化工设计 计算机辅助化工过程设计ASPEN PLUS课件.ppt

1、提纲提纲ASPEN PLUS是什么？ASPEN PLUS能干什么？为什么选择ASPEN PLUS？怎么使用ASPEN PLUS？ASPEN PLUS的使用初步蒸馏过程设计初步案例研究2ASPEN PLUS是什么？是什么？作为20世纪70年代DOE委托MIT的开发项目（Advanced System for Process ENgineering，ASPEN）的一部分，出于商业化目的，于1981年成立了AspenTech公司。AspenTech公司在随后的时间里又先后兼并了20多个在各行业中技术领先的公司（如B-JAC International,Inc.、Dynamic Matrix Cont

2、rol Corporation、ICARUS Corporation、PIMS business group from Bechtel Corp.、Hyprotech Ltd.等），成为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。aspenONE作为第一流的领先产品将AspenTech公司的所有产品统一起来了。Aspen Engineering Suite（ASPEN PLUS、HYSYS等等40多个软件多个软件）Aspen Operation ManagerAspen Manufacturing SuiteAspen Supply ChainASPENTE

3、CH于1994在纳斯达克上市(NASDAQ:AZPN)3ASPEN PLUS能干什么？能干什么？合成流程合成流程工艺参数优化工艺参数优化研究某些设计问题或操作问题研究某些设计问题或操作问题进行参数灵敏度分析进行参数灵敏度分析流程优化流程优化脱出瓶颈脱出瓶颈参数拟合参数拟合4过程开发阶段过程设计阶段实际生产操作“生命周期模拟”（Lifecycle Modeling）为什么选择为什么选择ASPEN PLUS？ASPEN PLUS拥有最大的物性数据库系统共含50000多个纯组分数据 40000个二元交互参数可用于5000 个二元混合物，1000多个水相离子反应的反应常数。ASPEN PLUS的物性分

4、析工具物性常数估算、数据回归系统、物性分析系统、原油数据分析处理系统、电解质专家系统与世界上最大的热力学实验物性数据库DETHERM（含250,000 多个混合物的汽液平衡、液液平衡以及其它物性数据）的接口。可以建立自己的专用物性数据库。5为什么选择为什么选择ASPEN PLUS？ASPEN PLUS拥有丰富的单元模型库（9大类50多个单元操作过程）混合器/分流器：Mixer、Fsplit、Ssplit 分离器：Flash2、Flash3、Decanter、Sep、Sep2 换热器：Heater、HeatX、MHeatX、Hetran、Aerotran 塔：DSTWU、Distl、RadFra

5、c、Extract、MultiFrac、SCFrac、PetroFrac、Rate-Frac、BatchFrac反应器：REquil、RStoic、RYield、Rgibbs、RCSTR、RPlug、RBatch 压力变送器：Pump、Compr、Mcompr、Pipeline、Pipe、Valve 手动操作器：Mult、Dupl、ClChong 固体：Crystallizer、Crusher、Screen、FabFl、Cyclone、Vscrub、ESP、HyCyc、CFuge、Filter、Swash、CCD 用户模型6为什么选择为什么选择ASPEN PLUS？ASPEN PLUS拥有强大

6、的模型分析功能序贯模块法和面向方程法。敏感性分析：通过图表方式可看出设备规格和操作条件对工艺性能的影响。设计规定：可自动计算满足规定性能指标的操作条件或设备参数。收敛性分析：对有多个物流循环和信息循环的体系，可自动分析和建议最优切割物流、流程收敛方法和求解序列。数据拟合：可用实际生产数据拟合所用的工艺模型。最优化：可根据最优化目标调节工艺条件以达到如最大生产率、最低能耗、物流纯度和最大经济效益等。界面工具：可通过Visual Basic等编程语言完成新功能。7应用应用1：活度系数模型参数回归：活度系数模型参数回归8应用应用2：未知组分物性数据估计：未知组分物性数据估计9应用应用3：精馏塔的模拟

