应用HYSYS软件建立分馏系统模型及其仿真研究

1、中国石油大学（华东）毕业设计（论文）中国石油大学（华东）毕业设计（论文）应用 HYSYS 软件建立分馏系统模型及其仿真研究学生姓名：俞永尧学 号：02051427专业班级：自动化 02-4 班指导教师：于佐军 2006 年 6 月 20 日摘 要蒸馏计算的难点在于虚拟组分的划分、物性的估算、相平衡模型的建立，以及复杂蒸馏塔逐板仿真算法的实现。使用模拟软件 HYSYS 可以精确模拟实际生产装置，为研究分馏系统的控制方法提供了准确、方便和科学的研究条件。本文根据精馏塔设计理论，使用世界著名油气加工软件HYSYS，建立了分馏系统的动态模型，对蒸馏工艺流程进行了计算机模拟。本文重点讨论了如何应用 HY

2、SYS 软件建立分馏系统模型，如何使用 HYSYS软件实现对模拟装置的控制，最后对建立的分馏系统模型进行研究分析。文中还对精馏塔的设计和计算做了简单介绍。 关键词关键词: :HYSYS；精馏塔；分馏系统；模拟；控制系统 ABSTRACTPseuo-components, thermodynamics parameters, vapor-liquid equilibrium models and optimization algorithms are four key factors in simulation and calculation of refinery. The use of si

3、mulation software HYSYS can model practice product plant accurately and provide accurately, convenient and scientific research term for the control method of fractionation system. In this paper based on the distillation column design theory, we have modeled the fractionation system and implemented t

4、he computer simulation for distillation technological process by world famous software HYSY. This paper stressly talks about how to model the fractionation system and how to control the simulation plant by software HYSYS, at last we analyze the result of the simulation. We also introduce the design

5、and calculation methods of the distillation column in this paper.Keywords: HYSYS; distillation column; fractionation system; simulation; control system目录第 1 章 绪论11.1 学习 HYSYS 软件的意义11.2 HYSYS 软件的功能介绍11.3 HYSYS 软件在国内外的应用及发展情况3国外应用情况3软件的发展情况3软件在国内应用情况4影响 HYSYS 软件在国内应用发展的原因4第 2 章 精馏塔的设计及操作计算62.1 精馏的原理及流

6、程6精馏原理6精馏装置流程72.2 建模相关的蒸馏塔操作计算7全塔的物料衡算与操作线方程8理论塔板的计算92.3 小结10第 3 章 应用 HYSYS 软件建立分馏系统模型及仿真研究113.1 应用 HYSYS 软件建立酒精与水二元精馏塔稳态模型11模型框架的构建11模型框架的参数导入13对稳态模型数据的分析163.2 二元分馏系统动态模型的实现及其仿真研究19模型稳态到动态的转换19控制方案的选择22控制器的参数整定233.3 分馏系统动态模型的仿真研究26第 4 章 结论31致谢32参考文献33第 1 章 绪论1.1 学习 HYSYS 软件的意义HYSYS 是主要用在化工及机械方面的专业流

7、程模拟的专家型软件，它可以让工程师轻松地在电脑中实现生产装置模型化，通过模拟再去找出问题，快速且完整的完美化生产流程。许多产品在开发时因为制作时间费时或是费用高昂，所以在测试时因为无实体而无法得到正确的数据，这时就需要有一套软件来产生“预估”的数据，以节省开发的时间。而 HYSYS 正是这样一套软件，学会使用 HYSYS 将使我们受益非浅。化工装置控制方案的选择及掌握实际生产的动态特性对装置的设计、操作都十分重要。在没有动态模拟软件的情况下，人们只得参考现有的生产装置、控制方案。这种千篇一律的照搬照抄会导致控制方案的失当甚至严重错误而使装置无法正常运行，从而造成巨大的经济损失。长期以来，装置的

