HYSYS与Aspen到底有何不同？

可能由于化工设计竞赛以及本科教学的缘故，大部分大学生普遍对Aspen比较熟悉，然而Aspen也不是万能的，它适合用于精细化工、电解质、聚合物，固体处理等流程。

你安装Aspen套餐的时候总会发现顺带安装了HYSYS，本着“存在即合理”的原则，显然这两个模拟软件可以在某种程度上实现互补，实际上，HYSYS偏重于油气处理有关的模拟比如蒸馏，裂解，延迟焦化、天然气脱硫等等，内置了很多相关的单元模块甚至专用的物性包，当你抓耳挠腮想怎么在Aspen中实现某种设备的模拟的时候，不妨打开HYSYS看一看有没有现成的模块和专用的物性方法。

HYSYS中也分为“物性”和“模拟”部分，和Aspen一样，需要先确定组分和物性方法，然后再去“模拟”界面中搭建流程。

在使用上最明显的不同是，在Aspen中流程搭建完毕后必须“Run”才会进行计算，而且必须确保所有物流、设备该指定的参数都输入完毕后才能运行，而在HYSYS中是实时运算的，随着你的建模，只要某些部分满足能够开始计算的条件便会自动计算，如果输入不完整的部分便不会计算，比较方便调试，如果不想实时计算，可以选择“挂起”模式。

今天就以天然气脱硫脱碳为例，在HYSYS V11中搭建一个简化的流程，演示HYSYS中的操作方法，并说明与Aspen的不同之处。本文的操作步骤较为详细，但只需要看一看体会一下就好，文末提供了源文件。

本文较长，建议收藏后食用~

01

组分及物性设置

首先新建一个组分列表。为什么不是直接输入组分呢？HYSYS中可以在同一个流程中使用不同的组分集和物性包，对于常规的、简单的流程我们仅需要建一个组分列表和一个物性包就足够了。

新建物性包

下一步，添加组分，双击新建的组分列表进入组分列表视图。

天然气包含CO₂、H₂S、N₂、C₁~C₆、H₂O，采用MDEA进行脱除，因此还要添加MDEAmine。注意这里并不需要像Aspen中那样输入离子组分，HYSYS并不支持用户输入离子组分（但并不意味着不可以算包含离子的流程，如本流程）。添加完组分的界面如下图。

 组分输入界面

接下来选择合适的物性包，HYSYS为酸性气体脱除提供了专用的物性包，对于MDEA脱硫脱碳，选择“酸性气体-化学溶剂”，在右边可以看到支持的醇胺。与一般意义上的物性方法不同的是，此物性包还集成了天然气脱硫脱碳过程中各种反应的信息，我们在后续的模拟中可以按照模拟物理吸收的方式进行模拟，不必额外设置反应集。

02

流程搭建

2.1

工艺流程介绍

天然气脱硫脱碳简化后的流程如下图所示，图中省略了富液降压、补充胺液的过程，在模拟中需要体现这一过程。

天然气脱硫脱碳简化工艺流程

大致流程为，原料气经过初步分离出颗粒和液滴后进入吸收塔，与醇胺溶液逆流接触脱除H₂S和CO₂，净化气从塔顶流出，吸收了酸气的富胺液从塔底流出，经过降压后进入闪蒸罐撇除凝析油，然后经过换热升温进入再生塔，再生塔内加热使富胺液解吸出酸气，再生后的贫胺液经过换热、冷却后补充胺液、过滤再返回吸收塔循环利用。

2.2

脱除目标

净化后的天然气需要满足国标一类标准，即H₂S含量6 mg/m³（模拟中按6 ppm考虑）以下，CO₂在3 mol%以下。

2.3

模拟流程

进入模拟窗口，进入PFD界面。首先映入眼帘的是模型选项板，可以从里面选择模块，面板是浮动窗口，快捷键F4控制开闭（一直开着太占地方）。

首先创建原料气分离器，用分离器（和Aspen中闪蒸模块类似）来模拟。

分离器界面

直接在进口处输入“Sour Gas”，自动创建物流。在HYSYS中，设备连接物流不必先创建物流再连接到设备上，直接在设备界面输入名字即创建新物流，也可以从下拉列表中选择需要连接的物流。另外，物流和设备的命名可以取很长名字，支持大小写，不像Aspen中有很短的字符限制，出口物流如图上图所示。不作其他设置，默认无压降。显示未解算是因为进口物流还没有指定参数。

