AspenPlus在化工設(shè)計(jì)及模擬中的應(yīng)用

1、iAspenPlus在化工設(shè)計(jì)及模擬中的應(yīng)用(摘自方利國等編計(jì)算機(jī)在化學(xué)化工的應(yīng)用第九章，化學(xué)工業(yè)出版社，2003年)AspenPlus是一款功能強(qiáng)大的化工設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)模擬及各類計(jì)算的軟件，它幾乎能滿足大多數(shù)化工設(shè)計(jì)及計(jì)算的要求，其計(jì)算結(jié)果得到許多同行的認(rèn)可，該軟件也和其他軟件一樣在不斷地升級。在美國能源部的撥款資助下，麻省理上學(xué)院化工系有關(guān)教授組織了一個(gè)由高等學(xué)校和企業(yè)部門各方人員參加的開發(fā)小組，集中進(jìn)行新一代化工流程模擬系統(tǒng)的開發(fā)，于1979年初開發(fā)成功Aspen，并投入使用。1981年專門成立了一家公司接管了這套系統(tǒng)的繼續(xù)開發(fā)和完善工作，同時(shí)軟件更名為AspenPlus。它被用于化學(xué)和石油

2、工業(yè)、煉油加工、發(fā)電、金屬加工、合成燃料和采礦、紙漿和造紙、食品、醫(yī)藥及生物技術(shù)等領(lǐng)域，在過程開發(fā)、過程設(shè)計(jì)及老廠的改造中發(fā)揮著重要的作用。該軟件主要由三部分組成，簡述如下。)物性在物性部分中包括基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)庫、熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞物性，下面分別加以介紹?；A(chǔ)物性數(shù)據(jù)庫AspenPlus中含有一個(gè)大型物性數(shù)據(jù)庫共含有32類近900種純物質(zhì)的物性，主要有：分子量、Pitzer偏心因子、臨界性質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)生成自由能、標(biāo)準(zhǔn)生成熱、正常沸點(diǎn)下汽化浴熱、回轉(zhuǎn)半徑、凝固點(diǎn)、偶極矩、比重等。同時(shí)還有：理想氣體熱容方程式的參數(shù)、Antoine方程的參數(shù)、液體焓方程系數(shù)。對UNIQAC和UNIFAC方程的參數(shù)也收集在數(shù)

3、據(jù)庫中，在計(jì)算過程中，只要所計(jì)算的組分在物性數(shù)據(jù)庫中存在，則可自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫中取出基礎(chǔ)物性進(jìn)行傳遞物性和熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算。燃燒物數(shù)據(jù)庫燃燒物數(shù)據(jù)庫是計(jì)算高溫氣體性質(zhì)的專用數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫含有常見燃燒物的59種組分的參數(shù)，其溫度可高達(dá)6000K，而用AspenP1us主數(shù)據(jù)庫，當(dāng)溫度超過1500K以上時(shí)，計(jì)算結(jié)果就不精確了。燃燒物數(shù)據(jù)庫只適用于部分單元操作模型對理想氣體的計(jì)算。熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞物性在模擬中用來計(jì)算傳遞物性和熱力學(xué)性質(zhì)的模型和各種方法的組合共有43種，主要有：計(jì)算理想混合物汽液平衡的拉烏爾定律、烴類混合物的Chao-Seader、非極性和弱極性混合物的Redlich-Kwong-So

4、、avBeWR-Lee-Starling、Peng-Robinson。對于強(qiáng)的理想液態(tài)混合物的活度系數(shù)模型主要有UNIFAC、Wilson、NRTL、UNIQUAC,另外還有計(jì)算純水和水蒸氣的模型ASME及用于脫硫過程中含有水、二氧化碳、硫化氫、乙醇胺等組分的Kent-Eisenberg模型等。有兩個(gè)物性模型分別用于計(jì)算石油混合物的液體粘度和液體體積。對于傳遞物性主要是計(jì)算氣體和液體的粘度、擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)及液體的表面張力。每種傳遞物性計(jì)算至少有一種模型可供選擇。單元操作ASPENPLUS中共有二十多個(gè)單元操作模型。如混合、分割，還包括：間歇反應(yīng)器、多塔精餾、靈敏度分析和工況分析模塊。間歇反