8、动态特性只能从装置的长期实践中获得，设计者不能在装置的设计阶段及时掌握装置的操作规律，提出正确的控制方案，分析可能出现的操作故障及解决措施。动态化工模拟系统 HYSYS 能解决上述问题。我们通过应用 HYSYS 软件建立分馏系统的动态模型，实现了对装置实际生产状况的高逼真度模拟，为研究分馏系统的控制方法提供了准确、方便和科学的研究条件。这也正是本课题研究的主要意义所在。1.2 HYSYS 软件的功能介绍HYSYS 软件与同类软件相比具有非常好的操作界面，方便易学，软件智能化程度高 。它具有最先进的集成式工程环境，由于使用了面向目标的新一代编程工具，使集成式的工程模拟软件成为现实。在这种集成系统

9、中，流程、单元操作是互相独立的、流程只是各种单元操作这种目标的集合，单元操作之间靠流程中的物流进行联系。在工程设计中稳态和动态使用的是同一个目标，然后共享目标的数据，不需进行数据传递。因此在这种最先进且易于使用的系统中用户能够得到最大的效益。HYSYS 具有：(1) 内置人工智能：在系统中设有人工智能系统，它在所有过程中都能发挥非常重要的作用。当输入的数据能满足系统计算要求时，人工智能系统会驱动系统自动计算。当数据输入发生错误时，该系统会告诉你哪里出了问题。 (2) 数据回归包： 数据回归整理包提供了强有力的回归工具。用实验数据或库中的标准数据通过该工具用户可得到焓、气液平衡常数 K 的数学回

10、归方程 ( 方程的形式可自定 ) 。用回归公式可以提高运算速度，在特定的条件下还可使计算精度提高。 (3) 严格物性计算包： HYSYS 提供了一组功能强大的物性计算包，它的基础数据也是来源于世界富有盛名的物性数据系统，并经过本公司的严格校验。这些数据包括 16,000 个交互作用参数和 1,800 多个纯物质数据。 (4) 功能强大的物性预测系统：对于 HYSYS 标准库没有包括的组分，可通过定义假组分，然后选择 HYSYS 的物性计算包来自动计算基础数据。 (5) DCS 接口： HYSYS 通过其动态链接库 DLL 与 DCS 控制系统链接。装置的 DCS 数据可以进入 HYSYS ，而

11、 HYSYS 的工艺参数也可以传回装置。通过这种技术可以实现： 1) 在线优化控制； 2) 生产指导； 3) 生产培训； 4) 仪表设计系统的离线调试。 (6) 事件驱动：将模拟技术和完全交互的操作方法结合，使 HYSIM 获得成功。而利用面向目标的技术使 HYSYS 这一交互方式提高到一个更高的层次，即事件驱动。当你在研究方案时，需要将许多工艺参数放在一张表中，当变化一种或几种变量时，另一些也要随之而变，算出的结果也要在表中自动刷新。这种几处显示数据随计算结果同时自动变化的技术就叫事件驱动。通过这种途径能使工程师对所研究的流程有更彻底的了解。 (7) 工艺参数优化器：软件中增加了功能强大的优

12、化器，它有五种算法供您选择，可解决无约束、有约束、等式约束及不等式约束的问题。其中序列二次型是比较先进的一种方法，可进行多变量的线性、非线性优化，配合使用变量计算表，你可将更加复杂的经济计算模型加入优化器中，以得到最大经济效益的操作条件。 (8) 窄点分析工具：利用 HYSYS 的窄点分析技术可对流程中的热网进行分析计算，合理设计热网，使能量的损失最小。 方案分析工具：某些变量按一定趋势变化时，其它变量的变化趋势如何呢？了解这些对方案分析非常重要。比如，当研究塔的回流比和产品质量的变化对热负荷、产量、温度的影响时，在 HYSYS 的方案分析中选回流比和产品质量作为自变量，给出它们的变化范围和步

13、长， HYSYS 就开始计算，最后会给出一个汇总表。 (9) 各种塔板的水力学计算： HYSYS 增加了浮阀、填料、筛板等各种塔板的计算，使塔的热力学和水力学同时解决。 (10)任意塔的计算：我们以前接触的软件中所有分馏塔都是软件商提供了一个最全的塔，然后让用户自己选择保留部分。试问，若用户有一个塔，其上部分为吸收 - 解析塔，下部分为提馏塔，这种塔该如何计算呢？ HYSYS 就可以。由于采用了面向目标的编程工具，塔板、重沸器、泵、回流罐等等都是相互独立的目标。人们可以任意组合这种目标，而完成各种各样的任意塔，十分方便。 1.3 HYSYS 软件在国内外的应用及发展情况 HYSYS 国外应用情

