化工流程模拟软件Aspen Plus实例详解

钟立梅;王英龙;仇汝臣;齐建光;孟凡庆;李鑫

目录

  • 1 初步认识Aspen Plus软件
    • 1.1 化工流程模拟简介
    • 1.2 Aspen Tech系列产品
    • 1.3 Aspen Plus软件主要功能特点简介
    • 1.4 本章练习
  • 2 Aspen Plus模拟入门
    • 2.1 模拟案例
    • 2.2 模拟操作过程
      • 2.2.1 丙烷液化未加循环
      • 2.2.2 丙烷液化循环
    • 2.3 Aspen Plus功能详解
      • 2.3.1 模板
      • 2.3.2 用户界面
      • 2.3.3 检索组分
      • 2.3.4 物性方法的选择
      • 2.3.5 全局设定
      • 2.3.6 编辑流程图
      • 2.3.7 模型库
      • 2.3.8 Mixers/Splitters模型
        • 2.3.8.1 Mixer模型功能详解
        • 2.3.8.2 FSplit模型功能详解
        • 2.3.8.3 SSplit模型功能详解
    • 2.4 本章练习
  • 3 简单模型
    • 3.1 简单分离器
      • 3.1.1 模拟案例
      • 3.1.2 乙二醇水糠醛简单分离流程模拟
      • 3.1.3 Aspen Plus功能详解
        • 3.1.3.1 Flash2模型功能详解
        • 3.1.3.2 Flash3模型功能详解
        • 3.1.3.3 Decanter模型功能详解
        • 3.1.3.4 Sep模型功能详解
        • 3.1.3.5 Sep2模型功能详解
    • 3.2 压力改变模型
      • 3.2.1 模拟案例
      • 3.2.2 流程模拟
        • 3.2.2.1 流体输送
        • 3.2.2.2 流体输送校核
      • 3.2.3 Aspen Plus功能详解
        • 3.2.3.1 Pump模型功能详解
        • 3.2.3.2 Compr模型功能详解
        • 3.2.3.3 MCompr模型功能详解
        • 3.2.3.4 Valve模型功能详解
        • 3.2.3.5 Pipe模型功能详解
        • 3.2.3.6 Pipeline模型功能详解
    • 3.3 传热设备
      • 3.3.1 模拟案例
      • 3.3.2 流程模拟
        • 3.3.2.1 换热-Heater
        • 3.3.2.2 换热-HeatX
        • 3.3.2.3 换热-HeatX-Detailed Rating
        • 3.3.2.4 换热-HeatX-Detailed Simulation
        • 3.3.2.5 换热-HeatX-Rigorous Rating
        • 3.3.2.6 换热-HeatX-Design Spec
        • 3.3.2.7 换热-HeatX-Sensitivity
          • 3.3.2.7.1 换热-MHeatX
          • 3.3.2.7.2 换热-HXFlux
          • 3.3.2.7.3 换热-Mult
      • 3.3.3 Aspen Plus功能详解
        • 3.3.3.1 Heater模型功能详解
        • 3.3.3.2 HeatX模型功能详解
        • 3.3.3.3 MHeatX模型功能详解
        • 3.3.3.4 HXFlux模型功能详解
        • 3.3.3.5 Mult模型功能详解
        • 3.3.3.6 Dupl模型功能详解
        • 3.3.3.7 Design-Spec功能详解
        • 3.3.3.8 Sensitivity功能详解
    • 3.4 本章练习
  • 4 反应器
    • 4.1 模拟案例
    • 4.2 质量守恒反应器模型—RStoic和RYield
      • 4.2.1 RStoic和RYield流程模拟
      • 4.2.2 Aspen Plus功能详解
        • 4.2.2.1 RStoic模型功能详解
        • 4.2.2.2 RYield模型功能详解
    • 4.3 平衡反应器模型—REquil和RGibbs
      • 4.3.1 反应器-REquil&RGibbs流程模拟
      • 4.3.2 Aspen Plus功能详解
        • 4.3.2.1 REquil模型功能详解
        • 4.3.2.2 RGibbs模型功能详解
    • 4.4 严格动力学反应器模型—RCSTR、RPlug和RBatch
      • 4.4.1 RCSTR、RPlug和RBatch流程模拟
      • 4.4.2 Aspen Plus功能详解
