用ASPEN进行全流程模拟的一些心得

1、ASPEN PLUS 的学习经验概述入门是初学 aspen plus 软件最重要也是最难的一关。读过手册的人都知道， Aspen plus 的 手册和资料有很多，初学者面对如此之多的资料可能不知如何开始，我认为其中比较重要而 且必读的是 用户指南 ( user guide )、单元操作模型 ( Unit Operation Models )、 物性方法和模型(Physical Property Methods and Models)、物性数据等，如果有一定的英文基础，最好是读英文的，这些在帮助文件中都有。其实一旦入了门，流程模拟软件学习起来就很简单了，很多功能触类旁通很容易就懂了，比 如说，

2、如果知道了 sensitivity , 那么 optimizaiton、desian spec 就很容易了。 大体来说，初学 aspen plus 需要掌握如下三个方面：1 ) aspen plus 能做什么2) Aspen plus 需要什么3) aspen plus 的界面及功能。2. aspen plus 的界面及功能 和学习所有软件一样，首先需要了解软件的环境，也就是界面。我个人认为界面基本上可以 分为两种： 一是流程图窗口 (process flowsheet window), 另外是数据浏览窗口 ( data browser window) 。实际上还应该 再加一个控制面板( co

3、ntrol panel) 窗口，这个窗口也很重要，但这个窗口只 是在流程调试使用，并且涉及的内容初级入门者也不必花太多时间去看，先忽略 。流程图窗口很简单，只要你在工厂干过，看过PFD流程图并且是 windows的用户，就没有什么难得地方，读一下 user guide 知道各菜单及快捷键的功能，很快就能搞定。 数据浏览窗口是 aspen plus 最重要的部分。这也是 aspen plus 区别于画图软件的地方。你 需要在这个窗口中输入所有的已知条件，并且运行后观看运行结果。 其中如下信息是所有的模拟都需要有输入的：1) 组分( components)2) 属性 (properties)3 )

4、物流 (streams)4 )单元操作 (blocks)组分没什么好说的，流程用到什么成分你就输什么成份，aspen plus 内置的数据库包括了1600 多种常用物质(如果需要的组分 aspen plus 中没有用户可以自己扩充，这部份内容不 适合在初级，再后面介绍)。属性是一个难点，高难点，我认为这是考察技术人员模拟水平高低的一个重要点。此内容与 化工热力学关系十分紧密 ，如果你忘了，那么赶紧去研究化工热力学吧，怎么研究快捷的方 法是去 读 aspen plus 的物性模型和方法手册 。3. aspen plus 能做什么Aspen plus 能做什么(以下是个人观点而非 aspentec

5、h 公司官方的解释，也 许有误，欢迎指正)aspen plus 是用来计算平衡态体系数据的软件，这句话的意思有以下几点：（ 1） aspen plus 首先是计算软件。这一点上和其他计算软件（包括我们自己开发 的计算程序）没有区别。 比如我们自己搞一个 srk 方程的计算程序，其核心与 aspen plus 没有什么不同，都只是根据化工热力学，化工原理等公式，输入一些已知条件，然后运行得 到结果而已 。这么说好像 aspen plus 也不过如此而已，其实 aspen plus 是一个功能十分强大的 过程模拟软件。 aspen plus 的强大之处在于： 1）它几乎内建了所有化工过程所涉及的原

6、理 公式 ，也就是说化工专业的课程他全部都包括了； 2）它附带了完善的数据库 ，囊括了所有你 需要去化工手册上查找的数据； 3） 强大的分析工具，比如改变输入会怎样影响输出 aspen plus 已经自带了此类工具，你可以直接使用。正因为如此, aspen plus 可以很方便的计算出大的复杂的流程，这也是它称之为模拟软件的原因。（2）其次 aspen plus 是平衡态体系的软件 。它不是仿真机，所以不是动态模拟软件，并且 所计算的体系都是假设已经达到平衡态，即不考虑时间的作用。比如相平衡计算，只能计算 达到平衡时体系是什么组成，温度压力等是多少， 不能处理非平衡的问题 。（ 3） aspe

7、n plus 还有一个十分有用的功能，就是根据实验数据回归出一些常数供其它地方 使用。 aspen plus 的数据库功能十分强大， 1） aspen plus 由于已经自带了大量的数据库， 并且你可以得到这些数据，那么你就不需要再去查化工手册了。比如，纯物质的比热，临界 点温度，压力等等常数你都可以得到。 2）aspen plus 可以计算得到任意计算物流的几乎所有 的物理性质，比如：密度，比热，湿度等等工艺工程师所关心的数据。但当你的需要的数据在 aspen plus 的数据库中没有时可以根据实验数据回归 出得到。举个常见的例子，如果你在实验室中，测量了水- 乙醇体系在不同压力温度下，汽液