14、况HYSYS 系列软件在国外应用极其广泛，目前 Hyprotech 的主要用户包括世界上名列前茅的前 15 家石油和天然气公司，前 15 家石油炼制公司中的 14 家和前 15 家化学制品公司中的 13 家。 Hyprotech 公司国外用户： BP 、 Chevron 、 Dow 、 DuPont 、 Exxon Mobil 、 Fluor Daniel 、 Monsanto 、 Glaxo SmithKline 、 Rohm Hass 、Bayer 、 Shell 、 PraxAir 、 UOP 等 。 HYSYS 软件的发展情况由于微机的高速发展以及 Micosoft Windows 软

15、件的推出，改变了 DOS对微机资源及单任务的限制，使得动态模拟系统在微机上运行成为可能。加拿大 HYPROTECH 公司不负众望，以雄厚的技术实力，在世界上率先开发出微机动态模拟系统 HYSYS1.0。动态模拟系统 HYSYS 的推广及应用必将给石油化工设计领域、生产领域、研究领域带来一场深刻的革命，成为石油化工领域划时代的里程碑。一直以来，化工模拟软件基本沿两个方向发展和提高，一是在化工模拟理论和技术方面发展，从而使软件应用范围更加广泛；另一方面是在软件及计算机辅助工具的发展，也就是研究的最好办法，使工程师更易掌握、使用这种软件，在研究方案中更灵活地运用这种软件。虽然后一方面的发展比较慢，但

16、由于它在实际中的应用性很强，所以它还会不断向前发展。HYSYS 已出比 3.0 系列性能更完善功能更强大的更高级系列产品。1.3.3 HYSYS 软件在国内应用情况HYSYS 在国内应用非常广泛，国内用户总数已超过 50 。所有的油田设计系统全部采用该软件进行工艺设计。下面是部分国内油田用户名单： 大庆油田设计院、辽河油田设计院、华北油田设计院、大港油田设计院、四川油田设计院、长庆油田设计院、青海油田设计院、中原油田设计院、江汉油田设计院、克拉玛依油田设计院、克拉玛依油田研究院、独山子炼油厂、独山子石化设计院、廊坊管道勘察设计研究院、中国海洋总公司生产研究中心、中国海洋总公司石油工程公司（天津

17、塘沽）。中国海洋总公司南海分公司、壳牌中国分公司（ Shell ）、辽阳化纤公司、辽阳石化设计院、大庆石化设计院、岳阳石化公司、九江石化公司、南京石化公司、扬子石化公司、扬子石化设计院、抚顺石化设计院、抚顺石化公司、金陵石化公司、茂名石化设计院、镇江炼化工程公司等 。1.3.4 影响 HYSYS 软件在国内应用发展的原因HYSYS 软件虽然在国内应用非常广泛，但到目前为止，在国内还没有一本介绍 HYSYS 使用的中文书籍。学习者只能通过 HYSYS 的英文帮助以及网络找来英文学习资料来学习 HYSYS 的应用，这给学习者带来了很大的不便。HYSYS 是这么好的一款软件，没有中文的学习资料大大影

18、响了其在国内的普及。期望有关 HYSYS 软件的中文学习资料与书籍能尽快出来。 HYSYS 是工程师应用的专家型软件，期望将来有一天不是专家的普通技工也能使用该软件。第 2 章 精馏塔的设计及操作计算2.1 精馏的原理及流程2.1.1 精馏原理 图 2-1精馏原理用 x-y 图来做简单介绍，如图 2-1 将部分汽化得到的气相经过 n 次部分冷凝后，最终产品组成为。次数愈多，组成愈高，最后可得ny到几乎纯态的易挥发组分。将部分汽化得到的液相经过 m 次部分汽化后，最终产品组成为。次数愈多，组成愈高， 最后可得到几乎纯态的难挥mx发组分。上述分别进行的气相多次部分冷凝和液相多次部分气化过程，理论上

