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1-ASPEN+中文 - 第1章

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Introduction to Aspen Plus

概述

课程目标:

介绍流程模拟基本概念和Aspen Plus 功能

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

流程模拟可以理解为对工艺流程进行“模仿”与“拟合”，以计算机应用软件作为工具，去模仿一个过程（反应、精馏、吸收、萃取、换热、结晶等），根据用户给定的过程的条件（温度、压力、流量、设备尺寸），对相应过程进行物料平衡、能量平衡、相平衡及化学平衡的计算，探索能够提高产品产率、降低能耗物耗、改进产品结构的装置工艺条件，发现工艺改进的瓶颈，从而预测生产过程中可能发生的现象，指导科研、设计、生产部门的工作。

流程模拟技术简介

2013年4月11日星期四

Slide 3

Introduction to Aspen Plus 简单的模拟问题

物流PRODUCT 的组成是什么?

REACTOR

FEED

RECYCLE

REAC-OUT

COOL

COOL-OUT

SEP

PRODUCT

2013年4月11日星期四

Slide 4

Introduction to Aspen Plus 简单的模拟问题(续)

Q = 0 Btu/hr Pdrop = 0 psi

C6H6 + C3H6 = C9H12 苯丙烯异丙基苯丙烯转化率为90%

T = 130 F

Pdrop = 0.1 psi

P = 1 atm

Q = 0 Btu/hr

苯: 40 lbmol/hr 丙烯: 40 lbmol/hr

T = 220 F P = 36 psi

使用 RK-SOA VE 物性方法

REACTOR

FEED

RECYCLE

REAC-OUT

COOL

COOL-OUT

SEP PRODUCT

流程模拟计算需要的基本条件：

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus 5

提高收率和产品质量减少装置能耗和物耗延长装置运行周期

安全和环保

装置优化

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

流程模拟辅助解决五大生产问题

如何判断炼化生产装置是否处

于优化的状态下运行

如何为装置扩能改造、技改技

措提供技术支撑

如何使生产装置在现有设备基础上发挥出最大的潜能

如何降低装置能耗，提升装置经济效益

如何在生产装置操作出现异常时快速找到关键因素

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

ASPEN PLUS 简介

A dvanced S ystem for P rocess En gineering （ASPEN ）

1976~1981年由MIT 主持、能源部资助、55个高校和公司参与开发。 1982年为了将其商品化，成立了AspenTech 公司，并称之为Aspen Plus 。

经过30多年不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本,成为业内公认的标准的大型流程模拟软件。

Aspen Plus 是基于序贯模块法(SM)和联立方程法(EO)的大型通用稳态过程模拟软件。

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

Aspentech 系列软件

计划 /研发概念设计工艺设计详细设计施工 /开车操作 / 资产管理

经济评价/投资估算/进度管理

热交换器设计稳态、动态模拟和优化物性数据和模型在线应用工艺知识和数据管理 COMThermo/Aspen Properties/Aspen OLI/DETHERM Hysys/Aspen Plus/Optimizer/Dynamics/Custom Modeler/Aspen WebModels

Hetran/Aerotran

HTFS/Aspen Hetran/Aerotran/Teams

RTO Option/Aspen OnLine

Concept ( DISTIL/HX-Net)/Aspen Split/Pinch/Water/Utilities Pinch/Water/Utilities

Aspen ICARUS Axsys/Aspen Zyqad

Aspen FCC/CatRef/Hydrocracker/Hydrotreater/Traflow/FlareNet

Polymers Plus/Aspen Plus/Dynamics/Custom Modeler

BaSYS (BDK/Process Manuals/Process Tools)/Aspen Plus/Batch Plus/Chromatography/Aspen ADSIM

医药/精细化工石油精制/管道

聚合物工艺合成和分析按功能分类生命周期

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

ASPEN PLUS 能做什么

功能

进行工艺过程严格的能量和质量平衡计算

预测物流的流率、组成和性质

预测操作条件和设备尺寸减少装置的设计时间、进行设计方案比较

帮助改进当前工艺

回答“如果…那会怎么样”的问题

在给定的限制内优化工艺条件

辅助确定一个工艺约束部位

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

流程图（Flowsheet ） ASPEN PLUS 基本概念

模型库（Model Library ）数据浏览器（Data Browser ）

流股（Stream ）

单元操作模型（Block ）物性方法（Property Method ）

直观形象地表示所模拟系统的流程

存放可用单元操作模型的库

页面和表页查看图。具有已经定义的可用的模拟输入、结果和对象的树状层次视图表示模拟中所用的物质流、热量流或功流表示实际装置所用的各个单元操作一批方法和模型。用来计算热力学性质和迁移性质，决定模拟精确性的关键