5、應(yīng)器用來模擬單相或兩相間歇式反應(yīng)器。反應(yīng)器可有一個(gè)連續(xù)進(jìn)料或一個(gè)連續(xù)出料。采用緩沖罐的辦法使間歇反應(yīng)器與模擬流程的穩(wěn)態(tài)物流相連接。多塔精餾用于對多個(gè)多級分餾裝置相互聯(lián)接系統(tǒng)的嚴(yán)格模擬。能處理帶有側(cè)流汽提、泵循環(huán)旁路和外部換熱器的復(fù)雜分餾操作。工況分析為了對同一流程作幾種操作工況的運(yùn)行分析，可采用工況分析模塊進(jìn)行模擬外，還要對一系列工況中的每個(gè)工況進(jìn)行流程模擬。靈敏度分析用戶通過給定某一變量作為靈敏度分析變量，通過改變此變量的值模擬出操作結(jié)果的變化情況。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)策略對任一模擬系統(tǒng)軟件，有了數(shù)據(jù)庫和單元模塊之后還應(yīng)有以下幾項(xiàng)。數(shù)據(jù)輸入ASPENPLUS的輸入是由命令方式進(jìn)行的，即通過三級命令關(guān)鍵字

6、書寫的語段、語句及輸入數(shù)據(jù)對各種流程數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入。輸入文件中還可包括注解和插入的FORTRAN語句，輸入文件命令解釋程序可轉(zhuǎn)化成用于模擬計(jì)算的各種信息。這種輸入方式使得專家用戶使用起來特別方便。解算策略ASPENPLUS所用的解算方法為序貫?zāi)K法，對流程的計(jì)算順序可由用戶自己定義，也可由程序自動(dòng)產(chǎn)生。對于有循環(huán)回路或設(shè)計(jì)規(guī)定的流程必須迭代收斂。所謂設(shè)計(jì)規(guī)定是指用戶希望規(guī)定某處的變量值達(dá)到定的要求，例如要規(guī)定某產(chǎn)品的純度或循環(huán)流股的雜質(zhì)允許量等。對設(shè)計(jì)規(guī)定通過選擇一個(gè)模塊輸入變量或工藝進(jìn)料流股變量，加以調(diào)節(jié)以使設(shè)計(jì)規(guī)定達(dá)到要求值。關(guān)于循環(huán)物流的收斂方法有：威格斯坦法(Wegstein)、直接迭代

7、法、布羅伊頓法、虛位法和牛頓法等，其中虛位法和牛頓法主要用于收斂設(shè)計(jì)規(guī)定。結(jié)果輸出可把各種輸入數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果存放在報(bào)告文件中，可通過命令控制輸出報(bào)告文件的形式及報(bào)告文件的內(nèi)容，并可在某些情況下對輸出結(jié)果作圖。在物流結(jié)果中包括：總流量、強(qiáng)度、壓力、氣化率、焓、熵密度、平均相對分子質(zhì)量及各組分的摩爾流量。9.2ASPENPLUS基本操作9.2.1ASPENPLUS的啟動(dòng)（1）打開控制面板，雙擊AspenLicenseManager（見圖9-1）。（2）選擇手動(dòng)（Manual）,點(diǎn)擊Launch，激活LicenseSever（見圖9-2）。（3）在程序菜單中打開AspenPlusUserInterf

