工业系统流程模拟利器--ASPEN+PLUS

第１９卷第２期电站系统工程ｖ０１－１９Ｎｏ?２１塑兰！旦翌竺！：壁竺坠！！型坚———尘堕型Ｌ文章编号：１００５—００６ｘ（２００３）０２—００５６一０３

工业系统流程模拟利器——ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ４

东南大学赵琛琛

摘要：流程模拟软件的功效在于依托精确的模型、科学的计算方法对单元和系统进行计算和高效的优化｛殳计．在已经开发成功的模拟软件中．ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ是比较先进的，在大型化工和热工系统模拟中更展现了它的优势．概括介绍了这款软件的功能和使用方法．

关键词：ＡｓＰＢＮ；流程模拟；工业应用软件

中图分类号：ＴＰｌ５文献标识码：Ｂ

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Ｋｅｙｗｏｐｄｓ：ＡＳＰＥＮ；ｎＯｗｓｈｃｃｔ

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ｌ软件简介

ＡｓＰＥＮＰｕＴｓ是一款功能强大的化工模拟软件包。最初

的版本是在１９８７年由ⅦＴ为美国能源部编写的。老版本的

ＡｓＰＥＮ需要用户自己编写包括完整过程定义的输入文件。

改进后的ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ增加了可视化界面，使得软件的运

行环境变得更为友好．它能够建立准确的模型，使用严格的、

科学的计算方法，进行单元和全过程的计算，用以对现有的

装置的优化操作和进行赢建、改造装置的优化ｉ殳计。

该软件包拥有强大的物性数据库，包括无机物、有机物、

强电解质、固体、燃烧物等多种物性参数；具有灵活且便于

计算的单元操作模块；提供友好的图形化界面。ＡＳＰ矾

ＰＬｕｓ提供３种过程来进行模拟：除了有内置的单元操作模

型外，还有用户自己定义的Ｆｏｌ玎ＲＡＮ模块以及设计规定

（ｄｃｓｉｇｎ—ｓｐｅｃ墒ｃ撕ｏｎ）。在整个ＡｓＰＥＮ流程中，除了可以

处理物流外，还可以给模块设定功流和热流，既可以模拟质

量平衡也可以确保整个系统的能量平衡．并且通过物性分析，可以获得物流组分、温度、压力及热负荷参数，从而预测所选模型、物流类型、物性方法的正确性．

由于其方便的模块化漉程和用户端的良好控制，ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ软件尤其适合对全系统的综合模拟、计算和分析；较为简单地即可完成流程的改变和模型变更，为系统提高总效率和经济性的优化改良提供了高效的途径。

２软件功能殛使用

下图为ＡｓＰＢＮＰｕ腮的主界面，使用该工作页面可建立、显示模拟流程图及Ｐ印－ｓ咖绘图。从主窗口可打开其他窗口，如绘图窗口（Ｐｌｏｔ）、数据潮览窗口∞ａｔａＢＩＤｗｓ哪。

收稿日期：２００２—０６－ｌｌ

赵琛骡（１９７８．），女，硬士生．热能工程研充所．２１００９６

’国家重点基础研究麓甓规划赍助项目（１９９９０２２１０５３３）其中Ｄ啦Ｂｒｏｗｓｅｒ（数据浏览器）是ＡｓＰ斟ＰＬｕｓ主运行环境中最重要的一个页面。它具有已经定义的可用的模拟输入，结果和对象的树状层次图。用ＤａｔａＢｒｏｗｓｅｒ按钮打开此页面可以看到在运行类型的下拉条中有６个不同的选项。ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ几大主要的功能基本上可以通过直接选择不同的运行类型来实现，除外也可以在ＤａｃａＢｍｗｓｅｒ页面中的其他选项设定中完成。下面就着重介绍这款流程模拟软件的六个主要功能：建立基本流程模拟模型、灵敏度分析、设计规定、物性分析、物性估计以及物性数据回归。

２．１基本流程模拟

Ｆｌｏｗｓｌｌｅｃｔ是ＡｓＰＢＮＰＬｕｓ最常用的运行类型。可以使用基本的工程关系式，如质量和能量平衡、相态和化学平衡以及反应动力学去预测一个工艺过程。在ＡｓＰＥＮ的运行环境中，只要给定合理的热力学数据、实际的操作条件和严格

的ＡｓＰＥＮ平衡模型，就船够模拟实际装置的现象，帮助你

第２期赵琛琛等：工业系统流程模拟利器一ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ５７

设计更好并优化现有的装置和流程，提高工程利润。

（１）定义流程。ＡｓＰＥＮ中用单元操作模块来表示实际装置的各个设备。主要的分类是：混台器，分流器，分离器、换热器、蒸馏塔、反应器、压力变送器、手动操作器、固体处理装置、用户模型。选择相应合理的模型对于整个模拟流程是至关重要的。Ｊ三｛热工模拟中最为常用的ＲＥ～㈣模块为例：

