基于HYSYS软件空分系统流程的理论研究
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：｝：设计制造木 基于ＨＹＳＹＳ软件空分系统流程的理论研究 陈轶光 （１．杭州杭氧股份有限公司设计院，浙江省杭州市中山北路５９２号弘元大厦３１００１４； ２．浙江大学能源工程系，浙江省杭州市浙大路３８号３１００２７）
摘要：基于ＨＹＳＹＳ软件建立了一个空分系统流程的计算模型，研究氧、氮、氩浓度在精馏 塔中的分布情况和精馏塔的参数设置对精馏效果的影响，得出对空分设备精馏系统优化设计可提 供一定的指导意义的研究结果。 关键词：空分设备；精馏系统；理论研究 中图分类号：ＴＢ６５７．７ 文献标识码：Ａ
Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＨＹＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｂａｓｅｄ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ Ｃｈｅｎ Ｙｉｇｕａｎｇ ’ （Ｊ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｈａｎｇｙａｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｏｎｇｙｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ，５９２ Ｎｏｒｔｈ Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ Ｒｏａｄ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；２．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，３８ Ｚｈｅｄａ Ｒｏａｄ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｐ＿Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｏｎ ｂａｓｉｓ ｏｆ ＨＹＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ，ｎｉｔｒｏｇｅｎ，ａｎｄ ａｒｇｏｎ ｉｎ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｔｏｗｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｔｏｗｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｈｉｃｈ ｍａｙ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ；Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ
随着我国工业的快速发展，钢铁冶炼、石油化 工、煤化工、大化肥等企业对氧、氩、氮的需求急 剧增加，用气和用液量也越来越大。为了占有空分 设备市场更大的份额，空分设备生产企业一直围绕 节约投资成本和节能降耗两个目标进行流程和技术 的开发研究…。笔者基于ＨＹＳＹＳ软件建立了空分 系统流程，对其进行了仿真研究，并研究了产品纯 度的影响因素，旨在为空分设备精馏系统优化设计 提供一定的理论基础。
１空分系统的计算模型 １．１ 空分系统流程说明 体积流量为９８０００ ｍ ／ｈ、温度为３０５ Ｋ的压缩 空气被分为两股，一股压缩空气进入增压机增压 后，在主换热器中被返流的氧气、氮气和污氮气冷 却到１６０ Ｋ左右，然后进入膨胀机膨胀，膨胀后的 低温、低压空气被返流的氧气进一步冷却后进人上 塔参与精馏；另一股压缩空气直接进入主换热器被 返流的氧气、氮气和污氮气冷却后进人下塔参与精 馏。在下塔底部产生的富氧液空和顶部的高压液氮
