyileştirme sürecinde, hava sıkıştırma sisteminin besleme akışı aynı anda değiştirilir ve kriyojenik hava ayırma tesisinin uygulama etkisi farklı yükler altında analiz edilir. Her yük için doğrulama süresi 15 gündür ve üretim durumu Tablo 2'de gösterilmiştir.

Tablo 2'den, işlem optimizasyonundan sonra maksimum değişken çalışma koşulu yükünün orijinal yükün% 115'ine ulaşabileceği ve bu durumda hem oksijen hem de sıvı oksijen çıkışlarının arttığı görülebilir. Ayrıca,% 115 yükün altında, doğrultama kulesinin üst kulesinin enerji tüketimi,% 7,9'luk bir enerji tasarrufu ile orijinal -7.85 MW'dan -7.23 MW'a değişir. Ekipmanın elektrik enerjisinin analizi sayesinde, ekipmanın% 115 yük altındaki elektrik enerjisinin azalmasının 125 kW · h olduğu bilinmektedir. Fabrikanın bulunduğu bölgedeki endüstriyel elektrik maliyeti 0.72 yuan/(kw · h). 330 gün boyunca çalışan ekipman tarafından hesaplanan yıllık elektrik maliyeti 712.800 yuan tarafından tasarruf edilebilir. Ürün çıkışı yönünden hesaplanan, işlem optimizasyonu sonrası oksijen çıkışı 380 kmol/s artmıştır, sıvı oksijen çıkışı 420 kmol/s artmıştır ve sıvı argon çıkışı 25 kmol/s artmıştır. Yıllık kârın 3.2 milyon yuan artırılabileceği hesaplanmaktadır. Dolayısıyla, süreç iyileştirmesinin yıllık olarak işletme için 3.9128 milyon yuan fayda sağlayabileceği görülebilir.

Tablo 2 İşlem optimizasyonundan sonra farklı yükler altında kriyojenik hava ayırma tesisinin üretim durumu

Eşya	% 80 yük	% 90 yük	% 100 yük	% 110 yük	% 115 yük
Yem miktarı (kmol/s)	9850	11000	12150	13300	14000
Oksijen çıkışı (kmol/s)	2180	2450	2750	3020	3130
Sıvı oksijen çıkışı (kmol/s)	2550	2850	3200	3480	3620
Sıvı argon çıkışı (kmol/s)	95	105	120	135	145

Kriyojenik hava ayırma ünitesinin işlem optimizasyonu

Hava Ayırma Tesisi için Proses Akışı Modelinin İnşası

İşlem akışı

Proses akışı modelinin inşası

Proses optimizasyon analizi

Besleme pozisyonu ile ayırma verimliliği arasındaki ilişki

Yem akışı ve oksijen çıkışı ve saflık arasındaki ilişki

Baskının enerji tüketimi üzerindeki etkisi

Proses optimizasyon şemasının pratik uygulaması