化工过程模拟与优化-2

1、 主要内容（主要内容（Contents）一、一、 前言前言 二、二、 化工过程模拟技术概述化工过程模拟技术概述三、三、 化工过程模拟技术的结构与功能化工过程模拟技术的结构与功能四、化工过程模拟技术的热力学方法及选择四、化工过程模拟技术的热力学方法及选择 五、蒸馏过程的计算五、蒸馏过程的计算第二章第二章 化工过程模拟技术的结构与功能化工过程模拟技术的结构与功能第一节第一节 化工模拟系统的结构化工模拟系统的结构4化工模拟系统的结构化工模拟系统的结构 51、Aspen Plus 的物性系统的物性系统 1.1 物性数据库物性数据库n纯组分数据库，有纯组分数据库，有5000多种纯组分的物性数据；多种纯组

2、分的物性数据；n纯化合物数据库，包含纯化合物数据库，包含500种化合物的参数；种化合物的参数；n电解质水溶液数据库，包括约电解质水溶液数据库，包括约900种离子和分子溶质估种离子和分子溶质估算电解质物性所需的参数；算电解质物性所需的参数；n固体数据库，包括约固体数据库，包括约3314种固体的固体模型参数；种固体的固体模型参数；nHenry常数库，包括水溶液中常数库，包括水溶液中61种化合物的种化合物的Henry常数常数参数；参数；6 n二元交互作用参数库，包含涉及二元交互作用参数库，包含涉及5000种双元混合物的种双元混合物的约约40000多个二元交互作用参数；多个二元交互作用参数；n无机物数

3、据库，包括无机物数据库，包括2450种组分（大部分是无机化合种组分（大部分是无机化合物）的热化学参数；物）的热化学参数；n燃烧数据库，包含燃烧产物中常见的燃烧数据库，包含燃烧产物中常见的59种组分和自由种组分和自由基的参数；基的参数；nAspen Plus是世界上唯一获准与是世界上唯一获准与DECHEMA数据库接数据库接口的软件，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。和液液平衡数据，共计二十五万多套数据。 1、Aspen Plus的物性系统的物性系统 71、Aspen Plus 的物性系统的物性系统 1.2 基于

4、状态方程和活度系数方法的热力学模型基于状态方程和活度系数方法的热力学模型 nAspen Plus约有约有40来种基于各类来种基于各类状态方程状态方程、活度系数方法活度系数方法等的热力学模型，除此外还加入了其特有的各类等的热力学模型，除此外还加入了其特有的各类电解质电解质、聚合物、固体模型，加上其他一些专用的焓、蒸发潜热、聚合物、固体模型，加上其他一些专用的焓、蒸发潜热、表面张力等模型。表面张力等模型。n对于一些极性很强的特殊体系，对于一些极性很强的特殊体系，Aspen Plus软件结合实验软件结合实验数据开发一些专用的热力学方法和物性数据包。有氨数据开发一些专用的热力学方法和物性数据包。有氨-

5、水水包、乙烯包、电解质胺包、烟道气处理、甲醛包、乙烯包、电解质胺包、烟道气处理、甲醛-甲醇甲醇-水、水、乙二醇脱水、甲胺包及专用于电解质的乙二醇脱水、甲胺包及专用于电解质的Pitzer数据包等，数据包等，还附有数十种特定电解质还附有数十种特定电解质-水体系的物性数据。水体系的物性数据。81、Aspen Plus 的物性系统的物性系统1.3、高度灵活的数据回归系统、高度灵活的数据回归系统 可使用实验数据求取物性参数，可以回归实际应用中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，包括用户自编的任何类型的数据，计算任何模型参数，包括用户自编的模型。模型。 1.4、

6、性质常数估算系统、性质常数估算系统 当模拟流程中含有缺少实验数据的新化学品时，能够当模拟流程中含有缺少实验数据的新化学品时，能够通过输入分子结构和易测性质（例如沸点）来估算短缺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。例如，可估算活度系数模型中的二元参数的物性参数。例如，可估算活度系数模型中的二元参数。92、Aspen Plus模拟固体系统模拟固体系统 在煤的净化和液化、流化床燃烧、高温冶金和湿法在煤的净化和液化、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冶金，以及固体废物、聚合物、生物和食品加工业中都有固体应用的问题。有固体应用的问题。 As

