应用HYSYS软件建立分馏系统模型及其仿真研究设计.docx

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
学 号：

专业班级：自动化 02-4 班
指导教师：

2006 年 6 月 20 日

中国石油大学(华东)毕业设计(论文)
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 HYSYS 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:HYSYS；精馏塔；分馏系统；模拟；控制系统

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ABSTRACT

Pseuo-components, thermodynamics parameters, vapor-liquid equilibrium models and optimization algorithms are four key factors in simulation and calculation of refinery. The use of simulation 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 the 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 and calculation methods of the distillation column in this paper.

Keywords: HYSYS; distillation column; fractionation system; simulation; control system

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目录

第 1 章 绪论 1
1.1 学习 HYSYS 软件的意义 1
1.2 HYSYS 软件的功能介绍 1
1.3 HYSYS 软件在国内外的应用及发展情况 3
1.3.1 HYSYS 国外应用情况 3
1.3.2 HYSYS 软件的发展情况 4
1.3.3 HYSYS 软件在国内应用情况 4
1.3.4 影响 HYSYS 软件在国内应用发展的原因 5
第 2 章 精馏塔的设计及操作计算 6
2.1 精馏的原理及流程 6
2.1.1 精馏原理 6
2.1.2 精馏装置流程 7
2.2 建模相关的蒸馏塔操作计算 7
2.2.1 全塔的物料衡算与操作线方程 8
2.2.2 理论塔板的计算 9
2.3 小结 10
第 3 章 应用 HYSYS 软件建立分馏系统模型及仿真研究 11
3.1 应用 HYSYS 软件建立酒精与水二元精馏塔稳态模型 11
3.1.1 模型框架的构建 11
3.1.2 模型框架的参数导入 13
3.1.3 对稳态模型数据的分析 16
3.2 二元分馏系统动态模型的实现及其仿真研究 19

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3.2.1 模型稳态到动态的转换 19
3.3.2 控制方案的选择 22
3.2.3 控制器的参数整定 23
3.3 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

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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

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于使用的系统中用户能够得到最大的效益。 HYSYS 具有：
第一章 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。
第二章数据回归包： 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。
第三章严格物性计算包： 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。 第四章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。
第五章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 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。
第六章事件驱动：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。
第七章工艺参数优化器： 软件中增加了功能强大的优化器， 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

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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。
第八章窄点分析工具： 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长， HYSYS 就开始计算，最后会给出一个汇总表。
第九章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。
第十章任意塔的计算： 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
1.3.1 HYSYS 国外应用情况
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 。
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