AspenPlus高级班石油炼制过程的模拟PPT课件

1、2022年6月25日Aspen Plus高级班石油炼制过程的模拟第1页/共87页2022年6月25日高级精馏在化工领域的应用 RADFRAC单元操作模型的应用、收敛方法和参数的选取； 三相蒸馏、萃取蒸馏、共沸蒸馏和反应蒸馏等特殊蒸馏过程的模拟； 电解质过程的模拟等。 第2页/共87页2022年6月25日石油炼制过程的模拟方法 以一套典型的常减压装置为主线，讲授下列5部分内容：1) 油品馏程分析数据的处理；2) 初馏塔的模拟计算；3) 常压塔的模拟计算；4) 减压塔的模拟计算；5) 计算原油中所含杂质硫在各种产品中的分布。 第3页/共87页2022年6月25日掌握如下新的内容： 1) 石油炼制过

2、程蒸馏单元的模拟步骤； 2) 流程模拟软件中石油馏份的特殊处理方法； 3) 掌握PETROFRAC单元操作模型的使用； 4) 产品中杂质分布的计算。 第4页/共87页2022年6月25日复习：建立流程模拟模型的基本步骤 确定模拟范围，绘制模拟流程图； 将已知条件输入相应表格： SETUP COMPONENTS PROPERTIES STREAMS BLOKS。 运行模拟计算 检查结果第5页/共87页油品分析和虚拟组分油品分析和虚拟组分目标:学习输入石油分析数据, 创建调和组分(油品混合), 以及表征石油馏分Aspen Plus 参考资料: User Guide, Chapter 6, Spec

3、ifying Components User Guide, Chapter 32, Petroleum Assays and Pseudocomponents第6页/共87页2022年6月25日本章概况表征石油流体的挑战油品馏程数据和性质数据的输入蒸馏曲线的转换生成虚拟组分油品调和用户自定义的虚拟组分第7页/共87页2022年6月25日石油的表征 石油是烃类化合物和杂质组成的宽沸程的混合物. 石油或石油馏分的性质取决于它们的组成，但是其组成难以定量分析 石油用虚拟组分(pseudocomponents)来表征, 虚拟组分是蒸馏曲线上较小的片断. 每一个虚拟组分的基本性质由下列关联式来计算: 分

4、子量(MW) 正常沸点(TBP) 重度或者 Watson UOP K第8页/共87页2022年6月25日Assays 和 Blends 组分Assay Data(TBP, D86)PseudocomponentsAssay-1Assay-2BlendPseudocomponents输入输出第9页/共87页2022年6月25日输入油品馏程分析数据1. 在 Data Browser下面, 选择Components, 然后选 Assay-Blend.2. 在 Assay-Blend 目标管理器下, 创建一个 assay 并且提供一个名称(ID).3. 在BasicDataDistCurve表中，输入

5、蒸馏曲线数据.4. 在BasicDataDistCurve表中，输入油品重度，或者在BasicData Gravity/UOPK表中，输入重度曲线或UOPK曲线数据. 虚拟组分将在模拟计算之初自动生成.第10页/共87页2022年6月25日ASSAY组分的表征 输入蒸馏曲线 蒸馏曲线分割为很多个片段 (TBP Cut points) 每一个片段生成一个虚拟组分每一个虚拟组分的性质以下列参数的平均值为基础进行估算： 分子量 (MW) 正常沸点 (NBP) 密度或比重 (API or SG) 虚拟组分的流率在流股结果表中报告.第11页/共87页2022年6月25日Assay组分BasicData

6、DistCurve 表第12页/共87页2022年6月25日重度的规定 油品整体重度 比重 API 重度 重度曲线 比重 API 重度 Watson UOPK 曲线 NBP=(UOPK*SG)3第13页/共87页2022年6月25日Assay组分BasicData Gravity/UOPK 表第14页/共87页2022年6月25日蒸馏曲线 蒸馏曲线类型: ASTM D86, D1160, D2887 实沸点蒸馏曲线 (TBP) (重量或体积基准) 真空蒸馏曲线 (重量或体积基准) 每一个蒸馏曲线至少需要输入4个点. 报告中的蒸馏曲线为: ASTM D86 ASTM D1160 Vacuum (