7、pen Plus中有中有Solid固体性质数据库，它广泛收集固体性质数据库，它广泛收集了约了约3314种纯无机和有机物质的热化学数据；还具有一种纯无机和有机物质的热化学数据；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。机和倾析器。 103、Aspen Plus模拟电解质系统模拟电解质系统 Aspen Plus具有模拟具有模拟电解质过程的功能电解质过程的功能，如酸水汽，如酸水汽提、盐水结晶与蒸发、硝酸生产、湿法冶金、胺净化提、盐水

8、结晶与蒸发、硝酸生产、湿法冶金、胺净化气体和盐酸回收等。气体和盐酸回收等。Aspen Plus提供提供Pitzer活度系数等活度系数等模型可准确、可靠的应用在包括强弱电解质、盐类和模型可准确、可靠的应用在包括强弱电解质、盐类和含有机化合物的电解质系统工业中。含有机化合物的电解质系统工业中。114、Aspen Plus的单元操作模型库的单元操作模型库 nAspen Plus有一套完整的单元操作模型，模型库约由有一套完整的单元操作模型，模型库约由50种单元操作模型构成，可以模拟各种操作过程，由单种单元操作模型构成，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。个原油蒸馏塔的计算

9、到整个合成氨厂的模拟。n单元操作用户可将自身的专用单元操作模型以用户模单元操作用户可将自身的专用单元操作模型以用户模型（型（USER MODEL）加入到）加入到Aspen Plus系统之中，为系统之中，为用户提供了极大的方便性和灵活性。用户提供了极大的方便性和灵活性。nAspen Plus系统采用了先进的数据结构，对于组分数、系统采用了先进的数据结构，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进出口物流数、塔的理论板数以及反应数目均无限制。124、Aspen Plus的单元操作模型库的单元操作模型库换热器换热器5种种(1)、通用加热器、通用加热器HEATER(2)、热交换器、热

10、交换器HEATX(3)、多股物流的热交换器、多股物流的热交换器MHEATX(4)、管壳式换热器、管壳式换热器HETRAN(5)、空冷式换热器、空冷式换热器AEROTRAN134、Aspen Plus的单元操作模型库的单元操作模型库 塔分离塔分离8种种(1)、严格法精馏、严格法精馏RADFRAC; ( 2)、多塔精馏、多塔精馏MULTIFRAC(3)、吸收、吸收; (4)、萃取、萃取EXTRACT; (5)、捷算法设计型精馏、捷算法设计型精馏DSTWU; (6)、捷算法核算型精馏、捷算法核算型精馏DISTL(7)、捷算法多塔精馏、捷算法多塔精馏SCFRAC; (8)、石油炼制分馏塔、石油炼制分馏

11、塔PETROFRAC 144、Aspen Plus的单元操作模型库的单元操作模型库Aspen Plus的分馏是最常用的单元操作模型。的分馏是最常用的单元操作模型。nRADFRAC模型能严格地模拟多级气液平衡操作，包括吸模型能严格地模拟多级气液平衡操作，包括吸收、汽提、有再沸器的吸收和汽提、萃取和共沸蒸馏，以收、汽提、有再沸器的吸收和汽提、萃取和共沸蒸馏，以及高度非理想体系的分馏过程。及高度非理想体系的分馏过程。RADFRAC能严格计算任能严格计算任一塔板上一塔板上两个液相的存在，也可以简单地假设第二液相为两个液相的存在，也可以简单地假设第二液相为纯水。纯水。nMULTIFRAC可以有效地计算互

12、连的多塔分馏系统，如原可以有效地计算互连的多塔分馏系统，如原油蒸馏、减压塔、催化裂化分馏塔、吸收塔、解吸塔油蒸馏、减压塔、催化裂化分馏塔、吸收塔、解吸塔 、空气分馏塔以及有热交换的塔系统。空气分馏塔以及有热交换的塔系统。154、Aspen Plus的单元操作模型库的单元操作模型库Aspen Plus的分馏模型是最常用的单元操作模型的分馏模型是最常用的单元操作模型nAspen Plus有能处理反应的分离模型，该模型可在塔的有能处理反应的分离模型，该模型可在塔的任意塔板处或所有塔板上处理速率控制反应、化学平衡任意塔板处或所有塔板上处理速率控制反应、化学平衡反应，以及气、液相反应。反应，以及气、液相

13、反应。nAspen Plus的简捷算法蒸馏模型具有设计和核算两种型的简捷算法蒸馏模型具有设计和核算两种型式。在不需要高度精确计算的情况下可以使用这些模型式。在不需要高度精确计算的情况下可以使用这些模型。164、Aspen Plus的单元操作模型库的单元操作模型库反应器反应器7种种(1)、产率反应器、产率反应器PYIELD; (2)、化学计量反应器、化学计量反应器RSTOIC(3)、连续搅拌釜式反应器、连续搅拌釜式反应器RCSTR; (4)、活塞流反应器、活塞流反应器RPLUG(5)、两相化学平衡反应器、两相化学平衡反应器REQUIL; (6)、通用相平衡和化学平衡反应器、通用相平衡和化学平衡反