ａ．以物料平衡为基础：Ｒｙｉｅｌｄ一收率反应器，只要求物料平衡，不要求原子平衡；人口物料不全部所知、但出口

物料全部知道的反应器。Ｒ啦ｄｒ—化学计量反应器，原子和质量都平衡：可用于计算和规定反应热．

ｂ．以平衡为基础：Ｒｃｑｕ丑——平衡反应器，不考虑反应动力学，单个反应能达到严格平衡；可用在有许多组分、已知一些反应和参加反应的一些相关组分的情况。Ｒｇｉｂｂｓ．吉布斯反应器，由于许多组分参与反应而不知道确切的反应以及反应数量：它也是处理圃液汽相平衡的唯一唧ｃｎ模块。

ｃ．以动力学为基础：有Ｒ鼯奸、Ｒｐｌｕｇ、Ｒｂａｌｃｈ模块。

按照所模拟反应器的特点加以选择．定义的步骤是：选择单元操作模块将其放置到流程窗口；用物流、热流和功流连接模块；最后检查流程的完整性。

（２）计算全局信息的规定。包括本模拟的说明、运行类别、平衡要求、全局温度压力限制、物流类及子物流、度量单位选择以及最终的报告形式规定等。

（３）规定组分。ＡｓＰＥＮ拥有强大的物性数据库，除了标准内置的效据库以外，在你的环境中还可以使用自己的数据库。组分规定即定义模拟流程所涉及到的所有物质。共有

３种类别的组分：常规组分（指气体和液体组分或溶液中的固体电解质盐，Ｍ嘞子物流中）、常规惰性固体（ｃＩ固

体．这类组分有分子量，对相平衡和盐的析出，溶解不起反应；可以参与由咖Ｂｓ单元操怍模型模拟的化学平衡，ｃｌｓＯｕＤ子物流中）以及非常规固体（组分是不均匀物质并且没有分子量，ＮｃＳ０ｕＤ子物流中，最典型的为煤炭）。

（４）选择物性方法．所有的单元操作模型都需要性质计算而生成结果。我们可能需要计算热力学性质、或者是传递学性质又或者是非成规组分的焓。选择正确的性质方法不仅可以达到我们模拟的目的，而且方法的适合程度更决定了模拟结果的精确度。

可在全局中使用一种物性方法称为全局物性方法；可在不同的流程段中使用不同的物性方法称为局部物性方法。物性方法由计算路径（即路线：Ｒｏｕ把）和物性方程（即模型：Ｍｏｄｄ）来定义，它决定怎样计算物性。但在大多数情况下，内置的物性方法足以满足绝大多数应用，也就是说不必对这些具体的组成作修改就能适用于我们的模拟。但要是想对物性方法做高级修改，则必须摘清楚物性方法、模型和路线这几个比较饶人的概念。要完成这些变化，在ＤａｔａＢｒｏｗｓｅｒ的左屏中，双击Ｐｒｏｐｅ唧Ｍｃｔｈ。ｄ文件夹。以下图为例。

性质（Ｐｍ】）ｅｒｔｙ）ＧＬ是液体纯组分摩尔吉布斯自有能，它是ＲＫｓ－ＢＭ物性方法中一个主要性质。默认的求解路线是Ｇ工∞，采用的是Ｒｅｄｌｊｃｂ－Ｋ唧ｇ—ｓｏａｙｅ模型。ＡｓＰＥＮ中

的每种物性都有大于一种的求解方法，这种为计算一个性质的模型和方法的不同组台形式就叫做路线。如上图中的下拉条中列出了计算性质ＧＬ的路线。每种路线都对应了不同的模型。而所谓模型就是计算～个性质的一个或多个方程，并且把状态变量、通用参数和羌联式参数作为输入变量。你可以创建新的路线，即用不同于基本物性方法的其它方法及其中所涉及到的其他模型来计算你所需要的物性值。

（５）规定物流。对已知状态的模块间的物流进行温度、压力、流量等参数的设定。如果已知物流粒子尺寸分布及流程中存在非常规组分时也需要在这里进行额外设置。

（６）单元操作模型的参数设置。即对模块所处的物理环境进行设置，连接物流裙态、自身温度、压力及传热量等。

（７）运行模拟程序，生成报告。

２．２夏敏度分析

此功能在Ｄａ￡ａＢＩＵｗｓ盯页面下的ｓ曲ｓｉｄ“哼Ｆ０皿表单中设定。其目的是测定某个变量对我们的目标值的影响程度．分别定义分析变量（ｓａｍｐｌｅｄｖａｒｉａｂｌｅｓ）和操纵变量（ＭａＩＩｉｐｔｌｌａｔｅｄｖａｌｄａｂＪｅｓ），设定操纵变量的变化范围，运行即可。这一功能可以直观地看到哪—个变量对于目标值起着关键性的作用。

