HYSYS的二次开发及其在多组分气体膜分离过程模拟中的应用_金大天.docx

第32卷 第5期
2012年10月

膜 科 学
MEMBRANE SCIENCE

与 技
AND

术
TECHNOLOGY

Vol.32
Oct.

No.5
2012

HYSYS 的二次开发及其在多组分气体
膜分离过程模拟中的应用

金大天1 ·²,曹义鸣¹*,王丽娜',康国栋¹,周美青'
(1. 中国科学院大连化学物理研究所，大连116023;2. 中国科学院研究生院，北京100049)

摘 要：通过把自行开发的膜分离数学模拟软件嵌入 HYSYS, 形成了膜分离计算模块(M- 100),成功实现对商业化工计算软件进行二次开发.与其它类似软件的对比显示，该模块用于 多组分气体膜分离过程模拟时具有较高的可靠性.在此基础上运用该软件对含CO₂ 多组分气 体膜分离过程进行了模拟计算.计算结果显示：采用单级膜分离过程，渗透气循环工艺的分离 效率高于尾气循环工艺，但能耗较高；采用多级膜分离过程，串联工艺分离产物中CO₂ 的浓度
较高，而并联工艺渗透气流量较高，通过串/并联组合可获得较理想的分离效果.
关键词： HYSYS; 二次开发；膜分离；多组分气体；过程模拟
中图分类号： TQ028.8 文献标识码： A 文章编号： 1007-8924(2012)05-0087-05

Hyprotech 公司创建于1976年，是世界上最早 开发石油化工方面的工业模拟、仿真技术的跨国公 司.Hyprotech 出品的 HYSYS 是一个化工流程模 拟动态仿真软件，允许设计者通过概念上的设计而 简化制作过程来完成项目工作，具有完整的交互性 能1-2.其技术广泛应用于石油开采、储运、天然气 加工、石油化工、精细化工、制药、炼制等领域，在世 界范围内石油化工模拟、仿真技术领域占主导地位. 翟晓东通过 HYSYS 模拟系统优化了裂解装置脱丙 烷塔的操作[3];刘家洪等用 HYSYS 软件对三甘醇 脱水装置工艺模拟计算结果同实际运行情况对比，
结果吻合较好4.
气体分离膜过程可以通过简单膜组件的串并联 来处理较大量气体.因此，为获得最佳分离效果，需 要深刻理解膜分离工程的系统设计、操作技术、经济 性评价、混合性工程及操作等内容.系统设计中，分 离膜的操作形式分为单级系统、并联、串联、或串/并
联等操作类型.
为了借助 HYSYS 软件对多组分气体的膜法分 离过程进行更好的模拟计算，需要对其进行二次开
发.HYSYS 最常用的对象分为八个大类：Container


-Objects 、Support-Objects 、Oil-Objects 、Basis-Ob-
jects 、Stream -Objects 、Extension-Objects 、Opera- tion-Objects 和 PFD-Objects. 二次开发属于 Ex tension-Object 类，操作包括 User Unit Opera- tions,Aspen Custom Modeler operations及 Regis- tration extensions.Registration extensions是外部 开发模拟，将开发程序编译成 DLL 文件(动态链接 库)及 EDF(Extension Definition File),一般用于 Visual Basic 和 C++ 编程 HYSYS 的 DLL 文件. 另外，HYSYS2004 提供的 HYSYS Extension View Editor可以生产EDF 文件，这些文件在Preferences
的 Extensions登录以后可以使用.
本论文根据所建立的算法模型5,采用 Regis- tration extensions方式把自行开发的膜分离数学模 拟软件嵌入 HYSYS, 对该商用化工计算软件进行 了二次开发，运用该软件对多组分气体膜分离过程 进行了模拟计算，为过程设计与工艺优化提供依据，
具有重要实用意义
1 膜分离计算模块(M-100)
在前期所建立的针对膜法多组分气体分离过程

收稿日期：2011-11-06;修改稿收到日期：2012-05-11
基金项目：国家973项目(2009CB623405),国家自然科学基金资助项目(20806078)
作者简介：金大天(1975-),男，韩国人，硕士生，从事膜分离研究，0411-84379329.*通讯联系人，E-mail:[e-mail]

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第32卷
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膜 科 学 与 技 术

的算法模型的基础上，采用 Registration extensions 方式把自行开发的膜分离数学模拟软件嵌入 HYSYS, 开发了膜分离计算模块(M—100). 该模块 可直接自行计算，无需外挂附加程序 . 图1 为 HYSYS 膜分离计算模块，以含 CO₂ 多组分气体膜 法分离过程为模拟对象，需要输入的膜组件参数包 括膜面积、渗透系数、原料气流量、浓度、压力等.在
进行上面所描述的登录过程后，通过 workbook 输

M- 100

入分离膜组件单元参数，可以得到如图2所示的分
离膜组件模拟计算结果.
为了验证所开发模块的正确性，以膜法空气富 氧过程为例，将其模拟结果与文献报道的分离膜组 件模拟数值进行了比较 . 表1为 Richard A. Da- vis⁶ ]计算结果和由本工作M-100 模块的计算结果. 可见，M-100 误差比较小，对气体膜分离的模拟过
程具备较好可靠性.

