化工过程数值模拟及AspenPlus软件应用

2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦1化工过程数值模拟

及AspenPlus软件应用刘华彦浙江工业大学化材学院新产品：研究与开发小试与实验室研究中间试验工业化试验实验设计、实验报告：MicrosoftOffice文本处理Chemoffice、AutoCAD、Visio等分子式、实验装置Endnote引用参考文献实验数据处理：Matlab、Polymath等数值计算Origin、Excel作图技术成熟产品：工程设计与生产管理前期研究市场调研、文献调研项目建议书可行性研究报告环评、安评工程设计工艺、自控与设备工厂布置、总图运输节能环保、劳动卫生经济社会效益评价生产调度、企业管理生产管理与调度节能降耗、过程强化可研报告、设计报告：MicrosoftOffice文本处理Chemoffice、AutoCAD、Visio等分子式、工艺流程图、设备装配图、总图、平立面布置图PDMS、PDS等三维配管Endnote引用参考文献流程模拟与优化、设备核算、经济评价：Aspen、PROII、ChemCAD等参考书2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦42025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦5参考书2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦6绪论化工模拟流程模拟单元模拟单元模拟与流程模拟的关系2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦7化工模拟化学工程研究对象化学反应过程：化学反应器物理过程：单元操作化学工程研究对象的复杂性物系的复杂性物系流动时边界的复杂性过程本身的复杂性化学工程研究方法早期：经验逐级放大目前：数学模型方法2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦8化工模拟化工模拟的思想过程分解过程简化过程综合化工模拟的层次2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦9流程模拟/过程模拟根据化工过程的数据，采用适当的模拟软件，将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述，用计算机模拟实际的生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果：原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据商业化化工过程模拟软件AspenPlus、PRO/II、ChemCAD、HYSIS、DesignII、ECSS2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦10单元模拟在单元模拟中，用N-S方程这个高度复杂的非线性偏微分方程组来描述质量、动量、能量之间的关系单元模拟技术通过离散方法求解这一耦合体系，以获得空间和时间的速度分布、温度分布、压力分布、浓度分布、相分数分布等2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦11单元模拟软件CFD(ComputationalFlowDynamics)商业软件CFX软件FluentPHOENICS计算流体力学与传热学的商业化软件适合模拟低速热流输运现象STAR-CDSimulationofTurbulent-flowinArbitraryRegion缩写，ComputationalDynamicsLtd基于有限容积法的通用流体计算软件强项在于汽车发动机内流动与传热的计算2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦12化工过程数值模拟软件介绍流程模拟技术——AspenPlus2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦13流程模拟的步骤流程的建立根据模拟的实际过程，选择合适的模型描述每一个单元操作过程根据实际流程中的物流走向将单元操作的模块连接起来，形成完整的模拟所需要的工艺流程变量的设置根据模拟的需要完成必须的和可选的变量的输入程序的运行根据需要采用合适的方式运行流程模拟输出报告2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦14AspenPlus流程模拟商业软件ASPEN：先进过程工程系统（AdvancedSystemforProcessEngineering）1976~1981年：美国能源部资助，MIT主持，55个高校和公司参与，开发的新型第三代流程模拟软件1982年：AspenTech公司成立将其商品化，称为ASPENPLUSASPENPLUS是基于序贯模块法的稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程软件2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦15AspenPlus软件功能进行工艺过程严格的能量和质量平衡计算预测物流的流率、组成和性质预测操作条件、设备尺寸减少装置设计时间并进行各种设计方案比较帮助改进当前工艺回答“如果…那会怎么样”的问题在给定的限制内优化工艺条件辅助确定一个工艺约束部位（消除瓶颈）2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦16ASPENPLUS的组成物性数据库通用的数据库：AspenCD——ASPENTECH公司自己开发的数据库，DIPPR——美国化工协会物性数据设计院设计的数据库专用的数据库工业上最适用而完备的物性系统：1773种有机物、2450种无机物、3314种固体物、900种水溶液电解质的基本物性参数2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦17ASPENPLUS的组成物性数据库丰富的状态方程和活度系数法：理想混合物汽-液平衡的拉乌尔定律烃类混合物的Chao-Seader非极性和弱极性混合物的Redilch-Kwong-Soave、BWR-Lee-Staring、Peng-Robinson强的非理想液态混合物的活度系数模型：UNIFAC、Wilson、NRTL、UNIQUACASENPLUS还提供灵活的数据回归系统(DRS)，使用实验数据来求物性参数2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦18ASPENPLUS的组成单元操作模块有五十多种单元操作模型：混合、分割、换热、闪蒸、精馏、反应等提供了灵敏度分析和工况分析模块：利用灵敏度分析模块，用户可以设置某一变量作为灵敏度分析变量，通过改变此变量的值模拟操作结果的变化情况。采用工况分析模块，用户可以对同一流程几种操作工况的进行运行分析2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦19ASPENPLUS的组成系统实现策略（数据输入－解算－结果输出）提供了交互式图形界面(GUI)：操作方便、灵活按DXF标准格式输出流程图，再转换成其他CAD系统如AUTOCAD所能调用的图形文件先进的数值计算方法：直接迭代法、正割法、拟牛顿法、Broyden法等可以同时收敛多股断裂(Tear)流股、多个设计规定应用ASPENPLUS的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值以达到任何目标函数的最大值2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦20AspenPlus11.0的安装运行CD1内的Setup.exe程序进行安装，单击AspenEngineeringSuite选项，则开始进行安装，单击Next2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦21AspenPlus11.0的安装在个人PC上使用ASPENPLUS，选择AllProducts选项(如选择LicensedProducts则要先安装ALM，ASPENLICENSEDMANAGER)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦22AspenPlus11.0的安装单击Next继续，选择StandardInstall

