Optimización exergética de una planta de separación de aire en función de la demanda con integración energética

Abstract

La tecnología de separación criogénica de aire es el método común para la producción de oxígeno, nitrógeno y argón puro a escala industrial. Sin embargo, el alto consumo de energía es el problema más importante para una operación rentable. El objetivo de este trabajo es realizar una simulación y optimización de una planta de destilación criogénica existente, ubicada en Tocancipá – Colombia, la cual presenta una alta integración térmica en su diseño, minimizando la intensidad de energía por kilogramo de productos líquidos. La comparación del consumo específico de energía entre la simulación y las condiciones industriales reales mostró errores relativos absolutos inferiores al 10.4% y respecto al manual de operación (EDM) del 9.4%, validando así el modelo simulado. Para identificar las principales variables que afectan la intensidad energética del proceso, se realizó un análisis de exergía de los principales equipos (intercambiador de múltiples etapas, compresor y columnas de destilación). La optimización empleó el método NSGA-II, utilizando de forma combinada el modelo simulado en Aspen Hysys y la optimización en Matlab. La optimización se realizó resolviendo el problema multiobjetivo de maximizar la eficiencia exergética y la relación de producción de argón, considerando una demanda variable. Finalmente se generan sugerencias basadas en criterios de seguridad, operacionales y financieras para mejorar el desempeño de la planta.

The cryogenic air separation process is the most common technique for the production of pure oxygen, nitrogen and argon on an industrial scale. However, high energy consumption is a major problem for a profitable operation. The aim of this work is to perform a simulation and optimization from an existing air separation facility, located in Tocancipá - Colombia, with a high thermal integration in its design, that intends to minimize energy intensity per standard volume of the current processed air stream. The comparison of the specific energy consumption between simulation and real industrial conditions showed absolute relative error lower than 10.4% and regard to engineering manual (EDM) of 9.4%, thus validating the developed model. In order to identify the main variables affecting energy intensity, an exergy analysis of the main equipment (multi-stage exchanger, compressor and distillation columns). The optimization employs the NSGA-II method, carrying out a combination between the simulated model in Aspen Hysys and an optimization in MATLAB. The optimization involved solving a multi-objective problem of maximizing exergy efficiency and argon production ratio, considering a variable demand. Finally, suggestions are generated based on safety, operational and financial criteria to improve the performance of the plant.