7、liquid volume)第15页/共87页2022年6月25日 油品分析数据计算程序 Version 9 或更新的版本 Version 8 或更老的版本 蒸馏曲线转换方法 ASTM D86 至实沸点 (True boiling point) Edmister Edmister-Okamota PML D2887 至 True boiling point API87 API94 TBPWT蒸馏曲线计算方法第16页/共87页2022年6月25日 曲线处理选项 初馏点 (Initial boiling point) 0.5% (缺省) 终馏点 (Final boiling point) 99%

8、(default) 外延方法 Probability (缺省) Quadratic 锯齿段拟合方法 Harwell (缺省) Hermite 曲线处理选项在 ComponentsPetroCharacterization AnalysisOptions AssayProcedure表上.蒸馏曲线计算方法 (续)第17页/共87页2022年6月25日 虚拟组分从油品分析数据生成. 你可以规定切割温度或切割片段(窄馏份)的宽度. ComponentsPetroCharacterizationGenerationCuts表上，规定切割温度等. 缺省值是40个切割点:TBP Range(F)100 -

9、 800No. of CutsIncrements(F)800 - 1200 1200 - 160028842550100切割温度第18页/共87页2022年6月25日蒸馏曲线的切割第19页/共87页2022年6月25日虚拟组分性质 用Watson/UOP “K”和API关联式估算： 典型地10 UOPK 13此处10.0 表示芳烃含量很高13.0 表示烷烃含量很高gravityspecific NBPUOPK3第20页/共87页2022年6月25日所生成虚拟组分的命名 ComponentsPetro CharacterizationGeneration 规定命名选项 自动生成的名称可以是:

10、实际计算出来的 NBP (如: PC864F) 沸程下限温度 (如: PC800F) 沸程上限温度 (如: PC900F) 用户选择的顺序号 (如: PC1, PC2 ) 用户定义的名称第21页/共87页2022年6月25日附加的ASSAY组分数据 可选的性质曲线: 轻端组分分析 (light-ends matching) 比重或者API重度曲线 Watson UOPK 曲线 分子量曲线 性质曲线 (多于30种性质) 绝对 & 动力粘度曲线 如果输入油品整体性质，单独的曲线数值被归一到整体性质. 可以应用用户性质曲线第22页/共87页2022年6月25日Assays组分的用户性质曲线 在表格P

11、ropertiesAdvancedUser Properties 上，建立用户性质曲线. 在表格中激活 Assay Curve properties 选项 在 表格ComponentAssay/BlendProperty Curve上，输入用户性质曲线的数据。 对于高度非线性调和现象，如马达法辛烷值，建议使用用户调和子程序。第23页/共87页2022年6月25日性质曲线的流股计算 性质曲线被切割为与虚拟组分同样多的片段。 为每一个片段计算出平均的性质数值 流股的性质数值由虚拟组分以及它们在流股中的浓度做调和计算得出 计算虚拟组分混合物的性质，有各种调和计算选项。第24页/共87页2022年6月

12、25日石油性质的调和 石油性质调和方法: 标准体积 (StdVol) 摩尔 (Mole) 质量 (Mass) 用户 (User) 用于性质计算的用户调和子程序： 用户子程序名称为 BLDPPU. “调和选项”可以规定. 性质可以外延与否.在 Components Petro CharacterizationAnalysis OptionsBlend Options 上，调和规则可以修改。第25页/共87页2022年6月25日Assay(石油)数据库 软件内置的Assay 数据库，包含 194 种石油的分析数据, 其中有:- 来自Phillips 石油数据库的10 种石油 -来自文献的184种石

13、油 在 Component SpecificationsPetroleum表，查找Assay 库文件。和Phillips Petroleum 石油分析数据库的接口，其中收集了超过250种石油的数据 * 需要与Phillips Petroleum签订License协议。第26页/共87页2022年6月25日Assay(石油)数据库 每一种石油至少提供如下信息: 馏程分析 重度 和/或 重度曲线 某些石油有附加的性质曲线: 苯胺点 闪点 凝固点 硫含量 金属含量 硫醇 研究法/马达法 辛烷值 烷烃烷烃 环烷烃环烷烃 芳烃芳烃 雷诺蒸汽压雷诺蒸汽压第27页/共87页2022年6月25日访问Assay

