極低温空気分離ユニットのプロセス最適化

化学産業の急速な発展に伴い、酸素などの産業ガスの需要が高まっています。重要な機器として、50,000m³/hの極低温空気分離ユニットの運用効率と経済が多くの注目を集めています。現在、エネルギー価格の上昇と市場競争の強化により、企業はコストを削減し、効率を高めるためにプロセスの最適化を求めています。このホワイトペーパーでは、化学プラントのユニットを研究オブジェクトとして採用し、アスペンプラスソフトウェアの助けを借りてモデルを構築し、蒸留塔のプロセスパラメーターに焦点を当て、感度分析を通じて最適なソリューションを決定し、ユニットのパフォーマンスを改善し、経済的利益を向上させるための参照を提供することを目的としています。 ​
 

 

空気分離プラントのプロセスフローモデルの構築

 

プロセスフロー

化学生産工場で採用された50,000m³/hの極低温空気分離プラント、実際の生産で、空気はろ過システム、圧縮システム、前環境システム、および拡張システムを順番に通過してガス分離を達成した後、整流システムに入ります。このペーパーでは、主に酸素生産プロセスを分析し、その生産プロセスの流れは次のとおりです。

 

空気は、高効率フィルターを介して不純物を除去した後、空気圧縮機に入ります。圧縮された空気はプレートフィン前駆体システムに入り、温度を下げるために冷却水と熱を交換します。次に、空気の一部が次段階の圧縮システムに入り、他の部分はさらに精製処理後に整流塔に入ります。

 

次段階の圧縮システムに入る空気の流れは、約4,500 kmol/hです。ガスのこの部分は、熱交換後エキスパンダーに入り、温度は約-115度に低下し、圧力はエキスパンダーを介して約0.15 MPaに低下し、温度が約165度に低下して熱交換後に整流塔に入ります。

 

整流タワーは、上部の塔と下の塔に分かれています。アッパータワーは、約130 kPaの圧力がある低圧タワーであり、下部の塔は約580 kPaの圧力を備えた高圧タワーです。熱交換後のガスとエキスパンダーからのガスは、それぞれ整流塔の上部と中央部に送られます。ガスは、整流塔で何度も修正されています。窒素は塔の上部で得られ、酸素は塔の底で得られ、いくつかの液体製品は対応する貯蔵タンクに保管されます。

 

プロセスフローモデルの構築

上記の空気分離プロセスから、実際の生産プロセスには圧縮、冷却、拡張、整流、その他のプロセスが含まれることがわかります。プロセスシミュレーションにAspen Plusソフトウェアを使用する場合、適用されたモジュールと機能は次のとおりです。

 

●エアコンプレッサーはCOMPRモジュールを採用します。

●ExpanderはEXPモジュールを採用しています。

●熱交換器はHEATXモジュールを採用しています。

●修正タワーはRADFRACモジュールを採用しています。

●ポンプはポンプモジュールを採用します。

●セパレーターはSEPモジュールを採用します。

モデルシミュレーションのプロセスでは、異なるユニットモジュールの関数に従って、それらは材料の流れを介して接続され、酸素生産プロセスに従って流れが実行されます。シミュレーション中、設計値に従って機器パラメーターが設定されます。整流タワーの上部タワーの上部の圧力は0.132 MPaに設定され、タワーの底部の圧力は0.138 MPaに設定され、タワーの上部の温度は-193.5度に設定され、タワーの底部の温度は-180.2度に設定されています。

 

表のモデルのシミュレーション結果から、モデルのさまざまなインデックスが基本的に極低温空気分離プラントの設計インデックスと一致していることがわかります。上部タワーの液体酸素の純度と設計値の純度の差は0.8％であり、シミュレーション値の変動は許容範囲内であり、シミュレートされた酸素出力は設計値に近く、許容範囲内のエラーがあります。したがって、今回確立されたモデルは、プロセス最適化検証分析に使用できることがわかります[2]。

表1空気分離植物プロセスフローモデルのシミュレーション結果

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アイテム	設計インデックス	シミュレーションインデックス
廃棄物の流量液体窒素上部タワーへの流量/（kmol/h）	4000	4007
アッパータワーへの液体空気の流量/（kmol/h）	5000	5000
上部塔への液体窒素の流量/（kmol/h）	4000	4000
下部の塔の液体空気の純度、\\（x（\\ ce {o2}）\\）1％	37	36.1
アッパータワーの廃棄物窒素の純度、\\（x（\\ ce {n2}）\\）1％	90	89.87
コールドボックスからの窒素の流量/（kmol/h）	2350	2350
アッパータワー/MPAの底圧	0.14	0.14
下部タワー/MPAの最上層	0.56	0.558
窒素製品出力/（kmol/h）	2400	2400
媒体 - 圧力液体窒素出力/（kmol/h）	2940	2924.38
低 - 圧力液体窒素出力/（kmol/h）	1360	1336.58

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プロセス最適化分析

 