２．３设计规定

在灵敏度分析的基础上，当确定了一个关键因素，并且希望它对系统的影响达到—个所希望的精确值时，就可通过设计规定来实现。因而除了要设置分析变量和操纵变量外，还要设定出—个明确的希望值。ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ就是这样让以前繁琐的实验求证过程变得如此简单。设计规定产生必须迭代求解的回路，除外带有再循环回路的模块本身也需要循环求解．对于这样的一个流程，需按以下３个步骤来执行：（１）选择撕裂流股。一股撕裂流股就是由循环确定的组分流、总摩尔流、压力和焙的循环流艘。它可以是一个回路

中的任意一股流股。

电站系统工程２００３年第１９卷

（２）定义收敛模块使撕裂流股、设计规定收敛。由收敛模块决定如何对撕裂流殷或设计规定控制的变量在循环过程中进行更新。

（３）确定一个包括所有单元操作和收敛模块的次序。

当然，如果既没有规定撕裂流股，也没有规定收敛模块和顺序，ＡｓＰＥＮ会自动确定它们。

２．４物性分析

在运行流程之前．确定各组分的相态及物性是否和你所选择物性方法相适应是很重要的。物性分析功能就可以帮你解决这样的要求。如果你对某种物质的各种物理属性不是很清楚．想借助ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ强大的物性数据库来获得这样的信息，物性分析也能帮你做到．

可通过３种方式使用物性分析：单独运行即在运行类型中就设置为Ｐｆｏｌ搬ｔｙＡｎａｌｙｓｉｓ；在流程图中运行；在数据回归中运行。可使用ＴＯＯＬ菜单下的ＡＩＩａｌｙｓｉｓ命令来交互生产物性分析．也可在ＤａｔａＢ∞ｗｓｅｒ的Ａｎａｌｙｓｉｓ文件夹中使用窗口手动生成。进行物性分析的对象包括：纯组分物性、二元系统物性、三元共沸曲线图以及流程模型中的物流物性等。２５物性估计

ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ在数据库中为大量组分存储了物性参数。如果所需的物性参数不在数据库中时，可以直接输入，用物性估计进行估计．用数据回归从实验数据中回归。与物性分析一样物性估计也有３种运行方式．单独使用时运行类型中设置为Ｐｒｏｐ叫ｙＥｓｄｍａｄ锄即可。估计物性所必需的参数有：标准沸点温度（ＴＢ）、分子量（Ｍｗ）和分子结构。另外由于估计选项设定的不同，还可能要对纯组分常量的参数、受温度影响的参数以及二元参数、ＵＮＩＦＡｃ参数进行规定。总之，为了获得最佳的参数估计，应尽可能地输入所有可提供的实验数据。

２．６物性数据回归

通过这一功能，你可以用实验性数据来确定ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ模拟计算所需的物性模拟参数，ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ数据回归系统将物性模型参数与纯组分或多组分系统测量数据相拟合。你可以输入任何实验物性数据，如：汽一液平衡数据；液一液平衡数据；密度值ｉ热容值；括度系数值。

数据回归系统会基于你所选择的物性或数据类型，指定～个合理的标准偏差的缺省值。如果你知道数据的标准偏差，最好自行设定，以提高准确度。回归的结果在ＤａｔａＢｍ啪ｃｒ页的Ｒｅｇｒｅｓ时ｏｎ文件夹的Ｒｃｓｕｎｓ中检查。如果回归参数的标准偏差是零，或是均方根残差很大这都说明回归的结果不令人满意。这时，你需要将数据绘制成曲线，查看一下每一个数据点是如何拟合的，查找一下范围之外的数据。

在回归数据合理之后，在流程中使用它们时先将要使用回归结果进行运行的某个模拟的运行类别设为Ｆｌｏｗｓｈｅｅｔ，然后打开１ｂｏｌ菜单的ｏｐ畦ｏｎ选项，在ｃｏ唧仰曲ｔＤ搬表页中选择将回归结果和估算结果复制到物性表的复迸框即可。２７关于ＦＯＲｌｌｔＡＮ模块

当然除了这些强大的功能而外，为了模拟的准确性你可以编写外部用户Ｆ０矾ＲＡＮ子程序，这使得ＡｓＰＥＮ的使用更加友好、灵活。在你编译这些子程序后，模拟运行时会动态地链接它们。建立一个Ｆ（玳ｒＲＡＮ块，首先当然是定义流程变量，输入Ｆ０髓ＲＡＮ语句，并且指定执行的时间．可以是在某个模块前或后，也可以是整个流程的开始处和末尾，由用户自行定义。

