D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.05.018 第25卷第5期 北京科技大学学报 Vol.25N0.5 2003年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2003 空分精馏过程的仿真计算 张延平”王立”高远)王维敏 1)北京科技人学机械工程学院，北京1000832)上海宝钢集团公司，.：海201099 摘要从Harmens物性方程出发，依据O2Ar-N,三元物系气-液平衡关系，对通用模型塔建 立.统一的数学模型和求解方法，在此基础上开发了空分单塔及精馏系统的计算模型并对填 料塔特馏过程进行了探讨和计算，通过宝钢5空分精馏系统的模拟计算，说明该模型能够准 确地描述精馏过程各参数变化. 关键词空气分离：精馏：数学模拟 分类号TB657.6;TQ028.13 开发空分系统的模拟计算对空分装置的设 板数和进出料口位置，计算每块塔板上气、液相 计、变工况运行以及事故分析、降低能耗有现实 组成、温度、压力及流率，反映精馏塔内各点参数 的意义：由空分流程计算进而开发空分装置计算 以及变工况时参数的变化.设计型算法对于空分 机仿真培训系统，不仅可以模拟运行、培训操作， 设计和生产是不可缺少的，只有确定了塔板数才 而且为保证空分的安全运转起到重要的作用， 能进行下一步设计以及投资的估算：而校核型算 精馏计算是空分流程计算的关键环节，它的 法可作为投产前设备的检测手段和生产优化、控 精确与否直接影响到流程计算的准确性.由于精 制能耗的核算方法 馏计算的复杂性和特殊性，本文开发了通用模型 塔及空分精馏系统的数学模型，并应用于宝钢5“ 2精馏过程数学模型建立及求解 空分的模拟计算与操作仿真开发中. 在精馏计算过程中，需要反复进行泡点和露 1空分精馏计算方法 点的计算，所用时间一般占整个精馏计算时间的 80%左右，因此，快速准确地计算泡点、露点，无 空分流程计算大致分三个关键环节.：(1) 疑会大大减少整个精馏计算时间，并且提高计算 O2-Ar-N,及其混合物的物性计算：(2)精馏计算； 的精度，在进行泡点（露点）计算时需要联解以下 (3)空分流程的整体模拟计算，其中精馏计算是 方程： 承上启下的重要环节.空分的精馏计算涉及到 y=kx y,=kx O,-Ar-N,的热力学模型、相平衡关系以及各种流 3=1及 ∑x,=1 程组织的影响，而且空分精馏塔是多组分、多进 其中，y,x分别表示气、液相各成分的组成，k为平 出料的复杂塔，每一层塔板以及整个精馏塔都要 衡常数. 满足物料平衡、热量平衡和组分平衡，每一块理 严格地讲，平衡常数k是x(或y)的函数，即 论塔板上的气相和液相满足相平衡关系， k,=f(T,P,x,y,),，这种形式的函数是复杂的隐函 精馏计算一般分为两类：设计型算法和校核 数，应用气-液平衡模型对O。-A-N,三元体系混 型算法.前者主要是指逐板计算法，根据工艺要 合物物性求解⑨，如不借助于计算机是难于实现 求计算理论塔板数，试算进出料口位置：后者包 的，故需采用二次插值法进行泡点（露点）计算， 括三对角矩阵法、超松弛迭代法等，由已知的塔 满足快速准确的要求， 收稿口期2002-12-20张延平男，33岁，博士 2.1设计型计算模型（逐板计算法） +教有部科学技术研究重点课题 逐板计算法是根据工艺要求，如产品纯度
第 2 5 卷 第 5 期 2 0 0 3 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i ty o f S e i e n e e a n d Te e h n o l o gy B e ij i n g V bl . 2 5 N o . 5 O C t . 2 0 0 3 空分精馏过程 的仿真计算 张延平 ” 王 立 ” 高 远 ” 王 维 敏 ” l) 北京 科技 大学 机械 工 程 学院 , 北 京 10 0 0 8 3 2) 卜海 宝钢 集团 公司 , _ 卜海 2 0 10 9 摘 要 从 H a rm en s 物 性 方程 出发 , 依 据 0 2 一 r e N Z 三元 物 系气一 液平 衡关 系 , 对通 用模 型 塔建 立 统 一的数 学模 型 和求 解 方法 , 在 此基 础上 开 发 了空分 单塔 及 精馏 系 统的 计算 模型 并对 填 料 塔精 馏过 程进 行 了探讨 和 计算 . 通 过 宝 钢 5 # 空 分精 馏系 统 的模拟 计算 , 说 明该 模 型能 够准 确 地描 述精 馏过 程 各参 数变 化 . 关键 词 空气 分离 ; 精馏 ; 数 学模拟 分 类号 T B 6 5 7 . 