化工軟件仿真實(shí)訓(xùn)

1、目 錄前言 1第一章 概述 2第二章 Aspen Plus軟件介紹 4 4 5 第三章 課程實(shí)訓(xùn) 7 7 7 1 8 8 12 2 13 3 4 20第四章 學(xué)習(xí)心得 25前 言入門(mén)是初學(xué) aspen plus 軟件最重要也是最難的一關(guān)。原因是主要有兩方面，一是大多數(shù) aspen 初學(xué)者都是通過(guò)自學(xué)的，很少人有經(jīng)過(guò)正式培訓(xùn)，或在學(xué)校正式上過(guò)相關(guān)課程；二是國(guó)內(nèi)正式出版的有關(guān) aspen 的書(shū)很少，有那么一兩本也是最簡(jiǎn)單的泛泛的介紹，是對(duì)用戶手冊(cè)的概括，要么不夠詳細(xì)，要么不夠深度。究其原因是aspen 在國(guó)內(nèi)用戶十分有限，僅 aspen 但自學(xué) aspen的人熱度很高，尤其是化工過(guò)程相關(guān)專業(yè)的研究

2、生，沒(méi)有系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過(guò)aspen 就要用其做課題，邊學(xué)邊做，買(mǎi)不到正式的出版書(shū)籍資料，那么就只好在網(wǎng)上找，網(wǎng)上的相關(guān)資料鋪天蓋地，似乎很多，但面對(duì)巨大的繁雜的資料信息，卻不知從何處開(kāi)開(kāi)始。真的入門(mén)難了。其實(shí)學(xué)習(xí) aspen 和其它知識(shí)一樣，不在于資料眾多，而在于精而全。1“如果你不能對(duì)你的工藝進(jìn)行建模，你就不能了解它。如果你不了解它，你就不能改進(jìn)它。而且，如果你不能改進(jìn)它，你在 21 -Aspen World 1997全球各大化工、石化、煉油等過(guò)程工業(yè)制造企業(yè)及著名的工程公司都是 Aspen Plus的用戶。1第 章 概述Aspen Plus 是一個(gè)生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬

3、系統(tǒng)。AspenPlus 是大型通用流程模擬系統(tǒng)，源于美國(guó)能源部七十年代后期在麻省理工學(xué)院（MIT）組織的會(huì)戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)新型第三代流程模擬軟件。該項(xiàng)目稱為“過(guò)程工程的先進(jìn)系統(tǒng)” （AdvancedSystem for Process Engineering，簡(jiǎn)稱 ASPEN 1981 年底完成。1982 年為了將其商品化，成立了 AspenTech公司，并稱之為 Aspen Plus。該軟件經(jīng)過(guò) 20 多年來(lái)不斷地改進(jìn)、擴(kuò)充和提高，已先后推出了十多個(gè)版本，成為舉世公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，應(yīng)用案例數(shù)以百萬(wàn)計(jì)。Aspen Plus 是基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的大型化工流程2軟件

4、。它為用戶提供了一套完整的單元操作模型，用于模擬各種操作過(guò)程，從單個(gè)操作但單元到整個(gè)工藝流程的模擬。Aspen Plus 軟件能做些什么？它可以進(jìn)行工藝過(guò)程嚴(yán)格的能量和質(zhì)量平衡計(jì)算，預(yù)測(cè)物流的流率、組成和性質(zhì)，預(yù)測(cè)操作條件和設(shè)備尺寸，減少裝置的設(shè)計(jì)時(shí)間、進(jìn)行設(shè)計(jì)方案比較，幫助改進(jìn)當(dāng)前工藝：回答“如果那會(huì)怎么樣”的問(wèn)題；在給定的限制內(nèi)優(yōu)化工藝條件；輔助確定一個(gè)工藝約束部位。ASPEN PLUS的優(yōu)勢(shì)具有最完備的物性系統(tǒng) 一套完整的基于狀態(tài)方程和活度系數(shù)方法的物性模型 (共105種)，包括 5000 多種純組分的物性數(shù)據(jù)Aspen Plus 是唯一獲準(zhǔn)與 DECHEMA數(shù)據(jù)庫(kù)接口的軟件。該數(shù)據(jù)庫(kù)收