回到PFD界面，看到物流已经连接好，且呈蓝色。在HYSYS的PFD中，采用了状态颜色来显示物流和单位操作的计算状态，比如浅蓝色物流表示没有求解，深蓝色物流表明已经求解。红色单元模块表示连接缺失无法开始计算，黄色表示无法求解或求解器或出现警告，黑色表示求解成功。

双击入口物流“Sour Gas”，指定温度、压力、流量、组成等信息，如下图所示。指定了温度、压力后，双击摩尔流量进入组成设置界面，组成基准为摩尔分率，输入各组分摩尔分数，点击确定后会自动计算流股的其他信息。蓝色加粗字体为用户输入，黑色为自动计算结果。

流股输入界面

可以看到物流已经变成深蓝色，代表计算完成。

计算完成后的分离器

接下来创建吸收塔，使用吸收塔模块，重命名为“Abs”，设定塔板数为20，物流连接如下图所示：

吸收塔物流连接界面

点击下一步指定压力，如下图所示：

吸收塔指定压力界面

下一步，指定温度估值。此非必须输入项，如果输入与实际结果接近的数值可以加速收敛。

吸收塔指定温度估值界面

输入完毕后界面如下图所示:

吸收塔界面

显示未收敛是因为指定信息不足，如缺少贫胺液PMDEA0的信息，下面对其进行指定：

贫胺液设定界面

双击吸收塔，点击“参数”选项卡中的“酸性气体”，计算类型保持默认的“效率”，此方法可以根据塔内件结构和传质、传热、流动模型估算CO₂和H₂S的“组分板效率”，进而计算每块板吸收了多少H₂S和CO₂。调整参数和收敛参数根据需求调整，这里保持默认。右侧塔板结构界面选择单溢流，塔板直径指定为1.2 m，然后自动计算其他尺寸，点击计算，显示已收敛。如下图所示：

“酸性气体”设置界面

再点击“效率”可以看到黑色数字为计算得到的组分效率，如下图所示。。注意有时组分效率有时超过1为正常现象。当组分接近平衡区域时，计算效率的Murphree方程中的值可以大于1.0。虽然效率通常介于0.0到1.0之间，但是上限放宽至1.25可以改善某些情况下的收敛；由于在组分平衡区域中分离驱动力趋于零，因此分离不会受到显著影响。

组分效率计算界面

以上计算的组分效率仅为估计值，不一定准确，可以在“酸性气体”中改为“高级模拟”模式，并进行详细的内构件设计来获得更准确的组分效率，不过计算时间较长。另外也可以由用户指定效率。

在吸收塔富胺液RMDEA1后面依次添加减压阀、气液分离器，完成降压和闪蒸过程。设置减压阀后压力为620 kPa，分离器无压降。分离器液相出口，也就是富胺液去换热器，换热器物流连接如下图：

换热器物流连接

指定管侧和壳侧压降均为70 kPa，取消勾选使用Ft：

换热器压降设置

为了能够进行后面的计算，我们需要指定换热后富胺液的温度，在换热器的工作表中直接输入出口温度为95℃，可以看到出口物流“Regen Feed”已经完成了计算。右边两个物流是需要后面再生塔算完之后才能计算的，所以换热器即使提示“未结算”，但我们已经知道了流股“Regen Feed”的信息，可以进行后续再生塔的计算。