19、可获得两组分的完全分离，但是因为产生大量中间馏分而使产品产量极少，且设备庞大。工业生产中的精馏过程是在精馏塔内进行的，即在精馏塔中将部分气化过程和部分冷凝过程有机结合而实现操作的。典型的精馏设备是连续精馏装置，包括精馏塔、冷凝器和再沸器等。如图 2-2 所示。精馏通常有若干或填充一定高度的填料。塔板或填料是供气、液两相接触的场所，进行热和质的交换。位于塔顶的冷凝器将上升蒸汽冷凝成液体，部分冷凝液作为回流返回塔内，其余部分为塔顶产品。位于塔底的再沸器使液体部分气化，蒸汽沿塔上升，余下的液体作为塔底产品。进料加在塔中间，进料中的蒸汽和塔下段来的蒸汽一起沿塔上升；进料中的液体和塔上段来的液体一起沿塔

20、下降。在整个精馏塔中，气液两相逆流接触，进行相继传质，使液相中的易挥发组分进入气相，气相中的难挥发组分进入液相。对不形成恒沸液的物系，只要有足够的塔板数或填料层高度，塔顶产品将是高纯度的易挥发组分，塔底产品将是高纯度的难挥发组分。为实现精馏分离操作，除了需要有足够层数塔板或足够高的填料的精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降的液流（回流）。上升气流和液体回流是造成气、液两相以实现精馏定态操作的必要条件。2.1.2 精馏装置流程根据精馏原理可知，单有精馏塔不能完成精馏操作，还必须同时有塔顶冷凝器和塔底再沸器。有时还配有原料加热器、回流液泵等附属设备。冷凝器的作用是提供塔顶液相产品及

21、保证有适当的液相回流，精馏塔的作用是提供气、液接触进行和传质的场所。图 2-2典型的连续精馏流程如图 2-2 所示。原料液经预热到指定温度后，送入精馏塔内。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分液体气化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液借重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分冷凝液经冷却器（图中未画出）后被送出作为塔顶产品。通常将原料液进入的那层板称为加料板，加料板以上的塔段，其作用是把上升蒸汽中易挥发组分进一步提浓，称为精馏段；加料板以下的塔段（包括加料板），其作用是从下降液体中提取易挥发组分，称为提馏段。2.2 建模相关的蒸馏塔操

22、作计算上一节主要介绍了蒸馏的原理，有了理论基础，我们开始对实际课题进行必要的计算。针对第三章中建模需要用到的参数在这小节中进行计算，为 HYSYS 建立模型提供参数依据，同时又可以在后来的模型中检验这些数据的合理性，对数据进行必要的更新。这篇文章以酒精与水二元分馏系统为例进行计算及后来的建模。模型设计要求为：设计一个年产 10 万吨合成乙醇厂的精馏塔，选用常压连续乙醇精馏流程，原料是含乙醇 6%的粗醇液，要求在乙醇精馏塔顶产合格乙醇(94.6%),釜底排除液含乙醇不超过 0.04%，年工作时间为 8000 小时，年产100%乙醇 10 万吨，回流比按 R=8 考虑，进料温度为泡点进料。针对以上

23、要求对精馏塔做以下计算。全塔的物料衡算与操作线方程根据全塔的物料衡算，可以按指定的分离要求确定精馏产物的量和组成。以整个精馏塔为系统，单位时间为基准作物料衡算。总的物料衡算： (2-1)WDF易挥发组分的物料衡算： (2-2)wDFWxDxFx在连续精馏塔中，由于原料液不断地进入塔内，因此精馏段与提馏段两者的操作关系似乎不相同的，应予以分别讨论。查阅化工方面的资料得到精馏段操作线方程为： (2-3)DnnxRxRRy1111提馏段操作线方程为： (2-4) WmmxWLWxWLLy1由设计要求对应进行物料衡算： kg/h125008000100010000P折算成 94.6%的产量为： kg/

24、h 5 .13213946. 012500D联立式(2-1)和(2-2)得： WF5 .13213 0004. 0946. 05 .1321306. 0WF解联立方程式得： kg/h209642F W=196429 kg/h 转化为摩尔单位为： mol/h38.311D mol/h5 .11221F mol/h1 .10910W 用作图法求理论塔板数：乙醇-水系统平衡数据是很多的，有以重量百分数表示的，也有以分子百分数表示的，可视需要而选择。有了平衡数据之后，则在气-液平衡图上画出平衡曲线。用精馏段操作方程式求取操作线，操作线与进料点像交处即为操作线的终点 0，回流比 R=8 时，精馏段操作线