14、应器RGIBBS(7)、间歇式反应器、间歇式反应器RBATCH174、Aspen Plus的单元操作模型库的单元操作模型库反应模型是最常用的单元操作模型反应模型是最常用的单元操作模型n简单的化学计量模型（简单的化学计量模型（RSTOIC）只需要规定化学计量）只需要规定化学计量或反应中一个关键组分的转化率即可应用。或反应中一个关键组分的转化率即可应用。n在已知反应动力学的情况下，可以用更精确的模型，如在已知反应动力学的情况下，可以用更精确的模型，如连续搅拌釜式反应模型（连续搅拌釜式反应模型（RCSTR）或活塞流反应模型（）或活塞流反应模型（RPLUG）。）。185、Aspen Plus的单元操作

15、模型及其主要功能的单元操作模型及其主要功能反应模型是最常用的单元操作模型反应模型是最常用的单元操作模型nRBATCH反应模型可处理单相或两相的动态反应，可选反应模型可处理单相或两相的动态反应，可选用连续进料和出料。用连续进料和出料。nRGIBBS是根据是根据GIBBS自由能极小的基本原理，它能描自由能极小的基本原理，它能描述单相化学平衡、相平衡，也能同时描述化学平衡和相述单相化学平衡、相平衡，也能同时描述化学平衡和相平衡，可以处理固、液多相系统。平衡，可以处理固、液多相系统。196、过程模拟技术应用、过程模拟技术应用1 1、炼油装置（一）、炼油装置（一）n 燃料型和滑油型原油蒸馏装置全流程和单

16、塔模拟计算工艺包。燃料型和滑油型原油蒸馏装置全流程和单塔模拟计算工艺包。n 催化裂化装置分馏和吸收稳定全流程和单塔模拟计算工艺包。催化裂化装置分馏和吸收稳定全流程和单塔模拟计算工艺包。n 延迟焦化装置主分馏塔模拟计算工艺包。延迟焦化装置主分馏塔模拟计算工艺包。n 催化重整装置芳烃抽提（环丁砜为溶剂）模拟计算工艺包。催化重整装置芳烃抽提（环丁砜为溶剂）模拟计算工艺包。n 加氢裂化装置分馏部分模拟计算工艺包。加氢裂化装置分馏部分模拟计算工艺包。n 加氢精制装置分馏部分模拟计算工艺包。加氢精制装置分馏部分模拟计算工艺包。n 炼厂干气、液化气脱硫装置模拟计算工艺包。炼厂干气、液化气脱硫装置模拟计算工艺

17、包。206、过程模拟技术应用、过程模拟技术应用1 1、炼油装置（二）、炼油装置（二）n 气体分馏装置五塔和三塔流程模拟计算工艺包气体分馏装置五塔和三塔流程模拟计算工艺包n 滑油糠醛抽提装置滑油糠醛抽提装置n MTBEMTBE装置装置n 分子筛脱蜡装置分子筛脱蜡装置 n 白油加氢装置白油加氢装置 n 酮苯脱蜡装置酮苯脱蜡装置 216、过程模拟技术应用、过程模拟技术应用石化装置（一）石化装置（一）n 乙烯装置乙烯装置 n 环氧乙烷装置环氧乙烷装置n 乙二醇装置乙二醇装置n 乙苯装置乙苯装置n 苯乙烯装置苯乙烯装置n 丁二烯抽提装置（乙腈为溶剂）丁二烯抽提装置（乙腈为溶剂）n 偏三甲苯分离装置偏三甲

18、苯分离装置n 乙烯汽油加氢装置乙烯汽油加氢装置 n 甲苯加氢生产苯装置甲苯加氢生产苯装置n UOPUOP生产生产PXPX装置装置n 甲苯歧化装置甲苯歧化装置n 二甲苯异构化装置二甲苯异构化装置226、过程模拟技术应用、过程模拟技术应用石化装置（二）石化装置（二）n 苯加氢生产环己烷装置苯加氢生产环己烷装置n 烷基苯装置烷基苯装置n 苯酚苯酚- -丙酮装置丙酮装置n 正戊烷装置（异戊烷、正戊烷、环戊烷三种目标产品）正戊烷装置（异戊烷、正戊烷、环戊烷三种目标产品）n 丙烯直接水合法生产异丙醇装置丙烯直接水合法生产异丙醇装置n 乙烯直接水合法生产乙醇装置乙烯直接水合法生产乙醇装置 n 丙烯羰基化法生

