何一夫

中石化南京工程有限公司 （江苏南京 211100）

工作研究

空分冷箱工艺流程模拟

何一夫

中石化南京工程有限公司 （江苏南京 211100）

利用Aspen Plus软件对空分冷箱工艺进行模拟，并对模型状态方程中关键组分的二元交互作用参数进行修改，模拟结果与设计值十分吻合。模拟结果表明：各组分含量、温度和流量的误差均在1%之内。由此可知，优化的模型可以较好地应用于空分冷箱工艺流程模拟。

Aspen Plus 流程模拟 空分 冷箱工艺 二元交互作用参数

Aspen Plus软件是由美国Aspen Tech公司开发的通用工艺模拟软件，可用于化工产品生产、炼油等工艺流程的模拟计算。Aspen Plus具有多种热力学模型，含有大量的物性参数以及混合物数据与表征方法[1]。全球各大化工、石化生产厂家及著名工程公司大多数是Aspen Plus的用户[2]。空气分离技术是最典型的公用工程技术，被广泛应用于化工、钢铁等行业。近年来，随着煤化工装置规模的不断扩大，煤气化对氧气的需求量不断增大，在煤化工产业发展的推动下，以深冷分离为主的空气分离技术在产业链中日趋重要[3]。冷箱作为空分装置中最为重要的设备一直是研究的热点和难点，迄今为止用Aspen Plus对空分冷箱工艺进行流程模拟的文章很少有报道。

1 模拟计算

1.1 模拟流程的建立

结合Aspen Plus的使用特点，绘制空分冷箱（带氩增效装置）工艺模拟流程（如图1所示）。

1.2 模拟流程的说明

图1 空分冷箱工艺模拟流程（带氩增效装置）

在高压塔中，富氧液化空气经由过冷冷却器冷却后节流进入低压塔，作为其回流液；高压氮气经由主换热器复热后，出界区供给用户。而在低压塔中，废气从塔上部抽出经由过冷冷却器冷却和主换热器复热后，一部分作为变温吸附器的再生气，另一部分作为直接接触后冷却器的冷源；低压氮气从塔顶部抽出后经由过冷冷却器冷却和主换热器复热后，出界区供给用户；低压液氧从塔底部直接抽出，至储存区域备用或出界区供给用户；低压氧气经由主换热器复热后，出界区供给用户；低压液氧先经由液氧泵压缩至所需压力再送至主换热器复热得到高压氧气，出界区供给用户。因为氧和氩的沸点（分别为-183℃和-186℃）十分相近，为了彻底分离氧和氩，提高氧的提取率，空分装置中常常增加氩增效装置（粗氩塔和纯氩塔），一方面可提高氧的提取率，另一方面可得到纯氩产品。

1.3 物性及模块的选择

空气分离系统的主要气体组分为N2、O2和Ar，本模拟的物性模型选用状态方程模型，物性方法拟选用PENG-ROB，但该模型中关键组分N2、O2、Ar三者之间的二元交互作用参数适用的温度范围很难涵盖空分冷箱工艺实际操作的温度范围，所以要想准确模拟该工艺流程，需对其关键组分的二元交互作用参数进行相应修改，相关公式如下：

修改后的PENG-ROB模型中二元交互作用参数详见表1和表2，建模过程中主要设备采用的Aspen Plus内置模块详见表3。

1.4 假设

为简化模拟过程，作出以下几点假设：（1）高压塔有45块理论塔板，低压塔有80块理论塔板；（2）粗氩塔有150块理论塔板，纯氩塔有40块理论塔板；（3）高压塔塔顶冷凝器吸收的热量全部传递给低压塔塔釜再沸器。

表1 修改后的PENG-ROB模型低压塔和高压塔中二元交互作用参数

表2 修改后的PENG-ROB模型粗氩塔和纯氩塔中二元交互作用参数

表3 单元操作模块

2 模拟结果

关键物流的模拟结果详见表4和表5，温度和流量的相对误差都很小，在1%内；物流组分的相对误差基本上也在1%内；个别微量组分的相对误差稍大，但绝对误差也在1×10-6内，究其原因，是其自身含量太低（10-6级别）。由此可知，修改后的模型可以较好地应用于空分冷箱工艺流程模拟。

3 结论

本文在Aspen Plus的操作平台上建立了空分冷箱工艺模型，并对模型状态方程中关键组分的二元交互作用参数进行了修正，模拟结果与设计值十分吻合。模拟结果表明：各组分含量，温度和流量的误差均在1%内。由此可知，优化后的模型可以较好地应用于空分冷箱工艺流程模拟。

表4 关键物流模拟结果（低压塔和高压塔）

表5 关键物流模拟结果（粗氩塔和纯氩塔）

[1] 王静康.化工设计[M].北京:化学工业出版社,1995: 276-290.

[2] 马金亮.AspenPlus软件模拟计算空分设备流程的修正[J].深冷技术,2005(3):19-21.

[3] 李晓黎,亢万忠.大型空分装置在煤化工中的应用与发展[J].化肥工业，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年生硕士工程师主要从事化工工艺设计和流程模拟工作