转贴：HYSYS过程模拟软件在空分设备操作中的应用
YSYS过程模拟软件在空分设备操作中的应用[转]作者：贺雷
前言
HYSYS是功能强大的过程模拟软件，由加拿大HYPROTECH公司研发。模拟过程分稳态模拟与动态模拟两类，用于过程与设备模拟、分析、设计、优化及开停车指导、动态仿真培训、设计先进控制系统等，广泛应用于石油化工、电解质、制
药、气体处理等相关领域。
中石化股份公司天津分公司动力部，拥有四套空分设备，均采用分子筛常温吸附、全低压带增压膨胀机的双高流程。其中两套空分设备带加氢除氧制氩系统，且一套由6000m3/h扩容至7300m3/h，主塔上塔采用规整填料塔。
笔者使用HYSYS软件的初衷是想通过对四套空分设备建模，以期了解和研究空分设备的运行机理，在此基础上进行性能优化和故障分析。在使用HYSYS软件过程中笔者总结了一些心得，望与同行共享。
1 物性方法的合理选择
HYSYS软件提供的物性方法可以准确地预知混合物系统的物性，包括烃类系统、油类混合系统、空分系统及非理想化学系统等。其中空分系统推荐的方法有两种：Peng-Robinson(PR)方法和Peng-Robinson Stryjek-Vera(PRSV)方法。这两种方法的适用范围不同，Peng-Robinson方法以PR状态方程为基础求解物质的熵、焓、逸度、吉布斯**能、温度、体积和压力等热力学性质，这些性质都是化工过程计算、分析及装置设计中不可缺少的重要依据；PR状态方程是最常用的状态方程之一。PRSV状态方程是PR状态方程的修正方程，适用于中等非理想系统。建模初期鉴于PR状态方程的普遍适用性，所以在主流程环境及塔环境中均采用该方程。
尝试后发现模拟结果与实际运行结果不符，问题表征在以产品产量作为减少塔**度的收敛条件做塔系统收敛时，模拟产品纯度与实际纯度差距较大。
针对该问题笔者查阅相关资料，发现PR状态方程在计算主塔下塔流程时基本可以如实反映下塔运行状态，问题主要出现在上塔的模拟，由PR状态方程知：
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PR状态方程中kij的数值会直接影响上塔及氩塔产品物料的纯度及逐板物料浓度分配，kij是二元相互作用系数，表示混合物中两组分的形状、大小及分子间作用力对混合物性质的影响，不同分子间的作用力不同，kij值也不同，而PR状态方程中kij= kji忽略了kij值不同的影响，进而造成了计算误差。PRSV状态方程在PR状态方程基础上做了修正，比PR状态方程更适用于中等非理想系统的计算，尤其是蒸汽压力较低的环境。
PRSV状态方程的改进点有两个：
(1)引入扩展项α，由偏正因子与经验参数构成，使其更适用于纯物质蒸汽压力计算，表达式为：
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主塔上塔及氩塔模拟物性方法调整为PRSV状态方程后，有效避免了因kij= kji造成的计算误差，提高了计算精度，使得模拟结果在排除仪表测量误差后基本与实际运行数据吻合。
2边界流转换基础的合理选择
用HYSYS软件做塔的模拟计算需要选择边界流的转换基础，即父流程外部物流转换为子流程(塔系统)内部物流时，需确定以何种方式传递相关物性信息。转换基础分为四种方式：T－P，VF－T，VF－P，P－H，用户也可以自定义转换基础，有些物流诸如能量流则不需要任何转换基础。上述四种转换方式执行原则不同，T－P是指物流的压力和温度变量在内外流传递过程中保持不变，而物流的气相摩尔分率将根据上述两个独立变量及物流组分构成进行重新计算。VF－T是指物流的气相摩尔分率和温度在内外流传递过程中保持不变，压力进行重新计算，得出结果为对应状态的饱和蒸汽压力。VF－P与VF－T基本相同，求解温度为对应状态下的饱和温度。P－H是指物流的压力和焓在内外流传递过程中保持不变，一般情况下该方式为缺省方式。
模拟过程中发现主塔下塔选择P－H作为转换基础。模拟结果一般不受影响，下塔物流出料作为上塔物流的进料，可近似认为以饱和态进入上塔，转换基础应适当调整为VF－P转换基础，这是在气体处理流程模拟中值得注意的问题。另外值得注意的是动力部的空分设备采用全低压、带增压膨胀机的双高流程，膨胀机出口严禁带液运行，要求膨胀机出口温度应至少高于对应压力下**温度3℃，尤其是根据高温高焓降的原则，为了获取较大的单位制冷量，尽量提高膨胀机进口温度，使机后温度相应提高，所以膨胀后空气将以过热状态部分进入上塔参与精馏，该物流的转换基础应有别于其它饱和态进料。
笔者在起初模拟过程中未考虑膨胀空气进料热状态的影响，选择VF－P转换基础，模拟结果始终不理想，尤其是液态氧产品的模拟产量远高于设备设计能力。对此笔者反复查阅了Simulation Basis和Operations Guide，了解了转换基础在边界流物性信息传递过程中的重要性和区别，适时将入上塔膨胀空气物料转换基础改为 T－P后，模拟结果与实际吻合，基本可以如实反映设备运行状态。
3塔板效率和填料理论板层数的设定
塔板效率反映了实际塔板气液两相传质的完善程度。板式塔内各层塔板的传质效率并不相同，总板效率简单反映了整个塔内的平均传质效果。影响塔板效率的因素很多，概括起来有物系性质、塔板结构及操作条件等，一般设计中所用的塔板效率是从条件相近的生产装置和中试装置中取得的经验数据。
使用HYSYS软件做塔系统模拟过程时，因塔体板层数是实际板层数，所以为了更真实模拟实际运行状态需考虑塔板效率。目前国内空分设备常规设计中，板式塔采用小孔筛板式结构，上塔和下塔的塔板效率基本不同，一般情况下下塔塔板效率取
60％～65％，上塔塔板效率取65％～70％，不同企业根据不同的设备进行选取。笔者在做空分设备模拟时，根据上、下塔的常规塔板效率反复选择核算，尽量使模拟结论与实际运行数据吻合。经多次尝试后，设定上塔塔板效率为68％ ，下塔塔板效率为64％。
一套由6000m3/h扩容至73003m3/h的空分设备，上塔由原来小孔径筛板塔改为规整填料塔，填料由天津大学生产，型号为JKB-500Y、JKB-750Y，材质LF-21。上塔共分为六段，从上至下以序号1～6表示，其中第一、四、五、六段为JKB-750Y型填料，第二、三段为JKB-500Y型填料。使用HYSYS软件做稳态模拟时，需按填料高度将填料
折算成相应的理论板层数，具体设定情况如下：第一段按每米3～4块设定，第二、三段按每米3块设定，第四、五、六段按4．5～5块/m设定。通过上述参数设定可以更真实模拟运行设备，提高模拟数据的参考价值。
结束语
石化企业的生产特性决定空分设备必须长期稳定运行，直接针对设备进行工况调整尝试显然并不客观，只有依托HYSYS等功能强大的过程模拟软件做实际设备仿真模拟，才可以更好地研究空分设备的运行机理，了解进料状态及各项操作变量对精馏工况的影响，进而合理优化设备，提高产品产量和提取率，降低能源消耗，或者进行故障分析，动态仿真模拟及开停车指导，这必然给实际生产带来帮助。
感谢文章的作者 贺雷 好文章
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