25、截距为： 105. 018946. 01RxD在 x-y 气液平衡图上，沿 x 坐标方向找到=0.946、及Dx006. 0fx三点。由这三点作 X 坐标的垂线交对角线于 A、B、C 三点，在0004. 0WxY 轴截取截距值 0.105，得点 D，连接 A，D 点即为精馏段操作线方程，AD线与垂线交于一点 O，O 点即为进料板，OC 线即为提馏段操作线方程，fx然后在平衡图上作阶梯，直至跨过两操作线交点 O。得出理论塔板数为24，提馏段为 5，精馏段为 19。在这里特别要注意的是酒精与水溶液中由于氢键的存在，水和乙醇分子发生缔合作用，使得乙醇-水体系成为属于恒沸溶液，是典型的非理想溶液。因此

26、，乙醇-水体系对一般的恒摩尔流假设及建立在理想溶液基础上的定理都不可使用。2.3 小结 这一章的计算主要是为下一章建模做准备，参数选择对建模有重要影响。操作计算中没有对全塔进行能量衡算，没有计算的原因有以下几点：第一，计算非常烦琐，笔者起先试着查阅很多数据来对塔进行能量衡算，但最后也没有算出结果，对塔进行能量衡算需要有非常专业的化工知识，没有经过专门训练的人员难以得到结果；第二，以上计算的参数已经满足HYSYS 进行初始化计算，因此不必再对塔进行能量衡算。 同时在这里也没有计算塔径及塔高，实际设计精馏塔的过程，塔径及塔高的计算是必须。而这里我们重点在于学习 HYSYS 软件，我们关注的是如何用

27、 HYSYS 软件来模拟分馏系统，实现对模拟装置的控制。塔径及塔高对分馏系统的影响在这里不讨论，本文模型用的塔径及塔高都使用HYSYS 软件本身计算出来的值。 。第 3 章 应用 HYSYS 软件建立分馏系统模型及仿真研究3.1 应用 HYSYS 软件建立酒精与水二元精馏塔稳态模型模型框架的构建HYSYS 动态模型是建立在稳态模型基础上的，所以我们首先要做的就是建立稳态模型。基于第二章的有关计算，应用 HYSYS 软件建立酒精-水二元体系的稳态模型可以简单分为以下几个步骤(步骤可供 HYSYS 学习者参考)：(1)模型建立第一步是在 Simulation Basics Manager 中建立你

28、成分列表，也就是选择你所操作的物流（这里是酒精与水体系，以下同） ，如图 3-1。 图 3-1(2)建立成分列表后，在 Fluid Packages 里添加刚才所建立的列表，表示模型将要使用的物流为列表中的组成。同时，在这里必须给所使用的物流选择一种算法（模型） ，我们选择动态模型 UNIQUAC（如图 3-2） 。每种模型对应不同算法，可依据操作物流来选择模型，例如：对一般的弱氨性电解质物流选择 NTRL 模型，模型算法的选择会影响结果。图 3-2（3）正确完成以上二步后，点击 Simulation Basics Manager 窗口里的按钮或者点击 HYSYS 软件工具栏里的按钮进入 PF

29、D 模拟环境，出现如图 3-3 所示的界面。 图 3-3 （4）进入图 3-3 界面后，根据模型需要选择正确的器件，并对所选用器件进行正确连接，这里不多做说明。连接好后的图形如图 3-4 所示，这样就完成了模型框架的构建。 图 3-4的参数导入在完成模型框架图的够建后，进入参数设置环节。参数设置有一定的繁琐性，尤其是精馏塔的设置（在下面做单独说明），这里以最简单的进料 1 的参数设置为例介绍其它流体部件的参数设置。对乙醇-水体系进料 1的设置如图 3-5 所示，参数必须包括温度，压力，流量，及各组成所占的比例（这里是酒精与水各自所占的百分数），这些参数都在窗口 1 的各个栏目里设置。HYSYS