8、平衡时的汽液平衡组成，现在想根据该实验结果得到 wilson 方程的水 - 乙醇参数（虽然这 组参数 aspen 数据库中已经有），那么就可以使用aspen plus 的数据回归功能 （dataregress） 。该功能的用处在于， 如果你的工艺是比较特殊的， aspen plus 的数据库内没有内 置你所研究的体系，那么你就可以先用数据回归功能得到相应的参数，再做模拟。该功能的 具体用法以后再说。4. aspen plus 需要什么前面说过， aspen plus 是一个根据方程计算的软件，那么很明显，是方程必 然需要已知条件才能解出未知数， 所以 aspen plus 需要的是方程的已知数

9、（或已知条件）， 已知数可以多，却不能少，否则方程无解。aspen plus 的方程首先来了解一下 aspen plus 的方程， aspen plus 的方程可以分为三大类：1）热力学方程 ，这是与具体的工艺流程无关的方程，如理想气体方程、nrtl 方程、非理想溶液焓模型方程等等。该类方程为单元操作过程计算提供必要的数据基础。2）单元操作方程 ，如换热器，精馏塔等单元操作过程的计算，涉及到三传一反， 这部分主要是和化工原理有关。3）数学方程， 这部分主要是用来解方程时涉及到的一些数学计算方法，与我们工 程技术人员关系不大。我认为 第一类方程即热力学方程是 aspen plus 的基础 ，建议

10、在 aspen plus 入门 以后要好好的重点的学习一下，精读一遍 aspen plus 物性方法和模型手册。第二类方程 相对而言不是太难，而且我个人认为初学者没有必要去精读，只要熟悉其原理即可。实际上 aspen plus 在其单元操作手册上也并没有写明单元操作模型的方程 。也就是说 aspen plus 的计算模型是“黑箱”的，这就使很多应用 aspen plus 求解问题的人可以得到问题的解， 有时计算解和实际有很好的吻合，但却不知道其机理，这有利也有弊。好处是我们可以不必 关心过程的机理模型，便可以求解问题；缺点是想有更深研究的人，无从知道过程的机理 。 我想这也正是 aspen p

11、lus 的商业秘密所在。对于 aspen plus 的流程计算模式（还有其他模 式如数据回归模式此处不讨论）。这些方程计算你需要输入以下数据：1）流程图2）组分3）物性方法4）起始物流数据：组分、温度、压力（其他物流数据aspen plus 可以计算出来）。5）所有单元操作模型数据（操作条件）6）其他非必要数据，这主要是指如果你使用其他的功能，如设计规定，灵敏 度分析等。单元操作模型 关于流程图，需要特别指出的是单元操作模型。 单元操作模型是一种抽象的过程， 选择哪一个模型， 取决于你有的条件和你所想要求的结果。 单元操作的模型由两个因素决定：1）你有什么已知条件（操作条件）；2）你想得到什么

12、结果。不同的单元操作模型所能计算的和所需要的条件是不同的，具体请参考单元操作模型手 册或者联机帮助。这句话需要灵活运用，我想再深入的讲一点。aspen plus 的单元操作模型虽然与生产实际的设备相对应，但是，操作模型不 等具体设备，它是过程的一种抽象。你想解决的过程是怎样的才能决定你所选择的模型，而 不是由具体的设备决定的。举个比较典型的例子： aspen plus 中有 radfrac 模型是个典型的 精馏塔详细计算模型，基本上可以等同于现实操作的精馏塔设备，模型有冷凝器和再沸器。 曾有人问我，他想计算冷凝器的详细结构该怎么办因为 radfrac 本身没有关于冷凝器的结构 的计算啊。 解决

13、的办法很简单， 你将 radfrac 的冷凝器设为无， 然后在塔顶汽相添加一个 heatx 或者 hetran （换热器）就可以了。而且还有人问精馏塔怎么不能设置全回流呢说实话，我并 不明白有什么精馏塔在正常状态下是全回流操作的，但如果你非要设成全回流也不是没有可 能，用我前面讲的方法，将换热器的出口再返回精馏塔就可以了。物性方法的选择。 对于初学者而言，除非他十分熟悉热力学的内容，否则物性方法的选择确实是个难 点，在你还没有学习过热力学或者精读过 aspen plus 物性方法和模型手册之前，在这里 简要讲一下物性方法。首先要明白什么是物性方法比如我们做一个很简单的化工过程计算：一股100C

