《综合设计型实验》综合型设计

综合设计型实验实验报告实验名称探索ASPEN在化工单元操作中的应用姓名学号指导教师专业化学工程与工艺实验班级实验地点实验时间成绩青海大学化学工程系1、实验目的1、熟悉并掌握化工单元操作的原理、计算方法以及结果分析；2、熟悉并掌握ASPEN应用软件的操作方法；3、熟悉并掌握ASPEN在化工单元操作中的应用。2、实验原理1ASPENPLUSASPENPLUS是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型流程模拟软件。该项目成为“过程工程的先进系统”（ADVANCEDSYSTEMFORPROCESSENGINEERING，简称ASPEN）,并于1981年底完成。1982年为了将其商品化，成立了ASPENTECH公司，并称之为ASPENPLUS。该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。2精馏一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。精馏操作按不同方法进行分类。根据操作方式，可分为连续精馏和间歇精馏；根据混合物的组分数，可分为二元精馏和多元精馏；根据是否在混合物中加入影响汽液平衡的添加剂，可分为普通精馏和特殊精馏，包括萃取精馏、恒沸精馏和加盐精馏。3换热换热是指两流体间进行的热量传递，是一种属于传热过程的单元操作。换热的目的主要有物料的加热、冷却、汽化或冷凝，以达到或保持生产工艺所要求的温度或相态；热量的综合利用，用待冷却的热流体向待加热的冷流体供热，以提高热量利用率。4传输物质的传输，主要是利用离心泵，离心泵有立式、卧式、单级、多级、单吸、双吸、自吸式等多种形式。其主要的工作原理为离心是物体惯性的表现，这个就是所谓的离心离心泵就是根据这个原理设计的，高速旋转的叶轮叶片带动水转动，将水甩出，从而达到输送的目的。3、实验仪器与试剂由于本次试验主要是运用大型通用模拟系统ASPENPLUS,熟悉其原理、操作方法，以及如何应用ASPEN进行化工单元操作，全部操作是在电脑上完成并查阅相关资料，因此，主要介绍ASPEN的有关方面知识。“如果你不能对你的工艺进行建模，你就不能了解它。如果你不了解它，你就不能改进它。而且，如果你不能改进它，你在21世纪就不会具有竞争力。”ASPENWORLD1997全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是的ASPENPLUS用户。产品特点1、产品具有完备的物性数据库物性模型和数据是得到精确可靠地模拟结果的关键。人们普遍认为ASPENPLUS具有最适用于工业、且最完备的物性系统。许多公司为了使其物性计算方法标准化而采用ASPENPLUS的物性系统，并与其自身的工程计算软件相结合。ASPENPLUS数据库包括将近6000种化合物的参数。（1）纯组分数据库，包括将近6000种化合物的参数。（2）电解质水溶液数据库，包括约900种离子和分子溶质估算电解质物性所需的参数。（3）固体数据库，包括约3314种固体的固体模型参数。（4）HENRY常数库，包括水溶液中61种化合物的HENRY常数参数。（5）二元交互作用参数库，包括RIDLICHKWONGSOAVE、PENGROBINSON、LEEKESLERPLOCKER、BWRLEESTARLING，以及HAYDENOCONNELL状态方程的二元交互作用参数约40000多个，涉及5000种双元混合物。（6）PURE10数据库，包括1727种纯化物的物性数据，这是基于美国化工学会开发的DIPPR物性数据库的比较完整的数据库。（7）无机物数据库，包括2450种组分（大部分是无机化合物）的热化学参数。（8）燃烧数据库，包括燃烧产物中常见的59种组分和自由基的参数。（9）固体数据库，包括3314种组分，主要用于固体和电解质的应用。（10）水溶液数据库，包括900种离子，主要用于电解质的应用。2、产品线比较长，集成能力很强ASPENPLUS是ASPEN工程套件AES的一个组份。AES是集成的工程产品套件，有几十种产品。以ASPENPLUS的严格机理模型为基础，形成了针对不同用途、不同层次的ASPENTECH家族软件的物性支持。如在ASPENPLUS基础上专门为模拟高分子聚合过程而开发的层次产品，已成功地用于聚烯烃、聚酯等过程。ASPENPLUS计算稳态过程的基础上，转入此软件可接着计算动态过程。PETROFRAC专门用于炼油厂的模拟软件。ASPENHXNETASPENPLUS可以为夹点技术软件直接提供其所需要的各流段的热焓、温度和压力等参数。BJAC/HTFS换热器详细设计（包括机械计算）的软件包，ASPENPLUS可以在流程模拟工艺计算之后直接无缝集成转入设备设计计算。