7、计算：精馏塔的模拟计算10应用应用4：设计规定：设计规定11应用应用5：敏感性分析：敏感性分析12应用应用6：优化：优化13应用应用7：PFD图（过程工艺流程图）图（过程工艺流程图）14怎么使用怎么使用ASPEN PLUS？151、绘制模拟流程图、绘制模拟流程图图形用户界面图形用户界面16绘制模拟流程图绘制模拟流程图模块模块向流程图中添加单元操作模块（Block）1.在“Model Libary”上单击选择模块类别。2.选择单元操作模型，单击向下箭头选择模型图标。3.单击模型图标，然后单击流程图绘图区域放置模块。也可以拖动模型图标至流程图绘制区域。4.单击鼠标右键停止放置模块。17绘制模拟流程

8、图绘制模拟流程图流股流股向流程图中添加流股（Stream）1.在“Model Libary”上单击“STREAMS”图标。2.如果选择不同类型流股（Material,Heat,Work），单击向下箭头选择不同类型流股。3.单击高亮显示端口将流股与模块连接起来4.重复第3步连接流股的另一端与模块5.将流股的起始源或目标端在流程图空白区域单击，则可以放置进料或产品流股。6.单击鼠标右键停止创建流股。18绘制模拟流程图绘制模拟流程图鼠标使用鼠标使用左键单击右键单击左键双击19u选择模块、流股、对象编号（object ID）或注解u带出所选择模块、流股或流程图的快捷菜单u取消在流程图中放置模块或流股u

9、打开模块或流股在“Data Browser”中的输入窗口，或中间流股的结果窗口u进入文本框的编辑状态绘制模拟流程图绘制模拟流程图修改模块或流股修改模块或流股在“Data Browser”中显示输入和结果窗口1、双击流程图中的模块或流股对象，或者，选择模块或流股，单击鼠标右键，从菜单中选择“Input”或“Results”改变模块或流股的显示外观1.单击鼠标左键选择目标对象2.当指针在选中对象上时，单击鼠标右键弹出快捷菜单3.选择合适的菜单项20ASPEN PLUS的用户交互界面的用户交互界面图形用户界面（Graphical User Interface）使用菜单（Menus）执行程序命令工具栏

10、（Toolbars）直接进入进入相应功能使用“Model Library”建立模拟流程图数据浏览器（Data Browser）使用文件夹（Folders）、表单（Forms）、工作页表（Sheets）导航窗口可以移动、改变大小、最小化、最大化或关闭包括了对象管理器（Object Managers），通过它可以操纵每一个离散对象的信息“Next Button”：检查当前表单是否输入完毕，并移动至另一个需要输入的表单21数据浏览器数据浏览器结构结构数据浏览器是一个观察模拟输入、结果和定义对象的三层次结构，可以在文件夹、表单、工作页表三者之间导航。22n“Data Browser”的根目录项n包含了

11、表单、其他文件夹或对象管理器n用来输入数据和浏览结果n可以包含一系列工作页表n位于文件夹中n提取表单n通过使用每一个工作页表顶端的标签（Tab）选择数据浏览器数据浏览器界面界面23数据浏览器数据浏览器表单的功能表单的功能当单击鼠标左键选择表单某个域时，描述区域（Description area）会给出此域的信息，为数据输入提供帮助单击某个域的下拉式箭头可以带出此域可能的输入选项列表输入一个字母，将自动带出以此字母开头的选项使用“Tab”键将跳转至此表单的下一个输入域在表格中，ASPEN PLUS总是在最后一个输入行中增加一个空行24帮助帮助帮助专题内容-适用于浏览整个文档。用户指南和参考手册均

12、包含在帮助中。在用户指南中的所有信息在Using Aspen Plus 手册下均可以找到。索引-使用索引项来寻找关于某个专题的帮助寻找-用于查找关于含有任何字或词的专题的帮助“这是什么?”帮助从帮助菜单中选择“Whats This?”然后在任何区域上单击得到这一项目的帮助25基本输入基本输入对于运行模拟最小要求的输入是(除图形流程外)：Setup（设置）Components（组分）Properties（性质）Streams（流股）Blocks（模块）这些输入在“Data Browser”中均可以找到单击“Next”按钮可以按以上顺序依次在输入窗口输入数据用数据菜单或工具栏上的数据浏览器按钮能够