指定出口温度

目前的流程如下图所示：

接下来模拟再生塔，添加一个精馏模块，进行如下设置：

点击下一步：

点击下一步指定压力：

点击下一步输入温度估值：

再点击下一步，因为精馏塔自由度为2，还需要我们指定两个参数，默认让输入的为汽相流率和回流比，我们先不填，后面自己添加其他设计规定：

直接点完成，弹出以下窗口：

点击“设计”选项卡的“监控器”，页面如下图：

可以看到默认启用的是刚才我们提到的汽相流率和回流比，我们刚才没填所以指定值为空。下面点击“添加规定”按钮，依次添加两个设计规定：冷凝器温度50℃，再沸器热负荷1.3*107 kJ/h。

然后启用后两次添加的设计规定，软件自动计算并收敛。

下面是目前的流程，可以看到换热器的流股也计算完成了（变成深蓝）：

接下来需要补充损失的胺液，可以直接用HYSYS自带的“补充”模块，连接贫液流股“Lean from L/R”，设置如下：

补充模块需要指定出口胺液浓度和流量，然后自动计算补充补充水和MDEA的量，非常方便！如果在Aspen中则需要手动添加计算器来辅助收敛了，否则补充量指定不合理很难收敛。

依次添加冷却器，在冷却器中不指定温度只指定压降35 kPa，在泵中指定出口物流温度35℃（与PMDEA0初值温度一致），出口压力6850 kPa，输入完成后流股变深蓝，如下图：

之所以一定要在泵出口指定温度而不是在冷却器出口指定温度，是因为“PMDEA to R”这个物流应该和“PMDEA0”这个物流尽量接近，因为实际过程中这两条物流其实是一股物流，因此我们要保证“PMDEA to R”这个物流的温度和“PMDEA0”相等，也就是35℃，如果先指定了物流“RMDEA to Pump”温度为35℃，那么经过泵加压后温度会上升高于35℃。所以上述操作也是HYSYS相对于Aspen的一项优势，我们在指定参数时变得更为灵活。

接下来，把“PMDEA to R”和“PMDEA to R”这两个物流用循环模块连接起来，在HYSYS中，你可以认为每加一个循环模块就是定义一次撕裂流股。HYSYS循环模块既可以正算，也可以反算。循环模块设置如下图：

设置完后自动进行全流程的迭代计算。在HYSYS中强烈建议添加收敛模块之前先另存为一份文件，因为HYSYS会自动将新算的值覆盖掉旧值且无法恢复，如果由于手误在某个地方输入了明显不合理的参数则会影响整个流程。

下面为收敛后的全流程：

03

数据分析

在HYSYS中，数据分析也很简单，一方面自带模块中会显示大量信息，另一方面电子表格模块有媲美Excel的功能，可以直接从流程中链接数据并进行公式化计算，甚至还能将处理后的数据再传回流程中。

3.1

内置模块

以吸收塔模块为例，在工作表中提供了大量信息，可以看条件、物性、组成等，下图为物性界面：

性能选项卡中也有大量信息，还可以自定义绘制各类图，如下图所示：

对于本案例，采用了酸气-化学溶剂物性包后还可以查看“酸性气体”这一项，包含了很多对分析天然气脱硫工艺很关键的参数，如下图：

3.2

电子表格辅助分析

下面简单展示电子表格的强大功能。首先它可以导入流程中海量的参数，这些参数可以是直接变量，如组成、温度、流量等，也可以是间接变量（即通过基本的变量计算而得）。如CO₂负荷指的是胺液中吸收的CO₂量除以MDEA的量，如在Aspen中我们需要先统计MDEA和CO₂、HCO^3-、CO₃^2-的摩尔流量，再加和、相除，非常麻烦，而在HYSYS中可以直接调用CO₂负荷：

酸气负荷就是H₂S负荷和CO₂负荷之和，可以输入“=B1+B2”即可计算：

流程模拟的软件很多，除了Aspen公司的Aspen、HYSYS，还有PRO II、Promax等等，目前开源软件也在崛起，如何选择软件还需要针对各软件的特点、自己的需求来灵活选择，不能在一棵树上吊死。不过，说到底流程模拟软件只是一个工具，很多底层的知识和理念都是相通的，对一个软件掌握之后上手另一个也会很快！

后台回复“HYSYS案例”获取源文件（V11版本）

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编辑：Papaw

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