        • 4.4.2.1 Reactions反应集功能详解
        • 4.4.2.2 RCSTR模型功能详解
        • 4.4.2.3 RPlug模型功能详解
        • 4.4.2.4 RBatch模型功能详解
        • 4.4.2.5 Calculator功能详解
    • 4.5 本章练习
  • 5 塔
    • 5.1 普通精馏
      • 5.1.1 模拟案例
      • 5.1.2 精馏塔简捷设计模型—DSTWU
        • 5.1.2.1 DSTWU流程模拟
        • 5.1.2.2 DSTWU模型功能详解
      • 5.1.3 精馏塔简捷校核模型—Distl
        • 5.1.3.1 Distl流程模拟
        • 5.1.3.2 Transfer模型功能详解
      • 5.1.4 多级汽-液分离塔严格计算模型—RadFrac
        • 5.1.4.1 核算模式
          • 5.1.4.1.1 RadFrac流程模拟
            • 5.1.4.1.1.1 RadFrac模型功能详解—模型规定
        • 5.1.4.2 设计模式
          • 5.1.4.2.1 Design Specifications流程模拟
          • 5.1.4.2.2 RadFrac模型功能详解—DesignSpecifications
        • 5.1.4.3 塔板/填料的设计/校核计算
          • 5.1.4.3.1 塔板设计
          • 5.1.4.3.2 塔板校核
          • 5.1.4.3.3 填料设计
          • 5.1.4.3.4 填料校核
          • 5.1.4.3.5 RadFrac模型功能详解—TraySizing/Rating
          • 5.1.4.3.6 RadFrac模型功能详解—Packing Sizing/Rating
          • 5.1.4.3.7 RadFrac模型功能详解—Efficiency
        • 5.1.4.4 塔分析
          • 5.1.4.4.1 塔分析流程模拟
          • 5.1.4.4.2 RadFrac模型功能详解—Analysis
    • 5.2 特殊精馏
      • 5.2.1 共沸精馏
        • 5.2.1.1 模拟案例
        • 5.2.1.2 共沸精馏流程模拟
        • 5.2.1.3 ConSep模型功能详解
        • 5.2.1.4 Distillation Synthesis功能详解
      • 5.2.2 三相反应精馏
        • 5.2.2.1 模拟案例
        • 5.2.2.2 三相反应精馏流程模拟
        • 5.2.2.3 RadFrac模型功能详解—反应精馏
        • 5.2.2.4 RadFrac模型功能详解—三相精馏
        • 5.2.2.5 RadFrac模型功能详解—固体处理
    • 5.3 速率吸收/精馏
      • 5.3.1 模拟案例
      • 5.3.2 速率吸收流程模拟
        • 5.3.2.1 速率吸收
        • 5.3.2.2 改变塔经
        • 5.3.2.3 筛板塔
      • 5.3.3 RadFrac模型功能详解—Rate-Based模式
    • 5.4 萃取塔—Extract
      • 5.4.1 模拟案例
      • 5.4.2 萃取塔流程模拟
      • 5.4.3 Extract模型功能详解
    • 5.5 本章练习
  • 6 石油精馏塔
    • 6.1 常减压装置简介
    • 6.2 模拟案例
    • 6.3 初馏塔模拟
    • 6.4 常压塔模拟
    • 6.5 PetroFrac模型功能详解
      • 6.5.1 流程连接
      • 6.5.2 计算模式
    • 6.6 本章练习
  • 7 Aspen间歇模块
    • 7.1 简介
    • 7.2 间歇精馏
    • 7.3 间歇反应器
    • 7.4 本章练习
  • 8 固体模拟
    • 8.1 煤的干燥
    • 8.2 煤的燃烧
    • 8.3 气固分离器
    • 8.4 本章练习
  • 9 AspenPlus软件在物性中的应用
    • 9.1 本章练习
    • 9.2 物性数据查询与分析
      • 9.2.1 模拟案例
      • 9.2.2 查询纯组分标量物性
      • 9.2.3 交互式物性分析
      • 9.2.4 表格式物性分析
    • 9.3 物性估算
      • 9.3.1 模拟案例
      • 9.3.2 物性估算模拟
    • 9.4 物性数据回归
      • 9.4.1 模拟案例
      • 9.4.2 物性数据回归模拟
    • 9.5 电解质溶液计算
      • 9.5.1 模拟案例
      • 9.5.2 流程模拟
Aspen Tech系列产品