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

单元操作模型及其主要功能

分离器

热交换器

混合器和分流器 ?HEA TER 加热器 ?HEA TX 热交换器 ?MHEA TX 多股物流的热交换器

?HETRAN 管壳式换热器

?AEROTRAN 空冷式换热器

?HxFlux 热传递计算 ?HTRIXIST 与HTRI 的接口

?MIXER 混合器

?SPLIT 分流器

?FSPLIT 子物流分流

?SEP 组分分离器 ?SEP2 两产品组分分离器

?FLASH2 两相闪蒸 ?FLASH3三相闪蒸 ?DECANTER 液－液倾析器

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

单元操作模型及其主要功能

反应器

压力改变

精馏塔

?PYIELD 收率反应器 ? RSTOIC 化学计量反应器

?RCSTR 连续搅拌釜式反应器

?RPLUG 活塞流反应器 ?REQUIL 两相化学平衡反应器

?RGIBBS 通用相平衡和化学平衡反应器

?RBATCH 间歇式反应器

?PUMP 泵/料浆泵

?COMPR 单级压缩/膨胀机

?MCOMPR 多级压缩/膨胀机

?PIPELINE 多段管线压降

?PIPE 单段管线压降

?V ALVE 阀压降

?RADFRAC 严格法精馏 ?MULTILFRAC 严格法多塔精馏

?EXTRAC 严格法萃取 ?DSTWU 简算法精馏，设计型

?DISTL 简算法精馏，核算型

?SCFRAC 简算法多塔精馏 ?PETROFRAC 石油炼制分馏塔

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

单元操作模型及其主要功能

用户模型

固体处理器

流控制器

?USER 用户模型

?USER2 用户模型

?HIERARCHY 流程分层

?CYCLONE 旋风分离器 ?RSP 静电除尘器 ?FABFL 纤维过滤器

?VSCRUB 文丘里涤气器 ?CRUSH 破碎机 ?SCREEN 筛选机

?HYCYC 水力旋风分离器 ?FILTER 转鼓过滤器 ?CFUGE 离心过滤器 ?SWASH 固体洗涤器 ?CCD 逆流倾析器

?CRYSTALLIZER 结晶器 ?DRYER 干燥器

?MULT 乘法器 ?DUPL 复制器 ?CLCHNG 流股复类器 ?SELECT 物流选择器 ?ANAL YZER 物流分析器 ?QTVEC 热负荷控制器 ?MEASUREMENT 测量器

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

物性方法和模型描述

热力学性质

传递性质

方法分类理想物性方法状态方程物性方法

逸度系数物性方法

专用系统物性方法

常用推荐方法

与煤相关应用

推荐的物性方法

煤的粉碎，研磨

SOLIDS

分离和清洗过滤,旋风分离,沉降，洗涤 SOLIDS 煤燃烧 PR-BM,RKS-BM 煤气化 PR-BM,RKS-BM

煤液化

PR-BM,RKS-BM ，BWR-LS

酸性气体吸收，使用

PRWS,RKSWS,PRMHV2,,RKSMHV2,PSRK,SR-POL AR

焓、熵、吉布斯自由能、逸度系数、体积等粘度、热导率、表面张力、扩散系数等用户可以修改现有的物性方法或建立新的物性方法

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

物性方法选择指南

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

建立模型

已知条件

求解方程组

建立流程图热力学方程

单元操作方程

数学方程

组分数据物性方法

物流数据

单元操作模型数据其它数据

ASPEN PLUS 模拟的流程

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

ASPEN PLUS 的优势

具有最完备的物性系统 ◆一套完整的基于状态方程和活度系数方法的物性模型 (100多种) ◆包括5000多种纯组分的物性数据

◆Aspen Plus 是唯一获准与DECHEMA 数据库接口的软件。该数据

库收集了世界上最完备的气液平衡和液液平衡数据，共计二十五万多套数据。用户也可以把自己的物性数据与Aspen Plus 系统连接。 ◆高度灵活的数据回归系统（DRS ）此系统可使用实验数据求取物性参数，可以回归实际应用中任何类型的数据，计算任何模型参数，包括用户自编的模型。可以使用面积式或点测试方法自动检查汽液平衡数据的热力学一致性。 ◆性质常数估算系统（PCES ）能够通过输入分子结构和易测性质