19、产正丁醇装置丙烯羰基化法生产正丁醇装置 n 乙烯直接法生产线性伯醇装置乙烯直接法生产线性伯醇装置 n 丙烯直接氧化法生产丙烯酸装置丙烯直接氧化法生产丙烯酸装置 n 乙腈抽提法生产异戊二烯装置乙腈抽提法生产异戊二烯装置 n DMTDMT装置装置236、过程模拟技术应用、过程模拟技术应用其他装置其他装置n 二氯乙烷、氯乙烯单体装置二氯乙烷、氯乙烯单体装置n 丙烯腈装置丙烯腈装置n 轻烃三甘醇脱水装置轻烃三甘醇脱水装置n 油田气脱硫醇装置油田气脱硫醇装置n 油田伴生气分离正丁烷装置油田伴生气分离正丁烷装置 n 丁辛醇装置丁辛醇装置 n 环己酮装置环己酮装置 n 合成氨装置脱碳、再生合成氨装置脱碳、再

20、生 n 醋酸乙烯装置醋酸乙烯装置 n 聚乙烯醇装置聚乙烯醇装置 n 橡胶溶剂油回收装置橡胶溶剂油回收装置n 甲乙酮装置甲乙酮装置 n MDEAMDEA精制精制 n 甲烷氯化法生产甲烷氯化物装置甲烷氯化法生产甲烷氯化物装置 第二节第二节 稳态过程模拟的解法稳态过程模拟的解法25 稳态过程模拟的解法稳态过程模拟的解法1、序贯模块法（、序贯模块法（Sequential Modular Method)n 特点：模型和解法合二为一特点：模型和解法合二为一n 优点：计算方法易实现，稳定可解优点：计算方法易实现，稳定可解26 稳态过程模拟的解法稳态过程模拟的解法2、联立方程法联立方程法 （Equation-

21、based Method，Simultaneous Method)n 特点：模型和解法分开，对计算方法要求高。一般采用特点：模型和解法分开，对计算方法要求高。一般采用SQP法法Sequential quadratic programingn 优点：快速、灵活的自变量和应变量定义优点：快速、灵活的自变量和应变量定义第三节第三节 进行化工过程模拟的基本步骤进行化工过程模拟的基本步骤28化工过程化工过程模拟的七个基本步骤模拟的七个基本步骤291、在工艺流程图的基础上，简化、归纳、补充、完善形成、在工艺流程图的基础上，简化、归纳、补充、完善形成模拟流程图；模拟流程图；2、模拟流程图是否合理，完整的反映

22、了装置的工艺实质至、模拟流程图是否合理，完整的反映了装置的工艺实质至关重要；若单元过程或流程定义有误，则会导致严重错误；关重要；若单元过程或流程定义有误，则会导致严重错误；步骤步骤1：建立模拟流程图：建立模拟流程图3031 1、缺省单位制为英制；须根据需要定义输入、输出的单、缺省单位制为英制；须根据需要定义输入、输出的单位制；位制； 2、根据需要定义输出报告的输出内容；、根据需要定义输出报告的输出内容； 3、标注项目名称、计算日期、计算人等信息；、标注项目名称、计算日期、计算人等信息；步骤步骤2：定义单位制等总体要求：定义单位制等总体要求32 1、从组分数据库中选择、定义相关的组分；、从组分数

23、据库中选择、定义相关的组分； 2、组分通常有三类：库组分、石油组分和虚拟组分；使、组分通常有三类：库组分、石油组分和虚拟组分；使用最多者为库组分；用最多者为库组分；步骤步骤3：定义组分：定义组分331、根据计算物系的特点，选择适当的热力学方法；、根据计算物系的特点，选择适当的热力学方法；2、热力学方法的选择十分重要，往往是计算成败的关键；、热力学方法的选择十分重要，往往是计算成败的关键；3、选择不当，虽然计算仍可收敛，但结果可能是完全错误、选择不当，虽然计算仍可收敛，但结果可能是完全错误的；的；步骤步骤4：选择热力学方法：选择热力学方法34 输入系统进料的以下数据：输入系统进料的以下数据：温度