5、集了世界上最完備的氣液平衡和液液平衡數(shù)據(jù)，共計(jì)二十五萬(wàn)多套數(shù)據(jù)。用戶也可以把自己的物性數(shù)據(jù)與Aspen Plus 系統(tǒng)連接?？梢阅M固體系統(tǒng) Aspen Plus 在煤的氣化和液化、流化床燃燒、高溫冶金 和濕法冶金，以及固體廢物、聚合物、生物和食品加工業(yè)中都得到了應(yīng)用。Aspen Plus 模擬的流程342第 章 Aspen Plus軟件介紹.1 22.1.1 產(chǎn)品具有完備的物性數(shù)據(jù)庫(kù)物性模型和數(shù)據(jù)是得到精確可靠的模擬結(jié)果的關(guān)鍵。人們普遍認(rèn)為 AspenPlus 具有最適用于工業(yè)、且最完備的物性系統(tǒng)。許多公司為了使其物性計(jì)算方法標(biāo)準(zhǔn)化而采用 Aspen Plus的物性系統(tǒng)，并與其自身的工程計(jì)算

6、軟件相結(jié)合。純組分的物性數(shù)據(jù)Aspen Plus 數(shù)據(jù)庫(kù)包括將近 6000 種2. 電解1. 純組分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，包括將近6000 種化合物的參數(shù)。 900 種離子和分子溶質(zhì)估算電解質(zhì)物性所需的參數(shù)。 3314 種固體的固體模型參數(shù)。 4. Henry 常數(shù)庫(kù)，包括水溶液中 61 種化合物的 Henry 常數(shù)參數(shù)。 5. Kwong SoavePengRobinson、Lee Kesler Plocker、BWR Lee Starling，以及 Hayden OConnell狀態(tài)方程的二元交互作用參數(shù)約 40,000 多個(gè)，涉及 5,000 種雙元混合物。 6. PURE10 數(shù)據(jù)庫(kù)，包括1727

7、種純化物的物性數(shù)據(jù)，這是基于美國(guó)化工學(xué)會(huì)開(kāi)發(fā)的 DIPPR 物性數(shù)據(jù)庫(kù)的比較完整的數(shù)據(jù)庫(kù)。 7. 無(wú)機(jī)物數(shù)據(jù)庫(kù)，包括2450 種組分（大部分是無(wú)機(jī)化合物）的熱化學(xué)參3. 固體數(shù)。8. 燃燒數(shù)據(jù)庫(kù)，包括燃燒產(chǎn)物中常見(jiàn)的59 種組分和自由基的參數(shù)。9. 固 3314 種組分，主要用于固體和電解質(zhì)的應(yīng)用。10. 括 900 種離子，主要用于電解質(zhì)的應(yīng)用。Aspen Plus 是唯一獲準(zhǔn)與 DECHEMA 數(shù)據(jù)庫(kù)接口的軟件。該數(shù)據(jù)庫(kù)收集了世界上最完備的氣液平衡和液液平衡數(shù)據(jù)，共計(jì)二十五萬(wàn)多套數(shù)據(jù)。用戶也可以把自己的物性數(shù)據(jù)與 Aspen Plus 系統(tǒng)連接。2.1.2 產(chǎn)品線比較長(zhǎng)，集成能力很強(qiáng)Asp

