Aspen Plus在化工设计及模拟中的应用

1、Aspen Plus在化工设计及模拟中的应用 (摘自方利国等编计算机在化学化工的应用第九章,化学工业出版社, 2003年Aspen P1us是一款功能强大的化工设计、动态模拟及各类计算的软件,它几乎能满足大多数化工设 计及计算的要求,其计算结果得到许多同行的认可,该软件也和其他软件一样在不断地升级。在美国能 源部的拨款资助下,麻省理上学院化工系有关教授组织了一个由高等学校和企业部门各方人员参加的开 发小组,集中进行新一代化工流程模拟系统的开发,于 1979年初开发成功 Aspen ,并投入使用。 1981年专门成立了一家公司接管了这套系统的继续开发和完善工作,同时软件更名为 Aspen P1u

2、s。它被用于 化学和石油工业、炼油加工、发电、金属加工、合成燃料和采矿、纸浆和造纸、食品、医药及生物技术 等领域,在过程开发、过程设计及老厂的改造中发挥着重要的作用。该软件主要由三部分组成,简述如 下。(1物性在物性部分中包括基础物性数据库、热力学性质和传递物性,下面分别加以介绍。基础物性数据库Aspen Plus 中含有一个大型物性数据库.共含有 32类近 900种纯物质的物性,主要有:分子量、 Pitzer 偏心因子、临界性质、标准生成自由能、标准生成热、正常沸点下汽化浴热、回转半径、 凝固点、偶极矩、比重等。同时还有:理想气体热容方程式的参数、 Antoine 方程的参数、液体焓方程系

3、数。对 UNIQAC 和 UNIFAC 方程的参数也收集在数据库中,在计算过程中,只要所计算的组分在物性 数据库中存在,则可自动从数据库中取出基础物性进行传递物性和热力学性质的计算。燃烧物数据库燃烧物数据库是计算高温气体性质的专用数据库。该数据库含有常见燃烧物的 59种组分的参数, 其温度可高达 6000K ,而用 Aspen P1us主数据库,当温度超过 1500K 以上时,计算结果就不精确了。燃 烧物数据库只适用于部分单元操作模型对理想气体的计算。热力学性质和传递物性在模拟中用来计算传递物性和热力学性质的模型和各种方法的组合共有 43种,主要有:计算理想混合物汽液平衡的拉乌尔定律、烃类混合

4、物的 Chao-Seader 、非极性和弱极性混合物的 Redlich-Kwong-Soave 、 BWR-Lee-Starling 、 Peng-Robinson 。对于强的理想液态混合物的活度系数模型主 要有 UNIFAC 、 Wilson 、 NRTL 、 UNIQUAC ,另外还有计算纯水和水蒸气的模型 ASME 及用于脱硫过程 中含有水、二氧化碳、硫化氢、乙醇胺等组分的 Kent-Eisenberg 模型等。有两个物性模型分别用于计算石油混合物的液体粘度和液体体积。对于传递物性主要是计算气体和 液体的粘度、扩散系数、导热系数及液体的表面张力。每种传递物性计算至少有一种模型可供选择。

5、(2单元操作ASPEN PLUS中共有二十多个单元操作模型。如混合、分割,还包括:间歇反应器、多塔精馏、灵 敏度分析和工况分析模块。间歇反应器用来模拟单相或两相间歇式反应器。反应器可有一个连续进料或一个连续出料。采用缓冲罐的办 法使间歇反应器与模拟流程的稳态物流相连接。多塔精馏用于对多个多级分馏装置相互联接系统的严格模拟。能处理带有侧流汽提、泵循环旁路和外部换 热器的复杂分馏操作。工况分析为了对同一流程作几种操作工况的运行分析,可采用工况分析模块进行模拟外,还要对一系列工 况中的每个工况进行流程模拟。灵敏度分析用户通过给定某一变量作为灵敏度分析变量,通过改变此变量的值模拟出操作结果的变化情况。

6、(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ASPEN PLUS 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。这种输入方式使得专家用户使用起来特 别方便。解算策略ASPEN PLUS 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。所谓设计规定是指用户希望规定某处的变 量值达到定的要求,例如要规定某产品的纯度或循环流股

