Aspen-Plus石油炼制过程的模拟解析课件.ppt

1、Aspen Plus高级班高级班石油炼制过程的模拟石油炼制过程的模拟2022-12-3高级精馏在化工领域的应用 RADFRAC单元操作模型的应用、收敛方法和参数的单元操作模型的应用、收敛方法和参数的选取；选取；三相蒸馏、萃取蒸馏、共沸蒸馏和反应蒸馏等特殊蒸三相蒸馏、萃取蒸馏、共沸蒸馏和反应蒸馏等特殊蒸馏过程的模拟；馏过程的模拟；电解质过程的模拟等。电解质过程的模拟等。2022-12-3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，讲授下列以一套典型的常减压装置为主线，讲授下列5部部分内容：分内容：1)油品馏程分析数据的处理；油品馏程分析数据的处理；2)初馏塔的模拟计算；初馏塔的模拟计算

2、；3)常压塔的模拟计算；常压塔的模拟计算；4)减压塔的模拟计算；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。计算原油中所含杂质硫在各种产品中的分布。2022-12-3掌握如下新的内容：1)石油炼制过程蒸馏单元的模拟步骤；石油炼制过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；流程模拟软件中石油馏份的特殊处理方法；3)掌握掌握PETROFRAC单元操作模型的使用；单元操作模型的使用；4)产品中杂质分布的计算。产品中杂质分布的计算。2022-12-3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；确定模拟范围，绘制模拟流程图；将已知条件输入相应表

3、格：将已知条件输入相应表格：SETUP COMPONENTS PROPERTIES STREAMS BLOKS。运行模拟计算运行模拟计算 检查结果检查结果2022-12-3油品分析和虚拟组分目标:学习输入石油分析数据学习输入石油分析数据,创建调和组分创建调和组分(油品混合油品混合),以及表征石油馏分以及表征石油馏分Aspen Plus 参考资料:User Guide,Chapter 6,Specifying Components User Guide,Chapter 32,Petroleum Assays and Pseudocomponents本章概况 表征石油流体的挑战表征石油流体的挑战

4、油品馏程数据和性质数据的输入油品馏程数据和性质数据的输入 蒸馏曲线的转换蒸馏曲线的转换 生成虚拟组分生成虚拟组分 油品调和油品调和 用户自定义的虚拟组分用户自定义的虚拟组分2022-12-3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其组成难以定量分析 石油用虚拟组分石油用虚拟组分(pseudocomponents)来表征来表征,虚虚拟组分是蒸馏曲线上较小的片断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每一个虚

5、拟组分的基本性质由下列关联式来计算:分子量分子量(MW)正常沸点正常沸点(TBP)重度或者重度或者 Watson UOP K2022-12-3Assays 和 Blends 组分Assay Data(TBP,D86)PseudocomponentsAssay-1Assay-2BlendPseudocomponents输入输入输出输出2022-12-3输入油品馏程分析数据1.在在 Data Browser下面下面,选择选择Components,然然后选后选 Assay-Blend.2.在在 Assay-Blend 目标管理器下目标管理器下,创建一个创建一个 assay 并且提供一个名称并且提供一

6、个名称(ID).3.在在BasicDataDistCurve表中，输入蒸馏曲线表中，输入蒸馏曲线数据数据.4.在在BasicDataDistCurve表中，输入油品重度表中，输入油品重度，或者在，或者在BasicData Gravity/UOPK表中，输表中，输入重度曲线或入重度曲线或UOPK曲线数据曲线数据.虚拟组分将在模拟计算之初自动生成虚拟组分将在模拟计算之初自动生成.2022-12-3ASSAY组分的表征 输入蒸馏曲线输入蒸馏曲线 蒸馏曲线分割为很多个片段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每一个片段生成一个虚拟组分每一