6 ; T Q 0 2 8 . 1 十 3 开 发 空 分 系统 的 模 拟 计 算对 空 分 装 置 的 设 计 、 变 工 况运 行 以及 事 故 分 析 、 降低 能耗 有 现 实 的意 义 ; 由空分 流程 计 一 算 进 而开 发 空分 装置 计算 机 仿 真培 训系 统 , 不 仅可 以模 拟运 行 、 培 训操 作 , 而 且 为保 证 空 分 的安 全 运转 起 到 重要 的作用 . 精 馏计 算 是 空分 流程 计 算 的关 键环 节 , 它 的 精 确 与否 直接 影 响到流 程 计算 的准 确 性 . 由于精 馏 计算 的 复杂性 和特殊 性 , 本 文 开发 了通用 模 型 塔 及 空分精 馏 系 统 的数 学模 型 , 并 应用 于 宝钢 #5 空 分 的模拟 计 算 与操 作 仿 真 开发 中 . 板 数 和 进 出料 口 位置 , 计 算 每块 塔 板 上气 、 液 相 组 成 、 温 度 、 压 力及 流率 , 反 映精馏 塔 内各 点参 数 以及变 工 况 时参数 的变化 . 设计 型算 法 对 于空 分 设 计和 生产 是 不可 缺 少 的 , 只有 确定 了塔板 数才 能进 行 下 一步 设计 以及 投 资 的估 算 ; 而 校核 型算 法 可作 为投 产 前设 备 的检 测手 段和 生产优 化 、 控 制 能耗 的核 算方 法 . 1 空 分 精馏 计 算方 法 空分 流程 计 算大 致 分 三 个关 键 环 节 ` , · 2 1: ( l) 0 2峨卜N Z及 其 混合物 的物 性计 算 ; (2 ) 精馏 计 算 ; (3 ) 空分 流程 的整 体模 拟 计算 . 其 中精 馏计 算 是 承 上 启 下 的重 要 环 节 . 空 分 的精 馏 计 算 涉 及 到 0 2钱 r` N Z的 热力 学模型 、 相 平 衡 关系 以及各 种 流 程 组织 的 影 响 , 而 且 空分 精馏 塔 是 多 组分 、 多进 出料 的复 杂塔 , 每一 层塔 板 以及 整个 精 馏塔 都要 满 足 物料 平 衡 、 热量 平 衡和 组 分 平衡 , 每 一 块理 论 塔板 上 的气 相 和 液相 满 足 相 平衡 关 系 . 精馏 计 算 一般 分 为两 类 : 设计 型算 法 和校 核 型算 法 {3] . 前者 主要 是指 逐 板计 算法 , 根 据 工艺 要 求 计算理 论塔 板 数 , 试 算 进 出料 口 位 置 ; 后 者 包 括三 对 角矩 阵 法 、 超 松 弛 迭代 法 等 , 由 己知 的塔 收稿 口 期 2 0 02 一 12 一 O 张延 平 男 , 3 岁 , 博 士 * 教 育部 科学 技术研 究 重点课 题 2 精馏 过程 数 学模 型 建 立 及 求 解 在 精馏 计 算 过程 中 , 需要 反 复进 行 泡 点和 露 点的计 算 , 所 用 时 间一般 占整个 精 馏计 算 时 间的 80 % 左 右 . 因此 , 快速 准 确 地 计算 泡 点 、 露 点 , 无 疑 会大 大减 少整 个 精馏 计 算时间 , 并且 提高 计算 的精 度 . 在 进行 泡 点 ( 露 点 ) 计算 时 需要 联解 以下 方程 : = 无x , 其 中 , iy , x ,分 别表 示气 、 液 相 各成 分 的组成 , ik 为 平 衡 常 数 . 严格 地 讲 , 平 衡 常 数无是龙 ( 或 卫 ) 的 函 数 , 即 凡= f( T, p , ix, iy ) , 这 种形 式 的 函 数 是复 杂 的 隐 函 数 . 应 用 气一 液平 衡 模 型对 0 厂 A r` N Z 三 元 体系 混 合 物 物性 求 解 `5] , 如不 借 助 于 计算 机 是难 于 实 现 的 , 故需 采用 二 次 插 值法 进 行 泡 点 ( 露 点 ) 计 算 , 满 足快 速 准 确 的要 求 . .2 1 设 计 型 计算 模 型 ( 逐 板 计 算 法 ) 逐板 计 算 法 是根 据 工 艺要 求 , 如 产 品 纯度 、 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 05. 048