8、ace，啟動(dòng)AspenP1us（見圖9-3）。討TechMas呻律ii圏SI控制面板中的Aspen圖標(biāo)用戶可以iTi個(gè)（4）在彈simulation（打jHr油営IntaVtiiitKt*選擇B1anksimulatioR新流程）、Templae（模板）和usinganexistingtisiivu：ilj沽讓ii圖9T啟動(dòng)AspenPlus(5)確定用戶服務(wù)器的位置，使用缺省項(xiàng)，按OK鍵，系統(tǒng)出現(xiàn)成功連接的消息框(見圖9-5)。否則打開控制面板，重新啟動(dòng)AspenLicenseManager。系統(tǒng)進(jìn)入AspenPlus主界面(見圖9-6)。9.2.2模擬流程的設(shè)置誌汀了澆遷沁弍當(dāng)選定了合適的

9、單元模塊，就可以放到流程區(qū)中去。在畫好流程的基本單元后，就可以打開物流區(qū)，用物流將各個(gè)單元設(shè)備連接起來。進(jìn)行物流連接的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)提示在設(shè)備的哪些地方需要物流連接，在圖中以紅色的標(biāo)記顯示。在紅色標(biāo)記處，確定所需要連接的物流，當(dāng)整個(gè)流程結(jié)構(gòu)確定以后，紅色標(biāo)記消失按Next按鈕，系統(tǒng)提示下一步需要做的工作。9.2.3物流數(shù)據(jù)及其他參數(shù)的輸入當(dāng)流程的參數(shù)沒有完全輸入時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開數(shù)據(jù)瀏覽器(databrowser)使用戶了解哪些參數(shù)需要輸入，并以紅色標(biāo)記顯示。在組分(component)一欄中，輸入流程的組分，也可以通過查找功能從Aspen數(shù)據(jù)庫中確定需要的組分。在物性計(jì)算方法欄(Properti

10、es-Specification)確定整個(gè)流程計(jì)算所需的熱力學(xué)方法。設(shè)置物流的參數(shù)，包括壓力、溫度、濃度等。設(shè)定設(shè)備的參數(shù)，如塔板數(shù)、回流比。當(dāng)數(shù)據(jù)瀏覽器的紅色標(biāo)記沒有以后，按Next按鈕，系統(tǒng)提示所有的信息都輸入完畢，可以進(jìn)行計(jì)算了。9.2.4結(jié)果的輸出當(dāng)ASPEN對整個(gè)流程計(jì)算完畢以后，存數(shù)據(jù)瀏覽器中的結(jié)果匯總(ResultsSummary)中可以看到模擬的結(jié)果，也可以在物流(streams)中看到輸出物流的計(jì)算結(jié)果。更為詳細(xì)的內(nèi)容可通過生成數(shù)據(jù)文件獲取,該數(shù)據(jù)文件以文本形式保存，便于其他軟件調(diào)用編輯。獲取數(shù)據(jù)文件的步驟如下。點(diǎn)擊File，在其下拉菜單中選取Exporto在彈出的Expor

11、t對話框中，選擇文件的保存類型為“ReportFile”。在文件名中輸入文件名，點(diǎn)擊保存，就可以在相關(guān)文件夾中找到此文件。9.3AspenPlus應(yīng)用實(shí)例9.3.1甲醇-二甲醚-水三元混合物精餾塔模擬首先假設(shè)系統(tǒng)已進(jìn)入AspenPlus的主界面，具體過程如下?？旖萱I流程區(qū)物流、能流區(qū)單-元權(quán)塊區(qū)出HddfEwchaoye-Radfac（見圖行在上示中選擇第7-IE雷AspmFllKrvef*/SpithMtSeparcsiHealExchangersICoJumt擇Columns，在它的下層菜單中選擇Radfac（覓圖9-7）,在其彈出的精餾塔圖圖例（見圖9-8）。汕1；.:聽移到流程區(qū)，并單