30、 是功能强大的软件，当你设置的参数量足够且没有相互矛盾，HYSYS 就自动完成这个部件的连接。进料 1 完成正确连接后如图3-5 所示窗口下面显示绿条 OK。图 3-5精馏塔的参数设置是本次建模的关键，精馏塔的参数设置比较复杂，下面一一说明。如图 3-6 所示，精馏塔 Design 一栏包括 connections, monitor 等。对于如图 3-6 所显示的 Connections 做以下说明：Inlet Streams 为进料选择和进料位置的设置，进料为物流 2，进料位置根据第二章的计算为第 19 层（图中显示为 18，原因下一小节给出）；塔中间 n 值为塔板数，根据上章计算的结果设置

31、为 24。Condensor 为冷凝器设置分为全部冷凝、部分冷凝及全回流。我们这里选择部分冷凝 Patial 模式（3 自由度），不同模式对应不同的自由度，自由度跟精馏塔的运行密切相关。P cond ，P red 分别是冷凝器及再沸器的压力，设置为 101.3KPa.冷凝器，再沸器的压力降都设置为 0 kPa.其它 Q-101，Q102，3，4 和 5 部件如图都与精馏塔正确连接。 图 3-6为了模拟课题要求的精馏塔，仅以精馏塔本身自带的参数（包括回流、回流比、各产品出口流量）还不够，我们需要针对所要设计的精馏塔定义一些特定参数。针对年产 10 万吨酒精生产装置的生产要求，在如图 3-7 中所

32、示的 Spess 栏里添加两个参数：塔顶产品 Fraction 及釜底馏出液 Fraction，分别表示塔顶产品及塔底流出液中乙醇所占的百分数。 图 3-7 图 3-8完成特殊的参数定义后，对原有的参数及特殊参数进行赋值，如图 3-8 所示。图中赋值的参数 Reflux Ratio 及 Distillate Rate 为第二章计算得到的值；塔顶产品 Fraction 及釜底馏出液 Fraction 为生产要求值。Vent Rate 设置为 0kgmol/h； Fraction，釜底馏出液 Fraction 和 Vent Rate 参数设置为 Active。动态参数（选择了 Active 复选框

33、的）每增加一个自由度 Degrees of Freedom 就减少 1，精馏塔要正常运行必须保证自由度为 0。完成 Design 设置以后，进行 Parameters 一栏的设置，这里只需要设置塔板的压力及温度，我们设置冷凝器及再沸器的压力都为 101.3kPa，冷凝器及再沸器温度分别估计为 75C和 105 C。正确完成这些设置后运行精馏塔，就得到了精馏塔的稳态模型，如图 3-9 所示。 图 3-93.1.3 对稳态模型数据的分析稳态模型的建立实际上是 HYSYS 软件本身根据外部设置的参数，依据算法对整塔进行计算，其稳态数据与理论计算数据相吻合且一般优于理论计算值。稳态模型计算出来的数据很

34、多，这些数据都基于我们设置的参数。以下说明精馏塔稳态模型给出的主要参数：如图 3-9，右上角给出的是整个塔从塔顶到塔底的压力分布曲线，图形的下半部显示的分别是定义的参数的设置值与稳态计算出来的实际值(Current Value)，其中回流比理论值是 8.0，而稳态模型计算值为 6.22，所以实际应用值应该按模型计算结果来更新理论计算值；如图 3-10，3-11，分别显示了稳态模型计算出来的精馏塔每层塔板 图 3-10 图 3-11 图 3-12上压力、温度、液体流量、气体流量和每层塔板上流体的组成估计；如图3-12，显示了稳态模型各主要部件的主要参数，图中为了直观起见，我对各器件进行了命名。

35、HYSYS 稳态模型可以通过点击按钮来给参数重新赋值。其中我对进料位置参数进行多组数据测试，得到不同进料位置在满足同样任务要求下对应的冷凝器和再沸器的能耗数据如表 3-1 所示。进料位置17181920冷凝器消耗(KJ/H)9.211e+0078.741e+0078.905e+0071.011e+008再沸腾器消耗(KJ/H)9.607+0079.137e+0079.300e+0071.050+008 表 3-1从表中数据说明，在同样能满足生产需要的前提下，进料位置的选择影响能量的消耗。第二章中理论计算的进料位置为 19 层，而从上表得知实际模型进料位置选择在第 18 层更为合适。在满足生产要