·474· 北京科技大学学报 2003年第5期 流量等，由塔底（或塔顶）开始逐板进行泡点（或 其中，V,L分别表示塔内上升气量和下流液量： 露点)计算，依照馏分组成的变化情况，确定精馏 F,Z表示输出产品流量与组成：W,U分别表示 塔的理论塔板数和进出料位置，目前在精馏塔的 气相及液相进出量：团，，H,O表示各级气液 计算中尚无普遍化的严格的设计型算法，一般采 相焓值与冷损值.下脚标(=1,2,3，…，c)表示精馏 用查图表，或者用校核型算法代替.前者的精确 组分，1,2,3，…，M表示理论平衡级数.对于第 性较差，后者则必须对塔板数、进出料位置进行 1级冷凝器L1=0,第N级再沸器'=0.以上方程 多次试算，即进行多方案的比较， 组简称MESH方程.由于精馏过程涉及的变量数 分析任一段精馏塔（包括相邻的两层塔板）， N,多于描述该过程的方程数N,两者的差值N称 物料满足质量守恒、组分守恒和能量守恒关系， 为独立变量数，在进行精馏计算前必须预先 按上述条件列出操作线方程，结合泡点（露点）计 指定. 算方法，开发出替代图表的逐板计算模型，其中 描述精馏过程的MESH方程组是非线性的， 每层塔板的参数满足：(1)各块塔板的浓度变化 求出精确解尚有困难，通常采用逐次逼近法求 满足操作线方程：(2)每块塔板上的浓度变化达 解.将相平衡方程(E方程)和物料平衡方程(M 到相平衡浓度， 方程)进行变换，并由塔顶至各板间截面作总的 2.2校核型计算模型（矩阵法） 物料衡算，ME方程改写成矩阵形式 依靠设计计算并不能准确了解精馏的实际 [B.C. x. D 过程，校核计算能够在给定理论塔板数和进出料 A2 B2 C2 Da 条件下，通过数学模型计算出塔内各块塔板上的 温度、压力、气液量及组分分布.因此，校核计算 A,B,C D 一·方面在空分设备设计过程中进行校核检验，另 A-1 B-1 C- Xin-1 D. 一一方面对运行中的装置进行模拟计算，可有效提 A.B D. 高操作水平、优化系统配置，以提高运行安全性， 或 A X=D. 在建立精馏等分离过程的数学模型时，需要 以上方程组通常采用高斯消元法求解，对于 先建立明确的模型塔.由于实际生产中可能遇到 指定的精馏塔，求解步骤如下： 的流程组织是多种多样的，如果不考虑具有广泛 (I)设定x,T,V初值： 适用性的模型塔，则所建立的数学模型将有很大 (2)计算物料平衡矩阵系数，用高斯消元法求 的局限性.通用型模型塔可以有任意理想平衡级 解ME方程，从而得到各层理论塔板上的液相组 (即理论塔板)，所谓理想平衡级是指离开塔级的 成： 气流与离开同一塔级的液流之间处于气液相平 (3)用S方程检验平衡级温度，若不正确，利 衡状态，对于通用模型塔可在任意层板上设置侧 用泡点计算求解新的平衡温度： 线气、液相进出料口，以及加热或冷却设备，这 (4)用H方程校验并计算气相流率： 样，对不同用途、流程组织的精馏或其他分离塔， (5)重复(2)~(4)，直至满足收敛准则.对于不 都可以从模型塔着手研究 同的精馏塔，各塔的流程组织、进出物料、热量分 任何以理论塔板（或平衡级）为基础的严格 配都不相同，相应的求解各塔精馏过程的数学模 精馏计算均包含联解以下基本方程组，结合模型 型也不尽相同.根据各塔不同情况，参照模型塔 塔和理想平衡级关系可列出周： 建模理论和方法，就可以分别建立并求解各塔的 (1)相平衡方程组(E方程)， MESH方程组例， yu=kix. (2)物料平衡方程组(M方程) 3 空分精馏系统的模拟计算 VVm+LFZ(V+W-(L+U)=0. (3)能量平衡方程组(H方程). 精馏计算框图如图1.各精馏塔在空分系统 ,H+L,-H-+F,H-(W+)-(L+U)H-O=0 中有机地联系在一起，因此计算中各塔间的数据 (4)摩尔分数加和方程组(S方程). 联系密不可分，整个精馏系统的计算同时完成， 各精馏塔的计算模型作为单独的模块，既可以独 2x,=1及y,=1
一 4 7 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 03 年 第 5期 X 礼, 门 l 4 l 因阮尸卜阵卜产以 只 凡-nC 流 量等 , 由塔底 ( 或 塔顶 ) 开 始逐 板 进行 泡 点 ( 或 露 点 ) 计算 , 依 照馏 分组成 的变 化情 况 , 确 定精馏 塔 的理论 塔板 数和 进 出料 位置 . 目前在 精馏 塔 的 计算 中尚无 普遍化 的严格 的设 计型 算法 , 一 般采 用 查图 表网 , 或 者用 校核 型算 法代替 . 前者 的精确 性较 差 , 后者 则 必 须 对 塔板 数 、 进 出料位 置进 行 多次试 算 , 即进 行 多方 案 的 比 较 . 分析 任 一 段精 馏 塔 ( 包括 相邻 的两层塔 板 ) , 物 料满 足 质量 守恒 、 组 分 守恒 和 能量 守恒 关 系 . 按 上述 条件 列 出操 作线 方程 , 结合泡 点 ( 露 点 ) 计 算 方法 , 开 发 出替代 图表 的逐 板 计算 模 型 . 