ASPENZYQAD这是一个工程设计工作流集成平台，可以供多种用户环境下将概念设计、初步设计、工程设计直到设备采购、工厂操作全过程生命周期的各项工作数据、报表及知识集成共享。ASPENPLUS有接口可与之自动集成。ASPENONLINE在线工具，将ASPENPLUS离线模型与DCS或装置数据库管理系统联结，用实际装置的数据，自动校核模型，并利用模型的计算结果指导生产。3、包含两种算法唯一将序贯SM模块和联立方程（EO）两种算法同时包含在一个模拟工具中。序贯算法提供了流程收敛计算的初值，采用联立方程算法，大大提高了大型流程计算的收敛速度，同时，让以往收敛困难的流程计算成为可能。节省了工程师计算的时间。4、结构完整除组分、物性、状态方程之外，还包含以下单元操作模块对于气/液系统，ASPENPLUS包含通用混合、物流分流、子物流分流和组分分割模块。闪蒸模块两相、三相和四相。通用加热器、单一的换热器、严格的管壳式换热器、多股物流的热交换器。液液单级倾析器，基于收率的、化学计量系数和平衡反应器。连续搅拌釜、柱塞流、间歇及排放间歇反应器。单级和多级压缩和透平。物流放大、拷贝、选择和传递模块。压力释放计算精馏模型，简捷精馏、严格多级精馏、多塔模型。石油炼制分流塔板式塔、散堆和规整填料塔的设计和校核。对于固体系统，ASPENPLUS包含文丘里洗涤器、静电除尘器、纤维过滤器、筛选器、旋风分离器、水力旋风分离器、固体洗涤器、逆流倾析器、连续结晶器等。ASPENPLUS提供一套功能强大的模型分析工具，最大化工艺模型的效益收敛分析自动分析和建议优化的撕裂物流、流程收敛方法和计算顺序，即使是巨大的具有多个物流和信息循环的物流，收敛分析非常方便。CALCULATORMODELS计算模式包含在线FORTRAN和EXCEL模型界面。灵敏度分析非常方便的用表格和图形表示工艺参数随设备规定和操作条件的变化而变化。产品功能ASPENPLUSASPENTECH工程套装软件AES的一个成员，它是一套非常完整产品，特别对整个工厂、企业工程流程、工程实践和优化，自动化有着非常重要的促进作用。自动的把流程模型与工程知识数据库、投资分析，产品优化和其他许多商业流程结合。ASPENPLUS包括数据，物性，单元操作模型，内置缺省值，报告及为满足其他特殊工业应用所开发的功能。如电解质模拟。ASPENPLUS主要功能如下WINDOWS交互界面界面包括工艺流程图形视图，输入数据浏览视图，独特的“NEXT”专家向导系统，来引导用户进行完整的、一致的流程的定义。图形向导帮助用户很容易的把模拟结果创建成图形显示。EO模型方程模型有着先进参数管理和整个模拟的灵敏分析或者是模拟特定部分的分析。序贯模块法和面向方程的解决技术允许用户模拟多嵌套流程。即使很小问题也能很快的、精确的解决。ACTIVEX（OLEAUTOMATION）控件可以和微软EXCEL和VISUALBASIC方便的连接，支持OLE（对象链接和嵌入）功能，比如复制，粘贴或链接。全面的单元操作包括气/液，气/液/液，固体系统和用户模型。ACMMODELEXPORT选项用户可以在ASPENCUSTOMMODELER（ACM）创建模拟模型和编译。编译好的模型可以应用在ASPENPLUS静态模拟中，可以是序贯模块法模式下或面向方程的解决方案的模式下。热力学性质物性模拟和数据是得到精确可靠的模拟结果的关键。ASPENPLUS使用广泛的、已经验证了的物性模型，数据和ASPENPROPERTIES中可用估算方法，它涵盖了非常广泛的范围从简单的理想物性流程到非常复杂的非理想混合物和电解质流程。内置数据库包含有8500种组分物性数据，包括有机物，无机物，水合物和盐类；还有4000种二元混合物的37000组二元交互数据，二元交互数据来自于DORTMUND数据库，获得DECHEMA授权。收敛分析自动分析和建议优化的撕裂物流、流程收敛方法和计算顺序，即使是巨大的具有多个物流和信息循环的流程，收敛分析非常方便。CALCULATORMODELS计算模式包含ADHOC计算与内嵌的FORTRAN和EXCEL模型借口。灵敏度分析非常方便的用表格和图形表示工艺参数随设备规定和操作条件的变化而变化。数据拟合将工艺模型与真实的装置数据进行拟合，确保精确的和有效的真实装置模型。优化功能确定装置操作条件，最大化任何规定的目标，如收率、消耗、物流纯度和工艺经济条件。4、实验步骤与方法本次试验主要是熟悉化工模拟软件ASPENPLUS在化工单元操作中的应用，常见的化工单元操作主要有流体流动过程，包括流体输送、过滤、固体流态化等。其中主要有传热过程，包括热传导、蒸发、冷凝等；传质过程，即物质的传递，包括气体吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等；热力过程，即温度和压力变化的过程，包括液化、冷冻等；机械过程，包括固体传输、粉碎、筛分等。