14、数据库第28页/共87页2022年6月25日创建Blends组分通过规定blend 中每个assay 的百分数，由assay创建blend.调和可以是 Mole, Mass, 或 StdVol基准.要创建一个blend，至少规定2个assay组分.一个blend中的 assay的数量没有上限.报告中的蒸馏曲线为: ASTM D86 ASTM D1160 Vacuum (liquid volume)第29页/共87页2022年6月25日输入 Blend组分1. 在数据浏览器 Data Browser, 选择组分 Components, 然后选择 Assay-Blend.2. In the Ass

15、ay-Blend 目标管理器, 创建一个 blend 并且提供名称(ID ).3. 在Mixture Specifications表上，输入各 assay 组分的调和分数. 虚拟组分将在模拟计算之初自动生成.第30页/共87页2022年6月25日Blend组分之 MixtureSpecifications表第31页/共87页2022年6月25日Assay/Blend 结果 Assay/blend 的计算结果 可以在表格 ComponentsAssay-Blend Results查看. 每一个assay 或 blend 组分有自己单独的结果表格(results form).第32页/共87页20

16、22年6月25日GenerationCuts 表格第33页/共87页2022年6月25日虚拟组分的生成 缺省情况, 一套完整的虚拟组分由输入的所有 assay组分生成. 在表格ComponentsPetro Characterization Generation Specifications上，用户可以规定生成虚拟组分时，包括/不包括特别的assay. 只有在表格 GenerationSpecifications上选出的assays和 blends ，才用于生成虚拟组分。 在表格 GenerationSpecifications上未选用的Assays or blends，将不被使用， 它们的I

17、Ds 不在 流股输入表格上显示. 第34页/共87页2022年6月25日虚拟组分命名 虚拟组分的命名约定 计算出的沸点 (例如： PC125, PC136, ) 规定起始编号 切割温度上限 (例如：将225-250F 窄馏份命名为PC250) 切割温度下限 (例如：将225-250F 窄馏份命名为PC225) 用户定义的名称列表 在表格 Components Petro CharacterizationGenerationNaming Options 上，规定命名约定. 如果你要将Aspen Plus 生成的虚拟组分与反应器或者分离模块关联，应使用用户定义的名称列表。第35页/共87页2022

18、年6月25日GenerationNamingOptions表格第36页/共87页2022年6月25日1. 在表格 ComponentsSpecificationsSelection上， 输入组分 IDs 并且选择 Pseudocomponent类型。2.在表格 ComponentsPseudocomponentsSpecifications 上, 至少提供下列参数中的两个： 正常沸点 NBP, 重度 Gravity (Specific gravity, API gravity, or Liquid density), 分子量 Molecular weightAspen Plus 可以估算第3性

19、质.3.可选地, 输入与温度相关的性质数据: 液相粘度 Liquid viscosity 水溶解度 Water solubility 饱和蒸汽压 Vapor pressure定义用户虚拟组分第37页/共87页2022年6月25日虚拟组分规定表格第38页/共87页2022年6月25日虚拟组分物性方法方法名称描述API-METHCOAL-LIQLKAPI-TWUAPI procedureCorrelations for coal-liquid fractionsLee Kesler correlationsAPI procedure with Twu correlationsfor critica

20、l propertiesASPEN (default)API procedure with Aspen modifications注意: 不要将虚拟组分物性方法与流程模拟物性方法混淆， 前者只是用于虚拟组分石油性质参数的计算。第39页/共87页2022年6月25日虚拟组分计算结果 生成的虚拟组分在表格 Components Petro CharacterizationResults上浏览检查。第40页/共87页2022年6月25日表格Analysis OptionsAssay Procedure第41页/共87页2022年6月25日石油性质模型 基本的虚拟组分性质模型 分子量 Molecula