单击Next2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦23AspenPlus11.0的安装选择要安装的模块，ASPENPLUS必选，第一次安装时和Online,Web（网络组件）相关的模块不要选择。单击Next出现以下画面×：不选2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦24选择AspenLicenseManager

单击Next进行安装出现插入CD2选项框时，选择CD2内文件所在的位置或插入CD2继续安装AspenPlus11.0的安装2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦25AspenPlus11.0的安装安装完成后重新启动计算机，指定license.dat文件的位置，完成整个软件的安装2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦26ASPENPLUS的启动AspenTechASPENPLUSAspenEngineeringSuite空白模拟(BlankSimulation)基于模板（Tamplate）已有的模拟（OpenanExistingSimulation）ASPENPLUSUserInterface常用的模板：GeneralwithMetricUnitsChemicalswithMetricUnits2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦27AspenPlus的基本术语用户界面（UserInterface）流程图（FlowSheet）模型库（ModelLibrary）数据浏览器（DataBrowser）流股（Stream）模块（Block）2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦28ASPENPLUS用户界面——主窗口2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦29数据浏览器（DataBrowser）2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦30状态指示符各符号的含义2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦31NEXT按钮的使用单击此按钮就可以调用ASPENPLUS专家系统借助显示信息指导用户对一个运行进行必需和可选的输入，进行下一步操作，当用户改变已经输入的选择项和规定时，也确保用户不会做出不完整或不一致的规定在其指导下，用户可以安全、方便地完成模拟所必须经历的各步骤2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦32AspenPlus模拟必须的步骤画出模拟流程图：选用单元模块(ModelBlocks)，连接流股(Streams)进行全局级设置(SetupGlobalSpecification)，选择或定义一个合适的单位集，还可以选择输出报告的格式和内容输入化学组分信息数据(Components)选择物性方法和模型(PropertyMethods&Models)输入外部物流数据(ExternalStreams)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦33AspenPlus模拟必须的步骤输入模块数据(BlockSpecification)，即规定每一个单元操作模块的性能以表示工艺流程的设计条件或操作条件运行模型查看计算结果输出报告文件(Report)保存模拟项目(*.apw/*.bkp)退出2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦34流程的建立——定义一个流程定义一个流程步骤在View菜单下确认PFD状态已经关闭选择单元操作模块放置到流程窗口选择类别，再选单元操作模块2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦35流程的建立——定义一个流程定义一个流程步骤(cont’)用物流连接模块单击STREAMS图标，选择物流类型（物料、热流或功流），移动鼠标到流程窗口，单击显亮的流股连接点，引出至合适位置，完成连接红色：必须连接蓝色：其它可选连接注意检查流程的完整性STREAMS2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦36流程的建立——定义一个流程物流连接过程示意2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦37流程的建立——定义一个流程2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦38流程的建立——定义一个流程修改流程对模块或物流进行删除或重命名操作改变物流的连接单击鼠标右键：ReconnectSourceReconnectDestinationRenameStream……2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦39流程的建立——模拟变量的设置全局变量的设定全局规定为整个运行设定缺省值在数据浏览器中单击Setup，使用SetupSpecification包括：标题、度量单位、全局设置(运行类型、输入模式、物流类、流率基准、环境压力、有效相态和使用游离水计算)对每个模块，可以使用BlockOptions表格来替换单个单元操作的全局级规定2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦40流程的建立——模拟变量的设置SetupSpecification表Global页1、标题Title2、度量单位UnitsofMeasurement输入数据InputData输出结果OutputResults3、全局设定GlobalSettings流量基准FlowBasis大气压力AmbientPressure有效相态ValidPhases游离水计算UseFreewatercalculation2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦41流程的建立——模拟变量的设置输入化学组分信息每一个组分必须有唯一的ID组分可用英文名称或分子式输入利用弹出对话框区别同分异构体利用Find查找化学物质，ElecWizard定义电解质等2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦42②③①④2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦43流程的建立——模拟变量的设置物性方法用于计算热力学物性(包括逸度系数、K、焓、熵、吉布斯自由能、体积)和迁移性质(包括粘度、热导率、扩散系数、表面张力)系统内置的物性方法足以满足大部分的应用用户也可建立新的适合自己模拟需要的物性方法包括：过程类型、基础方法、亨利组分

(Processtype,Basemethod,Henrycomponents)