以一个简单的湿煤干燥为例，选用Ｒｓｃｏｉｃ反应器，希望干燥达到的效果是碳的水分含量降为１０％。因为在ＡｓＰＥＮ中作为出口的物流是无法设置参数的，则我们的干燥指标就必须用Ｆ讲ａＲＡＮ块来加入，且其位置应该位于干燥模块前，以决定其转化比例。流程图及Ｆ（垠删变量定义面面如下图。

其中的Ｆ０砌ｒＲＡＮ语句为：

Ｈ２０ＤＲＹ＝１０．０；

ＣＯＮＶ＝（｝１２０ＩＮ—Ｈ：ｏＤＲＹｙ（１００一Ｈ２０ＤＲＹ）。

其中：ＨｚＯＤＲＹ：出口于煤水分古盈；Ｈ２０ＩＮ：进口湿煤水分含量；ｃＯＮＶ：干燥器模块ＲｓｌＤＩｃ反应转化率。

３软件的应用

ＡｓｐｃｎＰｌｕｓ是ＡｓｐｅｎＴｅｃｈ公司开发最早的稳态模拟软件。早在八十年代初已开始商品化，经过十几年经验及不断增补完善．已成为世界性标准流程模拟软件，也是目前国际上功能最强的商品化流程模拟软件。我国的用户目前有几十个，多以大型化工单位以及冒家级科研单位为主，如大庆集团公司、燕化公司、国家电力公司西安热工研究院等．在模拟大型化工系统和电站系统中，这款软件系统流程设计的优势得到了充分地验证。相信不久的将来，ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ将被越来越多的国内用户所接受，在流程模拟领域发挥它更大的作用。口

参考文献

［ＩｌＡｓＰＥＮＰＬｕｓ用户指南【Ｍ】．

【２】ＡｓＰＥＮ邮物性方｝击和模型Ｍ．

口】Ｂｕｎ匝ⅡｇｎｄＲ岫ⅡｉⅡｇａ

Ｐｒｏ粥ｓＭｏ如ｌ，ＡＳｐＥＮＰｕＪｓＭ

编辑：霄珉

工业系统流程模拟利器--ASPEN PLUS

作者：赵琛琛

作者单位：东南大学

刊名：

电站系统工程

英文刊名：POWER SYSTEM ENGINEERING

年，卷(期)：2003,19(2)

被引用次数：30次

参考文献(3条)

1.BuildingandRunningaProcessodelASPENPLUS

2.ASPENPLUS物性方法和模型

3.ASPENPLUS用户指南

引证文献(30条)

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3.卢泽湘.范立维.廖益强Aspen Plus在《分离工程》教学中的应用[期刊论文]-福建农林大学学报（哲学社会科学版） 2010(5)

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10.杨光辉化工流程模拟技术及应用[期刊论文]-山东化工 2008(8)

11.杨光辉化工流程模拟技术及应用[期刊论文]-山东化工 2008(8)

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13.孙红先.赵听友.蔡冠梁化工模拟软件的应用与开发[期刊论文]-计算机与应用化学 2007(9)

14.赵晓军.陈伟军.杨敬一.徐心茹常减压负荷转移技术加工不同原油的优化[期刊论文]-计算机与应用化学

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15.赵晓军.陈伟军.杨敬一.徐心茹常减压负荷转移技术加工不同原油的优化[期刊论文]-计算机与应用化学

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18.李伟两段式气化工艺的热模实验研究及流程模拟[学位论文]硕士 2007

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21.李恒芳烃联合装置B/T分馏单元扩产改造研究[学位论文]硕士 2006

22.赵晓军常减压蒸馏装置负荷转移技术的模拟与优化[学位论文]硕士 2006

23.吴子良丙烯酸工艺流程的模拟[学位论文]硕士 2006

24.王巍环境压力下吸热燃气轮机循环的基础研究[学位论文]硕士 2006

25.赵晓军.陈伟军.杨敬一.徐心茹用ASPEN PLUS软件模拟优化卡宾达原油常压蒸馏的研究[期刊论文]-炼油技术与工程 2005(11)

26.李进炼油过程系统优化方法及应用研究[学位论文]博士 2005

27.高交运芳烃装置分馏单元操作优化[学位论文]硕士 2005

28.原璐过程模拟软件二次开发接口方法研究[学位论文]硕士 2005

29.陆红玮工程软件在化工单元操作中的应用研究[学位论文]硕士 2005

30.张伏生低压羰基合成生产丁辛醇装置的模拟[学位论文]硕士 2005

本文链接：https://www.wendangku.net/doc/a111673355.html,/Periodical_dzxtgc200302027.aspx