在化工原理的学习中，对各种单元操作均有涉及，依据本次试验的特点，选用连续精馏分离CS2二硫化碳和CCL4（四氯化碳）混合液。根据实验原理，大致可以将本次实验分为一下三个部分精馏、换热、传输，由三个人分工合作完成。1精馏部分泡点进料，流量4000KG/H，组成二硫化碳03（摩尔分数）溜出液组成095，釜液组成0025。常压操作，全塔操作平均温度61C；任务求实际塔板数，两产品的质量流量。2换热部分进塔温度62C，进换热器温度25C，加热介质蒸汽；任务选择蒸汽的进出温度。（可加入换热器的选择）3传输部分任务根据物质特性选择泵的类型和相关应注意的问题，由流量计算出泵的转速。5实验记录运用ASPEN进行实验的整体流程图如下6实验结果与讨论1、精馏部分模拟计算2、输送部分模拟计算（我主要做的是传输过程）（1）建立模型（2）输入相关数据3、换热部分模拟计算（1）建立模型（2）输入相关数据（3）结果7实验结论1有关化工单元操作一个化工产品的生产是通过若干个物理操作与若干个化学反应实现的。长期的实践与研究发现，尽管化工产品千差万别，生产工艺多种多样，但这些产品的生产过程所包含的物理过程并不是很多，而且是相似的。比如，流体输送不论用来输送何种物料，其目的都是将流体从一个设备输送至另一个设备；加热与冷却的目的都是得到需要的操作温度；分离提纯的目的都是得到指定浓度的混合物等。把这些包含在不同化工产品生产过程中，发生同样物理变化，遵循共同的物理学规律，使用相似设备，具有相同功能的基本物理操作，称为单元操作。2，关于ASPENPLUSASPENPLUS是一款功能强大的化工设计、动态模拟以及各类计算的大型通用流程模拟软件，它由美国ASPENTECH公司研发，这一软件经过15年不断改进、扩充、提高，已经历了九个版本，成为全世界公认的标准大型流程模拟软件。ASPENPLUS是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程软件。它为用户提供了一套完整的单元操作模型，用于模拟各种操作过程，从单个操作单元到整个工艺流程的模拟。ASPENPLUS主要由三部分组成（1）物性数据库ASPENPLUS自身拥有两个通用的数据库ASPENCD（ASPENTECH公司自己开发的数据库）和DIPPR（美国化工协会物性数据设计院设计的数据库），以及多个专用的数据库，这些专用数据库结合一些专用状态方程和专用单元操作模块，使得ASPENPLUS软件可使用于固体加工电解质等特殊的领域，拓宽了软件的适用范围。ASPENPLUS具有工业上最适用而完备的物性系统。其包含1773种有机物、2450种无机物、3314种固体物、900种水溶电解质的基本物性参数。计算时可自动从数据库中调用基础物性进行传递物性和热力学性质的计算。此外ASPENPLUS还提供了几十种用于计算传递性质和热力学性质的模型方法。ASPENPLUS中的物性常数估算系统PCES能够通过输入分子结构和易测性质来估算短缺的物性参数。（2）单元操作模块ASPENPLUS中有五十多种单元操作模型，通过这些模型和模块的组合，能模拟用户所需要的流程。除此之外，ASPENPLUS还提供了多种模型分析工具，如灵敏度分析和工况分析模块。（3）系统实现策略对任一模拟系统软件，有了数据库和单元模块之后，还应有以下几项。数据输入。ASPENPLUS的输入是由命令方式进行的，即通过三级命令关键字书写的语段、语句及输入数据对各种流程数据进行输入。输入文件中还可包括注解和插入的FORTRAN语句，输入文件命令解释程序可转化成用于模拟计算的各种信息。解算策略。ASPENPLUS所用的解算方法为序贯模块法，对流程的计算顺序可由用户自己定义，也可由程序自动产生。对于有循环回路或设计规定的流程必须迭代收敛。关于循环物流的收敛方法有WEGSTEIN法、直接迭代法、布罗伊顿法、虚位法和牛顿法等，其中虚位法和牛顿法主要用于收敛设计规定。结果输出。可把各种输入数据及模拟结果存放在报告文件中，可通过命令控制输出报告文件的形式及报告文件的内容，并可在某些情况下对输出结果作图。全世界各大化工、石化生产厂家及著名工程公司都是ASPENPLUS的用户。它以严格的机理模型和先进的技术赢得广大用户的信赖。3，应用ASPENPLUS软件的个人意见及建议1）使用NEXT按钮可以快速输入必须项，但是并不是所有流程只要输入这些就足够，比如主塔的侧线汽提塔的压力、压差非必输项，但是不输入可能引起塔不收敛，塔里木模拟中遇到过这种情况；2）ASPENPLUS自带的HELP文件中，、和推荐看一下，不建议看中文翻译版本；3）根据实际生产过程选择所需模块，在同