2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦44流程的建立——模拟变量的设置输入外部流股信息每一外部流股都必须输入信息状态变量：温度、压力、气相分率、流量组成：表达基准、数值物流规定示意图2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦45流程的建立——模拟变量的设置输入单元模块参数每一个单元模块都必须输入模型参数模型参数的数量因模型而异，请认真理解其物理意义模型参数的合理选取对仿真模拟结果的质量至关重要2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦46流程的建立——模拟程序的运行在用户完成输入的过程中，规定的状态会一直显示在状态栏中当状态栏显示：RequiredInputComplete（输入完成）或InputChanged（输入被改变）或ReadytoExecuteBlock（可以执行模块）时，用户就可以选择Interactive（交互方式)或Batch（在后台批处理方式)中的一种运行模拟过程2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦471、选模块，连接流股2、Setup：Specifications中Global规定Title，Units；

Accounting规定UserName，ProjectNameReportOptions中规定Stream3、Components：Specifications中Definedcomponents（注意使用Find）4、Properties：Specifications中规定Propertymethods5、Streams：规定进口物流条件6、Blocks：Input中规定模块操作条件7、FlowsheetingOptions：DesignSpec进行设计规定运算8、ModelAnalysisTools：Sensitivity进行敏感性分析；Optimization进行优化；Constraint设定优化和敏感性分析约束；DataFit进行数据拟合；CaseStudy进行工况研究运行，查看结果应用扩展2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦48举例一：熟悉AspenPlus解题过程甲醇–水混合物进入精馏塔，塔顶分离出以甲醇为主的混合物，塔底分离出以水为主要成分的混合物进口条件：甲醇50%(wt)，水50%(wt)，进口压力0.2MPa，温度25℃，摩尔流率100kmol/h精馏塔：总塔板数：30，进料板位置：15，塔顶压力0.1MPa，塔顶回流比2(摩尔)，塔顶出料：全部液相，50kmol/h给出精馏塔物料和能量衡算结果，每块塔板的相关结果2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦49举例二：熟悉AspenPlus解题过程通过压缩机将空气加压进口条件：空气进口压力0.012MPa，温度25℃，摩尔流率100kmol/h压缩机：等熵压缩、压缩效率0.85、电机机械效率0.8给出压缩机出口的空气温度、压缩机功率等相关结果2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦50AspenPlus的单元操作模块混合器/分流器（Mixers/Splitters）分离器（Separators）换热器（HeatExchangers）塔（Columns）反应器（Reactors）压力变送设备（PressureChangers）控制器（Manipulators）固体（Solids）用户模型（UserModels）泄压（Pres-Relief）2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦51混合器/分流（Mixers/Splitters）2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦52混合器/分流（Mixers/Splitters）Mixer（物流混合器）操作单元模块多股物流（物料流、热流或功流）汇合成一股操作模型：主要有混合三通、物流混合操作、增加热流、增加功流等注意：一个单一的Mixer模块不能混合不同类型的物流（物料流、热流和功流）

2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦53混合器/分流（Mixers/Splitters）

Mixer流程连接示意图

2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦54混合器/分流（Mixers/Splitters）FSplit（分流器）操作单元模块将同类物流（物料流、热流或功流）混合并把结果物流分成两股或更多相同类型的物流，主要有分流器Bleed(排气)、阀等单元操作模型所有出口物流具有与混合后的入口物流相同的组成和条件FSplit同样不能将一股物料流分成不同类型的物流2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦55混合器/分流（Mixers/Splitters）SSplit（子物流分流器）操作单元模块混合物料流并把结果物料流分成两股或多股物流（不包括热流和功流），主要有分流器、流体固体分离器等操作模型。SSplit出口物流中的子物流与混合入口子物流一样，具有相同的组成温度和压力，只有子物流流率不同如要模拟出口物流中组成和性质不同的子物流则要选择使用使用Sep模块或Sep2模块SSplit的流程连接和参数输入的规定与FSplit类似2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦56创建第一个AspenPlus仿真模型建立以下过程的AspenPlus仿真模型将1000m3/hr低浓度酒精(乙醇30%w，水70%w，30℃，1bar)与700m3/hr高浓度酒精(乙醇95%w，水5%w，20℃，1.5bar)混合计算混合后的温度和体积流量、各组分的摩尔分率和质量分率Mixer模块两股进料流股，一股出料流股2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦57创建第一个AspenPlus仿真模型上述两股物流混合后于出口分成两股物流，其中一股占总流量的30%求出口两股物流的流量和成分2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦58分离器（Separators）2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦59分离器（Separators）

——Flash（闪蒸罐）Flash2：模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐和其它的单级分离器用严格气-液或气-液-液平衡把进料分成两股出口物流，完成气-液或气-液-液平衡计算Flash3：模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐、倾析器和其它的在产品中有两液相出口物流的单级分离器Flash3用严格气-液-液平衡把进料分成三股出口物流，完成气-液-液平衡计算2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦60分离器（Separators）

——Flash（闪蒸罐）

闪蒸罐（Flash）的流程连接示意图Matrials物流Vapor（蒸汽）Water（Optional）水（可选项）Heat（Optional）热（可选项）Heat（Optional）热（可选项）Liquid（液相物流）Matrials物流Vapor（蒸汽）Heat（Optional）热（可选项）Heat（Optional）热（可选项）2ndLiquid第二液相物流1stLiquid第一液相物流FlowsheetforFlash2FlowsheetforFlash32025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦61Flash2模型参数——3组1、闪蒸设定温度(Temperature)压力(Pressure)蒸汽分率(Vaporfraction)热负荷(Heatduty)设定两个设定两个2、有效相态汽-液相(Vapor-Liquid)汽-液-液相