8、en Plus 是 Aspen 工程套件（AES）的一個(gè)組份。AES 是集成的工程產(chǎn)品套件，有幾十種產(chǎn)品。以 Aspen Plus 的嚴(yán)格機(jī)理模型為基礎(chǔ)，形成了針對(duì)不同用途、不同層次的AspenTech 家族軟件產(chǎn)品，并為這些軟件提供一致的物性支持。如：PolymersPlus：在 Aspen Plus 基礎(chǔ)上專門(mén)為模擬高分子聚合過(guò)程而開(kāi)發(fā)的層次產(chǎn)品，已成功地用于聚烯烴、聚酯等過(guò)程。Aspen Dynamics：在使用 Aspen Plus 計(jì)算穩(wěn)態(tài)過(guò)程Petro Frac： 專門(mén)用于煉油廠的模的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)入此軟件可接著計(jì)算動(dòng)態(tài)過(guò)程。擬軟件。Aspen HX-NET：Aspen Plus 可以

9、為夾點(diǎn)技術(shù)軟件直接提供其所需要的5各流段的熱焓、溫度和壓力等參數(shù)。Aspen Plus 可以在流程模擬工藝計(jì)算之后直接無(wú)縫集成，轉(zhuǎn)入設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算。 Aspen ： 這是一個(gè)工程設(shè)計(jì)工作流集成平臺(tái)，可以供多種用戶環(huán)境下報(bào)表及知識(shí)集成共享。Aspen Plus 有接口可與之自動(dòng)集成。 Aspen Online 在線工B-JAC/ HTFS：換熱器詳細(xì)設(shè)計(jì)（包括機(jī)械 Aspen Plus 離線模型與 DCS 或裝置數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)聯(lián)結(jié)，用實(shí)際裝置的數(shù)據(jù)，自動(dòng)校核模型，并利用模型的計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)。2.1.3 包含兩種算法唯一將序貫（SM）模塊和聯(lián)立方程（）兩種算法同時(shí)包含在一個(gè)模擬工具中。序貫算法提供

10、了流程收斂計(jì)算的初值，采用聯(lián)立方程算法，大大提高了大型流程計(jì)算的收斂速度，同時(shí)，讓以往收斂困難的流程計(jì)算成為可能。節(jié)省了工程師計(jì)算的時(shí)間。 Aspen Plus 是 AspenTech工程套裝軟件的一個(gè)成員，它是一套非常完整產(chǎn)品，特別對(duì)整個(gè)工廠、企業(yè)工程流程工程實(shí)踐和優(yōu)化和自動(dòng)化有著非常重要的促進(jìn)作用。自動(dòng)的把流程模型與工程知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、投資分析，產(chǎn)品優(yōu)化和其它許多商業(yè)流程結(jié)合。 Aspen Plus包括數(shù)據(jù)，物性，單元操作模型，內(nèi)置缺省值，報(bào)告及為滿足其它特殊工業(yè)應(yīng)用所開(kāi)發(fā)的功能。比如像電解質(zhì)模擬，Aspen Plus 主要的功能如下：WindowsNEXT專家向?qū)到y(tǒng)，來(lái)引導(dǎo)用戶進(jìn)行完整的、

11、一致的流程的定義。圖形向?qū)В簬椭脩艉苋菀椎匕涯M結(jié)果創(chuàng)建成圖形顯示。EO模型：方程模型有著先進(jìn)參數(shù)管理和整個(gè)模擬的靈敏分析或者是模擬特定部分的分析。序貫?zāi)K法和面向方程的解決技術(shù)允許用戶模擬多嵌套流程。即使很小問(wèn)題也能很快地、精確的解決，比如像塔的 divided sump simulation.ActiveX (OLE Automation)控件. 可以和微軟Excel 和 Basic 方便的連接，支持OLE （對(duì)象鏈接與嵌入）功能，比如像復(fù)制，粘貼或鏈接。全面的單元操作：包括氣/液，氣/液/液，固體系統(tǒng)和用戶模型。ACM Model Export選項(xiàng)：用戶可以在 Aspen Custom