12、擊，在流程區(qū)出現(xiàn)一個(gè)塔，將鼠標(biāo)移到物流、能流區(qū)，單擊，這時(shí)在接的物流（用紅色表示），鼠標(biāo)移到紅色標(biāo)記前后，通過拖動(dòng)連接上進(jìn)出單元的物流（見圖了多余的物流，這時(shí)需要將鼠標(biāo)在左下角的箭頭處點(diǎn)擊一下，然后利用鼠標(biāo)選中多余的二二J物流，講述。圖96AspenPlus程序的主界面i；DSTWU選擇篠塊具體的結(jié)構(gòu)圖9母娃接單元物流當(dāng)連接單元物流上的紅色標(biāo)記消失后，表明單元流程己建立，單擊“N”，系統(tǒng)彈出如圖9-10所示的對話框，在“Title”中輸入模擬流程名稱，在“UnitsofMeasurement”中選擇輸入、輸出數(shù)據(jù)的單位制一般選擇米制。單擊“N”，系統(tǒng)彈出如圖9-11所示的模擬流程組分對話框，在

13、“componentID”下分別輸入1、2、3，在對應(yīng)的“Formulas”下分別輸入“H20、CH4O、C2H6O”，對前兩種物質(zhì)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)辨識，并自己添上組分名稱；而對于第3種物質(zhì)，由于有多種可能，系統(tǒng)會(huì)彈出讓用戶作出選擇的對話框，選擇二甲醚即可。*=一CONVEXI.IEEJ|ENS21|ENGZj圖410-些基本設(shè)置AYERETHANOL2匚orwengn*imethyl-ethfIIId圖吳11輸入模擬流稈組分單擊“N-”系統(tǒng)彈出如圖9-12所示的物流特性估算方法對話框，在對話框中選擇“P-R”方法。(注意：在實(shí)際應(yīng)用中，具體的物流特性估算方法應(yīng)根據(jù)具體的情況，結(jié)合熱力學(xué)知識進(jìn)行選

14、擇，否則可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果)。單擊“N-”系統(tǒng)彈出如圖9-13所示的輸入物流基本情況對話框，主要有流量(8kmol/hr、壓力(8kg/sqcm)、溫度(30C)、摩爾分率(0.4,0.27,0.33)。單擊“N-”系統(tǒng)彈出如圖9-14所示的塔設(shè)備基本情況設(shè)置對話框，設(shè)置塔板數(shù)為5,冷凝器的形式為全凝器，回流比為2,塔頂引出物流量為2.5kmol/hr以及其他各參數(shù)，再單擊“N-”系統(tǒng)彈出如圖9-15所示的塔壓情況對話框，輸入各種壓力。團(tuán))12物流特性汁算方法選擇aIBMIXEDTfimpefaMuMofetackmolAir圖g-卩輸入物流基本情況設(shè)置點(diǎn)擊“N-”輸入加料板位置及出料物流

15、的氣、液狀態(tài)，完成所有的設(shè)置，輸入?yún)^(qū)的紅色標(biāo)記消失，數(shù)據(jù)輸入完畢，系統(tǒng)開始計(jì)算。計(jì)算完成后可以點(diǎn)擊“ResultSummary”，得到如圖9-16所示的數(shù)據(jù)。在沒有計(jì)算前，首先要檢查一下左邊輸入物流及各種設(shè)置的紅色記號是否消除，如果沒有，則需要進(jìn)行補(bǔ)充：同時(shí)，如果認(rèn)為原來的輸入可能有錯(cuò)誤，也可以直接點(diǎn)開左邊的相關(guān)內(nèi)容，如果左邊的工具欄不存在，則可通過DATA菜單，選擇相應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行修改。圖9J5塔壓怖況二的”一二二|蘭斗1rjsn(10)更詳細(xì)的數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)文件獲取，下面是數(shù)據(jù)文件中部分重要的數(shù)據(jù)。9.3.2苯與丙烯反應(yīng)合成異丙苯的反應(yīng)模擬己知條件如圖9-17所示。反應(yīng)器入口溫度為84C,壓