36、求的前提下，我们必须要考虑实际装置的经济效益。3.2 二元分馏系统动态模型的实现及其仿真研究 在上一节中我们建立分馏系统的稳态模型并通过模型测试对原设计的部分参数进行了修正。然而仅仅这样是不够的，我们必须建立模拟系统的动态模型。下面介绍稳态模型到动态模型的转换。 要实现稳态到动态模型的转化，根据 HYSYS 软件的使用说明，需要做很多设置，其中包括：流量压力关系的设置；精馏塔各尺寸的设置；塔板相关的一些设置；控制阀设置；容器（包括冷凝器和再沸器）设置等。这些不同部分的参数设置可以用来研究这一方面参数对精馏的影响，例如塔板相关设置可以用来研究塔板填料，尺寸等对蒸馏的影响。这里我们不对这些细节进行

37、研究，仅使用 HYSYS 动态助手实现动态转化，动态助手界面如图 3-13 所示，点击图中按钮，自动完成动态转换需要的前 4 项设置 图 3-13 图 3-14 ，如图 3-14 所示。动态助手不能完成最后一项设置，因此我们需要对冷凝器和再沸器进行设置，主要设置冷凝器和再沸器的体积。体积按如下公式计算：容器维持的液位间液体在容器中的停留时容器出口体积流量体积冷凝器出口总体积流量为回流体积流量与产品体积流量之和，液体在冷凝器中以停留 10 分钟计算，液位以 50%计算。从模型中查出回流体积流量及产品体积流量分别为：回流的体积流量截图为，产品体积流量截图为 。因此，按以上公式计算得到冷凝器体积约为

38、 40。再按照计算得到的结果设置3m冷凝器，如图 3-15。再沸器也按此公式计算，这里不再讨论。完成这些设置后就可以点击将模型转化为动态了。 图 3-15 动态模型与稳态模型是有很大区别的，动态模型可以真实反映实际系统。图 3-16 是动态模型塔板的数据，与稳态模型图 3-10 相比，动态模型的 图 3-16数据更贴近实际系统。例如：稳态模型塔板没有压力降，而动态模型有压力降，这是与实际相符的。 图 3-17图 3-17 是动态模型的 Workbook，其中的每一个数据都是动态变化的。动态模型是建立在稳态模型基础上建立的，动态模型的模拟计算也都是基于稳态模型的数据的，但动态模型得到的数据可以反

39、映实际生产系统，而稳态模型得到的数据只是软件本身所做的理论计算。 一个完整的模型体系，必须要有控制系统，因此我们来设计控制方案。首先我们要了解精馏塔的控制目标：使塔顶和塔底的产品满足规定的质量要求。根据后来对模型仿真研究的结果，我们采用目前应用较广的精馏塔控制方案，如图 3-16。该控制方案按提馏段控制指标控制再沸器加热量，从而控制塔内上升蒸汽量 V，同时保持回流量 L 为定值。此时 D 和 B 按物料平衡关系，由液位器控制器 LIC 控制。对于提馏段灵敏板温度而言，该方案采用再沸器 Q-再沸器作为操纵变量，在动态响应上要比回流量 L 控制的滞后小，反映迅速，所以对克服进入提馏段的扰动和保证塔

40、底产品质量有利。在这种控制方案里要注意的是，回流比采用定值控制，而且回流量应当足够大，以便当塔的负荷最大时仍能保证产品的质量指标。当回流量不足时，容易引起液泛，造成塔的操作异常。 图 3-18控制器的参数整定采用经验法，经验法参数整定方法：流量系统 FIC使用 PI 控制，且以大比例度，小积分时间；液位系统 LIC 采用纯比例控制，且有大的比例度；根据温度系统测量具有变送滞后和热传递滞后的特点，温度控制器比例度设置范围约为 20-60，积分时间选择较大，微分时间约是积分时间的四分之一。控制器参数整定结果如图 3-19 所示。这里在经验法设定 PID 控制器参数基础上，通过观察仿真曲线来修正参数