1.2Aspen Tech系列产品

Aspen全称为AdvancedSystem for Process Engineering,是1981年由美国能源部Department of Energy委托麻省理工学院(MIT)开发完成的大型流程模拟软件。以该软件为依托,1982年成立AspenTech公司,将其商品化。30多年来,AspenTech公司不断发展,先后兼并了20多个在各行业中技术领先的公司,如B-JACInternationalInc.DynamicMatrix Control CorporationICARUSCorporationPIMS business group from BechtelCorp.Hyprotech Ltd.等,成为可为过程工业提供从集散控制系统(DCS)到企业资源计划(ERP)全方位服务的公司。

AspenTech公司先后推出了十多个版本,形成了不同用途的软件产品系列,成为世界公认的标准大型流程模拟软件,应用案例数以百万计。AspenONE™AspenTech公司的所有产品统一起来,主要可分为AspenEngineering Suite(工程套件)、AspenManufacturing Suite(生产套件)和AspenSupply Chain(供应链套件)系列。

1.2.1工程套件

Aspen工程套件是以AspenPlus严格机理模型为基础的工程系列软件,包括Aspen PlusHysysAspenEnergy AnalyzerEDR等四十多个软件,在工程模拟和设计中广泛应用。

Aspen Plus稳态流程模拟软件。是工程套件的核心,可广泛地应用于新工艺开发、装置设计优化,以及脱瓶颈分析与改造。AspenPlus具有丰富的物性数据库,可处理非理想、极性高的复杂物系。AspenPlus独具联立方程法和序贯模块法相结合的解算方法,及一系列拓展的模型模型库,并具有灵敏度分析、自动排序、多种收敛方法以及报告等功能。

Aspen Batch Modeler间歇过程专用模拟软件。可选择模拟单釜/反应器、精馏塔或有冷凝器的釜/反应器,是间歇精馏、间歇反应、反应精馏设计优化的先进工具。AspenBatch Modeler支持三相体系,可由间歇数据估算反应动力学参数。利用其严格模拟功能,AspenBatch Modeler可快速、低成本地确定最佳设计和操作策略,在保持产品纯度的前提下,减少间歇操作时间、提高产品回收率。

Aspen Dynamics动态流程模拟软件。运用一套崭新的技术,帮助用户精确求解传统方法难以解决的相变、干塔和容器溢流等复杂问题。AspenDynamicsAspen Plus紧密结合,可帮助用户在装置设计时改善过程设计品质,在生产操作中解决操作问题,从而减少开发投资,降低操作费用。

Aspen Custom Modeler建立在联立微分-代数方程组求积分解基础上的动态模拟系统。1998年推出,具有交互式运行、图形生成及显示、内装专家系统等功能,为准确、完整、快捷地建立化工过程模拟提供了极大的便利。利用AspenCustom Modeler,可对化工过程实现稳态及动态模拟、参数估计、稳态优化,对模拟结果进行多种分析和处理,并根据用户需要作图、列表及生成工艺控制流程图等。AspenCustom Modeler模型由用户新建立,而Aspen Dynamics模型为Dynamics库中已有模型。两者都使用和AspenPlus一样的物性数据库—Aspen Properties,使稳态及动态模拟计算结果保持一致性。

Aspen Adsorption吸附过程专用模拟软件。用于吸附过程的设计、模拟和优化分析,可用来开发和识别最佳吸附剂,设计更好的吸附循环和改进工厂操作。AspenAdsorption可模拟气体吸附、离子交换、液体吸附。流程模拟的环境非常灵活,可模拟单塔穿透,也可模拟多塔动态循环操作。

Polymers Plus聚合物模拟软件。建于AspenPlusAspen Custom Modeler基础之上,不仅包括聚合过程的稳态及动态模型,还有可用于操作工仿真培训的模型,既可离线应用,也是在线实时优化的基础。PolymersPlus可模拟各种聚合过程,如聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚酯(PET)、聚苯乙烯等。

Aspen Properties物性数据和分析工具。可为AspenPlusEDRAspenBatch Modeler等软件提供详细的物性数据,这些软件可直接使用AspenProperties。利用Aspen Properties,可根据分子结构估算物性数据,根据实验室数据回归参数,或分析感兴趣的化学系统行为。AspenProperties中还包含一些特定工业过程(如石油加工)的模板,其中包括相关数据、物性和默认值等。

Exchanger Design andRatingEDRAspen公司2003年推出的一款传热计算工程软件套件,可对各类换热器进行热力学计算、机械设计、经济评价及换热器和压力容器的图形绘制。包括Shell&Tube(管壳式换热器)、AirCooled(空冷器)和Plate(板式换热器)等。除进行更严格的传热和水力学分析外,这些计算程序还可确定如震动或流速过快等可能存在的操作问题。用户可在AspenPlus流程模拟计算后直接转入相关设备设计计算。

Aspen Energy Analyzer基于过程综合与集成的夹点技术的能量分析软件。可应用工厂现场操作数据或者AspenPlus模拟计算的数据做为输入,用来设计能耗最小、操作成本最低的化工厂和炼油厂过程流程。可用于老厂节能改造的过程集成方案设计、老厂扩大生产能力的脱瓶颈分析、能量回收系统(如换热器网络)的设计分析、公用工程系统合理布局和优化操作(包括加热炉、蒸汽透平、燃气透平、制冷系统等模型在内)等。根据一些大型石化公司经验,采用这种夹点技术进行流程设计,一般老厂改造可节能20%左右,投资回收期一年左右;对新厂设计往往可节省操作成本30%,并同时降低投资10-20%。