其 中 每 层塔 板 的 参数 满足 : ( l) 各块塔 板 的浓 度 变 化 满 足操 作 线 方程 ; ( 2) 每 块塔 板 上 的浓 度变 化 达 到相 平衡 浓 度 . .2 2 校核 型 计 算模 型 ( 矩 阵 法 ) 依 靠 设 计 计 算 并 不 能准 确 了解 精 馏 的实际 过程 , 校 核计 算能够 在 给定 理论 塔板 数和 进 出料 条件 下 , 通过 数学 模型 计 算 出塔 内各块塔 板 上 的 温 度 、 压 力 、 气 液 量及 组 分分 布 . 因此 , 校 核计 算 一方 面在 空分 设备 设计 过程 中进 行 校核 检验 , 另 一 方面对 运行 中 的装 置进行 模拟 计 算 , 可有 效提 高操 作 水平 、 优化 系统 配 置 , 以提 高运行 安全 性 , 在 建立 精馏等 分离 过程 的数 学模 型 时 , 需要 先 建立 明确 的模 型塔 . 由于 实际 生产 中可 能遇 到 的流程 组织 是 多种 多样 的 , 如果 不考 虑具 有广 泛 适 用性 的模 型塔 , 则所 建立 的数 学模 型将 有很 大 的局 限性 . 通 用型模型 塔可 以有 任意 理想 平衡 级 ( 即理论塔 板 ) . 所 谓理 想 平衡 级是指 离 开塔级 的 气流 与 离 开 同一 塔 级 的 液 流之 间处 于气 液 相 平 衡状态 . 对于 通用 模型 塔 可在任 意 层板 上设 置侧 线气 、 液 相进 出料 口 , 以及 加热 或冷 却 设 备 . 这 样 , 对不 同用 途 、 流程 组织 的 精馏或 其他 分离 塔 , 都 可 以从模 型塔着 手 研 究 口, . 任 何 以理 论塔 板 (或 平衡 级 ) 为基 础 的严 格 精 馏计 算均 包含 联解 以下基 本方程 组 , 结 合模型 塔和 理 想平 衡级 关 系可 列 出【g] : ( 1)相 平 衡方 程 组 ( E 方 程 ) . 必, = k ` , x o . (2 )物 料 平衡 方 程 组 ( M 方 程 ) . g 十 .多 , 卜 l +L, 一 ,戈 , 一 】+ 双Z , 一 ( 耳十 研妙 、 - (吞+ 鱿)x 、 = 0 . (3) 能量 平 衡方 程 组 ( H 方 程 ) . 称 l尽 1 +L j一 l叼 一 , . 十月耳一 ( 城十 咐可 一 (jL + 鱿洲 一 jQ = 0 . (4) 摩 尔分 数 加和 方 程组 (S 方程 ) . 其 中火 ,几 分 别 表 示塔 内上 升气 量 和 下 流液 量 ; 月 , 写 表 示 输出产 品流 量 与 组 成 ; 班 , 酥 分 别表 示 气 相 及 液 相 进 出量 ; 拼 , 居 , 研 , jQ 表 示 各 级 气 液 相烩 值与 冷 损值 . 下 脚标 i( 扮 1 , 2 , 3 , … , c) 表 示精 馏 组 分 , j价 1 , 2 , 3 , …川 表 示理 论平 衡 级 数 . 对 于 第 l 级 冷凝 器吞一 0 , 第 N 级 再沸 器 称 : = 0 . 以上方 程 组 简称 M E S H 方 程 . 由于 精馏 过 程涉 及 的 变量 数 vN 多于描 述 该 过程 的 方程 数Nc , 两 者 的差值丛 称 为 独 立 变 量 数 , 在 进 行 精 馏 计 算 前 必 须 预 先 指 定 . 描述 精 馏过 程 的 M E S H 方 程 组 是 非线 性 的 , 求 出精确 解 尚有 困难 , 通 常 采 用 逐 次逼 近 法 求 解 . 将 相平 衡 方 程 (E 方 程 ) 和物 料 平 衡方 程 (M 方 程 ) 进 行 变换 , 并 由塔 顶 至 各板 间 截面 作 总 的 物 料衡 算 , M E 方程 改 写成 矩 阵形 式 } B 】 c ! … ` 子 G … ` 圣 c { ` ” 一 ` nB 一 : A , X in 一 1 或 jA 戈 = D/ . 以上 方程 组 通常 采 用 高斯 消元 法 求解 . 对 于 指 定 的精 馏塔 , 求解 步 骤 如下 : ( l) 设 定 ix, , 不 , 兀初值 ; (2 )计 算物 料平衡 矩 阵系 数 , 用 高斯 消元 法求 解 M E 方程 , 从而 得 到各 层 理论 塔 板 上 的液 相组 成 ; (3 ) 用 S 方 程检 验 平衡 级温 度 , 若 不正 确 , 利 用泡 点计 算求解 新 的 平衡 温度 ; (4 ) 用 H 方 程 校验 并 计算 气 相流 率 ; ( 5) 重 复 (2 )一 (4) , 直 至满 足 收敛 准 则 . 对于 不 同的精馏 塔 , 各塔 的流 程组 织 、 进 出物 料 、 热量 分 配 都不 相 同 , 相 应 的求解 各 塔精馏 过 程 的数 学模 型 也 不尽 相 同 . 根据 各 塔 不 同情 况 , 参 照 模型 塔 建 模理 论和 方 法 , 就可 以分 别建 立 并求 解各 塔 的 M E S H 方 程 组`9 , . 卒 / 一 ’ 及 黔 、 一 ` · 3 空 分 精馏 系 统的模拟计 算 精 馏 计算 框 图如 图 1 . 各 精馏 塔 在 空分 系统 中有 机地 联 系在 一起 , 因此计 算 中各塔 间的数据 联 系密 不可 分 , 整个 精 馏 系统 的计 算同 时完成 . 各精 馏塔 的计 算 模型 作为 单独 的模 块 , 既可 以独