收稿日期：２０１１．１０．１６ 作者简介：陈轶光，男，１９８２年生，２０１０年毕业于天津大学制冷与低温工程专业，现在杭州杭氧股份有限公司设计院 从事精馏塔设计工作。
・２７・ 经过冷器过冷，再经节流阀节流后进入上塔参与精 气以及污氮气。具体流程如图１所示。 馏，在上塔内经过再次精馏得到产品氮气、产品氧
压缩空气 增压机 膨胀机
主换热器
膨胀空气 ｆ；Ｆ【 赫
蘸
氮气 姗 ｌ ｌ厂、 蔼 Ｉ【— ｌ 上
Ｅ｝ 节流阀２ Ｉ＼／Ｉ ｌ ｌ＼／ｌ 蔬—．１×ｌ
氧气 过冷器２
氮气 污氮气
上塔
图１ 空分系统流程示意图 １．２初始条件 １．２．１状态方程的选取 在一般的精馏计算中，空气可以看成是由氧、 氮、氩三种物质组成 ｊ。针对空分系统，ＨＹＳＹＳ 软件提供了Ｐｅｎｇ—Ｒｏｂｉｎｓｏｎ和Ｐｅｎｇ－Ｒｏｂｉｎｓｏｎ Ｓｔｒｙｊｅｋ－ Ｖｅｒａ两种状态方程。Ｐｅｎｇ—Ｒｏｂｉｎｓｏｎ状态方程是最 常用的状态方程之一，能够在很宽的范围内模拟各 类系统，并且计算的可靠性较高 Ｊ，因此笔者采 用Ｐｅｎｇ—Ｒｏｂｉｎｓｏｎ状态方程进行流程计算。 Ｐｅｎｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ状态方程式 ： Ｐ一旦一 一Ｖ—ｂ Ｖ（ ＋ｂ）＋ｂ（Ｖ—ｂ） Ⅱ＝∑Ｚｘｉ ｊ（Ｏ，ｉＯ，ｊ ｏ．５（１一Ｋｉｊ） ｂ＝∑ ｉｂｉ 式中：Ｐ为压力，Ｐａ；Ｖ为摩尔体积，ｍ ／ｍｏｌ； Ｒ为气体常数；Ｔ为温度，Ｋ； 为液相浓度， ｍｏｌ／，ｍ ；Ｋｉｉ为二元相互作用系数，无因次； 、 为 组分。 １．２．２各部件的操作条件及初始值设定 对于图１所示的空分流程，以ＨＹＳＹＳ软件为 平台，对流程进行仿真计算。流程中各个部件操作 条件以及初始值的设定如下： （１）增压机：采用Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ模块，绝热效 率为０．７５，输入轴功来自膨胀机输出轴功。 （２）膨胀机：采用Ｅｘｐａｎｄｅｒ模块，绝热效率 为０．７５，入口流体初始压力为８００ ｋＰａ，出口流体 ・２８・ 膨胀空气进上塔 压力为１４３ ｋＰａ（上塔操作压力与过冷器２压降之 和）。 （３）主换热器：采用ＬＮＧ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ模块，规定 冷流体出口温度均为３０４ Ｋ，热流体压降为１２ ｋＰａ， 冷流体压降为１５ ｋＰａ。 （４）过冷器１：采用ＬＮＧ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ模块，规 定冷流体压降为３ ｋＰａ，热流体压降为６ ｋＰａ，冷流 体出口温度为９７ Ｋ，热流体液氮出口温度为８３ Ｋ。 （５）过冷器２：采用ＬＮＧ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ模块，规 定冷、热流体压降均为５ ｋＰａ，热流体出口温度为 ９５ Ｋ。 （６）下塔：采用Ｒｅｆｌｕｘｅｄ Ａｂｓｏｒｂｅｒ模块，假设 压缩空气进口温度初始值为１００ Ｋ，塔内操作压力 为５６８ ｋＰａ。 （７）上塔：采用Ｒｅｂｏｉｌｅｄ Ａｂｓｏｒｂｅｒ模块，再沸 器热负荷来自上塔冷凝器，塔内操作压力为 １３８ ｋＰａ。 ２计算结果及分析 ２．１ 塔内氧、氮、氩浓度随理论塔板数的变化 氧、氮浓度在下塔中的分布情况如图２所示， 氩浓度在下塔中的分布情况如图３所示。 从图２可以看出，随着塔板数的增加，氮的浓 度不断减小，氧的浓度不断增大。 从图３可以看出，在下塔中氩的浓度先增大后 减小。其主要原因是氩的沸点介于氧和氮之间，在 娶 图２下塔氧、氮浓度随塔板的分布情况