7、的杂质允许量等。对设计规定通过选择一个 模块输入变量或工艺进料流股变量,加以调节以使设计规定达到要求值。关于循环物流的收敛方法有:威格斯坦法 (Wegstein、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。在物流结果中包括:总流量、强度、压力、气化率、焓、 熵密度、平均相对分子质量及各组分的摩尔流量。9.2 ASPEN PLUS 基本操作9.2.1 ASPEN PLUS 的启动(1 打开控制面板,双击 Aspen Lic

8、ense Manager(见图 9-1 。(2 选择手动(Manual ,点击 Launch ,激活 License Sever(见图 9-2 。(3 在程序菜单中打开 Aspen Plus User Interface,启动 Aspen P1us(见图 9-3 。 (4 在弹出的对话框中,用户可以选择 B1ank simulation(新流程 、 Template(模板 和 using an existing simulation (打开一个已有的流程 (见图 9-4 。(5 确定用户服务器的位置,使用缺省项,按 OK 键,系统出现成功连接的消息框 (见图 9-5 。否则 打开控制面板,重新

9、启动 Aspen License Manager。 (6 系统进入 Aspen Plus主界面 (见图 9-6 。9.2.2模拟流程的设置(1 当选定了合适的单元模块,就可以放到流程区中去。(2 在画好流程的基本单元后,就可以打开物流区,用物流将各个单元设备连接起来。(3 进行物流连接的时候, 系统会提示在设备的哪些地方需要物流连接, 在图中以红色的标记显示。(4 在红色标记处,确定所需要连接的物流,当整个流程结构确定以后,红色标记消失按 Next 按 钮,系统提示下一步需要做的工作。9.2.3 物流数据及其他参数的输入(1 当流程的参数没有完全输入时,系统自动打开数据浏览器 (data br

10、owser使用户了解哪些参数需 要输入,并以红色标记显示。(2 在组分 (component一栏中,输入流程的组分,也可以通过查找功能从 Aspen 数据库中确定需要 的组分。(3 在物性计算方法栏 (Properties-Specification确定整个流程计算所需的热力学方法。(4 设置物流的参数,包括压力、温度、浓度等。设定设备的参数,如塔板数、回流比。(5 当数据浏览器的红色标记没有以后,按 Next 按钮,系统提示所有的信息都输入完毕,可以进行 计算了。9.2.4 结果的输出当 ASPEN 对整个流程计算完毕以后, 存数据浏览器中的结果汇总 (Results Summary中可以看

11、到模拟 的结果, 也可以在物流 (streams中看到输出物流的计算结果。更为详细的内容可通过生成数据文件获取, 该数据文件以文本形式保存,便于其他软件调用编辑。获取数据文件的步骤如下。(1 点击 File ,在其下拉菜单中选取 Export 。(2 在弹出的 Export 对话框中,选择文件的保存类型为“ Report File” 。(3 在文件名中输入文件名,点击保存,就可以在相关文件夹中找到此文件。9.3 Aspen Plus 应用实例9.3.1 甲醇 -二甲醚 -水三元混合物精馏塔模拟首先假设系统已进入 Aspen Plus的主界面,具体过程如下。(1 在单元模块区选择 Columns

12、 ,在它的下层菜单中选择 Radfac (见图 9-7 ,在其弹出的精馏塔图 示中选择第一行中的第三个图例(见图 9-8 。(2 将鼠标移到流程区,并单击,在流程区出现一个塔,将鼠标移到物流、能流区,单击,这时在 塔上出现需要连接的物流 (用红色表示 ,鼠标移到红色标记前后,通过拖动连接上进出单元的物流 (见图 9-9 。如果输入了多余的物流,这时需要将鼠标在左下角的箭头处点击一下,然后利用鼠标选中多余的 物流,技常规的方法删除。该软件中许多有关删除、复制等功能和常规软件有相同之处,在此不再一一 讲述。 (3 当连接单元物流上的红色标记消失后, 表明单元流程己建立, 单击 “ N ” , 系统