13、快速进入这些输入的文件夹26状态指示器状态指示器ASPEN PLUS通过各种不同的颜色与形状来描述当前输入和结果的状态272、模拟环境、模拟环境设置设置大多数常用的设置信息是在“Setup Specifications Global”表中输入:在报告上使用的流程标题运行类型（Run Type）输入和输出单位有效的相态(例如：汽-液或汽-液-液)环境压力物流报告选项包含在“Setup Report Options Stream”表页上.28设置规定表单设置规定表单29流股流股报告选项报告选项流股报告选项在“Setup/Report Options/Stream”表中30设置运行类型设置运行类型3

14、1运行类型Flowsheet标准 ASPEN PLUS 流程运行包括灵敏度研究和优化。流程运行可以包括物性估算、化验数据分析、和/或物性分析。Assay DataAnalysis它是一个独立 Assay Data Analysis（化验数据分析）和生成虚拟组分的运行。当你不想在同一个运行中执行流程模拟时，用 Assay Data Analysis来分析化验数据DataRegression一个独立运行的 Data Regression（数据回归）用 Data Regression 把 ASPEN PLUS 要求的物性模型参数与已测量纯组分、VLE、LLE和其它混合数据相拟合。Data Regre

15、ssion可以含由物性估值和物性分析计算。ASPENPLUS 在 Flowsheet 运行中不能执行数据回归PROPERTIES PLUSPROPERTIES PLUS设置运行用 PROPERTIES PLUS 制备一个物性包，以便用于 Aspen Custom Modeler(以前是SPEEDUP)或 ADVENT、第三方商业工程程序、或你公司内部程序。你用 PROPERTIESPLUS 必需经过许可PropertyAnalysis一个独立运行的 Property Analysis当你不想在同一个运行中执行流程模拟时，用Property Analysis 生成一个物性表、PT曲线、多相曲线图

16、、和其它物性报告。Property Analysis 可以含有物性估算和化验数据分析计算。PropertyEstimation独立运行的 Property Constant Estimation当你不想在同一个运行中执行流程模拟时，用 Property Estimation 估算物性参数。设置单位设置单位在Aspen Plus的单位可以按 3 个不同的级别定义：1.全局级(在“Setup Specifications Global”页面上的“输入数据”和“输出数据”域)2.对象级(在一个对象,诸如单元模块和流股的任意输入表页顶部的“Units”域3.域级使用“Setup Units Sets”

17、对象管理器，用户可以建立自己的单位集。单位可以从一个现存单位集拷贝，然后修改。323、定义化学组分、定义化学组分使用“Components Specifications”表页来定义模拟所需的所有组分如果可用的话，每个组分的物性参数是从数据库中检索的纯组分数据库包含诸如分子量、临界性质等参数。数据库查找的顺序是在数据库页面中定义。可以使用“Find”按钮，根据组分名、分子式、组分类别、分子量、沸点、或CAS号查找组分。可以使用“Electrolyte Wizard”设置一个电解质模拟。33化学化学组分定义组分定义表单表单34输入化学组分输入化学组分组分ID是用于定义模拟输入和结果中的组分每个组分

18、 标识通过下列途径与数据库与一个数据库相关联：分子式（Formula）：组分的化学式，例如：C6H6注意：当有异构体时要加后缀，例如 C2H6O-2组分名（Component Name）：组分的全名，例如：BENZENE通过使用“Find”按钮，可以找出数据库组分使用组分名、分子式、组分类别、分子量、沸点或CAS 数所有包含指定项目的组分都将被列出35查找化学组分查找化学组分当超过一个限定条件时，可以使用“AND”组合查找36化学组分数据库化学组分数据库374、选择热力学模型、选择热力学模型使用“Properties Specifications”表页定义在模拟中所使用的物性方法。性质方法是一