7、个虚拟组分的性质以下列参数的平均值为基础进行估算：以下列参数的平均值为基础进行估算：分子量分子量(MW)正常沸点正常沸点(NBP)密度或比重密度或比重(API or SG)虚拟组分的流率在流股结果表中报告虚拟组分的流率在流股结果表中报告.2022-12-3Assay组分BasicData DistCurve 表2022-12-3重度的规定 油品整体重度油品整体重度 比重比重 API 重度重度 重度曲线重度曲线 比重比重 API 重度重度 API=141.5/SG-131.5 Watson UOPK 曲线曲线 NBP=(UOPK*SG)32022-12-3Assay组分BasicData Gra

8、vity/UOPK 表2022-12-3蒸馏曲线 蒸馏曲线类型蒸馏曲线类型:ASTM D86,D1160,D2887 实沸点蒸馏曲线实沸点蒸馏曲线(TBP)(重量或体积基准重量或体积基准)真空蒸馏曲线真空蒸馏曲线(重量或体积基准重量或体积基准)每一个蒸馏曲线至少需要输入每一个蒸馏曲线至少需要输入4个点个点.报告中的蒸馏曲线为报告中的蒸馏曲线为:ASTM D86 ASTM D1160 Vacuum(liquid volume)2022-12-3 油品分析数据计算程序油品分析数据计算程序 Version 9 或更新的版本或更新的版本 Version 8 或更老的版本或更老的版本 蒸馏曲线转换方法蒸

9、馏曲线转换方法 ASTM D86 至实沸点至实沸点(True boiling point)Edmister Edmister-Okamota PML D2887 至至 True boiling point API87 API94 TBPWT蒸馏曲线计算方法2022-12-3 曲线处理选项曲线处理选项 初馏点初馏点(Initial boiling point)0.5%(缺省缺省)终馏点终馏点(Final boiling point)99%(default)外延方法外延方法 Probability(缺省缺省)Quadratic 锯齿段拟合方法锯齿段拟合方法 Harwell(缺省缺省)Hermite

10、 曲线处理选项在曲线处理选项在 ComponentsPetroCharacterization AnalysisOptions AssayProcedure表上表上.蒸馏曲线计算方法(续)2022-12-3 虚拟组分从油品分析数据生成虚拟组分从油品分析数据生成.你可以规定切割温度或切你可以规定切割温度或切割片段割片段(窄馏份窄馏份)的宽度的宽度.ComponentsPetroCharacterizationGenerationCuts表上，规定切割温度等表上，规定切割温度等.缺省值是缺省值是40个切割点个切割点:TBP Range(F)100-800No.of CutsIncrements(F

11、)800-1200 1200-160028842550100切割温度2022-12-3蒸馏曲线的切割2022-12-3虚拟组分性质 用用Watson/UOP“K”和和API关联式估算：关联式估算：典型地典型地10 UOPK 13此处此处 10.0 表示芳烃含量很高表示芳烃含量很高13.0 表示烷烃含量很高表示烷烃含量很高gravityspecific NBPUOPK32022-12-3所生成虚拟组分的命名 ComponentsPetro CharacterizationGeneration 规定命名选项规定命名选项 自动生成的名称可以是自动生成的名称可以是:实际计算出来的实际计算出来的 NBP

12、(如如:PC864F)沸程下限温度沸程下限温度(如如:PC800F)沸程上限温度沸程上限温度(如如:PC900F)用户选择的顺序号用户选择的顺序号(如如:PC1,PC2)用户定义的名称用户定义的名称2022-12-3附加的ASSAY组分数据 可选的性质曲线可选的性质曲线:轻端组分分析轻端组分分析(light-ends matching)比重或者比重或者API重度曲线重度曲线 Watson UOPK 曲线曲线 分子量曲线分子量曲线 性质曲线性质曲线(多于多于30种性质种性质)绝对绝对&动力粘度曲线动力粘度曲线 如果输入油品整体性质，单独的曲线数值被归如果输入油品整体性质，单独的曲线数值被归一到整

13、体性质一到整体性质.可以应用用户性质曲线可以应用用户性质曲线2022-12-3Assays组分的用户性质曲线 在表格在表格PropertiesAdvancedUser Properties 上，建立用户性质曲线上，建立用户性质曲线.在表格中激活在表格中激活 Assay Curve properties 选项选项 在在 表格表格ComponentAssay/BlendProperty Curve上，输入用户性质曲线的数据。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，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。建议使用用户调和子程序。2022-12-3性