14、 , 1bar 的水-乙醇（50 : 50摩尔比，100kmol/h ）的物料经过一个换热器后冷却到 了 80C ,问下面值分别是多少入口物料的密度，汽相分率。换热器的负荷。岀口物料的汽相分率，汽相密度，液相密度。复杂一点，我还可以问物料的粘度，逸度，活度，熵等等。以上的值怎么计算岀来好，我们来假设进岀口物料全是理想气体，完全符合理想气体的行为，则其密 度可以使用 pv=nRT 计算岀来。并且汽相分率全为 1，即该物料是完全气体。 由于理想气体的 焓与压力无关，则换热器的负荷可以根据水和乙醇的定压热熔计算岀来。在此例当中，描述理想气体行为的若干方程，就是一种物性方法（aspen plus 中称

15、 为 ideal property method） 。简单的说，物性方法就是计算物流物理性质的一套方程，一种 物性方法包含了若干的物理化学计算公式。对于本例而言至少包含了如下两个方程：pv=nRTdH=CpdT.实际上，以上是一种最简单的计算方法，但结果误差是很大的。这是因为对于“水- 乙醇”体系在此两种温度压力下，如果当作理想气体来处理，其误差是比较大的，尤其对 于液相。 按照理想气体处理的话，冷却后仍然为气体，不应当有液相出现。那么应该如何计算呢主要涉及以下过程：1 ）对于汽相 pvt 计算，可以使用 srk 方程，从而可以得到密度。液相也可以 使用状态方程计算密度，但此处不推荐使用 ，可

16、以使用 Rackett 模型计算液相密度 。2 ）至于物流的相态，则首先需要做汽液平衡计算。3 ）在进行汽液平衡计算时，液相应用活度系数方程计算组分的逸度系数，并 且还需要使用拓展 antoine 方程计算蒸汽压力。4 ）换热器负荷的计算比较复杂，可以使用进出口物流焓差来计算，那么需要 计算出进出口物流的焓。5 ）焓的计算有多种途径， 对于液相比较常用的方法是计算理想液体混合物焓， 然后再加上过剩焓计算出来。要计算非理想液体混合物过剩焓，则可通过混合物质汽相焓与 蒸发焓差来计算，非理想性比较强是还要考虑混合焓差。由此可见，实际过程至少包含如下公式方程：1）状态方程 srk,2） 液相密度方程

17、rackett.3）拓展 antoine 方程 .4）汽，液相逸度系数方程5）液相活度系数方程6）汽相焓方程，通过srk 方程导出，需要设计纯气体 Cp=f（p,t） 方程。7）液相焓方程，相当复杂，此处不再重复。8）其他方程，包括数学方程，比如以上计算时涉及到了微积分运算，汽液平衡的 回归运算等。以上方程， 如果需要我们用户去一个个选择出来，则是一件相当麻烦的工作，并且 很容易出错。好在模拟软件已经帮我做了这一步，这就是物性方法。对于本例，我们对汽相用了状态方程， srk ；液相用了活度系数方程 （nrtl,wilson, 等），在 aspen plus 中将此中方法叫做活度系数法，如果你选

18、择 nrtl 方程，就称为 nrtl 方法， wilson 方程就成为 wilson 物性方法 （wilson property method） 。这种物性方法中已 经囊括了所有我上面提到的方程公式。在 aspen plus 中（或者应该说在化工热力学中）有两大类十分重要的物性方法， 对于初学者而言，了解到此两类物性方法，基本上就可以开始着手模拟工作了。 大体而言，根据液相混合物逸度的计算方法的不同，物性方法可以分为两大类：状态方程法 和活度系数法。状态方程法使用状态方程来计算汽相及液相的逸度，而活度系数法使用状态 方程计算汽相逸度，但是通过活度系数来计算液相的逸度。常见的状态方程有ideal

19、、srk、pr、Ik方程以及他们的一些改进方程。状态方程法就是基于此类状态方程来计算逸度，压缩因子，焓等等的物性方法。常见的活度系数方程有nrtl、wilson、uni quae等。活度系数法就是基于此类活度系数方程来计算液相逸度，液相焓等的物性方法。一般而言，对于常见的烃类如烷，烯，芳香族，无机气体如O2、 N2 等非（弱）极性的化合物，选用状态方程法；对于极性强的化合物，如水- 醇，有机酸体系选用活度系数法。另外对于汽相聚合的物质，应选用特别的活度系数法，可以计算汽相聚合效应。对于无机电解质 体系，选用 elecnrtl 物性方法。关于更多更详细的物性方法选择请参考物性方法与模型手册。5.