Aspen Process EconomicEvaluation经济分析与评价软件。包括AspenProcess Economic AnalyzerAspenIn-Plant Cost EstimatorAspenCapital Cost Estimator三部分,旧版本Aspen中该软件名为AspenIcarus Process EvaluatorAspenIPE)。Aspen Process EconomicEvaluation软件除可独立使用外,还内置在Aspen Plus中,可进行设备的初步机械设计,估算购置和安装费用、间接费用和总投资,完成工程设计-订货-建设的计划日程表和利润率分析等。

HYSYS原为加拿大Hyprotech公司的流程模拟软件产品,2002年被AspenTech公司收购,在石油化工领域应用广泛。

1.2.2生产套件

Aspen生产套件产品用于工厂生产的在线检测、控制及优化等,主要包括以下软件:

AspenAdvisorAspenTech的客户机-服务器工厂性能控制和收率统计应用软件。将图解用户界面和面向对象的数据平衡调整专家系统结合,并兼容ODBC的关系数据库模型。

AspenAdvisor数据校正模型:面向对象、事件驱动的能独立装载并执行的应用程序。应用PLATIMUM技术公司的Aion开发系统(AionDS)开发。用模式匹配范例使工厂配置数据合理有效,计算具有多未测量的支流周围的损失流量,并检测和纠正收率核算的过失误差。此方法在工业上是唯一的,与其它商业统计数据校正软件包相比,在正确计算未测量的支流流量、检测与确认全部过失误差的确切来源方面具有显著优势。

InfoPlus.21:实时数据库软件。是用于集成生产过程信息(如各种工艺参数)与高层次应用程序(如先进控制、优化、过程管理)的基础数据平台,它使用户可访问和集成来自整个工厂范围内DCSPLC的数据。Info Plus.21通过功能极强的分析工具、历史数据管理、图形化的用户界面和大量的过程接口来访问和集成数据。

AspenWatch:一套先进控制系统的性能监测软件。Aspen Watch从大量的操作数据中有效提取出有用的信息,通过性能监测、性能诊断和维护建议等一整套性能监视和诊断工具及方法,来保持先进控制系统长周期高效运行。当一套装置的工艺发生变化或处于不同的运行阶段,控制器的模型需进行调整,自动阶跃测试技术是解决该问题的良好方案。

AspenIQ:建立和实现推理技术的软件包。它使得建立和实现线性和非线性仪表变得非常容易,灵活的分析和实验室模型自动地调解推理的性质可确保精度。Aspen IQ具有功能强大的离线及在线模型,它的模型化体系结构给用户提供各种灵活的方式以在各种集散系统和计算机平台上高效开发软仪表。Aspen IQ是用Microsoft标准来开发的完全基于WindowsNT的网络软件。

RT-OPT:开放式方程闭环实时优化(CLRTO)技术平台。RT-OPTAspenPlus集成后,在通用工具和模型的条件下,能支持闭环、实时优化以及离线模拟优化。这样,用户可在各种不同应用的多项工程中使用单一的、严格的模型,建立具有强生命周期的模型,从而提高了装置操作的可靠性和经济效益。RT-OPT的严格优化技术在满足装置实际约束值的同时,能够精确地标识出工艺最佳操作状态、综合收率、转化率、产量以及能源费用等。在数据适配和参数估计阶段监测工艺参数时,RT-OPT将提供在线测量值性能,以助于估算性的维护。

DMCplus:多变量控制产品。在图形界面下,提供多重变量控制工具。DMCplus是由AspenTechDynamicMatrix Control CorporationSetpointInc.合并后开发的新一代多变量控制产品。DMCplus继承了由这些公司在1000多个控制应用中所确立的技术龙头传统。DMCplus包括DMC引擎,在很多应用中都已经证明其可靠性和能力,可使用户利益最大化,还有SMCA的图形用户界面和环境,在多变量控制器设计和操作方面开辟了现代工具的使用。

1.2.3供应链套件

Aspen供应链套件是一个功能强大、用户友好的过程工业用的经济计划调度软件包。它采用Linear Programming(线性规划)技术优化过程工业企业的运营计划,可用于生产作业计划优化、后勤及供应链管理、技术评价和工厂各模型规模估算及扩产研究等。Aspen供应链套件包括十几种子程序包,例如:

PPIMS多周期线性规划模拟系统。

MPIMS多工厂线性规划模拟系统。

XPIMS多周期、多工厂线性规划模拟系统。

SDPIMS供应和发送线性规划模拟系统。

PSSPIMS的调度系统,它采用实时数据、人工智能、动态逆向追踪模拟(DBS)及最优化解答来模拟和调度最优的工厂运营。

Aspen PIMS ASSAYS英国石油公司BP的原油化验数据库;

        SD PIPE管网调度系统