Vol.25 No.5 张延平等：空分精馏过程的仿真计算 475 立运行，又可以与其他模块组合在一起，对指定 输入基础数据及常数 的空分精馏系统进行模拟计算， 输入各独立变量 精馏系统计算过程如下：(1)根据空分流程组 调用T,Y,x初值 织输入已知数据，假设冷凝蒸发器的热负荷初值 2.(2)设下塔主冷热负荷Q=Q,进行下塔的精馏 调用GUSS,解出新x, 计算，得出各组物料的温度、压力、组成等参数. (3)以下塔的输出物流作为上塔的进料，进行上 调用X乙，修正x, 调用PD,解出新T, 塔的计算，得出上塔的所有参数和上塔所需主冷 kse? 否 热负荷2.(4)比较2与2，判断是否满足收敛准 则.(5)进行粗氩塔精馏计算，得出塔底输出物流 是工 的数据，与设定值比较.重新调整物流数据，返回 Yu=ku xu 上塔.(6)计算结束，输出结果. 调用RH,求解新的y 4模拟计算结果及应用 查满足收敛条件？> 利用本文所建立的精馏系统计算模型，对宝 是工 输出并保存结果 钢5空分精馏系统进行了模拟计算，结果（如 图1).与运行参数基本一致，如表1（由于取样点 图1精馏计算框图 有限，现场只能提供部分数据)， Fig.1 Flow chart of rectifying calculations 100(a 100 (b) 80 N, 80 N 860 …气相 60 一液相 …气相 40 一液相 9 20 0 20 Ar 0 0 0 5 1015 20 253035 0 5 10152025 30354045 100g(⊙ 100 (d) 80 Ar 80 Ar 60 …气相 60 液相 9 …气相 40 40 一液相 20 02 0& 020 406080100120140160 01020304050607080 理论塔板数/个 理论塔板数/个 图2不同塔的各组分分布（质量分数）.(a)下塔，b)填料上塔，（©）填料粗氩塔，（填料精氩塔 Fig.2 Mass fraction distributions of component in(a)the high-pressure column,(b)the low-pressure column,(c)the crude argon filling column,and (d)pure argon filling column 表1宝钢5空分部分运行数据 Table 1 Partial data of No.5 air separation unit of BaoSteel 下塔 上塔 粗氩塔 精氩塔 测点 Wn/% 测点 w/% 测点 WE/%o 测点 Wa/% AR-21071) 8.8×10502 AR-2103(1) 3.8×103,0 AR-4600(1) 2.1×10,02AR-4601(79) 3.0×10-t,N2 AR-2100(5) 0.3063,0 AR-4001(1) 99.80,Ar AR-4603(79) 1.8×104,02 AR-2102(21) 94.67,02 AR-2104(45) 99.98,01
V b】 . 2 5 N o . 5 张延 平等 : 空 分精 馏过 程 的仿 真计 算 . 4 7 5 - 输入基础数据及常数 输入各独立变量 调用 不 , K , 戈J 初 值 调用 uG s , 解 出咧 调用 x z , 修 正丸 调用 P D , 解 出新 不 X , = 气 x 、 立运 行 , 又 可 以与 其 他模 块 组 合 在 一起 , 对 指 定 的 空分 精 馏 系统 进 行 模拟 计 算 , 精馏 系 统计 算过 程 如 下 : ( l) 根据 空 分流 程组 织输 入 己 知数 据 , 假 设冷 凝 蒸发 器 的热 负 荷初值 cQ . (2 ) 设下 塔主 冷热 负荷 Q l = Q 。 , 进 行下 塔 的精馏 计 算 , 得 出各 组 物料 的温 度 、 压 力 、 组 成等 参 数 . ( 3) 以下 塔 的输 出物 流 作 为上 塔 的进料 , 进 行 上 塔 的计 算 , 得 出上 塔 的所 有 参数 和上 塔 所 需主冷 热 负荷 uQ . ( 4) 比较 uQ 与 Q ! , 判 断是 否 满 足 收敛 准 则 . ( 5) 进 行粗 氨 塔精 馏 计 算 , 得 出塔 底 输 出物 流 的数据 , 与设 定值 比较 . 