(Vapor-Liquid-Liquid)汽-液-游离水相

(Vapor-Liquid-Freewater)3、液沫夹带(Entrainment)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦62Flash2应用示例（1）流量为1000kg/hr、压力0.11MPa、含乙醇70%w、水30%w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比(摩尔)=1/3求离开冷凝器的汽、液两相温度和组成Blocks→Input→Specification→Pressure→Vaporfraction2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦63Flash2应用示例（2）流量1000kg/hr、压力0.5MPa、温度120℃、含乙醇70%w、水30%w的物料绝热闪蒸到0.15MPa离开闪蒸器的汽、液两相温度、流量和组成?Blocks→Input→Specification→Pressure→Heatduty2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦64Flash2应用示例（3）流量1000kg/hr、压力0.2MPa、温度20℃、含丙酮30%w、水70%w的物料进行部分蒸发回收丙酮求丙酮回收率为90%时的蒸发器温度和热负荷以及汽、液两相流量和组成设计规定：FlowsheetingOption→DesignSpec

→Define:汽相出料流股丙酮流量

→Spec:上述流量为0.9*进口丙酮流量

→Vary:闪蒸器模块温度，初选范围100~400，再根据实际情况调整2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦65Flash2应用示例（4）流量为1000kg/hr、压力0.2MPa、温度为20℃、含丙酮30%w、水70%w的物料进行部分蒸发回收丙酮。蒸发器热负荷250kW分析液沫夹带对汽相丙酮分率和丙酮回收率影响敏感性分析：ModelAnalysisToolsSensitivity→Define:汽相出料流股丙酮分率及流量→

Vary:闪蒸器模块液沫夹带(ENTRN)，范围0~0.2→Tabulate:1:汽相出料流股丙酮分率

2:汽相出料流股丙酮流量/进口丙酮流量2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦66Flash3模型参数——3组1、闪蒸设定温度(Temperature)压力(Pressure)蒸汽分率(Vaporfraction)热负荷(Heatduty)以上四个参数中设定两个2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦67Flash3模型参数——3组2、关键组分(KeyComponents)指定关键组分后，含关键组分摩尔分率大的液相作为第二液相如未指定关键组分，则密度大的液相为第二相3、液沫夹带(Entrainment)分别设定两个液相在汽相中的夹带分率2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦68Flash3应用示例（1）流量为1000kg/hr、压力0.11MPa、含乙醇30%w、正己烷30%w、水40%w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比（摩尔）=1/9。求离开冷凝器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦69Flash3应用示例（2）流量为500kg/hr、压力0.8MPa、温度100℃、含乙醇70%w、水30%w的物流与流量为500kg/hr、压力0.8MPa、温度70℃、含正己烷60%w、乙醇40%w的物流在闪蒸器中绝热闪蒸到压力0.11MPa

。求离开闪蒸器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦70Flash3应用示例（3）在示例（2）中分别设置乙醇和正己烷为关键组分，观察输出结果有什么变化。2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦71分离器（Separators）

——Decanter（液-液倾析器）用于模拟倾析器和其它无气相的单级分离器可以完成液-液平衡和液-游离水计算，但不能处理有气相生成的单元操作操作模型：绝热、规定负荷和规定温度模型出口物流通常是平衡的，但是用户也可以在InputEfficiency（输入效率页）上规定分离效率来说明偏离平衡程度如存在固体夹带，它们不参与相平衡计算，但参与焓平衡2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦72分离器（Separators）

——Decanter（液-液倾析器）

Decanter流程连接示意2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦73分离器（Separators）

Decanter（液-液倾析器）模型参数1、倾析设定压力(Pressure)温度/热负荷(Temperature/Heatduty)(二选一)2、关键组分(Keycomponenttoidentify2ndliuiqdphase)指定关键组分：含关键组分摩尔分率大的液相作为第二液相未指定关键组分：密度大的液相作为第二液相3、组分分离效率(Efficiency)分别设定每个组分在两相中的分离效率(偏离平衡程度)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦74Decanter应用示例（1）用水（P=0.2MPa、T=20℃）从含乙醇40%w、正己烷60%w的混合液（F=500kg/hr、P=0.2MPa、T=20℃）中萃取乙醇，要求乙醇的萃取率达到97%。求需要的水流量、萃取相和萃余相的组成设计规定：FlowsheetingOption→DesignSpec→Define:第一液相乙醇出料流股流量→Spec:上述流量为0.97*进口乙醇流量→Vary:进料水流股流量，范围10~5002025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦75Decanter应用示例（2）同示例（1），求乙醇分离效率为0.9时需要的水流量和萃取相组成。Blocks→B1→Input→Efficiency2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦76分离器（Separators）

——Sep&Sep2（组分分离器）Sep模块可以接受多股输入物流，输出多股物流，并把输入混合物中的各个组分分别按照指定的比例分配到每一股输出物流中去Sep2模块可以接受多股输入物流，输出两股物流，并把输入混合物中的各个组分分别按照指定的比例分配到每一股输出物流中去2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦77分离器（Separators）

——Sep&Sep2（组分分离器）Sep流程连接示意图2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦78分离器（Separators）