12、 Modeler （ ACM ）創(chuàng)建模擬模型和編譯。編譯好的模型可以應(yīng)用在 Aspen Plus 靜態(tài)模擬中，可以是序貫?zāi)K法模式下或面向方程的解決方案的模式下。6熱力學(xué)物性：物性模型和數(shù)據(jù)是得到精確可靠的模擬結(jié)果的關(guān)鍵。 Aspen plus 使用廣泛的、已經(jīng)驗(yàn)證了的物性模型，數(shù)據(jù)和 Aspen Properties 中可用估算方法，它涵蓋了非常廣泛的范圍從簡(jiǎn)單的理想物性流程到非常復(fù)雜的非理想混合物和電解質(zhì)流程。內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)包含有 8500 種組分物性數(shù)據(jù)，包括有機(jī)物，無(wú)機(jī)物，水合物，和鹽類；還有 4000 種二元混合物的 37,000 組二元交互數(shù)據(jù)，二元交互數(shù)據(jù)來(lái)自于 Dortmund 數(shù)

13、據(jù)庫(kù)，獲得DECHEMA 授權(quán)。收斂分析：自動(dòng)分析和建議優(yōu)化的撕裂物流、流程收斂方法和計(jì)算順序，即使是巨大的具有多個(gè)物流和信息循環(huán)的流程，收斂分析非常方便。Calculator models 計(jì)算模式： 包含 ad-hoc 計(jì)算與 內(nèi)嵌的 FORTRAN 和 Excel 模型接口。靈敏度分析：非常方便地用表格和圖形表示工藝參數(shù)隨設(shè)備規(guī)定和操作條件的變化而變化。案例研究： 用不同的輸入進(jìn)行多個(gè)模擬，比較和分析。數(shù)據(jù)擬合：將工藝模型與真實(shí)的裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確保精確的和有效的真實(shí)裝置模型。優(yōu)化功能：確定裝置操作條件，最大化任何規(guī)定的目標(biāo)，如收率、能耗、物流純度和工藝經(jīng)濟(jì)條件。Aspen Plus

14、單元操作 對(duì)于氣/液系統(tǒng)，Aspen Plus 包含：通用混合、物流分流、子物流分流和組分分割模塊。 閃蒸模塊：兩相、三相和四相 通用加熱器、單一的換熱器、嚴(yán)格的管殼式換熱器、多股物流的熱交換器、液液?jiǎn)渭?jí)傾析器、基于收率的、化學(xué)計(jì)量系數(shù)和平衡反應(yīng)器、連續(xù)攪拌釜、柱塞流、間歇及排放間歇反應(yīng)器、單級(jí)和多級(jí)壓縮和透平，物流放大、拷貝、選擇和傳遞模塊，壓力釋放計(jì)算，精餾模型 簡(jiǎn)捷精餾 嚴(yán)格多級(jí)精餾，多塔模型、石油煉制分餾塔、板式塔、散堆和規(guī)整填料塔的設(shè)計(jì)和校核，對(duì)于固體系統(tǒng)，Aspen Plus 包含：文丘里滌氣器、靜電除塵器、纖維過(guò)濾器、篩選器、旋風(fēng)分離器、水力旋風(fēng)分離器、離心過(guò)濾器、轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾器、固

15、體洗滌器、逆流傾析器、連續(xù)結(jié)晶器等。7第3章 .1 3典型例題 ：使用一個(gè)等熵壓縮機(jī)在 60、14.7psia下把 100 lbmole/hr的空氣壓縮到 147psia 的壓力，通過(guò) Aspen Plus 模擬該系統(tǒng)。其中空氣組成為 21%O2、79%N2。流程如下圖，在流程模擬完成的最后需確定：（1）完成壓縮共需要多少能量？【用 hp 表示（1hp=745.700w（2）出口氣的溫度是多少？（）完成壓縮共需要 183.295656 hp 能量出口空氣的溫度為 714.0078218 DSTWU 模型可針對(duì)一個(gè)帶有分凝器或全凝器一股進(jìn)料和兩種產(chǎn)品的精餾塔，采用Winn-Underwood-G