重 新调 整物 流 数据 , 返 回 上 塔 . (6) 计 算 结 束 , 输 出结 果 . 调 用 RH , 求解 新 的 环 图 1 精 馏计 算框 图 F ig · 1 F’l ow c h a rt o f er c t i介i n g c a l c u l a iot n s 4 模 拟计 算结 果 及 应 用 利 用本 文 所建 立 的精馏 系 统计 算 模 型 , 对 宝 钢 #5 空 分 精 馏 系 统 进 行 了模 拟 计算 , 结 果 ( 如 图 1) . 与运 行 参 数 基本 一 致 , 如表 l( 由于取 样点 有 限 , 现 场 只 能提 供 部 分数 据 ) . 一 气相 一 液相 厂\j’八。丫刀 下获] ’ 0 0 「下下 丫 ` 。 } \ 一 、 一 丸 挤` , 一 - 6 0 件J 岁、 . 气相 沁 液相 璧 3 0 O 2 碑 户 一 一 一 一 一 一 一 ~ ~ ~ 、 A r 弓升一 一 _ 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 ”n0 `, 八à nQ< , 且. ] 了 甘ō气 一ú氏ùU、 网| |匕 n“ 0 八U OR à了0 4 `, 岁、 a , 0 5 10 15 2 0 2 5 5 1 0 15 / 去曰打八 、叭、 “仁é 1 00 『而 A r 、 N 伙一你蹄肚w\I no / 04 `, 岁、 . 琴 , 一 气相 一 液相 认 n ù R n `U 0 2 入 、 一 气相 ` 4 , 00 — 液相 罗、 目, 0 1沁一 ~ - 一 - 一~ 目` ` 二二 - ~ - 一 一一 - 一 】 0 匕二生` ` ` ` ` ` 目 . ~ - ~ 一一 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 12 0 14 0 16 0 0 10 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 70 8 0 理论 塔 板数 /个 理 论 塔 板数 /个 图 2 不 同塔 的各 组 分分布 (质量 分数 ) . (a) 下 塔 , (b) 填 料 上塔 , c( )填料 粗 氖塔 , (d) 填料 精氖 塔 Fi .g 2 M a s fr a c iot n d is t r ib u it o . s o f e o m P o n e n t i n ( a ) t h e h i g 卜P er s s u er c o l u m n , ( b ) t h e l o w 一 P er s s u cr c o l u m n , ( e ) t h e e r u d e a r g o n 川li n g e o l u m n , a n d ( d ) P u er a gr o n if ll i n g e o l u m n 表 1 宝钢 ’5 空分 部分 运 行数据 aT b l e 1 P a 川a l d a t a o f N o . 5 a i r s e P a r a it o n u n i t o f B a o s t e e l 下塔 上 塔 粗 氛塔 精 氢塔 测 点 w 创% 测 点 w B /% 测 点 w B o/ 测 点 w 岁% A R 一 2 10 7( l ) 8 . 8 x l 0 一 , , 0 2 A 几2 10 3 ( l ) 3 . 8 x l 0 一 , , 0 2 A R 一 4 60 0 ( l ) 2 . l x l o 一 ` , 0 2 A R 一 4 6 0 1 ( 7 9 ) 3 . 0 x l 0 一 气N Z 一 一 A R 一 2 10 0 ( 5 ) 0 . 3 0 6 3 , 0 2 A R 一 4 0 0 1 ( l ) 9 9 . 8 0 , A r A R 一 4 6 0 3 ( 7 9 ) 1 . 8 x l 0 一 ` , 0 2 一 一 A R 一 2 1 0 2 ( 2 1 ) 9 4 . 6 7 , O : 一 一 一 一 一 一 A凡2 1 0 4 (4 5 ) 9 9 . 9 8 , 0 : 一 一 一 一
