空分冷箱工藝流程模擬

何一夫

中石化南京工程有限公司 （江蘇南京 211100）

工作研究

空分冷箱工藝流程模擬

何一夫

中石化南京工程有限公司 （江蘇南京 211100）

利用Aspen Plus軟件對空分冷箱工藝進行模擬，并對模型狀態(tài)方程中關(guān)鍵組分的二元交互作用參數(shù)進行修改，模擬結(jié)果與設(shè)計值十分吻合。模擬結(jié)果表明：各組分含量、溫度和流量的誤差均在1%之內(nèi)。由此可知，優(yōu)化的模型可以較好地應(yīng)用于空分冷箱工藝流程模擬。

Aspen Plus 流程模擬 空分 冷箱工藝 二元交互作用參數(shù)

Aspen Plus軟件是由美國Aspen Tech公司開發(fā)的通用工藝模擬軟件，可用于化工產(chǎn)品生產(chǎn)、煉油等工藝流程的模擬計算。Aspen Plus具有多種熱力學(xué)模型，含有大量的物性參數(shù)以及混合物數(shù)據(jù)與表征方法[1]。全球各大化工、石化生產(chǎn)廠家及著名工程公司大多數(shù)是Aspen Plus的用戶[2]。空氣分離技術(shù)是最典型的公用工程技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于化工、鋼鐵等行業(yè)。近年來，隨著煤化工裝置規(guī)模的不斷擴大，煤氣化對氧氣的需求量不斷增大，在煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動下，以深冷分離為主的空氣分離技術(shù)在產(chǎn)業(yè)鏈中日趨重要[3]。冷箱作為空分裝置中最為重要的設(shè)備一直是研究的熱點和難點，迄今為止用Aspen Plus對空分冷箱工藝進行流程模擬的文章很少有報道。

1 模擬計算

1.1 模擬流程的建立

結(jié)合Aspen Plus的使用特點，繪制空分冷箱（帶氬增效裝置）工藝模擬流程（如圖1所示）。

1.2 模擬流程的說明

圖1 空分冷箱工藝模擬流程（帶氬增效裝置）

在高壓塔中，富氧液化空氣經(jīng)由過冷冷卻器冷卻后節(jié)流進入低壓塔，作為其回流液；高壓氮氣經(jīng)由主換熱器復(fù)熱后，出界區(qū)供給用戶。而在低壓塔中，廢氣從塔上部抽出經(jīng)由過冷冷卻器冷卻和主換熱器復(fù)熱后，一部分作為變溫吸附器的再生氣，另一部分作為直接接觸后冷卻器的冷源；低壓氮氣從塔頂部抽出后經(jīng)由過冷冷卻器冷卻和主換熱器復(fù)熱后，出界區(qū)供給用戶；低壓液氧從塔底部直接抽出，至儲存區(qū)域備用或出界區(qū)供給用戶；低壓氧氣經(jīng)由主換熱器復(fù)熱后，出界區(qū)供給用戶；低壓液氧先經(jīng)由液氧泵壓縮至所需壓力再送至主換熱器復(fù)熱得到高壓氧氣，出界區(qū)供給用戶。因為氧和氬的沸點（分別為-183℃和-186℃）十分相近，為了徹底分離氧和氬，提高氧的提取率，空分裝置中常常增加氬增效裝置（粗氬塔和純氬塔），一方面可提高氧的提取率，另一方面可得到純氬產(chǎn)品。

1.3 物性及模塊的選擇

空氣分離系統(tǒng)的主要氣體組分為N2、O2和Ar，本模擬的物性模型選用狀態(tài)方程模型，物性方法擬選用PENG-ROB，但該模型中關(guān)鍵組分N2、O2、Ar三者之間的二元交互作用參數(shù)適用的溫度范圍很難涵蓋空分冷箱工藝實際操作的溫度范圍，所以要想準確模擬該工藝流程，需對其關(guān)鍵組分的二元交互作用參數(shù)進行相應(yīng)修改，相關(guān)公式如下：

修改后的PENG-ROB模型中二元交互作用參數(shù)詳見表1和表2，建模過程中主要設(shè)備采用的Aspen Plus內(nèi)置模塊詳見表3。

1.4 假設(shè)

為簡化模擬過程，作出以下幾點假設(shè)：（1）高壓塔有45塊理論塔板，低壓塔有80塊理論塔板；（2）粗氬塔有150塊理論塔板，純氬塔有40塊理論塔板；（3）高壓塔塔頂冷凝器吸收的熱量全部傳遞給低壓塔塔釜再沸器。

表1 修改后的PENG-ROB模型低壓塔和高壓塔中二元交互作用參數(shù)

表2 修改后的PENG-ROB模型粗氬塔和純氬塔中二元交互作用參數(shù)

表3 單元操作模塊

2 模擬結(jié)果

關(guān)鍵物流的模擬結(jié)果詳見表4和表5，溫度和流量的相對誤差都很小，在1%內(nèi)；物流組分的相對誤差基本上也在1%內(nèi)；個別微量組分的相對誤差稍大，但絕對誤差也在1×10-6內(nèi)，究其原因，是其自身含量太低（10-6級別）。由此可知，修改后的模型可以較好地應(yīng)用于空分冷箱工藝流程模擬。

3 結(jié)論

本文在Aspen Plus的操作平臺上建立了空分冷箱工藝模型，并對模型狀態(tài)方程中關(guān)鍵組分的二元交互作用參數(shù)進行了修正，模擬結(jié)果與設(shè)計值十分吻合。模擬結(jié)果表明：各組分含量，溫度和流量的誤差均在1%內(nèi)。由此可知，優(yōu)化后的模型可以較好地應(yīng)用于空分冷箱工藝流程模擬。

表4 關(guān)鍵物流模擬結(jié)果（低壓塔和高壓塔）

表5 關(guān)鍵物流模擬結(jié)果（粗氬塔和純氬塔）

[1] 王靜康.化工設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1995: 276-290.

[2] 馬金亮.AspenPlus軟件模擬計算空分設(shè)備流程的修正[J].深冷技術(shù),2005(3):19-21.

[3] 李曉黎,亢萬忠.大型空分裝置在煤化工中的應(yīng)用與發(fā)展[J].化肥工業(yè)，2011,38(5):8-11.

Process Simulation for Cold Box of Air Separation Unit

He Yifu

Simulates the cold box process of air separation unit model by Aspen Plus software,and modifies the binary interaction parameters of key components in the simulated equation of state.The simulation results perfectly coincide with the design values.The simulation results indicate that the errors between component contents,temperatures and flows are within one percent.It can be seen that the optimized model can be well applied in the simulation for cold box of air separation unit.

Aspen Plus;Process simulation;Air separation;Cold box process;Binary interaction parameter

TP 319

2014年8月

何一夫男1982年生碩士工程師主要從事化工工藝設(shè)計和流程模擬工作