16、力為36psi(lpsi=6894.76Pa),假定反應(yīng)過程壓降為零，反應(yīng)產(chǎn)物冷卻到44C，進(jìn)入分離器。計(jì)算反應(yīng)溫度及冷卻負(fù)荷。模擬過程如下。首先畫出反應(yīng)工藝流程圖。在單元模塊區(qū)選擇Reactors，模型為RSNIC。選HeatExchangers，模型為HEATER。再選Separators，模型為FLASH2。將鼠標(biāo)移到物流區(qū)，單擊，此時(shí)在塔、冷卻器、連接進(jìn)出單元的物流，完成后的流程圖見圖9-18。（5）系統(tǒng)進(jìn)入模擬流程組分對話框（如圖9-19）,在“Formula”欄下對應(yīng)輸入C6H6、C3H6-2、C9H12-2,或是在Componentname欄下對應(yīng)輸入BENZENE、PROPYL

17、ENE、ISOPROPYLBENZENE。（6）單擊窗口左邊Properties下的specifications，彈出如圖9-20所示的對話柜，要求輸入物流特性計(jì)算方法。在該對話柜中選擇RK-SOAVE方程。（7）單擊窗口左邊Streams的Input，彈出如圖9-2l所示的對話框，要求輸入物流基本情況（流量、溫度、壓力等）。分別按溫度220F，壓力36psi,流量C6H6為401bmol/hr，C3H6為401bmol/hr進(jìn)行輸入。（8）單擊窗口左邊的Blocks彈出對話框，輸入各單元設(shè)備基本情況，單擊COOL的input，在右欄spcecifications選項(xiàng)卡中輸入溫度130F、壓降

18、-0.1psi（輸入負(fù)值，表示壓降為0.1psi,詳見圖9-22。RSTOIC反應(yīng)器熱負(fù)荷輸入0，壓力輸入0（表示反應(yīng)器壓降為零），詳見圖9-23。:.Trd-訂，?。?；litftttatintLibriry樂twSwr圍CLW增剛斗芬4U阿時(shí);工坨ALLBTflEAMI；RK?SlRKSMHV2RKSWSSOUPSSA-PQWR(STEAMTASTEAMNBSsysopoUNIF4JMDUMFHOCunif-lbyunifll(JNIFACE1ectad|jffeawnbtrvfDLU_|Ab)t/B1wd闌廣lP*tr掙Chtarnetric&ti-Psudocixtiipraiti匚)為

19、llrCoap*OKwrrCo*pf*1CopHh-oups.ffi(VIChy*Ls宙fTPolyi*cifiex9JSFrojiwrtyHit.hodslil廣lIstiai凹StructureStl廣FryKtmCj二J31淬國2Prap-*Se出二AdviBrdh匕巾StrmntliBlocks丄nulSI25C*irLi“ffi芯JFeljvtriBQ5hrrtiw0ftcttimff毛為rrepurlrItlkciiaoDi二Jtaaliniiffi_VJff二|jkiriliced1ASrAfawxfiff亠百訥FEEDfl口KwittLti出QPSODVCTHr二JIKHJVT

20、f-2JMTTCLBiBlxktP03fampftrarijre：FpTotdllkiw侗譏/*=-CortfsarMiVkr|40*J圖頭21輸入物流革本情況tAA-rill:史hTZ煉圖922冷卻黠參數(shù)設(shè)置AI開423陽應(yīng)難參裁沿曹(9)輸入反應(yīng)方程式。點(diǎn)擊Reaction,再點(diǎn)擊New,就可以進(jìn)行別EditStoichiometry。對于反應(yīng)物系數(shù)取負(fù)值，該反應(yīng)BENZENE為-1,PROPYLENE為-1；生成物系數(shù)取正值，CUMENE為1，詳見圖9-24。圖424輸入反應(yīng)方程式Heal打期St訂蘋m-L心utd圖425閃蒸罐參數(shù)設(shè)置(10)在Blocks下的SEP單元，輸入壓力1atm、熱負(fù)荷0,見圖9-25。(11)所有參數(shù)輸入完畢，運(yùn)行run得到模擬結(jié)果(見圖9-26)。計(jì)算結(jié)果反應(yīng)器溫度為855F,冷卻器負(fù)荷為-2492968Btu/hr。9.3.3萃取蒸餾模擬環(huán)己烷與甲苯的沸點(diǎn)相近，難以用