·476· 北京科技大学学报 2003年第5期 5结论 深冷技术，1983(4)：1 2尹永峰，刘新彦.O-A-N,系统热力学性质计算方法 (I)空分精馏计算的关键在于物性计算，由 评述.深冷技术，1997(5)：1 Harmens状态方程得出O2-Ar-N,.三元物系的物性 3郭天民.多元气-液平衡和精馏[M.北京：化学工业 参数，是精馏计算的基础. 出版社，1983 (2)泡点（或露点）计算占用大量机时，而准确 4兰州石油机械研究所主编.现代塔器技术[M).北京： 性至关重要.本文开发的算法较好地解决了这一 烃加工出版社，1990 矛盾关系，并且设计算法满足逐板计算要求，能 5 Harmens A.Cubic equation of state for the prediction of N:-Ar-O:phase equilibrium [J].Cryogenics,1977,17(9): 够替代以往查图表的工作， 519 (3)所建立的通用数学模型塔适合筛板塔、填 6化学工业部第四设计院.深冷手册M]北京：化学工 料塔等不同精馏塔的精馏计算. 业出版社，1979 (4)开发的精馏计算模型经过实际应用，能够7张延平，空分精馏过程的计算机模拟D).北京：北京 较准确地描述空分精馏系统的运行工况，提供运 科技大学，1999 行数据，并且模拟变工况时的参数变化，为运行 8童景山，高光华，刘裕品.化工热力学M北京：清华 分析、操作培训提供了一个良好的平台， 大学出版社，1995 9西安父通大学制冷教研室、热工教研室.全低压制 参考文献 氧机原理及计算M北京：机械工业出版社，1976 〡张柱，傅举孚空分装置精馏系统的计算机设计 Mathematic Model of the Rectifying Process of an Air Separation Unit ZHANG Yanping",WANG Li,GAO Yuan,WANG Weimin 1)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing China,2)Shanghai BaoSteel Group Co,China ABSTRACT A consolidated mathematical model and its computing method for a universal modeling column were proposed with Harmens state equation and the gas-liquid equilibrium theory of O:-Ar-N:mixture.Based on them,a calculating model of an air separation unit(ASU)system was developed and the rectifying process was anal- yzed.The result of an application to No.5 ASU in BaoSteel made in APCI shows that the model and the computing method can accurately forecast the variation of operating parameters of ASU in the rectifying process. KEY WORDS air separation;rectifying;mathematical model
. 4 7 6 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 5 期 5 结 论 ) ( l 空 分 精 馏 计 算 的关 键 在 于 物 性 计 算 , 由 H a n n en s 状态 方 程得 出 O厂A -r N z 三 元物 系 的物 性 参 数 , 是精 馏 计算 的基 础 . (2) 泡 点 ( 或露 点 ) 计算 占用 大量 机 时 , 而准确 性 至 关重要 . 本文 开发 的算 法 较好 地解 决 了这一 矛盾 关系 , 并且 设 计 算法 满 足逐 板 计算 要 求 , 能 够 替代 以 往 查 图表 的 工作 . ( 3) 所 建立 的通 用数 学模 型 塔适 合筛 板塔 、 填 料 塔等 不 同精馏 塔 的精 馏 计 算 . (4 ) 开 发 的精馏 计算 模 型经 过实 际应 用 , 能够 较 准确 地描 述 空分精 馏 系统 的运 行 工 况 , 提 供运 行 数据 , 并 且模 拟 变 工况 时 的参 数 变化 , 为运 行 分 析 、 操 作培 训 提 供 了一 个 良好 的 平 台 . 参 考 文 献 l 张 .片柱 , 傅举 孚 . 