19、个模型和方法的集合，用于描述纯组分和混合物的行为。选择正确的物性对于获得合理模拟结果是至关重要的。选择一个“Process Type”将缩小可用方法的个数。38性质规定表单性质规定表单395、输入流股信息、输入流股信息使用“Stream Input”表页定义进料流股条件和组分。定义流股状态条件输入下列几项中的两项：温度（Temperature）压力（Pressure）汽化率（Vapor Fraction）定义流股组分输入下列两项之一:总物流流量和组分分率单个组分的流率对于不是模拟流程进料的流股。其规定被用作初始估计值。40流股流股输入表单输入表单416、定义过程（模块）条件、定义过程（模块）条

20、件“Block Input”表页或“Block Setup”表页都指定了单元操作模型的操作条件和设备规定一些单元操作模型要求附加规定表页所有单元操作模型都有可选的信息表页(例如,“Block Options”表页)42模块表单模块表单437、执行模拟运行、执行模拟运行从“Run”菜单中选择“Run”或按“Next”按钮.当所要求的表页全部填完时执行模拟过程按钮“Next”将使你进入没有填完的表页中44控制面板控制面板控制面板含有：一个信息窗口,通过显示来自计算的最新信息而显示模拟的进展过程一个状态区域,显示所执行的模拟模块和收敛回路的层次和顺序一个工具栏,能够用来控制模拟Run开始或继续计算S

21、tep单步计算流程中的模块Stop暂停模拟计算Reinitialize清除模拟结果Results查看模拟结果458、查看结果、查看结果历史文件或控制面板信息包括任何生成的错误信息和警告在“View”菜单下选择“History”或“Control Panel”,显示历史文件和控制面板流股结果包括流股条件和组成对于所有流股(“/Data/Results Summary/Streams”表单)对于单个流股(在“Data Browser”中打开物流文件夹选择“Results”表)模块结果包括计算出的模块操作条件(在“Data Browser”中打开模块文件夹并选择“Results”表)46练习：环己烷

22、生产过程练习：环己烷生产过程问题问题创建一个流程来模拟环己烷生产过程创建一个流程来模拟环己烷生产过程环己烷可以用苯加氢反应得到，反应如下:C6H6+3 H2 =C6H12在进入固定床反应器之前，苯和氢气进料与循环氢气和环己烷混合。假设苯转化率为 99.8%。反应器出料被冷却，轻气体从产品物流中分离出去。部分轻气体作为循环氢气返回反应器。从分离器出来的液体产品物流进入蒸馏塔进一步脱除溶解的轻气体，使最终产品稳定。部分环己烷产品循环进入反应器，辅助控制温度。47练习：环己烷生产过程练习：环己烷生产过程流程流程48模型分析功能模型分析功能敏感性分析（Sensitivity）设计规定（Design S

23、pecification）优化（Optimization）数据拟合（Data Fit）工况研究（Case Study）49灵敏度分析灵敏度分析灵敏度分析是检验一个过程如何对变化的关键操作变量和设计变量反应的一个工具。研究输入变量的变化对过程（模型）的影响用图表表示输入变量的影响核实设计规定的解是否可行初步优化用准稳态方法研究时间变化变量用灵敏度分析模块生成随进料物流、模块输入参数或其它输入变量变化的模拟结果的表和（/或图）。50在灵敏度模块中对流程输入量所做的改变不会影响模拟，灵敏度研究独立于基础工况模拟而运行。灵敏度分析应用步骤灵敏度分析应用步骤1.定义被测量(采集)变量它们是在模拟中计算的

24、参量，在第4步将要用到(Sensitivity Input Define 页)。2.定义被操作(改变的)变量它们是要改变的流程变量 (Sensitivity Input Vary 页)。3.定义被操作(改变的)变量范围被操作变量的变化可以按在一个间隔内等距点或变量值列表来规定。(Sensitivity Input Vary 页)4.规定要计算的或要制成表的参量制表参量可以是任何合法的Fortran 表达式，表达式含有步骤1中定义的变量(Sensitivity Input Tabulate 页)。51被采集的流程变量的标识被采集的流程变量的标识对于标变量，为6个或6个以下字符对于矢变量，为5个或