图 1 HYSYS 膜分离计算模块 M-100 示意图
图 2 分离膜组件计算结果
Fig.1 HYSYS membrane module simulation unit M- 100
Fig.2 Caleulation of membrane module unit
表 1 M-100 与 Richard A.Davis比较
Table 1 Comparison of Davis M- 100 and Richard A

M-100
Richard A. Davis
原料
尾气
渗透
原料
尾气
渗透
温度/℃
21
21.11
17.27
21
21.11
17.27
压力/kPa
1034
1034
103,4
1034
1034
103.4
流量/(kg ·mol · h¹)
100
89.35
10.65
100
89.32

10.68
氧摩尔分数
0.21
0.1759
0.4961
0.21
0.1755
0.4985
氮摩尔分数
0.79
0.8241
0.5039
0.79
0.8245
0.5015

2 含 CO₂ 多组分气体膜法分离过程
模拟
2.1 单级循环工程
单级工程是最简单的状态，单级工程利用压缩
机供给原料侧和渗透侧的压力比控制分离效果.为

了提高分离效率，在实际工程中采用循环流程，用调 节压力比和循环率来调节渗透流量与浓度.循环部 分可以是渗透气或者尾气，它们的工程效率有所不 同. 图3是压缩机和循环并用的工程.在 K-100 调 节压力比，在TEE-100 调节循环率. 图3(a) 是渗透
气循环，图3(b) 是尾气循环.

(a)渗透气循环


M- 100
8-100
K- 100
(b)尾气循环

图 3 单级循环膜分离过程
Fig.3 Single-stage membrane with recyele

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C O₂摩 尔 浓 度
渗 透 气 流 量 / k g · m o l · h "
压缩机电耗/LkWh/ (CO₂kg:mol)]

如图4及图5所示，增加循环率，渗透气循环方 式下渗透气中 CO₂ 的浓度增加，而尾气循环方式下 渗透气中CO₂ 的浓度减少.增加循环率，渗透气循环 方式和尾气循环方式的渗透气流量都减少，其中渗
透气循环方式的减少幅度较大.

TEE-100循环率/%
图 4 渗透气中CO₂ 摩尔浓度分率与循环率关系
Fig.4 CO₂ molar fraction of permeate
with recycle percent

.TEE-100循环率/%
图 5 渗透气流量与循环率关系
Fig.5 Permeate flow rate with recycle percent
用 HYSYS 自带的模块计算了压缩机的功率所 需能耗，如图6所示，增加循环率会使得能耗增大， 因而所需费用增加，特别是渗透气循环方式中循环 比大于60%时增加幅度变大. 因此，渗透气循环方
式能耗大，但是可以得到高的 CO₂ 浓度值.

TEE-100循环率/%
图 6 压缩机电耗与循环率关系
Fig.6 Compressor power with recyele pereent

2.2 串/并联多级循环工程
多级工程可分并联工程、串联工程、并/串联循 环工程等.为了得到较高回收气体的浓度， 一般采用 串联方式；为了得到较大流量， 一般采用并联方式. 在实际工程中根据不同情况往往利用串联、并联和
循环工程的特性对工程进行设计，以提高分离效率.
采用HYSYS 的 M-100 分离膜组件计算程序 计算了图7所示的条件下并联和串联两种方式的渗 透气流量以及各组分浓度. 由表2数据可知，并联方 式的渗透气流量是296.44 N ·m³/h, 比串联方式的 260.02 N ·m³/h大；而串联方式渗透气的CO₂ 浓度为
92.1%,比并联方式渗透气的CO₂ 浓度(91.3%)高.

(a)串联方式

(b)并联方式

图 7 串联与并联工程
Fig.7 Parallel process and series process
表 2 并联与串联膜分离工程模拟结果比较
Table 2 Comparison of parallel membrane
process and membrane process

原料
并联
串联
流量/(N · m³ · h- ¹)
947.36
296.44
260.02
氮
0.135
0016
0.015
渗透侧
摩尔分数
甲烷
CO2
乙烷
0.465
0.068
0.062
0.389
0.913
0.921
0.007
0.002
0.001
丙烷
0.004
0.001
0.001
在实际工程中，为了有效控制流量和浓度，不采 用单纯的串、并联方式，而采用串/并联循环工程.为 了得到较高浓度的CO₂ 气体，循环部是渗透气，以串 联方式为主，并联方式为辅，图8是串/并联循环工
程的示意图，模拟计算时，只采用了循环的百分比作

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膜 科 学 与 技术
CO₂摩尔浓度
渗透气流量/"g.mo l ·h-
压缩机功率/kWh/(co,kgmol)