41、，例如：温度控制器 TIC 没有按经验法使用 PID 控制，而用了 PI 控制，因为在仿真实验中发 (a) (b) (c) (d) 图 3-19现 PI 控制结果稍好，加了微分作用控制结果反而不太理想。仿真曲线如图3-20 所示，图 3-20(a)是没加微分的 PV 值曲线，图 3-20（b）是加微分作用（D=0.75）后的 PV 曲线。(a) (b) 图 3-203.3 分馏系统动态模型的仿真研究为了方便理解各仿真曲线，对控制器做以下说明：如图 3-19 所示， 控制器 FIC-100 的被控变量是回流量，给定值 SP 是 1937mol/h，采用 PI控制，控制器反作用，见图 3-19(a

42、)； 控制器 LIC-8 . 0CK5 . 0iT100 的被控变量是冷凝器液位，采用纯比例控制，给定值 SP 是 50%，控制器正作用，见图 3-19(b);控制器 TIC-100 控制器的被控变量是5 . 0CK提馏段第 21 层塔板的温度力，给定值 SP 是 102.1C，采用 PI 控制，控制器反作用，见图 3-19（c）;控制器 LIC-101 被控变量是5 . 0CK3iT第 24 层塔板上的液位，采用纯比例控制，给定值 SP 为 50%，见5 . 0CK图 3-19(d)。模型在完成控制系统设计和参数整定后，接下来我们来对该模型进行仿真研究。为了使仿真结果显示的更直观，预先设计

43、Databook 中的 Strip Chart 图。让 Strip Chart1 显示模拟装置的各产品流量，Strip Chart2 显示控制器控制点的 PV 值，Strip Chart3 显示塔顶乙醇产品的质量分数。开始积分前从 Simulation 工具栏里调出 Integrator Active，再给系统加一个干扰，如图 3-21，点击，开始积分。 运行结果如图 3-22 所示，图 3-22(a)显示模拟装置稳定工作时各产品的出口流量；图3-22(b)显示模拟装置稳定工作时各控制器控制点的测量值 PV，作为比较的给定值 SV 值在前一段已做说明；图 3-22(c)显示塔顶乙醇产品的质量分

44、数。 图 3-21 (a) (b) (c) 图 3-22为了进一步研究此分馏系统模拟，在保持进料条件不变的前提下，对系统做如下仿真测试：（1） 改变回流量的设定值，从原设定值 1937 增加到 2200，分析回流量对系统及产品产生的影响。首先观察控制器控制点测量值 PV 的变化情况，如图 3-23 所示，从图中可以看出，增大回流量后，各控制点参数 PV 值都略有下降，其中冷凝罐液位下降最为显著，这些结果都是与实际相符的，因为回流都是从冷凝器中出来的，突然增大回流量，必定引起冷凝器液位的显著降低，同时由于是回流是冷回流，回流量增加必定会引起塔板温度的降低；然后我们再来观察增加回流量对产品指标造成

45、的影响，如图 3-24显示的是增大回流量后引起产品浓度开始变化的曲线，由于产品浓度变化缓慢，因此曲线变化不明显，待精馏塔稳定工作以后读得乙醇浓度从原来的 0.9459 增加到了 0.9476。 图 3-23图 3-24（2）为了测试系统抗干扰能力，通过软件本身的功能给冷凝器加一个 100%液位的阶跃，来观察控制系统的调节情况，加阶跃后冷凝器液位变化曲线如图 3-25 所示。由图可知，通过液位控制器 LIC-100 的调节，在第 30 分钟左右，液位又回到控制点 50%附近。 图 3-25我们建立的分馏系统模型可以在线查看各种动态数据，可以根据需要对分馏系统进行各种仿真研究,如：控制方案的仿真研究。文中采用的控制方案是按提馏段指标控制的控制方案，而乙醇精馏塔的主要产品是塔顶产品，实际中一般采用按精馏段指标控制的控制方案。这里采用按提馏段指标控制的原因是依据模型仿真结果选择的。模型仿真结果显示：按精馏段指标控制的方案，虽然能保证塔顶产品的质量，但是只要塔顶温度稍有波动回流量就会改变，从而引起精馏塔