25、5个以下字符以字母开头（A-Z）后跟字母数字型字符（A-Z，0-9）不要以IZ或ZZ开头52操纵变量操纵变量操作变量名变化范围值列表下限上限和等距点的个数（#Point）上限下限和点间的增量（Incr）报告标签53绘图绘图 1.选择包括 X 轴变量的列，然后选择从 Plot 菜单下选择 X-Axis 变量。2.选择包括 Y 轴变量的列，然后选择从 Plot 菜单下选择 Y-Axis 变量。3.(可选的)选择含有参数变量的列，然后从 Plot 菜单下选择 参数变量。4.从 Plot 菜单下选择 Display Plot。要选择一列，用鼠标左键点击列标题。54注意事项注意事项1.只有被输入到流程中

26、的参量才可以被改变或操作。2.可以改变多个输入。3.对于每一个被操作(改变的)变量的组合都运行一次模拟。55设计规定设计规定设计规定：指定要操纵（调整）的一个模块输入变量、过程进料物流变量或其它模拟输入变量来满足规定。类似于反馈控制器用户可把被计算的流程参量值设置成一具体值通过改变一个指定的变量达到目的没有结果直接和设计规定相关位于/Data/Flowsheeting Options/Design Specs 下56设计规定的收敛设计规定的收敛设计规定产生必须迭代求解的回路。缺省情况下，ASPEN PLUS为每个设计规定生成一个收敛模块并排序。在物流或模块输入中提供的被操纵变量的值被用作初始估

27、值。规定还必须有一个允差的方程是：|规定值-计算值|当一个塔不收敛时,做了改变后重新初始化通常是有好处的。100示例示例简捷法精馏塔设计简捷法精馏塔设计例4-3（P135）：设计一个脱乙烷精馏塔，进料流量为100 kmol/hr，进料组成为：氢气0.00014、甲烷0.00162、乙烯0.75746、乙烷0.24003、丙烯0.00075（摩尔分数），进料流股压力为18 atm。要求乙烯在塔顶的收率达到95%，并且塔顶馏出物中乙烯纯度达到99%（摩尔分数）。塔顶设一全凝器，操作压力为17.8 atm，塔釜有再沸器，操作压力为18.2 atm，回流比为取3。试确定精馏塔的理论板数、进料位置以及产

28、品流股的组成。热力学模型选择Peng-Robinson方程。101示例示例严格法精馏塔计算严格法精馏塔计算例例4-4（P157）：）：根据上节例4-3所描述的问题，采用DSTWU简介设计模型确定的脱乙烷精馏塔理论板数、进料位置和回流比等参数，对该精馏塔采用RADFRAC严格模型进行核算。例例4-5（P166）：）：根据例4-4，在其他条件不变的情况下，采用RADFRAC模型计算满足塔顶馏出物中乙烯摩尔分数达到0.99所需要的回流比。102示例示例填料塔的设计与核算填料塔的设计与核算例例4-6（P176）：）：根据例4-5计算得到的精馏塔，增加填料信息：填料类型：Sulzer CY Standa

29、rd；HETP：0.2 m；液泛因子：0.8；最大压降：10 kPa。试计算采用该种填料的填料塔信息。103示例示例板式塔的与核算板式塔的与核算例例4-7（P178）：）：根据例4-5计算得到的精馏塔，对浮阀塔进行核算，浮阀信息如下：Tray type：Nutter float Valve BDHNumber of passes：2Column diameter：1.0 mActual number of trays：34Tray spacing：0.5 m.Tray efficiency：0.5Weir height：0.05 mValve density：129/sqmDowncomer

30、clearance：0.15 mSide downcomer width：0.22 mCenter downcomer width：0.18 m 104反应器反应器105Reators(反应器反应器)以物料平衡为基础以物料平衡为基础Ryield(收率反应器收率反应器)Rstioc(化学计量反应器化学计量反应器)以反应平衡为基础以反应平衡为基础REquil(平衡反应器平衡反应器)RGibbs(吉布斯反应器吉布斯反应器)以动力学为基础以动力学为基础RCSTR(连续搅拌釜式反应器连续搅拌釜式反应器)RPlug(活塞流反应器活塞流反应器)RBatch(间歇反应器间歇反应器)基于物料平衡反应器基于物料平