——Sep模型参数1、设定(Specifications)输出物流条件设定，指定每个组分在各股输出物流中的分率或流量(Outletstreamconditions)2、进料闪蒸(FeedFlash)指定输入物流混合后的闪蒸压力和有效相态3、出口闪蒸(OutletFlash)指定每一股输出物流的闪蒸压力、温度、气相分率和有效相态2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦79Sep应用示例（1）把F=500kg/hr、P=0.15MPa、T=20℃、含乙醇30%w、正丙醇20%w、正丁醇10%w、水40%w的物流分成四股输出物流，各组分在输出物流中的分配比例为：乙醇 0.96:0.02:0.01:0.01正丙醇 0.01:0.95:0.02:0.02正丁醇 0.01:0.05:0.92:0.02水 0.01:0.02:0.03:0.94求输出物流组成在Outletstreamconditions中选取至少3个流股对每一组分逐一指定2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦80Sep2应用示例（1）从F=500kg/hr、P=0.15MPa、T=20℃、含乙醇60%w、正丙醇25%w、正丁醇15%w的物流中回收乙醇，要求：乙醇浓度达到98%w、正丁醇含量不大于1%w乙醇回收率达到95%求输出物流的组成和流量Blocks→B1→Input→Specifications→Outletstream→2→1stSpec&2ndSpec2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦81Sep2应用示例（2）同示例（1），如分离过程是在精馏塔中实现，塔顶出料是0.11MPa的饱和蒸汽，塔底出料是0.13MPa的饱和液体求输出物流的温度和体积流量Blocks→B1→Input→OutletFlash→Stream→2→Flashspecifications→pressure→Stream→3→Flashspecifications→pressure2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦82换热器（HeatExchangers）2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦83Heater（加热器或冷却器）模块用于改变单股物流的温度、压力和相态加热器冷却器阀（仅改变压力，不涉及阻力）泵（仅改变压力，不涉及功）压缩机（仅改变压力，不涉及功）当规定了出口条件时，Heater模型可确定一股或多股入口物流混合物的热和相状况2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦84Heater（加热器或冷却器）模块露点计算：气相分率为1泡点计算：气相分率为0加热或冷却曲线：用Hcurves窗口规定Heater模型无动力学特性，压降固定，出口流率由质量平衡确定带固体的流体：参数输入与Flash类似2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦85Heater（加热器或冷却器）模块

Heater流程连接示意图2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦86Heater（加热器或冷却器）模块两组模型设定参数（1）：闪蒸指标(flashspecification)温度(Temperature)压力(Pressure)温度增量(TemperatureChange)蒸汽分率(Vaporfraction)过热度(Degreesofsuperheating)过冷度(Degreesofsubcooling)热负荷(Heatduty)任选2项2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦87Heater（加热器或冷却器）模块两组模型设定参数（2）：有效相态(validphase)蒸汽(Vapor-Only)液体(Liquid-Only)固体(Solid-Only)汽-液(Vapor-Liquid)汽-液-液(Vapor-Liquid-Liquid)液-游离水(Liquid-FreeWater)汽-液-游离水(Vapor-Liquid-FreeWater)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦88Heater应用示例（1）20℃、0.41MPa、4000kg/hr的软水在锅炉中加热成为饱和水蒸汽进入生蒸汽总管求所需的锅炉供热量、出口蒸汽温度2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦89Heater应用示例（2）1000kg/hr(0.4MPa)的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热到过热度100℃

(0.39MPa)

求过热蒸汽温度、所需的供热量Blocks→B1→Input→Specifications→Flashspecifications→Pressure→Degreesofsuperheating2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦90Heater应用示例（3）流量为1000kg/hr、压力0.11MPa、含乙醇70%w、水30%w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比(摩尔)=1/3求冷凝器热负荷2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦91Heater应用示例（4）流量100kg/hr、压力0.2MPa、温度20℃的丙酮通过一电加热器当加热器功率分别为2kW、5kW、10kW和20kW时，求出口物流状态Blocks→B1→Input→Hcurves→Setup→Independentvariable→Heatduty→Rangeforheatduty→Listvalues2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦92Heater应用示例（5）求压力为0.2MPa、含甲醇30%w、乙醇20%w、正丙醇20%w、水30%w的混合物的泡点和露点Streams→1→Statevariable→Vaporfraction=1Blocks→B1→Input→Specifications→Flashspecifications→Vaporfraction=0或者反过来设置：0，12025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦93HeatX(两股物流换热器)操作单元模块用于模拟如下结构的管-壳式换热器逆流/并流(Countercurrent/cocurrent)折流板壳程(SegmentalShell)棍式挡板壳程(RodBaffleShell)裸管/低翅片管(Bare/Low-finnedTubes)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦94HeatX(两股物流换热器)操作单元模块HeatX&MHeatX流程连接示意2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦95设定参数(1)：计算类型(CalculationType)简捷计算(Short-cut)详细计算(Detail)

热侧——管程(Tube)/壳程(Shell)