16、illiland方法進(jìn)行捷算法蒸餾設(shè)計(jì)計(jì)算，其目的是確定最小回流比、最小級(jí)數(shù)或?qū)嶋H回流比、實(shí)際級(jí)數(shù)。3.2.1 DSTWU 模型參數(shù)1、塔設(shè)定 ( Column specifications)（1） 實(shí)際塔板數(shù)（Number of stages)，若輸入塔板數(shù)，則為操作型計(jì)算。（2） 回流比（Reflux ，若輸入此值，則為設(shè)計(jì)型問(wèn)題。直接輸入數(shù)值，表示實(shí)際回流比；輸入負(fù)的數(shù)值，表示回流比與最小回流比的比值。2、關(guān)鍵組分回收率 ( Key component recoveries )（1）輕關(guān)鍵組分在餾出物中的回收率餾出物中的輕關(guān)鍵組分/進(jìn)料中的輕關(guān)鍵組分，（2）重關(guān)鍵組分在餾出物中的回收率餾

17、出物中的重關(guān)鍵組分/進(jìn)料中的重關(guān)鍵組分3.2.2 DSTWU 計(jì)算選項(xiàng)1、生成回流比理論板數(shù)關(guān)系表 ( Reflux ratio vs. Number of theoretical stages )2、計(jì)算等板高度 ( Calculate HETP （針對(duì)填料塔計(jì)算）典型例題 ：ethylbenzene30%wstyrene70%w F=1000kg/hrP=0.025MPa、T=30 C ）用精餾塔（塔頂壓0.02MPa 、塔底壓0.03MPa）分離，要求99.8%的乙苯從塔頂排出，99.9%的苯乙烯從塔底排出，采用全凝器。求：（1）Rmin，NTmin，R=1.5 Rmin 時(shí)的 、NT

18、和 NF。（2）繪制示例（1）的 NTR 關(guān)系圖，根據(jù)該圖選取合理的R 值，求取相應(yīng)的 NT、NF、冷凝器和再沸器的溫度和熱負(fù)荷9。（1）過(guò)程：1011結(jié)果：12（2） 3.3.1 RadFrac 模塊同時(shí)聯(lián)解物料平衡、能量平衡和相平衡關(guān)系，用逐板計(jì)算方法求解給定塔設(shè)備的操作結(jié)果。3.3.2 RadFrac 模塊用于精確計(jì)算精餾塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分離能力和設(shè)備參數(shù)。3.3.3 RadFrac 連接RadFrac 模型的連接圖如下：3.3.4 RadFrac模型設(shè)定RadFrac 模型具有以下設(shè)定表：1Configuration） 2Streams） Pressure） 4Conde

19、nser）135、再沸器（Reboiler） 6、三相（3-Phase）3.3.5 RadFrac 配置1、塔板數(shù)（Number of Stages）2、冷凝器（Condenser）冷凝器配置從四個(gè)選項(xiàng)中選擇一種：(1) 全凝器（Total）部分冷凝-汽相餾出物（）部分冷凝-汽相和液相餾出物（）無(wú)冷凝器 (None)3、再沸器（Reboiler）熱虹吸再沸器需要進(jìn)行設(shè)定：1）指定再沸器流量（Specify reboiler flow rate）2）指定再沸器出口條件（ Specify reboiler outlet ）3）同時(shí)指定流量和出口條件（Specify both flow and ou

20、tlet condition ）4）有效相態(tài)（ Phase）5）收斂方法 （Convergence)6）操作設(shè)定 （Operation Specifications)3.3.6 RadFrac 結(jié)果查看計(jì)算結(jié)果從三部分查看：1、結(jié)果匯總（Results summary）結(jié)果匯總給出塔頂（冷凝器）和塔底（再沸器）的溫度、熱負(fù)荷、流量、回流比和上升蒸汽比等參數(shù)，以及每一組份在各出塔物流中的分配比率。2、分布剖形（Profiles）分布剖形給出塔內(nèi)各塔板上的溫度、壓力、熱負(fù)荷、相平衡參數(shù)，以及每一相態(tài)的流量、組成和物性。據(jù)此可確定最佳加料板和側(cè)線出料板位置。3、流股結(jié)果（Stream results

