Aspen高级班石油炼制过程的模拟

1、2020年10月7日,Aspen Plus高级班 石油炼制过程的模拟,2020年10月7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。,2020年10月7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。,2020年10月7日,掌握如下新的内容：,1) 石油炼制过程蒸馏单元的模拟步骤； 2

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。,2020年10月7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,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, Specifying Components User Guide, Cha

3、pter 32, Petroleum Assays and Pseudocomponents,2020年10月7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,2020年10月7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: 分子量(MW) 正常沸点(TBP) 重度或者 Watson UOP K,2020

4、年10月7日,Assays 和 Blends 组分,Assay Data (TBP, D86),Pseudocomponents,Assay-1 Assay-2,Blend,Pseudocomponents,输入输出,2020年10月7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，输入蒸馏曲线数据. 4.在BasicDataDistCurve表中，输入油品重度，或者在

5、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.,2020年10月7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.,2020年10月7日,Assay组分BasicData DistCurve 表,2020年10月7日,重度的规定,油品整体重度 比重 API 重度 重度曲线 比重 AP

6、I 重度 API=141.5/SG-131.5 Watson UOPK 曲线 NBP=(UOPK*SG)3,2020年10月7日,Assay组分BasicData Gravity/UOPK 表,2020年10月7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 (liquid volume),2020年10月7日,油品分析数据计算程序 Version 9 或更新的版本 Vers

7、ion 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,2020年10月7日,曲线处理选项 初馏点 (Initial boiling point) 0.5% (缺省) 终馏点 (Final boiling point) 99% (default) 外延方法 Probability (缺省) Quadratic 锯齿段拟合方法 Harwell (缺省) Hermite 曲线

8、处理选项在 ComponentsPetroCharacterization AnalysisOptions AssayProcedure表上.,蒸馏曲线计算方法 (续),2020年10月7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:,切割温度,2020年10月7日,蒸馏曲线的切割,2020年10月7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

9、很高 13.0 表示烷烃含量很高,2020年10月7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: 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,2020年10月7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

10、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,2020年10月7日,Assays组分的用户性质曲线,在表格PropertiesAdvancedUser 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。,2020年10月7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

11、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。,2020年10月7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。,2020年10月7日,Assay(石油)数据库,软件内置的A

12、ssay 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。,2020年10月7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/

13、马达法 辛烷值,烷烃 环烷烃 芳烃 雷诺蒸汽压,2020年10月7日,访问Assay数据库,2020年10月7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),2020年10月7日,输入 Blend组分,1.在数据浏览器 Data Browser, 选择组分 Component

14、s, 然后选择 Assay-Blend. 2.In the Assay-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.,2020年10月7日,Blend组分之 MixtureSpecifications表,2020年10月7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(result

15、s form).,2020年10月7日,GenerationCuts 表格,2020年10月7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，

16、 它们的IDs 不在 流股输入表格上显示.,2020年10月7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。,2020年10月7日,Gene

17、rationNamingOptions表格,2020年10月7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 weight Aspen Plus 可以估算第3性质. 3.可选地, 输入与温度

18、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,2020年10月7日,虚拟组分规定表格,2020年10月7日,虚拟组分物性方法,方法名称,描述,API-METH,COAL-LIQ,LK,API-TWU,API procedure,Correlations for coal-liquid fractions,Lee Kesler correlations,API procedure with Twu correlations for critical properties,ASP

19、EN (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。,2020年10月7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。,2020年10月7日,表格Analysis OptionsAssay Procedure,2020年10月7日,石油性质模型,基本的虚拟组分性质模型 分子量 Molecular Weight 临界温度 Critical Temperature

20、 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。,2020年10月7日,石油性质模型 (续),虚拟组分热力学性质模型 理想气体热容 Ideal Gas Heat Capacity 汽化焓 Enth

21、alpy 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.,2020年10月7日,石油性质模型 (续),虚拟组分状态方程(EOS)性质模型 RKS Interaction Parameters BWR Orientation Parameter BWR Critical Temperatu

22、re 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.,2020年10月7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 CH4,2020年10月7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. 在线帮助中有每一种性质方法的简要说明,2020年10月7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