冷测——管程(Tube)/壳程(Shell)设定参数(2)：流动方向(Flowdirection)逆流(Countercurrent)并流(Cocurrent)HeatX(两股物流换热器)操作单元模块2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦96HeatX(两股物流换热器)操作单元模块设定参数(3)：换热器设定(exchangerspecification)热物流出口温度(Hotstreamoutlettemperature)热物流出口温降(Hotstreamoutlettemperaturedecrease)热物流出口温差(Hotstreamoutlettemperatureapproach)热物流出口过冷度(Hotstreamoutletdegreesubcooling)热物流出口蒸汽分率(Hotstreamoutletvaporfraction)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦97HeatX(两股物流换热器)操作单元模块设定参数(3)：换热器设定(exchangerspecification)冷物流出口温度(Coldstreamoutlettemperature)冷物流出口温升(Coldstreamoutlettemperatureincrease)冷物流出口温差(Coldstreamoutlettemperatureapproach)冷物流出口过冷度(Coldstreamoutletdegreesuperheat)冷物流出口蒸汽分率(Coldstreamoutletvaporfraction)

热/冷物流出口温差(Heat/Coldoutlettemperatureapproach)热负荷(Exchangerduty)传热面积(Heattransferarea)最小温差(Minimumtemperatureapproach)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦98HeatX(两股物流换热器)操作单元模块对数平均温差校正(LMTDcorrectionfactormethod)常数(Constant)几何结构(Geometry)用户子程序(Use-subr)计算(Calculated)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦99HeatX——简捷计算（Shortcut）压降(Pressuredrop)分别指定热侧和冷侧的出口压力(Outletpressure)指定值>0，代表出口绝对压力指定值<0，代表出口相对进口的压力降低值根据几何结构计算(Calculatedfromgeometry)总传热系数方法(Umethods)常数(Constant)：自己修改U值相态法(Phasespecificvalues)幂函数法(Powerlawexpression)膜系数法(Filmcoefficients)用户程序(Usersubroutine)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦100HeatX——详细计算（Detailed）主要在于：Geometry设定HeatX几何结构（TEMAShellType）（壳程1）2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦101HeatX——详细计算（Detailed）HeatX几何结构（ShellDimensions）（壳程2）OuterTubeLimit：管束外层的最大直径ShellDiameter：壳体直径ShelltoBundleClearance：壳层到管束的环形间隙2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦102HeatX——详细计算（Detailed）HeatX几何结构(DimensionsforBaffles)(挡板)SegmentalBaffles：BaffleCut：折流挡板的切口高度TubeHole：管孔ShelltoBaffleClearance：壳层到折流挡板的环形间隙RodBaffles：RodDiameter：圆盘直径RingOutsideDiameter：环外径RingInsideDiameter：环内径2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦103HeatX——详细计算（Detailed）HeatX几何结构(管程:Tubes)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦104简捷法(Shortcut)和严格法(Detailed)比较2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦105HeatX——应用示例（1）用1200kg/hr饱和水蒸汽(0.3MPa)加热2000kg/hr甲醇(20℃℃，0.3MPa)。离开换热器的蒸汽冷凝水压力0.28MPa、过冷度2℃。换热器传热系数根据相态选择。求甲醇出口温度、相态、需要的换热面积2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦106HeatX——应用示例（2）对上例选用下述换热器进行详细核算：外壳直径：325mm 公称面积：10m2管长：3m 管径：φ19×2mm管数：76 排列方式：正三角管程数：2 壳程数：1管间距：28.5mm折流板间距：150mm折流板缺口高度：79mm2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦107HeatExchangers——MHeatX(多物流换热器)用于模拟一个有多股热流和冷流之间传热的换热器。例如LNG换热器只保证总的能量平衡而不考虑换热器的几何尺寸可以完成一个详细的、严格的内部区域分析，确定换热器中所有物流的内部夹点以及加热和冷却曲线，还可以计算换热器的总UA值并模拟换热器的加入热量或热损失2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦108HeatExchangers——MHeatX(多物流换热器)系统使用多个加热器和多个热流以加速流程的收敛，如果用户不规定计算顺序或规定撕裂物流，程序将按模块顺序收敛物流用户在至少保留一股物流不作规定的情况下，可对另一侧任意个物流作出口规定2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦109HeatExchangers——Hetran(管壳式换热器)用来模拟各类管壳式换热器采用B-JACHetran程序界面把模块放在流程中连接入口和出口物流，直接输入包含换热器B-JAC输入文件名字即可进行模拟用户通过Hetran独立程序界面输入与换热器结构和几何尺寸有信息，换热器规定作为一个输入文件保存，不必再通过ASPENPLUS用户界面输入Hetran不能处理带有固体子物流的物流2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦110HeatExchangers——Hetran(管壳式换热器)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦111HeatExchangers——Aerotran(空冷换热器)用来模拟各类空冷换热器、节能器和加热炉对流段采用B-JACAerotran程序界面把模块放在流程中连接入口和出口物流，直接输入包含换热器的B-JAC输入文件的名字即可进行模拟Aerotran模块一般也不能处理带有固体子物流的物流2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦112精馏过程介绍简单蒸馏连续精馏2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦113塔（Columns）2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦114塔（Columns）2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦115塔(Columns)——DSTWU简捷精馏

(设计)DSTWU模型针对一个带有分凝器或全凝器、一股进料和两种产品的蒸馏塔模型假设恒定的摩尔溢流量和相对挥发度，需要输入轻、重关键组分的回收率采用Winn法估算最小级数，Underwood法估算最小回流比，Gilliland法规定级数所必需的回流比或规定回流比所必需级数模型也估算最适宜的进料位置、冷凝器和再沸器负荷，并产生表格和回流比对级数的曲线图2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦116塔(Columns)——DSTWU简捷精馏