21、）流股結(jié)果給出進(jìn)出的所有流股的工藝和物性參數(shù)。典型例題 ：通過(guò)精餾塔來(lái)分離甲醇和水的混合物。進(jìn)料組成為水 36.8 120000 1b/hr，壓力為19psi（1psi=6894.76Pa相分率為 0 38 塊塔板，進(jìn)料在第23 塊板上（注意，根據(jù)Aspen Plus 的定義，冷凝器為 1板，所以進(jìn)料板應(yīng)該是第 24 16.1psi ，塔頂為全凝器，蒸出流率為 39885 1b/hr，回流比為1.3。選用NRTL-RK物性方法。14確定再沸器和冷凝器的熱負(fù)荷做出氣相、液相中水和甲醇的組成曲線要使塔頂蒸出甲醇的純度為 99.95% 99.90%若蒸出率在 2500055000 lb/hr 之間，

22、回流比在0.82.0 之間變化。求計(jì)算結(jié)果。給定每塊踏板的莫福利效應(yīng)為 65%，假定再沸器的板效率為 90%記錄冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷。151）冷凝器熱負(fù)荷再沸器熱負(fù)荷16（2）液相圖氣相圖17（3）冷凝器 回流比 1.25755013再沸器 回流比 0.6696191618(4)冷凝器 熱負(fù)荷-13711.59kw再沸器 熱負(fù)荷 14327.0027kw193.3.7 RadFrac 設(shè)計(jì)指標(biāo)RadFrac 模型帶有內(nèi)部的設(shè)計(jì)指標(biāo)功能，通過(guò) Design Specs和 兩組參數(shù)進(jìn)行設(shè)定?？梢栽O(shè)定多個(gè)指標(biāo)參數(shù)和多個(gè)變化參數(shù)，但要注意兩者間的依賴關(guān)系和自由度必須吻合，否則不能收斂。3.3.8 R

23、adFrac 塔板效率RadFrac 模型可以設(shè)定實(shí)際塔板的板效率(Efficiencies)。用戶可選用蒸發(fā)效率Efficiencies) 或墨弗里效率(Murphree Efficiencies)，并選擇指定單塊板的效率，單個(gè)組分的效率，或者塔段的效率。3.3.9 RadFrac 報(bào)告選項(xiàng)Report）中有一項(xiàng)對(duì)塔板設(shè)計(jì)非常重要，即性質(zhì)選項(xiàng)（Property options）里的包括水力學(xué)參數(shù)（Include hydraulic parameters）選項(xiàng)。另外剖形選項(xiàng)（Profile options）里包括哪些塔板（Stages to be included in report）也很有用

24、。3.3.10 RadFrac 塔板設(shè)計(jì)塔板設(shè)計(jì)（Tray sizing）計(jì)算給定板間距下的塔徑，共有五種塔板供選用：1、泡罩塔板（Bubble ）2、篩板（）3、浮閥塔板（Glistch Ballast）4、彈性浮閥塔板（Koch Flexitray）5、條形浮閥塔板（Nutter Float 3.3.11 RadFrac 塔板核算塔板核算（Tray rating）計(jì)算給定結(jié)構(gòu)參數(shù)的塔板的負(fù)荷情況，可供選用的塔板類型與“塔板設(shè)計(jì)”中相同。“塔板設(shè)計(jì)”與“塔板核算”配合使用，可以完成塔板選型和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。3.3.12 RadFrac 填料設(shè)計(jì)Pack sizing）計(jì)算選用某種填料時(shí)的塔徑，共有 40 種填料供選用，在此僅介紹 5種典型的散堆填料和 5 種典型的規(guī)整填料：5 種典型的規(guī)整填料：1、帶孔板波填料（MELLAPAK）2、帶孔網(wǎng)波填料（CY）3、帶縫板波填料（RAL