24、，压力温度，压力流量，组成流量，组成步骤步骤5：输入物流数据：输入物流数据35 根据不同的单元过程，按照图形界面的要求，输入不同根据不同的单元过程，按照图形界面的要求，输入不同的单元过程数据的单元过程数据。步骤步骤6：输入单元过程数据：输入单元过程数据36仔细阅读、分析计算结果：仔细阅读、分析计算结果：确认计算是否正确、合理；确认计算是否正确、合理；检查有无输入错误；检查有无输入错误；发现流程问题；发现流程问题；提出改进措施；提出改进措施；成功的计算：成功的计算：90以上的时间要用在结果分析上；以上的时间要用在结果分析上；步骤步骤7：计算结果阅读、分析：计算结果阅读、分析第四节第四节 使用使用

25、ASPEN PLUSASPEN PLUS进行工艺过程模拟进行工艺过程模拟38第四节、使用第四节、使用ASPEN PLUSASPEN PLUS进行工艺过程模拟进行工艺过程模拟 1 1、用户界面、用户界面 提供了有关提供了有关ASPEN PLUSASPEN PLUS用户界面的基本信息用户界面的基本信息2 2、 建立模拟模型建立模拟模型 如何使用如何使用ASPEN PLUSASPEN PLUS建立模拟模型建立模拟模型? ?n 建立一个新的运行建立一个新的运行n 选择一个模板选择一个模板n 选择一个运行类型选择一个运行类型n 完成一个运行的输入规定完成一个运行的输入规定n ASPEN PLUS ASP

26、EN PLUS 在线应用库在线应用库n 使用使用ASPEN PLUSASPEN PLUS帮助帮助3940第四节、使用第四节、使用ASPEN PLUSASPEN PLUS进行工艺过程模拟进行工艺过程模拟 3 3、定义流程、定义流程n 创建一个流程创建一个流程n 使用热流和功流使用热流和功流n 使用虚拟物流使用虚拟物流n 检查流程的完整性检查流程的完整性n 修改一个流程修改一个流程n 使用流程工段使用流程工段41第四节、使用第四节、使用ASPEN PLUSASPEN PLUS进行工艺过程模拟进行工艺过程模拟 4 4、计算的全局信息、计算的全局信息 如何规定和改变所有类型的全局信息？如何规定和改变所

27、有类型的全局信息？n 输入全局规定输入全局规定n 替换缺省的模拟选项替换缺省的模拟选项n 度量单位度量单位n 报告选项等信息报告选项等信息42第四节、使用第四节、使用ASPEN PLUSASPEN PLUS进行工艺过程模拟进行工艺过程模拟 5、 规定组分规定组分 在模拟中怎样去定义组分？在模拟中怎样去定义组分？n 规定数据库和非数据库组分规定数据库和非数据库组分n 增加删除和修改组分增加删除和修改组分n 生成电解质组分和反应生成电解质组分和反应n 标识固体组分标识固体组分n 给出常规组分和非常规组分的属性给出常规组分和非常规组分的属性n 规定超临界规定超临界(HENRY)组分组分n 规定规定U

28、NIFAC 官能团官能团n 定义组分组定义组分组436 6、物性方法、物性方法选择接近的物性方法经常是决定模拟结果的精确度的关键步骤。选择接近的物性方法经常是决定模拟结果的精确度的关键步骤。n 什么是物性方法什么是物性方法n 可以采用的物性方法可以采用的物性方法n 选择和建立一个物性方法选择和建立一个物性方法n 规定全局的物性方法规定全局的物性方法n 规定一个流程段的物性方法规定一个流程段的物性方法n 规定局部的物性方法规定局部的物性方法n 定义超临界组分定义超临界组分n 规定游离水相的物性规定游离水相的物性n 在有机相态中水的在有机相态中水的K K 值的专用方法值的专用方法n 规定电解质计算

29、规定电解质计算n 修改物性方法修改物性方法n 非常规组分的物性方法非常规组分的物性方法446 6、物性方法、物性方法 （1 1）、什么是物性方法）、什么是物性方法 物性方法是一批方法和模型，模拟系统用它们计算热物性方法是一批方法和模型，模拟系统用它们计算热力学物性和迁移性质。力学物性和迁移性质。 热力学物性是逸度系数热力学物性是逸度系数K值、焓、熵、吉布斯自由能和值、焓、熵、吉布斯自由能和体积；迁移性质是粘度、热导率、扩散系数和表面张力。体积；迁移性质是粘度、热导率、扩散系数和表面张力。 456 6、物性方法、物性方法 模拟系统提供了多种描述不同状态下用于流体的汽液模拟系统提供了多种描述不同状态