23、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,2020年10月7日,检查蒸馏塔各产品之间的分离效果(重叠度),Petroleum Properties and Property Sets,Objective: Become familiar with petroleum properties and learn the use of stream analysis Aspen Plus References: User G

24、uide, Chapter 32, Petroleum Assays and Pseudocomponents,2020年10月7日,Petroleum Properties,Reid vapor pressure API and specific gravity Watson UOP K factor Aniline point Pour point Flash point Cetane number Carbon to hydrogen ratio Gross heating value,2020年10月7日,Petroleum Properties (Continued),Mean an

25、d 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 at (0, 5, 10, 95%) TBP temperatures Vacuum temperatures,2020年10月7日,Petroleum Properties (Cont

26、inued),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: Antiknock, vapor knock, refractive, warm-up Numbers: Motor and research octane Luminometer Viscosity Gen

27、erally input curves for assays to generate these curves for product streams is needed.,2020年10月7日,Distillation Curves,Volume and weight basis ASTM D86 ASTM D1160 ASTM D2887 (weight percent only) Vacuum TBP API Gravity Gravity MW,2020年10月7日,Property Sets,A property set (Prop-Set) is a way of accessin

28、g 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 to report thermodynamic, transport, and other property values. Current property set applications include: Design s

29、pecifications, Fortran blocks, sensitivity Stream reports Physical property tables (Property Analysis) Tray properties (RadFrac, PetroFrac, etc.) Heating/cooling curves (Flash2, MHeatX, etc.),2020年10月7日,Properties included in Prop-Sets,Properties commonly included in property sets include: API- API

30、gravity SGSTD - Standard specific gravity (60 F, 1 atm) REIDVP- Reid vapor pressure D86T - D86 temperature MUMX - Viscosity Available properties include: Thermodynamic properties of components in a mixture Pure component thermodynamic properties Transport properties Electrolyte properties Petroleum-

31、related properties Reference: 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.,2020年10月7日,Defining Property Sets,Specifications for a property set include: Property name and units Temperature and pr

32、essure at which to calculate Include or exclude water phase qualifier (V, L, L1, L2, T, S),2020年10月7日,Specifying Property Sets,Use the Properties Prop-Sets form to specify properties in a property set. The Search button can be used to search for a property. All specified qualifiers apply to each pro

33、perty specified, where applicable. Users can define new properties on the Properties Advanced User-Properties form by providing a Fortran subroutine.,2020年10月7日,Predefined Property Sets,Some simulation Templates contain predefined property sets. The following table lists predefined property sets and

34、 the types of properties they contain for the General Template:,2020年10月7日,Predefined Petroleum Prop-Sets (Continued),Predefined Prop-Sets with the Petroleum Application template:,PREDEFINED,PROPERTY SET,TYPES OF PROPERTIES,CUTS - E Volumetric flow rate of petroleum cuts at 100F intervals D86 - 5 AS

35、TM D86 temperature at 5% liquid volume distilled D86 - 95 ASTM D86 temperature at 95% liquid volume distilled GAS - PROPS Compressibility, volumetric flow rate, heat capacity ratio KINVISC Liquid kinematic viscosity at 100F and 212F LIGHT Petroleum characteristics for light distillates MIDDLE Petrol

36、eum characteristics for middle distillates PETRO Volumetric flowrate, gravity, Watson K, distillation curves TBP-5 True boiling point temp. at 5% liquid volume distilled TBP-95 True boiling point temp. at 95% liquid volume distilled,2020年10月7日,Petroleum Prop-Sets,Most petroleum properties are calcul

37、ated from input property curves. Some petroleum properties are calculated from correlations (FLSH-API, POUR-API) Properties are accessed and used in exactly the same way as other prop-set properties,2020年10月7日,Stream Results Options,On the Setup Report Options Stream sheet, use: Flow Basis and Fract

38、ion Basis check-boxes to specify how stream composition is reported Property Sets button to specify names of property sets containing additional properties to be reported for each stream,2020年10月7日,Prop-sets Discussion,1. Give two reasons that a property set is needed. 2. How do you define a propert

39、y 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. To his surprise, he did not see viscosity. What happened?,PetroFrac,Objective: Introduce the features of the PetroFrac model and its use in simulating a cru