（例如沸点）来估算短缺的物性参数

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

ASPEN PLUS 的优势

可以模拟固体系统 ◆Aspen Plus 在煤的气化和液化、流化床燃烧、高温冶金和湿法

冶金，以及固体废物、聚合物、生物和食品加工业中都得到了

应用。

◆Aspen Plus 中固体性质数据有两个来源：一是Solid 数据库，

它广泛收集了约3314种纯无机和有机物质的热化学数据；二是和CSIRO 数据库的接口。还具有一套通用的处理固体的单元操作模型，包括破碎机、旋风分离器、筛分、文杜里洗涤器、静电沉淀器、过滤洗涤机和倾析器。此外，Aspen Plus 中所有的单元操作都适合于处理固体，例如闪蒸和加热器模型能计算固体的能量平衡，而反应器模型 RGIBBS 可用最小GIBBS 自由能来判断在平衡状态下是否有固相存在。

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

ASPEN PLUS 的优势

可以模拟电解质系统 ◆许多公司已经用Aspen Plus 模拟电解质过程，如酸水汽提、苛性盐水结晶与蒸发、硝酸生产、湿法冶金、胺净化气体和盐酸回收等。

◆Aspen Plus 提供Pitzer 活度系数模型和陈氏模型计算物质的活度系数，包括强弱电解质、盐类和含有机化合物的电解质系统。这些模型已广泛地在工业中应用，计算结果准确可靠。 ◆电解质系统有三个电解质物性参数数据库：水数据库包括纯物质的各种离子和分子溶质的性质；固体和Barin 数据库包括盐类组分性质；

◆模拟电解质过程的功能在整套Aspen Plus 都可以应用。用户可以用数据回归系统（DRS ）确定电解质物性模型参数。所有Aspen P lus 的单元操作模型均可处理电解质系统。例如，Aspen Plus 闪蒸和分馏模型可以处理有化学反应过程的电解质系统。

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

ASPEN PLUS 的优势

具有完整的单元操作模型库

◆Aspen Plus 有一套完整的单元操作模型，可以模拟各种操作过程,由单

个原油蒸馏塔的计算到整个合成氨厂的模拟。

◆由于Aspen Plus 系统采用了先进的PLEX 数据结构，对于组分数、进

出口物流数、塔的理论板数以及反应数目均无限制，这是Aspen Plus 的一项独特优点，非其它过程模拟软件所能比拟。

◆此外，所有模型都可以处理固体和电解质。单元操作模型库约由50

种单元操作模型构成。

◆用户可将自身的专用单元操作模型以用户模型（USER MODEL ）加

入到Aspen Plus 系统之中，这为用户提供了极大的方便性和灵活性。

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

ASPEN PLUS 的优势

具有快速可靠的流程模拟功能 ◆Aspen Plus 提供流程模拟所需的多种功能，可帮助用户方便地编

写输入文件，快速而可靠地收敛流程，以及进行流程优化计算。这些功能包括：

◆可按流程模拟需要使用在线FORTRAN 语句和子程序。

◆ 可以使用Aspen Plus 的插入模块（Insert ）功能，重复使用流程

模型的某一部分，例如一个酸性气体净化模型，一组物性输入数据。也可以建立用户自已的Inserts ，并存入用户插入模块库（Library ）来应用。

◆可以利用设计规定（Design Specification ）来达到对任何模块计

算的参数所规定的目标值。

2013年4月11日星期四

Introduction to Aspen Plus

ASPEN PLUS 的优势

具有最先进的计算方法

◆Aspen Plus 具有最先进的流程收敛方法

Aspen Plus 具有最先进的数值计算方法，能使循环物流和设计规定迅速而准确地收敛。这些方法包括直接迭代法(Wegstein)、正割法(Secant)、拟牛顿法、Broyden 法等。这些方法均经AspenTech 进行了修正。例如，修正后Secant 法可以处理非单调的设计规定。Aspen Plus 可以同时收敛多股撕裂（Tear ）物流、多个设计规定，甚至收敛有设计规定的撕裂物流。这些特点对解决高度交互影响的问题时特别重要。 ◆Aspen Plus 可以进行过程优化计算

应用Aspen Plus 的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值，以达到任何目标函数的最大值。对约束条件和可变参数的数目没有限制，可以将任意工程或技术经济变量作为目标函数，如利润和生产率。用户在选取操作参数限制范围时，具有很大的灵活性。 Aspen Plus 的一大特点是能将流程模拟和优化同时收敛，这样使得收敛更加迅速而可靠。