空 分装 置精 馏系 统的计 算机 设计 [J] . 深 冷技术 , 19 8 3 ( 4 ) : 1 2 尹 永 峰 , 刘新 彦 . 0 厂 A r ` N Z 系统 热力 学性 质计 算方 法 评 述 IJ] . 深 冷技 术 , 19 9 7 ( 5 ) : l 3 郭 天 民 . 多元气一 液平 衡和 精馏 [M ] . 北 京 : 化 学 _ l _ 业 出版社 , 1 9 8 3 4 兰州 石油 机械 研究 所主 编 . 现 代塔 器技 术 IM I . 北京 : 烃加 工 出版社 , 1 9 9 0 5 H a n n e n s A . C u b i e e q u at i o n o f s at e fo r th e P er d i e t i o n o f N Z一 A r 一 0 2 Ph a s e e q u il ib r i u m [J ] . C yr o g e n i e s , 19 7 7 , 1 7 ( 9 ) : 5 19 6 化 学工 业部第 四设计 院 . 深冷 手册 {M ] . 北 京: 化 学工 业 出版社 , 1 9 7 9 7 张延 平 . 空分精 馏 过程 的计 算机模 拟 ID ] . 北京 : 北京 科技 大学 , 1 9 9 8 童景 山 , 高光 华 , 刘 裕 品 . 化 工 热力 学 IM 〕 . 北京 : 清华 大学 出版 社 , 19 9 5 9 西 安交 通大 学制 冷教 研室 、 热工 教研 室 . 全低 压制 氧机 原理 及计 算「M ] . 北京 : 机械 工业 出版 社 , 19 76 M at h e m at i c M o d e l o f ht e R e e ti fy i n g P r o e e s s o f an A i r S e P ar at i o n U n it Z H月N G aY n7I i n g , ) , 恻N G L i , ) , GA O uY a n , ) , 恻刀 G 肠im in , ) ] ) M e e h a n i e a l E n g i n e e r i n g S e h o o l , U n i v e sr iyt o f S e i e n e e an d eT e hn o l o gy B e ij ing C h in a , 2 ) S h an gh a i B ao s te e l rG o u p C o , C h i n a A B S T R A C T A e o n s o li d at e d m at h e m at i e a l m o d e l an d it s e o m P ut ign m e t h o d of r a un i v e r s a l m o d e li n g e o l tun n w e r e P r o P o s e d w i t h H arm e n s s tat e e qu at i o n an d th e g a s 一 li q iu d e qu ili b ir um ht e o ry o f 0 2一 A -r N Z m i x trU e . B a s e d o n t h e m , a e a l e u lat i n g m o d e l o f an a i r s e Par at i o n un i t (A S U ) s y s t e m w a s d e v e lOP e d an d ht e r e e t i fy ing P r o c e s s w a s an a l - y z e d . T h e r e s u lt o f an ap Pli e at i o n t o N o . 5 A S U i n B ao S t e e l m a d e i n A P C I s h o w s t h at t h e m o d e l an d ht e e o m Put i n g m e t h o d e an ac c ur at e ly fo r e e a s t ht e v iar at i o n o f o P e r at ing P amr e t e r s o f A S U i n ht e er e t i fy i n g P or e e s s · K E Y W O R D S a i r s e P a r a ti o n ; r e e t i fy i n g : m hat e m at i c a l m o d e l