21、r Weight 临界温度 Critical Temperature 临界压力 Critical Pressure 临界体积 Critical Volume 偏心因子 Accentric Factor 饱和蒸汽压 Vapor Pressure 液相摩尔体积 Liquid Molar Volume 水溶解度 Water Solubility 粘度 Viscosity 基本的虚拟组分性质模型可以在表格ComponentsPetro CharacterizationProperties MethodsBasic 上修改。第42页/共87页2022年6月25日石油性质模型 (续)虚拟组分热力学性质模型

22、 理想气体热容 Ideal Gas Heat Capacity 汽化焓 Enthalpy of Vaporization 标准生成焓 Standard Enthalpy of Formation 标准生成自由能 Standard Free Energy of Formation 基本的虚拟组分性质模型可以在表格ComponentsPetro Characterization Properties MethodsThermodynamic上修改.第43页/共87页2022年6月25日石油性质模型 (续)虚拟组分状态方程(EOS)性质模型 RKS Interaction Parameters BW

23、R Orientation Parameter BWR Critical Temperature BWR Critical Volume 基本的虚拟组分性质模型可以在表格ComponentsPetro Characterization Properties MethodsEOS上修改.第44页/共87页2022年6月25日石油交互作用参数 虚拟组分与下列常规组分的交互作用参数Kijs : H2S N2 CO2 CO H2 CH4第45页/共87页2022年6月25日物性方法的修改 用户可以建立自己的虚拟组分石油性质方法. 各种性质的计算模型可以改变. 大多数虚拟组分性质可以应用子程序. 在线帮

24、助中有每一种性质方法的简要说明第46页/共87页2022年6月25日流程模拟计算 在流程模拟计算期间, 不区分虚拟组分和真实组分. 产品流股中的虚拟组分调和在一起，并且生成蒸馏曲线 产品终馏点 (即 D86 95% point) 或者初馏点 (D86 5% point) 可以规定为单元操作的性能指标： 塔内部的设计规定 用于其它单元操作的外部设计规定第47页/共87页2022年6月25日检查蒸馏塔各产品之间的分离效果(重叠度)第48页/共87页Petroleum Properties and Property SetsObjective:Become familiar with petrole

25、um properties and learn the use of stream analysisAspen Plus References: User Guide, Chapter 32, Petroleum Assays and Pseudocomponents第49页/共87页2022年6月25日Petroleum Properties Reid vapor pressure API and specific gravity Watson UOP K factor Aniline point Pour point Flash point Cetane number Carbon to

26、hydrogen ratio Gross heating value第50页/共87页2022年6月25日Petroleum Properties (Continued) Mean and volume average boiling point Hydrate formation pressure and temperature Refractive index Liquid viscosity index D86 temperatures at (0, 5, 10, 95%) D1160 temperatures at (0, 5, 10, 95%) D2887 temperatures

27、at (0, 5, 10, 95%) TBP temperatures Vacuum temperatures第51页/共87页2022年6月25日Petroleum Properties (Continued) Properties (curves) from Assay Analysis Points Aniline, cloud, flash, freeze, smoke Contents Aromatic, olefin, paraffin, naphthalene, mercaptan C, H, O, N Impurities: S, V, Fe, Ni Indices: Anti

28、knock, vapor knock, refractive, warm-up Numbers: Motor and research octane Luminometer Viscosity Generally input curves for assays to generate these curves for product streams is needed.第52页/共87页2022年6月25日Distillation CurvesVolume and weight basis ASTM D86 ASTM D1160 ASTM D2887 (weight percent only)

29、 Vacuum TBP API Gravity Gravity MW第53页/共87页2022年6月25日Property Sets A property set (Prop-Set) is a way of accessing a collection, or set, of properties as an object with a user-given name. Only the name of the property set is referenced when using the properties in an application. Use property sets t

30、o report thermodynamic, transport, and other property values. Current property set applications include: Design specifications, Fortran blocks, sensitivity Stream reports Physical property tables (Property Analysis) Tray properties (RadFrac, PetroFrac, etc.) Heating/cooling curves (Flash2, MHeatX, e

31、tc.)第54页/共87页2022年6月25日Properties included in Prop-Sets Properties commonly included in property sets include: API- API gravity SGSTD - Standard specific gravity (60 F, 1 atm) REIDVP- Reid vapor pressure D86T - D86 temperature MUMX - Viscosity Available properties include: Thermodynamic properties o