图 8 串/并联循环工程
Fig.8 Parallel/series multi-stage with recyele

为工程变量，循环处是 TEE-100 和 TEE-101.
串并联循环工程中，为了与实际工程接近，增加 了排除废气中其他气体的工程.经废气中水蒸气、 SOx,、NOx 等的排除工程后，通过第3阶段的单纯 串联分离膜组件，其残留部分再送到前段供给部再 循环，在TEE-100 处其循环率控制在20%～80% 渗透的气体通过压缩工程后，经过下阶段的1级串 联方式，对从渗透部出来的气体，在 TEE-101 处 达 到 0 % ～ 8 0 % 的 再 循 环 率 . 如 图 9 ～ 1 1 所示，随 TEE-101 处的流速循环率增加，渗透气中 CO₂ 浓度 也增加，而渗透气流量减少.当 TEE-101 循环率为 80%,而TEE-100 循环率为40%与20%情况下，渗 透气中CO₂ 浓度有所减小.另外，循环率越大，能耗
越大.

TEE-101循环率/%
图 9 串/并联循环工程的CO₂ 摩浓度与循环率关系
Fig.9 CO2 molar fraction of parallel/series
multi-stage with recyele
3 结论
将自行开发的膜分离数学模拟软件嵌入到 HYSYS, 对该商用化工计算软件进行了二次开发， 运用该软件对多组分气体膜分离过程进行了模拟计 算，与其它设计模块计算结果的对比验证了该模块
的可靠性，并得到以下结论：
1)单级循环方式，渗透气循环方式可以得到较


TEE-101循环率/%
图10 串/并联循环工程的渗透气流量与循环率关系
Fig.10 Permeate flow rate of parallel/series
multi-stage with recycle

循环率/%
图11 串/并联循环工程的压缩机功率与循环率关系
Fig.11 Compressor power of parallel/series
multi-stage with recycle
高的CO₂ 浓度，但是也会增大能耗，特别是当循环比 大于60%的情况下；
2)并联方式的渗透气流量比串联方式大，但串
联方式渗透气中CO₂ 浓度较并联方式高；
3)采用并/串联循环方式，增加 TEE-101 处 的 循环率，CO₂ 浓度增加；但在 TEE-100 处 2 0 % 和 40%循环率以及TEE-10180% 循环率情况下，可以 看到渗透气中 CO₂ 浓度减小的现象.另外循环率越
大，能耗越大.
综上所述 ， 该膜分离模块的设计及其与

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HYSYS 结合的二次开发，为多组分气体膜法分离 过程设计与工艺优化提供了可靠途径与重要依据， 具有实用意义.

参 考 文 献
[1]郭智广.石油化工动态模拟软件[J].石油化工设计， 1997,14(3):29—33.
[2] HYSYS 2004 Simulation Basic,Aspen Technology Ine. [3]翟晓东.通过 HYSYS 模拟系统优化裂解装置脱丙烷塔

操作[J].炼油与化工，2005,16(3):26-30.
[4]刘家洪，周 平.浅析 HYSYS 软件在三甘醇脱水工艺
设计中的应用[J]. 2000,18(1):18-21.
[5]金大天.多组分气体分离膜过程的数学模拟和化工计算 软件二次开发[D]. 大连：中国科学院大连化学物理研 究所，2008.
[6] Davis R A. Simple gas permeation and pervaporation membrane unit operation models for process simulators [J]. Chem Eng Technol,2002,25(7):717-722.

Secondary development of HYSYS and its application
in the simulation of multi-component gas separation by membrane

KIM Daechun¹ .2,CAOYiming¹,WANG Lina¹,
KANGGuodong¹,ZHOUMeiqing 1
(1.Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences,Dalian 116023,China;
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract: HYSYS simulation system is one of the most popular chemical engineering simulation software. It has many merits such as easy to operate, strong function,precise simulation. Self-designed membrane module software was embedded into HYSYS to form a simulation module(M- 100),and the secondary development for this commercial chemical software was successfully carried out. Compared with other simulation results,it exhibited good reliability. The software was applied to simulate the CO₂-containing multi-component gas separation process by membrane. The results showed that in a single-stage membrane process the separation efficiency of permeate recycle was higher than retentate recycle but with a higher energy cost. For a multi-stage membrane process,the parallel mode could bring a higher permeation gas flow rate while series mode can get a higher CO₂ concentration in the permeate side. Optimal separation
performance could be obtained by a parallel/series combined process.
Key words: HYSYS;secondary development;multi-component gas;membrane separation; process simulation

(上接第86页)
Pilot studies on treating leachate by submerged ultrafiltration membrane

CHEN Qing,YANG Fang
(Suzhou Litree Purifying Techology Co.Ltd,Suzhou 215152,China)
Abstract: The best running condition and the effluent quality of membrane system for the treatment of SBR leachate drainage were investigated by submerged ultrafiltration membrane process in pilot equipment. In the condition of EFM cleaning of hydrochaloric acid and the best running existing,the operation of membrance system was stable. The transmembrane pressure(TMP)was less than 0.025 MPa. Membrane system for COD and NH₃-N removal was effective. And SDI was less than 1. All of that made
the pollution of the next process reduced.
Key words: ultrafiltration membrane;leachate

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