(设计)DSTWU模型的连接示意：2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦117DSTWU——模型参数四组模型设定参数塔设定(Columnspecifications)塔板数(Numberstages)回流比(Refluxratio)关键组分回收率(Keycomponentrecoveries)轻关键组分在馏出物中的回收率馏出物中轻关键组分/进料中轻关键组分重关键组分在馏出物中的回收率馏出物中重关键组分/进料中重关键组分2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦118DSTWU——模型参数四组模型设定参数压力(Pressure)冷凝器(Condenser)再沸器(Reboiler)冷凝器设定(Condenserspecification)全凝器(Totalcondenser)带汽相馏出物的部分冷凝器(Partialcondenserwithvapordistillate)带汽、液相馏出物的部分冷凝器(Partialcondenserwithvaporandliquiddistillate)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦119DSTWU——计算选项两个计算选项生成回流比——理论板数关系表

Refluxrationvs.Numberoftheoreticalstages计算等板高度

CalculateHETP2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦120DSTWU——应用示例（1）含乙苯30%w、苯乙烯70%w的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30℃）用精馏塔（塔压0.02MPa）分离，要求99.8%的乙苯从塔顶排出，99.9%的苯乙烯从塔底排出，采用全凝器求Rmin、NTmin，R=1.5Rmin时的R、NT和NF说明：NT-总塔板数；NF-进料板位置2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦121DSTWU——应用示例（1）组分回收率均指塔顶得到的分率任意指定，根据结果调整2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦122DSTWU——应用示例（2）绘制示例（1）的NT~R的关系图，根据该图选取合理的R值，求取相应的NT、NF、冷凝器和再沸器的温度和热负荷作图：Results→Blocks→B1→Results→RefluxRatioProfile选择Profile→Theoreticalstages,点击菜单Plot→X-axisVariable;选择Profile→Refluxratio,点击菜单Plot→Y-axisVariable;点击菜单Plot→DisplayPlot,图中右键可选择Copy2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦1232025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦124塔(Columns)——Distl简捷精馏

(操作)模拟一个带有一股进料和两种产品的多级多组分的蒸馏塔，塔可以带有分凝器或全凝器模型假定塔中摩尔溢流量和相对挥发度恒定，采用Edmister方法计算产品组成要求输入：理论板数、加料板位置、回流比、馏出物对进料比值(D/F)、冷凝器类型结果：D和W组成、再沸器和冷凝器热负荷、塔顶、塔底和加料板温度2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦125塔(Columns)——Distl简捷精馏

(操作)Distl模型的连接示意：2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦126Distl——应用示例（1）根据DSTWU示例（2）的结果，选取R=25、NT=61、NF=36，用Distl进行核算。再选取NF=20进行核算2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦127塔（Columns）——RadFrac

（严格法精馏）用于模拟所有类型的多级气-液精馏操作的严格模型，这些操作包括一般精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馏等RadFrac既适用于常规的两相和三相蒸馏体系，也可用于窄沸程和宽沸程体系及液相为非理想性的体系2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦128塔（Columns）——RadFrac

（严格法精馏）RadFrac模型连接示意：2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦129

严格法蒸馏单元操作模块流程连接示意图

2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦130RadFrac——模型设定RadFrac模型设定表：配置(Configuration)流股(Streams)压力(Pressure)冷凝器(Condenser)再沸器(Reboiler)三相(3-Phase)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦131RadFrac——模型设定(配置)塔板数(NumbersofStages)冷凝器(Condenser)（选择一项）全凝器(Total)部分冷凝-汽相馏出物(Partial-Vapor)部分冷凝-汽相和液相馏出物(Partial-Vapor-Liquid)无冷凝器(None)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦132RadFrac——模型设定(配置)再沸器(Reboiler)（选择一项）釜式再沸器(Kettle)热虹吸式再沸器(Thermosyphon)无再沸器(None)有效相态(ValidPhase)

（选择一项）汽-液(Vapor-Liquid)汽-液-液(Vapor-Liquid-Liquid)汽-液-再沸器游离水(Vapor-Liquid-FreeWaterCondenser)汽-液-任意塔板游离水(Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStages)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦133RadFrac——模型设定(配置)收敛方案(Convergence)标准方法(Standard)石油/宽沸程(Petroleum/Wide-Boiling)强非理想液相(StronglyNon-idealLiquid)共沸体系(Azeotropic)深度冷凝体系(Cryogenic)用户定义(Custom)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦134RadFrac——模型设定(配置)操作设定(OperationSpecifications)回流比(RefluxRatio)回流速率(RefluxRate)馏出物速率(DistillateRate)塔底物速率(BottomsRate)上升蒸汽速率(BoilupRate)上升蒸汽比(BoilupRatio)上升蒸汽/进料比(BoiluptoFeedRatio)馏出物/进料比(DistillatetoFeedRatio)冷凝器热负荷(CondenserDuty)再沸器热负荷(ReboilerDuty)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦135RadFrac——模型设定(流股)进料流股（FeedStreams）指定每一股进料的加料板位置Above-Stage:级间引入物流，液体流动到级n，气体流动到级(n-1)On-Stage:进料的液相和气相部分都流动到规定的级上产品流股（ProductStreams）指定每一股侧线产品的出料板位置及产量2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦136RadFrac——模型设定(压力)塔内压力设定有三种方式(View)塔顶/塔底(Top/Bottom)指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降压力剖型(PressureProfile)指定每一块塔板压力塔段压降(SectionPressureDrop)指定每一塔段的压降2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦137RadFrac——模型设定(冷凝器)冷凝器指标(CondenserSpecification)仅仅应用于部分冷凝器。只需指定冷凝温度(Temperature)和蒸汽分率(VaporFraction)两个参数之一过冷态(Subcooling)过冷选项(Subcoolingoption)二选一：回流物和馏出物都过冷/仅仅回流物过冷。过冷指标(Subcoolingspecification)二选一：过冷物温度/过冷度2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦138RadFrac——模型设定(再沸器)热虹吸再沸器需要进行设定：指定再沸器流量