32、f components in a mixture Pure component thermodynamic properties Transport properties Electrolyte properties Petroleum-related propertiesReference: Aspen Plus Physical Property Data Reference Manual, Chapter 4, Property Sets has a complete list of properties that can be included in a property set.第

33、55页/共87页2022年6月25日Defining Property SetsSpecifications for a property set include: Property name and units Temperature and pressure at which to calculate Include or exclude water phase qualifier (V, L, L1, L2, T, S) 第56页/共87页2022年6月25日Specifying Property Sets Use the Properties Prop-Sets form to spe

34、cify properties in a property set. The Search button can be used to search for a property. All specified qualifiers apply to each property specified, where applicable. Users can define new properties on the Properties Advanced User-Properties form by providing a Fortran subroutine.第57页/共87页2022年6月25

35、日Predefined Property SetsSome simulation Templates contain predefined property sets. The following table lists predefined property sets and the types of properties they contain for the General Template:第58页/共87页2022年6月25日Predefined Petroleum Prop-Sets (Continued) Predefined Prop-Sets with the Petrol

36、eum Application template:PREDEFINEDPROPERTY SETTYPES OF PROPERTIESCUTS - E Volumetric flow rate of petroleum cuts at 100F intervals D86 - 5 ASTM D86 temperature at 5% liquid volume distilled D86 - 95 ASTM D86 temperature at 95% liquid volume distilledGAS - PROPS Compressibility, volumetric flow rate

37、, heat capacity ratio KINVISC Liquid kinematic viscosity at 100F and 212F LIGHT Petroleum characteristics for light distillates MIDDLE Petroleum characteristics for middle distillates PETRO Volumetric flowrate, gravity, Watson K, distillation curves TBP-5 True boiling point temp. at 5% liquid volume

38、 distilled TBP-95 True boiling point temp. at 95% liquid volume distilled第59页/共87页2022年6月25日Petroleum Prop-SetsMost petroleum properties are calculated from input property curves.Some petroleum properties are calculated from correlations (FLSH-API, POUR-API)Properties are accessed and used in exactl

39、y the same way as other prop-set properties第60页/共87页2022年6月25日Stream Results Options On the Setup Report Options Stream sheet, use: Flow Basis and Fraction Basis check-boxes to specify how stream composition is reported Property Sets button to specify names of property sets containing additional pro

40、perties to be reported for each stream第61页/共87页2022年6月25日Prop-sets Discussion1. Give two reasons that a property set is needed.2. How do you define a property set?3. A user defined a prop-set for viscosity and then ran the simulation. After the simulation was complete, he opened the stream results.

41、To his surprise, he did not see viscosity. What happened?第62页/共87页PetroFracObjective:Introduce the features of the PetroFrac model and its use in simulating a crude towerAspen Plus References: Unit Operation Models Reference Manual, Chapter 4, Columns第63页/共87页2022年6月25日Characteristics of Refining Pr

42、ocess Wide boiling range fluids Large temperature gradients along column Most fluid compositions are unknown but their distillation analysis is known Three phase with free water Side strippers and pumparounds Petroleum specific physical properties High degree of heat integration Metal and sulfur con

43、tents第64页/共87页2022年6月25日Petroleum Refining ApplicationsPetroFrac is a distillation model specifically designed for petroleum refining applications: preflash tower crude unit vacuum unit vacuum lube fractionator FCC main fractionator delayed coker main fractionator quench tower/primary fractionator 第

44、65页/共87页2022年6月25日PetroFrac Features Integration of furnace, column, side stripper and pumparound ADA/PCS for assay input, crude blend and breakdown Conversion between different ASTM curves User specification of cuts Petroleum oriented specifications Tray and packing sizing and rating Other features

45、 Initialization and convergence第66页/共87页2022年6月25日Example Crude TowerGASDECANT WATERNAPHTHAJET FUELKEROSENEDIESEL GAS OILRESIDCRUDE FEEDSTEAM第67页/共87页2022年6月25日PetroFrac - ConnectivityVapor DistillateBottomsFeedsFeedsOverflashPumparoundPumparoundStripper BottomsLiq ReturnSide ProductsOverheadLiquid