20、 学好 aspen Plus 应具备的先导知识 首先要学好化工热力学、化工原理、分离过程、 过程系统工程 这几课 ，这些基础知识学好后再看 Aspen 的学习资料会比较轻松。另外，学习一点数学方面的知识，在过程系统工程这样的书里是有详细介 绍的。不管学什么，先把基础打好，这是最重要的。关于 Aspen 帮助文档，有三个是必看的 ， user guide ， Physical Property Methods and Models ， Unit Operation Models 。 前面已经强调了热力学模型在过程模拟中的重要 性了，所以务必要掌握好各种物性模型和如何选择。6 推荐学习资料下面两个

21、资料建议初学者看一下，对于学学习 asepn plus 会事半功倍的，一 个是大庆金桥 aspen 教学，“ aspen 金桥演示教程”，另一个是 Aspen plus 塔设计案例。 前者可以使初学者快速熟悉和掌握Aspen plus 的界面与基本操作方法，后者通过一个精馏塔的案例，一步一步引导你学习Aspen plus 做过程模拟的各种功能。用ASPEN进行全流程模拟的一些心得我理解的全流程模拟，比如一个有若干塔、若干换热器的流程，包括许多循环流。在 物性选择正确的基础上，想要收敛顺利，主要靠一步一步来。比如先用简单换热器，而不用详细换热器， 来代替现实的换热网络。 先把塔算通，比 如在塔的

22、设计规定中规定塔顶产品规格、 塔底产品规格， 利用调节重沸器、 塔顶冷却器负荷 来达到目的。此时整个流程的循环只有一重。 如果通过手算给定大概正确的的拨出率， bottom rate 之类的初值；对一些强极性的物性，在塔模型内选择适当的收敛方法。那么计算是相 对容量通过的。 即使不通过也很容易错在什么地方。 因为只是在算一个塔而已。 算通塔只后， 利用计算结果， 除去设计规定， 直接给出相应的重沸器、 塔顶冷却器负荷， 则可以去掉一重 循环。此时流程中所有的换热器实际上只是简单换热器，在 ASPENPLUS就是HEATER可以 利用PINCH抽出各要换热的物流的数据，在PINCH中形成大致的换

23、热网络，即哪个物流与哪 个物流换热，换到多少度。此时可以把流程中的简单换热器一个一个地用详细换热器代替。实际上所有的计算， 尤其有循环流的情况下，好的初值是重要的，而没有初值，就是零值，任何值除零都出错， 任何值乖零都是零。利用PINCH算出大致换热网络时， 可以给出各流股的初值； 而算通了塔， 可以给出各流股的组成； 通过预估压降可以给出在致的压力。 每算通一个换热器以后， 就用 各流股的计算值代替初值，这就是reconsi. 的用处。如果这样还不行的话， 再去修改相应的整个流程收敛设置。 比如 broyton 法就很强大， 就是有时候算出来的东西有点似是而非。总之流程模拟必须一步一步来，

24、很多人不注意这一点， 一下子搭一个很大的流程， 至 少出了错看不出关键问题在哪里。可能跟初学时，做例子的方式有关。另外流程模拟的基础是物性方法的选择， 这是一个难点。 首先要对物性计算有深刻的 理解，比有一本书叫流体相平衡热力学，有很多物性计算方面的概念，可以跟ASPEN的物性指南配合看， 比如对于状态方程之类， 混合规则的选择就非常重要， 而对于气液系统， 不同来源的二元交互参数，往往有相同的计算效果。其次，对要计算的物性系统，总有一定的已出版的物性数据， 在选定物性方法之前， 可以参考别人的选择试算。 最后要仔细读 ASPEN的物性指南，比如SRK任何一本书都说它可以计算烃水系统，但在AS

25、PEN中该物性方法中的OPTION COD中要输入适当值，才能把开启该功能。否则还难得到合理另一方面是取决于另外对基于液液传质， 除非有从实验数据回归来的二元交互参数，的计算结果。实际上一个流程的模拟是否顺利， 一方面是取决对该工艺的理解，理论上的愿不愿意深入学习，比如物性这一块。另外还可以参考各软件附带的例子，都提供了很多二元交互参数、HENRE系数。其实很多观点跟我引用的这个技术人员观点很接近， 我虽然没有实际生产经验， 但是作 为研究生已经做了好几个大型流程的模拟， 上次做了一个流程我那部分就涉及到反应器， 精馏塔，换热器，结晶器等模块，过程实在是非常复杂，做了好几个月才完成（当然其中很

26、多 时候都是收敛好了交给对方，然后他们又觉得哪里他们考虑不够返回重新计算），在此期间也积累了一点经验： 首先全流程的模拟不是你把所有物流， 模块连接再算， 而是应该考虑清 楚大致结构，然后分块进行，其中包括一些模型的简化，如开始换热器可以先用heater 代替，到最后完成流程模拟后改用 heatx ，这样会少很多麻烦；其次是考虑好采用体系的物性 方法， aspen 模拟过程物性方法非常重要， 对于强极性体系， 要采用其比较适用的物性方法， 这样才会计算得准确， 有些人反映有些相平衡数据没有或者焓熵缺失， 这个一个方法就是去 查文献找， 还有就是可以选用与之性质相接近的物质来代替， 这样算出来的结果也有一定的 价值；再次，想说下收敛