40、de tower Aspen Plus References: Unit Operation Models Reference Manual, Chapter 4, Columns,2020年10月7日,Characteristics of Refining Process,Wide boiling range fluids Large temperature gradients along column Most fluid compositions are unknown but their distillation analysis is known Three phase with f

41、ree water Side strippers and pumparounds Petroleum specific physical properties High degree of heat integration Metal and sulfur contents,2020年10月7日,Petroleum Refining Applications,PetroFrac is a distillation model specifically designed for petroleum refining applications: preflash tower crude unit

42、vacuum unit vacuum lube fractionator FCC main fractionator delayed coker main fractionator quench tower/primary fractionator,2020年10月7日,PetroFrac Features,Integration of furnace, column, side stripper and pumparound ADA/PCS for assay input, crude blend and breakdown Conversion between different ASTM

43、 curves User specification of cuts Petroleum oriented specifications Tray and packing sizing and rating Other features Initialization and convergence,2020年10月7日,Example Crude Tower,GAS,DECANT WATER,NAPHTHA,JET FUEL,KEROSENE,DIESEL,GAS OIL,RESID,CRUDE FEED,STEAM,2020年10月7日,PetroFrac - Connectivity,Va

44、por Distillate,Bottoms,Feeds,Feeds,Overflash,Pumparound,Pumparound,Stripper Bottoms,Liq Return,Side Products,Overhead,Liquid Distillate,Water Distillate,Feed,Heat,Bottom Stage or Reboiler Heat Duty,Top Stage or Cond. Heat Duty,Heat or Reboiler Heat Duty,Steam Feed,2020年10月7日,PetroFrac - Flowsheet Co

45、nnectivity,Any number of pumparounds and side strippers Steam or reboiler strippers Stripper hot liquid return Multiple feeds to strippers Total pumparound and product drawoffs Interstage water decanters Heat streams for pumparound coolers Pseudostreams,2020年10月7日,PetroFrac - Model Specifications,Se

46、tup form (required)Number of stagesCondenser and ReboilerDistillate rate, Bottoms rate, Condenser duty, Reboiler duty, or Reflux Ratio Feed/Product (required)Feed convention: furnace, on-stage, above-stage Pres-Profile (required) Pumparounds Strippers,2020年10月7日,PetroFrac - Pumparound Specifications

47、,Draw and return stage locations (required) For total drawoffs, specify one of the following: return temperature temperature change (negative if cooled) duty (negative if cooled) For partial drawoffs, specify liquid flow rate and one of the above.,2020年10月7日,PetroFrac - Side Stripper Specifications,

48、Stage Number For each stripper, the trays are numbered from top to bottom starting with stage 1. Steam Stripper Specifying a steam-to-product ratio will override the steam flow rate. Reboiler Stripper Specify a reboiler duty.,2020年10月7日,PetroFrac - Side Stripper,Conventions Liquid draw always goes t

49、o the stripper top stage.Vapor always returns to the main column Other Specifications A fraction of the stripper bottoms can be returned to the main column Multiple drawoffs from different stages as feeds to the same stripper are allowed,2020年10月7日,PetroFrac - Other Specifications,Steam to product f

50、low ratio (mass) Feed overflash Furnace outlet temperature Liquid runback from a stage ASTM temps 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 Propertie

51、s form to specify internal stages checked for free water - condenser is checked automatically Tray/packing,2020年10月7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 tempe

52、rature Meet a particular stage temperature by varying: furnace outlet temperature pumparound flow rate or return temperature Meet product flow rate by varying: furnace outlet temperature,2020年10月7日,PetroFrac - Definitions,Runback Liquid flow rate from a stage to a lower stage, equivalent to stage li

53、quid flow rate less side draws The Runback form is used to specify the runback from 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 liqui

54、d flow excludes any side product draw and pumparound.,2020年10月7日,Outside Loop Physical Properties (ai, KB, HV, HL),Inside Loop,cmi = cmi out yi = Ki xi S xi = 1.0, S yi = 1.0,S Hi in = S Hi out,l, v, x, y, L = S li, V = S vi,T,Inside loop solved by Newton method with or without log-leg,PetroFrac - C

55、onvergence,Sum-Rates variant of the inside-out algorithm,2020年10月7日,PetroFrac - Convergence,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 enhan

56、ce stability change design specifications,2020年10月7日,PetroFrac - Summary,1.PetroFrac 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