(Specifyreboilerflowrate)指定再沸器出口条件

(Specifyreboileroutletcondition)同时指定流量和出口条件

(Specifybothflowandoutletcondition)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦139RadFrac——结果查看结果简汇(Blocks→ResultsSummary)给出塔顶(冷凝器)和塔底(再沸器)的温度、热负荷、流量、回流比和上升蒸汽比等参数，以及每一组份在各出塔物流中的分配比率分布剖形(Blocks→Profiles)给出塔内各塔板上的温度、压力、热负荷、相平衡参数，以及每一相态的流量、组成和物性据此可确定最佳加料板和侧线出料板位置流股结果(Blocks→StreamResults)给出进出的所有流股的工艺和物性参数2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦140RadFrac——应用示例（1）根据DSTWU示例(2)的结果，选取R=25、NT=61、NF=36，用RadFrac进行核算。再选取最佳进料板位置进行核算2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦141RadFrac——设计指标RadFrac模型带有内部的设计指标功能，通过DesignSpecs和Vary两组参数进行设定可以设定多个指标参数和多个变化参数，但要注意两者间的依赖关系和自由度必须吻合，否则不能收敛DataBrowser→Blocks→DesignSpecDataBrowser→Blocks→Vary分别使用New，建立相应的规定和变化参数2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦142RadFrac——应用示例(2)如将示例（1）的塔压调到0.01MPa，全塔压降0.005MPa，试求满足分离要求所需的回流比和馏出物流量DataBrowser→Blocks→DesignSpec

使用New，建立两个分离规定要求DataBrowser→Blocks→Vary

使用New，建立相应的回流比和馏出物流量两个变化参数2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦143RadFrac——塔板效率RadFrac模型可以设定实际塔板的板效率(Efficiencies)用户可选用蒸发效率(VaporizationEfficiencies)

或墨弗里效率(MurphreeEfficiencies)，并选择指定单块板的效率，单个组分的效率，或者塔段的效率2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦144RadFrac——应用示例(3)如果示例（2）中的精馏段的墨弗里效率为0.45，提馏段的墨弗里效率为0.55，试求满足分离要求所需的塔板数和加料板位置2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦145RadFrac——报告(Report)选项性质选项(Propertyoptions)里的包括水力学参数(Includehydraulicparameters)选项剖形选项(Profileoptions)里包括哪些塔板(Stagestobeincludedinreport)也很有用DataBrowser→Blocks→Report→PropertyOptions,选中IncludehydraulicparametersDataBrowser→Blocks→Report→ProfileOptions,选择合适的条件2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦146RadFrac——应用示例(4)在示例（3）的基础上选定性质选项中的包括水力学参数，计算后查看结果结果查看：Blocks→Profile→TPFQ:塔板上温度、压力热负荷、汽液流量（质量、摩尔）Blocks→Profile→Composition:塔板上汽液组成（摩尔、质量）Blocks→Profile→K-Values:塔板上K值Blocks→Profile→Hydraulics:塔板上汽液参数汇总2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦147RadFrac——塔板设计塔板设计(Traysizing)计算给定板间距下的塔径，共有五种塔板供选用：泡罩塔板(BubbleCap)筛板(Sieve)浮阀塔板(GlistchBallast)弹性浮阀塔板(KochFlexitray)条形浮阀塔板(NutterFloatValve)2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦148RadFrac——塔板核算塔板核算（Trayrating）计算给定结构参数的塔板的负荷情况，可供选用的塔板类型与“塔板设计”中相同。“塔板设计”与“塔板核算”配合使用，可以完成塔板选型和工艺参数设计。2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦149RadFrac——应用示例(5)在示例（4）的基础上进行塔板设计和塔板核算，分别选用浮阀塔板和弹性浮阀塔板计算后对比结果2025/1/3浙江工业大学化材学院刘华彦150RadFrac——填料设计填料设计(Packsizing)计算选用某种填料时的塔径，共有40种填料供选用5种典型的散堆填料：拉西环（RASCHIG）鲍尔环（PALL）阶梯环（CMR）矩鞍环（INTX）超级环（SUPERRING）5种典型的规整填料：带孔板波填料（MELLAPAK）带孔网波填料（CY）带缝板波填料（RALU