46、DistillateWater DistillateFeedHeatBottom Stage orReboiler Heat DutyTop Stage or Cond. Heat DutyHeat or Reboiler Heat DutySteam Feed第68页/共87页2022年6月25日PetroFrac - Flowsheet ConnectivityAny number of pumparounds and side strippersSteam or reboiler strippersStripper hot liquid returnMultiple feeds to s

47、trippersTotal pumparound and product drawoffsInterstage water decantersHeat streams for pumparound coolersPseudostreams第69页/共87页2022年6月25日PetroFrac - Model Specifications Setup form (required)Number of stagesCondenser and ReboilerDistillate rate, Bottoms rate, Condenser duty, Reboiler duty, or Reflu

48、x Ratio Feed/Product (required)Feed convention: furnace, on-stage, above-stage Pres-Profile (required) Pumparounds Strippers第70页/共87页2022年6月25日PetroFrac - Pumparound Specifications Draw and return stage locations (required) For total drawoffs, specify one of the following: return temperature tempera

49、ture change (negative if cooled) duty (negative if cooled) For partial drawoffs, specify liquid flow rate and one of the above.第71页/共87页2022年6月25日PetroFrac - Side Stripper Specifications Stage Number For each stripper, the trays are numbered from top to bottom starting with stage 1. Steam Stripper S

50、pecifying a steam-to-product ratio will override the steam flow rate. Reboiler Stripper Specify a reboiler duty.第72页/共87页2022年6月25日PetroFrac - Side Stripper Conventions Liquid draw always goes to the stripper top stage.Vapor always returns to the main column Other Specifications A fraction of the st

51、ripper bottoms can be returned to the main column Multiple drawoffs from different stages as feeds to the same stripper are allowed 第73页/共87页2022年6月25日PetroFrac - Other Specifications Steam to product flow ratio (mass) Feed overflash Furnace outlet temperature Liquid runback from a stage ASTM temps

52、and gaps Petroleum properties (RVP, flash point, pour point, etc) Murphree efficiency Multiple property option specifications Free water calcs in the condenser or on all trays Blocks PetroFrac Properties form to specify internal stages checked for free water - condenser is checked automatically Tray

53、/packing第74页/共87页2022年6月25日PetroFrac - Design Specifications Meet product property by varying: stripping steam flow rate/reboiler duty product flow rate pumparound flow rate or return temperature furnace temperature Meet a particular stage temperature by varying: furnace outlet temperature pumparoun

54、d flow rate or return temperature Meet product flow rate by varying: furnace outlet temperature第75页/共87页2022年6月25日PetroFrac - Definitions Runback Liquid flow rate from a stage to a lower stage, equivalent to stage liquid flow rate less side draws The Runback form is used to specify the runback from

55、a stage. The manipulated variable is the pumparound duty or flow rate Liquid Flow In PetroFrac, stage liquid flow reported in the tray profile is the sum of runback, side draw, and pumparound. In RadFrac, stage liquid flow excludes any side product draw and pumparound. 第76页/共87页2022年6月25日Outside Loo

56、pPhysical Properties (ai, KB, HV, HL)Inside Loopcmi = cmi outyi = Ki xiS xi = 1.0, S yiS Hi in = S Hi outl, v, x, y,L = S li, V = S vi TInside loop solved byNewton method withor without log-legPetroFrac - Convergence Sum-Rates variant of the inside-out algorithm第77页/共87页2022年6月25日PetroFrac - Converg

57、ence Algorithm: sum-rates variant of the inside-out Initialization: designed for refining application To enhance convergence: provide column/stripper temperature estimates vary convergence damping factors to enhance stability change design specifications第78页/共87页2022年6月25日PetroFrac - Summary1. Petro

58、Frac combines Furnace, Column, Pumparound, and Sidestripper into one model which makes the simulation easy to setup and converge.2. Feed characteristics can be user input or from the assay library.3. Multiple feeds can be blended to create a feed mixture.4. Additional properties of a particular product can be reported by adding property sets.5. Runback from a stage is the liquid flow rate leaving the stage and entering the stage below. Runback and liquid flow can be different.6.Most crude towers do not have a reboiler at the bottom. Eith