極低温空気分離プラントのガス分離プロセスでは、整流塔の上部塔が重要な役割を果たします。機器の研究と理論的分析を通じて、修正タワーの上部タワーのプロセスパラメーターを変更することにより、省エネの節約と消費削減の目標を達成できます。今回は、Aspen Plusの感度モジュールを使用して、修正タワーの上部タワーのさまざまなプロセスパラメーターを詳細に分析し、最適なプロセス操作スキームが取得されます。

 

飼料位置と分離効率の関係

 

シミュレーションプロセスでは、他のパラメーターを変更せずに保持し、フィード位置を変更すると、上部タワーの分離効率の変化の結果を図に示します。

 

図から、他のパラメーターが変更されず、整流タワーの上部タワーの供給位置を変更すると、上部タワーの分離効率が最初に増加し、次に減少することがわかります。フィード位置が28番目のトレイに設定されると、分離効率が最高に達します。したがって、28番目のトレイが最適なフィード位置であることがわかります。

図1下部塔の飼料位置と蒸留塔の上部の熱負荷との関係

 

飼料の流れと酸素出力と純度の関係

下部タワーの飼料流量を変更し、他のパラメーターを変更せずに維持することにより、蒸留塔の上部にある液体窒素の出力と純度の変化を図2に示します。

 

アッパータワーの供給流を変更し、他のパラメーターを変更せずに変更すると、修正タワーの上部タワーの酸素出力と純度の変化を図に示します。

 

図2から、アッパータワーの供給流が増加すると、酸素出力が徐々に増加することがわかりますが、純度は理論分析と一致する下降傾向を示しています。図から、上部の塔の飼料流が780 kmol/h未満の場合、酸素の純度が99.6％を超えており、化学産業のガス需要を満たしていることがわかります。現時点では、出力は2850 kmol/hで、これは750 kmol/hの初期供給流と2780 kmol/hの酸素出力よりも大幅に高くなっています。したがって、フィードフローは780 kmol/hで制御する必要があります。これにより、酸素純度を確保しながら出力が増加する可能性があります。

 

エネルギー消費に対する圧力の影響

 

他のパラメーターを変更せずに保持し、上部タワーの圧力を変更すると、デバイスのエネルギー消費の変化を図に示します。

 

図から見ると、アッパータワーの圧力が増加すると、デバイスのエネルギー消費が徐々に増加することがわかります。分離効果とエネルギー消費量を包括的に考慮すると、上部タワーの圧力を0.135 MPaに設定することが適切です。

 

プロセス最適化スキームの実用的なアプリケーション

 

工場によって生成されるガスは主に化学企業に供給され、生成された酸素は化学反応における酸化反応に使用されます。近年、エネルギー価格の上昇と市場競争の激化により、工場の利益スペースは徐々に狭くなりました。この場合、工場は、生産プロセスを改善することにより、エネルギー消費を削減し、経済的利益を改善することを決定しました。研究と分析の後、工場は2023年5月にプロセスの改善を実施しました。改善スキームは次のとおりです。修正タワーの上部塔の圧力は0.135 MPaに設定され、上部タワーの飼料温度は上部タワーの供給量が780 kmol/Hに調整され、飼料は28番目のトレイに設定されます。プロセスの改善により、整流塔のエネルギー消費量が減少しているため、極低温空気分離プラントの空気取り扱い能力を適切に増加させることができ、酸素出力が増加します。プロセスの改善のプロセスでは、空気圧縮システムの供給流が同時に変更され、極低温空気分離プラントの応用効果が異なる荷重で分析されます。各負荷の検証期間は15日で、生産状況を表2に示します。

 

表2から、プロセスの最適化後、最大変数作業条件負荷が元の負荷の115％に達する可能性があり、この場合、酸素と液体酸素出力の両方が増加することがわかります。さらに、115％の負荷未満では、整流塔の上部塔のエネルギー消費量は、元の-7.85 MWから-7.23 MWに変化し、エネルギー節約は7.9％です。機器の電気エネルギーの分析により、115％の負荷未満の機器の電気エネルギーの減少は125 kW・hであることが知られています。工場がある地域の産業電気コストは0.72元/（kw・h）です。 330日間動作する機器によって計算された年間電力コストは、712,800元節約できます。製品出力の側面から計算されたプロセス最適化後、酸素出力は380 kmol/h増加し、液体酸素出力は420 kmol/h増加し、液体アルゴン出力は25 kmol/h増加しました。年間利益は320万元増加できると計算されています。したがって、プロセスの改善により、毎年39128百万元の利益が生まれることがわかります。

 

表2プロセスの最適化後の異なる負荷の下での極低温空気分離プラントの生産状況

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アイテム	80％負荷	90％負荷	100％負荷	110％負荷	115％負荷
供給量（kmol/h）	9850​	11000​	12150​	13300​	14000​
酸素出力（kmol/h）	2180​	2450​	2750​	3020​	3130​
液体酸素出力（kmol/h）	2550​	2850​	3200​	3480​	3620​
液体アルゴン出力（kmol/h）	95​	105​	120​	135​	145​

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