图３ 下塔氩浓度随塔板的分布情况 下塔的底部，由于氧浓度较大，氧的沸点比氩要 高，气体由塔底上升到塔顶时，氧先从气体中冷凝 下来，因此气体中氩的体积百分数不断增大；当氧 浓度小到一定程度后，氩开始从气体中冷凝下来， 所以气体中氩的浓度又开始不断减小。液体中氩浓 度由塔顶到塔底时是先增大后减小。其原因是随着 液体下流，气体中的氩不断冷凝到液体中，但是随 着液体下流，气体中的氧浓度不断增加，气体中冷 凝下来的氩越来越少（从图２中可以看出曲线趋 于平滑），冷凝下来的氧越来越多，因此液体中的 氩浓度也是先增大后减小。 氧、氮浓度在上塔中的分布情况如图４所示， 氩浓度在上塔中的分布情况如图５所示。 从图４可以看出，随着塔板数的增加，氧的浓 度不断增大，氮的浓度不断减小，当塔板数为１５块
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图４上塔氧、氮浓度随塔板的分布情况
图５上塔氩浓度随塔板的分布情况 左右时，液氮和气氮的浓度已经很小，但是氧的浓 度还不是很高。这是因为这时塔板上主要是氧和氩 的分离。 从图５可以看出，氩的浓度是先增大，后减 小，再增大，最后一直减小，在第１５块塔板左右 气相氩的浓度达到最大。其原因为在模拟过程中， 第８块塔板为上塔富氧液空的进口，因此第８块塔 板以上为精馏段，以下为提馏段，在精馏段和提馏 段氩浓度分别有一个先增大后减小的过程（具体 原因与下塔类似）。由此可见，在上塔中氩馏分抽 口的位置对氩提取率有较大的影响，这对氩馏分抽 口位置的选取具有一定的理论指导意义。 ２．２上、下塔参数对精馏效果的影响 中压液氮抽取量和下塔理论塔板数对空分系统 精馏效果的影响如图６、７所示。
・２９・ 蛏 ３４０００ ３５０００ ３６０００ ３７０００ ３８０００ ３９０００ ４００００ ４１０００ ４２０００ 中压液氮￣ｌ／（ｍ ｍ）
图６ 中压液氮抽取量对精馏效果的影响 从图６可以看出，在其他参数不变的条件下， 随着中压液氮抽取量的增加，氧气产品的纯度不断 增高，而氮气的纯度反而降低。其原因是下塔精馏 是上塔精馏的基础，富氧液空纯度高时，氧气纯度 才可能提高，中压液氮纯度高而输出量大时，氮气 纯度才能达到理想纯度 ｊ。而富氧液空和中压液 氮的纯度相互制约，一种纯度提高，另一种纯度必 然降低，提高中压液氮的抽取量会导致中压液氮的 纯度降低，同时使下塔的回流比减小，富氧液空的
图７ 下塔理论塔板数对精馏效果的影响 纯度提高。因此，在中压液氮抽取量达到上塔最小 回流比的情况下，随着中压液氮抽取量的增加，氮 气的纯度不断减小，氧气的纯度则不断增加。 从图７可以看出，在其他参数不变的情况下， 随着塔板数的增加，氧气和氮气的纯度都不断增 高。其原因是随着塔板数的增加，在下塔顶部中压 液氮和底部富氧液空抽取量不变的情况下，中压液 氮的纯度增高，富氧液空的氧含量也增加，因此氧 气和氮气的纯度增高。 氮气产量对精馏效果的影响如图８所示。
图８氮气产量对精馏效果的影响 从图８可以看出，在其他条件不变的情况下， 随着氮气抽取量的增加，氮气纯度不断降低。其原 因是在进料量基本不变的情况下，氮的含量也基本 不变，随着塔顶氮气抽出量增加，大量再沸气体上 升，从而导致塔顶氮气中氧含量增加、纯度降低。 而随着氮气流量的增加，氧气纯度也不断上升，氧 气产量则不断减小。其原因是随着氮气抽取量的增 加，大量再沸气体上升，导致塔底出料减小（见 ・３０・ ｇ 由Ｉ ｛Ｌ 图８氧气产量曲线），而进料中氧含量基本不变， 因此使得塔底氧气纯度增加。从图８中还可以看出 氧的纯度与其产量成反比。 污氮气流量对精馏效果的影响如图９所示。 从图９可以看出，在其他参数不变的条件下， 随着污氮气流量的增加，氧气的纯度不断增高，氮 气纯度则不断降低，氧气产量也不断减小。其主要 原因同氮气产量对精馏效果的影响，不再赘述。