13、弹出如图 9-10所示的对话框,在“ Title ”中输入模拟流程名称,在“ Units of Measurement”中选择输入、输出数据的 单位制一般选择米制。(4 单击“ N ” ,系统弹出如图 9-11所示的模拟流程组分对话框,在“ component ID”下分别输 入 1、 2、 3,在对应的“ Formulas ”下分别输入“ H20、 CH4O 、 C2H6O ” ,对前两种物质,系统会自动辨 识, 并自己添上组分名称; 而对于第 3种物质, 由于有多种可能, 系统会弹出让用户作出选择的对话框, 选择二甲醚即可。 (5 单击“ N ” ,系统弹出如图 9-12所示的物流特性估算

14、方法对话框,在对话框中选择“ P-R ”方 法。 (注意:在实际应用中,具体的物流特性估算方法应根据具体的情况,结合热力学知识进行选择,否 则可能出现错误的计算结果 。(6 单击 “ N ” ,系统弹出如图 9-13所示的输入物流基本情况对话框,主要有流量 (8 kmol/hr、压力 (8 kg/sqcm、温度 (30 、摩尔分率(0.4, 0.27, 0.33 。(7 单击“ N ” ,系统弹出如图 9-14所示的塔设备基本情况设置对话框,设置塔板数为 5,冷凝器 的形式为全凝器,回流比为 2,塔顶引出物流量为 2.5 kmol/hr以及其他各参数,再单击“ N ” ,系统弹 出如图 9-1

15、5所示的塔压情况对话框,输入各种压力。 (8点击“ N ” ,输入加料板位置及出料物流的气、液状态,完成所有的设置,输入区的红色标 记消失,数据输入完毕,系统开始计算。计算完成后可以点击“ Result Summary” ,得到如图 9-16所示 的数据。(9在没有计算前,首先要检查一下左边输入物流及各种设置的红色记号是否消除,如果没有, 则需要进行补充:同时,如果认为原来的输入可能有错误,也可以直接点开左边的相关内容,如果左边 的工具栏不存在,则可通过 DATA 菜单,选择相应的内容进行修改。 (10更详细的数据可通过数据文件获取,下面是数据文件中部分重要的数据。 9.3.2 苯与丙烯反应合

16、成异丙苯的反应模拟己知条件如图 9-17所示。 反应器入口温度为 84, 压力为 36psi (1psi=6894.76Pa , 假定反应过程 压降为零,反应产物冷却到 44,进入分离器。计算反应温度及冷却负荷。模拟过程如下。(1首先画出反应工艺流程图。在单元模块区选择 Reactors ,模型为 RSNIC 。(2选 Heat Exchangers,模型为 HEATER 。(3再选 Separators ,模型为 FLASH2。(4将鼠标移到物流区,单击,此时在塔、冷却器、连接进出单元的物流,完成后的流程图见图 9-18。 分离器上出现需要连接的物流。 (5 系统进入模拟流程组分对话框 (如

17、图 9-19 , 在 “ Formula ” 栏下对应输入 C6H6、 C3H6-2、 C9H12-2, 或是在 Component name栏下对应输入 BENZENE 、 PROPYLENE 、 ISOPROPYLBENZENE 。(6单击窗口左边 Properties 下的 specifications ,弹出如图 9-20所示的对话柜,要求输入物流特性计 算方法。在该对话柜中选择 RK-SOA VE 方程。(7单击窗口左边 Streams 的 Input ,弹出如图 9-2l 所示的对话框,要求输入物流基本情况 (流量、温 度、 压力等 。 分别按温度 220 F, 压力 36 psi

18、, 流量 C6H6为 40 1bmol/hr, C3H6为 401bmol/hr进行输入。 (8单击窗口左边的 Blocks 弹出对话框,输入各单元设备基本情况,单击 COOL 的 input ,在右栏 spcecifications 选项卡中输入温度 130F 、 压降 -0.1psi(输入负值, 表示压降为 0.1psi , 详见图 9-22。 RSTOIC 反应器热负荷输入 0,压力输入 0(表示反应器压降为零 ,详见图 9-23。 (9输入反应方程式。点击 Reaction ,再点击 New ,就可以进行别 Edit Stoichiometry。对于反应物系 数取负值, 该反应 BENZENE 为 -1, PROPYLENE 为 -1; 生成物系数取正值, CUMENE 为 1, 详见图 9-24。 (10在 Blocks 下的 SEP 单元,输入压力 1atm 、热负荷 0,见图 9-25。 (11所有参数输入完毕,运行 run 得到模