Introduzione
Nella produzione di gas industriale, l'unità di separazione dell'aria (ASU) è un componente fondamentale dell'apparecchiatura, utilizzata principalmente per separare e utilizzare gas come ossigeno, azoto e argon dall'aria. Con l’aumento dei costi energetici e gli obiettivi del “doppio carbonio”, il miglioramento dell’efficienza energetica delle ASU è diventato un obiettivo chiave per il settore. Uno studio recente, che ha utilizzato come esempio un'unità criogenica di separazione dell'aria da 60.000 Nm³/h in un impianto specifico, ha utilizzato il software Aspen Plus per modellare e ottimizzare il processo, ottenendo significativi risparmi energetici e vantaggi economici, fornendo un prezioso caso di studio per il settore.
Principio di funzionamento delle unità criogeniche di separazione dell'aria
Il processo di separazione criogenica dell'aria separa principalmente i componenti del gas dall'aria attraverso fasi quali la compressione dell'aria, il preraffreddamento, lo scambio di calore e la distillazione. L'aria viene prima pressurizzata e raffreddata da un compressore, quindi-raffreddata fino a circa -170 gradi da un espansore. L'ossigeno e l'azoto vengono quindi separati in torri di distillazione ad alta- e bassa pressione.
Le torri superiore e inferiore sono indipendenti ma collegate da tubazioni: la torre ad alta-pressione mantiene una pressione di circa 0,55 MPa e la torre a bassa-pressione di circa 0,14 MPa. Il gas si condensa nella parte superiore della torre per produrre azoto liquido, una parte del quale continua a fluire nella torre superiore per un'ulteriore distillazione, producendo azoto gassoso-di elevata purezza o prodotti a base di azoto liquido.
Il consumo di energia in questo processo è concentrato principalmente nelle fasi di compressione, raffreddamento e distillazione. Pertanto, l’ottimizzazione del carico termico e dei parametri di alimentazione è fondamentale per migliorare l’efficienza energetica.
Il ruolo della modellazione di simulazione nell'ottimizzazione dei processi
Il team di ricerca ha utilizzato Aspen Plus per costruire un modello digitale dell'unità di separazione dell'aria, comprendente le apparecchiature chiave dell'unità come compressori, scambiatori di calore, pompe e torri di distillazione. Confrontando i risultati della simulazione con le specifiche di progettazione è emerso che l'errore del modello era entro l'1%, dimostrando la sua elevata precisione e il potenziale per la verifica del risparmio energetico e l'ottimizzazione dei parametri. L’analisi della simulazione si è concentrata su quattro fattori chiave:
Posizione dell'alimentazione
Flusso di alimentazione
Pressione operativa della colonna di distillazione
Temperatura di alimentazione
Questi parametri influenzano collettivamente il carico termico superiore della torre, la resa di azoto liquido e la purezza, determinando quindi l’efficienza energetica complessiva del sistema.
Impatto dei parametri di processo sul risparmio energetico
Posizione dell'alimentazione
Mantenendo costanti le altre condizioni, lo studio ha rilevato che l'impostazione della posizione di alimentazione sul vassoio 33 determinava il carico termico in testa alla torre più basso e più stabile, rendendolo il punto di alimentazione ottimale.
Flusso di alimentazione
L'aumento della portata di alimentazione aumenta la resa di azoto liquido ma riduce la purezza. Quando la velocità di alimentazione della torre inferiore è controllata a 804 kmol/h, la resa può essere aumentata mantenendo la purezza dell'azoto (99,999%).
Controllo della temperatura
La temperatura di alimentazione è correlata positivamente alla portata dell'azoto liquido, ma temperature eccessivamente elevate possono influire sulla separazione di ossigeno e argon, mentre temperature eccessivamente basse aumentano il consumo di energia. Lo studio ha determinato che -173 gradi è la temperatura operativa ottimale.
Regolando questi parametri, l'unità di frazionamento dell'aria può ottenere una potenza maggiore mantenendo lo stesso consumo energetico, raggiungendo l'obiettivo di "conservazione energetica e miglioramento dell'efficienza".
Applicazione pratica e analisi dei benefici economici
Questa soluzione di ottimizzazione è stata implementata in un impianto a gas nel 2022. I risultati hanno mostrato che l'impianto poteva funzionare stabilmente al 120% del suo carico nominale, aumentando significativamente la produzione:
La produzione di azoto è aumentata di 450 kmol/h;
La produzione di azoto liquido a media-pressione è aumentata di 625 kmol/h;
La produzione di azoto liquido a bassa-pressione è aumentata di 281 kmol/h.
Allo stesso tempo, il carico termico superiore della colonna di distillazione è diminuito del 7,48%, risparmiando circa 721.000 yuan in costi annuali di elettricità. Sulla base dei prezzi di mercato, il beneficio economico totale annuo ha raggiunto circa 4,6 milioni di yuan. Questo risultato dimostra il valore significativo dell’ottimizzazione del processo per i produttori di gas industriali.
Conclusioni e implicazioni per il settore
Questo studio dimostra l'approccio scientifico e i risultati pratici dell'ottimizzazione del risparmio energetico-nelle unità criogeniche di separazione dell'aria. Software di simulazione avanzati come Aspen Plus consentono una previsione anticipata delle prestazioni del sistema durante la fase di progettazione del processo, riducendo i costi per tentativi-e{{3}errori.
Per i produttori di gas, questa ottimizzazione del processo digitale offre tre implicazioni chiave:
Processo decisionale-guidato-dalla simulazione: i modelli di simulazione consentono la visualizzazione dei processi e l'analisi dinamica. Risparmio energetico e redditività vanno di pari passo: l'ottimizzazione dei processi non solo riduce il consumo energetico ma aumenta anche direttamente la produzione e i profitti.
Tendenze della produzione ecologica: con l'inasprimento delle politiche globali di riduzione delle emissioni di carbonio, il settore della separazione dell'aria deve continuare a promuovere la trasformazione del risparmio energetico e gli aggiornamenti intelligenti.
In futuro, la direzione di ottimizzazione delle unità criogeniche di separazione dell’aria sarà ulteriormente integrata con il controllo predittivo dell’intelligenza artificiale, i sistemi digital twin e l’ingegneria EPC integrata per ottenere una gestione dell’efficienza energetica dell’intero ciclo di vita, dalla progettazione al funzionamento.