31、衡反应器RYield只要求物料平衡,不要求原子平衡 用来模拟入口物流不知道，但出口物流已知的反应器(例如，模拟一个炉子)10670 lb/hr H2O20 lb/hr CO260 lb/hr CO250 lb/hr tar（焦油）焦油）600 lb/hr char（焦碳）焦碳）1000 lb/hr Coal（煤）煤）INOUTRYield基于物料平衡反应器基于物料平衡反应器(续续)RStoic要求原子平衡和质量平衡用于化学平衡数据和动力学数据不知道或不重要的反应器可以规定或计算在参考温度和压力下的反应热1072 CO+O2-2 CO2C+O2-CO22 C+O2-2 COC,O2INOUTRS

32、toicC,O2,CO,CO2以化学平衡为基础的反应器以化学平衡为基础的反应器概述不考虑反应动力学各个模块能解算相似的问题，但问题规定不同单个反应能达到严格平衡REquil通过求解反应平衡方程而计算化学平衡和相平衡不能进行3相闪蒸计算可用在有许多组分、已知一些反应并且较少组分参加反应的情况 108以化学平衡为基础的反应器以化学平衡为基础的反应器(续续)RGibbs未知反应未知反应当发生的反应未知，或由于有许多组分参与反应，致使反应数量很多时，该功能十分有用。吉布斯能最小吉布斯能最小通过吉布斯自由能最小化来确定在产品吉布斯自由能最小时的产品组成。固体平衡固体平衡RGibbs 是唯一能处理固-液-

33、汽相平衡的Aspen Plus模块109动力学反应器动力学反应器动力学反应器有 RCSTR,RPlug 和RBatch。因为考虑了反应动力学,所以必须定义反应动力学。动力学可以用一个内置模型定义,或用一个用户子程序定义，现有的内置模型是：幂律模型Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson(LHHW)反应的催化剂的反应系数可以为零。反应是用反应 ID 指定。110使用反应使用反应 ID反应 ID被设置成对象,独立于反应器,并且在反应器中被引用。单个反应ID可以在任意个数动力学反应器(RCSTR,RPlug 和 RBatch.)中引用。若建立一个反应ID，请进入 Reac

34、tions Reactions 对象管理器页面。111幂律速率表达式幂律速率表达式正反应正反应:(假设反应中A为2级，B为3级)系数:A:B:C:D:指数:A:B:C:D:112RTk活化能指前因子expT )(niikratei*幂指数浓度示例:23212ABCDkk -2-312 2 300逆反应逆反应:(假设反应中C为1级，D为2级)系数:C:D:A:B:指数:C:D:A:B:-1-2 23 1 2 00反应热反应热不需要为反应提供反应热。反应热通常按反应器入口和出口焓差计算 如果你有的反应热数值和Aspen Plus 计算出的反应热数值不相匹配，你可以调整一个或多个组分的生成热(DHF

35、ORM)，使你的反应热数据和计算的反应热数据相匹配。在RStoic 反应器中，可以规定或计算参考温度、压力下的反应热。113HeaterHeater 模块在规定热力学状态下把多股入口物流混合生成单股出口物流。你能用 Heater 表示:Heaters（加热器）Coolers（冷却器）Valves（阀门）Pumps（泵）和 Compressors（压缩机）(无论何时都不需要与功有关的结果。)114Heater 输入规定输入规定允许组合:压力(或压降)和下列之一:出口温度热负荷或入口热流股汽化分率温度变化过冷或过热度数出口温度或温度变化 和下列之一:压力热负荷汽化分率115Heater 输入规定输入规定(续续)对于单相用压力（压降）和下列之一:出口温度热负荷或入口热流股温度变化汽化分率为：1 是露点,0 是泡点116操作操作 HeatXHeatX 能模拟如下管壳换热器类型:逆流和并流弓形隔板 TEMA E,F,G,H,J 和 X 壳圆形隔板 TEMA E 和 F 壳裸管和翅片管HeatX 执行:全区域分析传热和压降计算显热、气泡状汽化、凝结膜系数计算内置的或用户定义的关联式117