מָבוֹא
בהפקת גז תעשייתי, יחידת הפרדת האוויר (ASU) היא חלק מרכזי של ציוד, המשמש בעיקר להפרדה וניצול גזים כמו חמצן, חנקן וארגון מהאוויר. עם עליית עלויות האנרגיה ויעדי "פחמן כפול", שיפור היעילות האנרגטית של ASUs הפך למוקד מרכזי בתעשייה. מחקר שנערך לאחרונה, תוך שימוש ביחידת הפרדת אוויר קריוגנית של 60,000 Nm³/h במפעל ספציפי, השתמש בתוכנת Aspen Plus למודל ואופטימיזציה של התהליך, תוך השגת חיסכון משמעותי באנרגיה ויתרונות כלכליים, מה שסיפק מחקר מקרה בעל ערך עבור התעשייה.
עקרון הפעולה של יחידות הפרדת אוויר קריוגניות
תהליך הפרדת האוויר הקריוגני מפריד בעיקר את רכיבי הגז מהאוויר באמצעות שלבים כגון דחיסת אוויר, קירור מוקדם, חילופי חום וזיקוק. האוויר מופעל תחילה בלחץ ומקורר על ידי מדחס, ולאחר מכן מקורר עמוק- לכ--170 מעלות על ידי מרחיב. לאחר מכן מופרדים חמצן וחנקן במגדלי זיקוק בלחץ גבוה- ובלחץ נמוך.
המגדלים העליונים והתחתונים עצמאיים אך מחוברים בצינורות: מגדל הלחץ הגבוה שומר על לחץ של כ-0.55 MPa, ומגדל הלחץ הנמוך -בערך 0.14 MPa. הגז מתעבה בחלק העליון של המגדל כדי לייצר חנקן נוזלי, שחלקו ממשיך לזרום לתוך המגדל העליון לצורך זיקוק נוסף, ומניב גז חנקן בטוהר- גבוה או מוצרי חנקן נוזלי.
צריכת האנרגיה בתהליך זה מתרכזת בעיקר בשלבי הדחיסה, הקירור והזיקוק. לכן, אופטימיזציה של עומס החום ופרמטרי ההזנה היא המפתח לשיפור יעילות האנרגיה.
התפקיד של מודל סימולציה באופטימיזציה של תהליכים
צוות המחקר השתמש באספן פלוס כדי לבנות מודל דיגיטלי של יחידת הפרדת האוויר, הכולל ציוד מרכזי של יחידות כגון מדחסים, מחליפי חום, משאבות ומגדלי זיקוק. השוואת תוצאות הסימולציה עם מפרטי התכנון העלתה ששגיאת הדגם הייתה בטווח של 1%, מה שהוכיח את הדיוק הגבוה שלו ופוטנציאל החיסכון באנרגיה- ואופטימיזציה של פרמטרים. ניתוח הסימולציה התמקד בארבעה גורמים מרכזיים:
מיקום ההזנה
זרימת הזנה
לחץ תפעול עמודת זיקוק
טמפרטורת הזנה
פרמטרים אלה משפיעים ביחד על עומס החום של המגדל, תפוקת החנקן הנוזלי והטוהר, ובכך קובעים את יעילות האנרגיה הכוללת של המערכת.
השפעת פרמטרי תהליך על חיסכון באנרגיה
מיקום ההזנה
תוך שמירה על תנאים קבועים אחרים, המחקר מצא שהגדרת מיקום ההזנה במגש 33 הובילה לעומס החום הנמוך והיציב ביותר של המגדל, מה שהופך אותו לנקודת ההזנה האופטימלית.
זרימת הזנה
הגדלת קצב זרימת ההזנה מגדילה את תפוקת החנקן הנוזלי אך מפחיתה את הטוהר. כאשר קצב הזנת המגדל התחתון נשלט ב-804 קמ"ל לשעה, ניתן להגדיל את התפוקה תוך שמירה על טוהר החנקן (99.999%).
בקרת טמפרטורה
טמפרטורת ההזנה נמצאת בקורלציה חיובית עם קצב זרימת החנקן הנוזלי, אך טמפרטורות גבוהות מדי עלולות להשפיע על הפרדת חמצן וארגון, בעוד שטמפרטורות נמוכות מדי מגדילות את צריכת האנרגיה. המחקר קבע ש-173 מעלות היא טמפרטורת הפעולה האופטימלית.
באמצעות התאמת פרמטרים אלו, יחידת הפרדת האוויר יכולה להשיג תפוקה גבוהה יותר תוך שמירה על אותה צריכת אנרגיה, תוך השגת המטרה של "שימור אנרגיה ושיפור יעילות".
יישום מעשי וניתוח תועלת כלכלית
פתרון אופטימיזציה זה יושם במפעל גז בשנת 2022. התוצאות הראו שהמפעל יכול לפעול ביציבות ב-120% מהעומס המדורג שלו, ולהגדיל משמעותית את הייצור:
ייצור החנקן עלה ב-450 קמ"ל;
ייצור חנקן נוזלי בלחץ-בינוני עלה ב-625 קמ"ל;
ייצור חנקן נוזלי בלחץ- נמוך עלה ב-281 קמ"ל.
במקביל, עומס החום העילי של עמוד הזיקוק ירד ב-7.48%, וחיסכון של כ-721,000 יואן בעלויות חשמל שנתיות. בהתבסס על מחירי השוק, התועלת הכלכלית השנתית הכוללת הגיעה לכ-4.6 מיליון יואן. הישג זה מדגים את הערך המשמעותי של אופטימיזציה של תהליך עבור יצרני גז תעשייתיים.
מסקנות והשלכות תעשייתיות
מחקר זה מדגים את הגישה המדעית ואת התוצאות המעשיות של אופטימיזציה לחיסכון באנרגיה- ביחידות הפרדת אוויר קריוגניות. תוכנת סימולציה מתקדמת כגון Aspen Plus מאפשרת חיזוי מוקדם של ביצועי המערכת במהלך שלב תכנון התהליך, ומפחיתה את עלויות הניסוי-ו-עלויות השגיאות.
עבור יצרני גז, אופטימיזציה של תהליך דיגיטלי זה מציעה שלוש השלכות מרכזיות:
קבלת החלטות-מונעת-סימולציה: מודלים של סימולציה מאפשרים הדמיית תהליכים וניתוח דינמי. חיסכון באנרגיה ורווחיות הולכים יד ביד: אופטימיזציה של תהליך לא רק מפחיתה את צריכת האנרגיה אלא גם מגדילה ישירות את הייצור והרווחים.
מגמות ייצור ירוקות: עם הידוק המדיניות הגלובלית להפחתת פליטת פחמן, תעשיית ההפרדה האווירית חייבת להמשיך ולקדם-טרנספורמציה חסכונית באנרגיה ושדרוגים חכמים.
בעתיד, כיוון האופטימיזציה של יחידות הפרדת אוויר קריוגניות ישולב עוד יותר עם בקרת חיזוי בינה מלאכותית, מערכות תאומות דיגיטליות והנדסת EPC משולבת כדי להשיג ניהול יעילות אנרגטית מלאה במחזור החיים מתכנון ועד הפעלה.