14、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。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，有各种调和计算计算虚拟组分混合物的性质，有各种调和计算选项。选项。2022-12-3石油性质的调和 石油性质调和方法石油性质调和方法:标准体积标准体积(StdVol)摩尔摩尔(Mole)质量质量(Mass)用户用户(User)用于性质计算的用户调和子程序：用于性质计算的用户调和子程序：用

15、户子程序名称为用户子程序名称为 BLDPPU.“调和选项调和选项”可以规定可以规定.性质可以外延与否性质可以外延与否.在在 Components Petro CharacterizationAnalysis OptionsBlend Options 上，调和规则可以修改。上，调和规则可以修改。2022-12-3Assay(石油)数据库 软件内置的软件内置的Assay 数据库，包含数据库，包含 194 种石油种石油的分析数据的分析数据,其中有其中有:-来自来自Phillips 石油数据库的石油数据库的10 种石油种石油-来自文献的来自文献的184种石油种石油 在在 Component Speci

16、ficationsPetroleum表表，查找，查找Assay 库文件。库文件。和和Phillips Petroleum 石油分析数据库的接口石油分析数据库的接口，其中收集了超过，其中收集了超过250种石油的数据种石油的数据*需要与需要与Phillips Petroleum签订签订License协议。协议。2022-12-3Assay(石油)数据库 每一种石油至少提供如下信息每一种石油至少提供如下信息:馏程分析馏程分析 重度重度 和和/或或 重度曲线重度曲线 某些石油有附加的性质曲线某些石油有附加的性质曲线:苯胺点苯胺点 闪点闪点 凝固点凝固点 硫含量硫含量 金属含量金属含量 硫醇硫醇 研究法

17、研究法/马达法马达法 辛烷值辛烷值 烷烃烷烃 环烷烃环烷烃 芳烃芳烃 雷诺蒸汽压雷诺蒸汽压2022-12-3访问Assay数据库2022-12-3创建Blends组分 通过规定通过规定blend 中每个中每个assay 的百分数，由的百分数，由assay创建创建blend.调和可以是调和可以是 Mole,Mass,或或 StdVol基准基准.要创建一个要创建一个blend，至少规定，至少规定2个个assay组分组分.一个一个blend中的中的 assay的数量没有上限的数量没有上限.报告中的蒸馏曲线为报告中的蒸馏曲线为:ASTM D86 ASTM D1160 Vacuum(liquid vol

18、ume)2022-12-3输入 Blend组分1.在数据浏览器在数据浏览器 Data Browser,选择组分选择组分 Components,然后选择然后选择 Assay-Blend.2.In the Assay-Blend 目标管理器目标管理器,创建一个创建一个 blend 并且提供名称并且提供名称(ID).3.在在Mixture Specifications表上，输入各表上，输入各 assay 组分的调和分数组分的调和分数.虚拟组分将在模拟计算之初自动生成虚拟组分将在模拟计算之初自动生成.2022-12-3Blend组分之 MixtureSpecifications表2022-12-3As

19、say/Blend 结果 Assay/blend 的计算结果的计算结果 可以在表格可以在表格 ComponentsAssay-Blend Results查看查看.每一个每一个assay 或或 blend 组分有自己单独的结果组分有自己单独的结果表格表格(results form).2022-12-3GenerationCuts 表格2022-12-3虚拟组分的生成 缺省情况缺省情况,一套完整的虚拟组分由输入的所有一套完整的虚拟组分由输入的所有 assay组组分生成分生成.在表格在表格ComponentsPetro Characterization Generation Specificatio

20、ns上，用户可以规定生成上，用户可以规定生成虚拟组分时，包括虚拟组分时，包括/不包括特别的不包括特别的assay.只有在表格只有在表格 GenerationSpecifications上选出的上选出的assays和和 blends，才用于生成虚拟组分。，才用于生成虚拟组分。在表格在表格 GenerationSpecifications上未选用的上未选用的Assays or blends，将不被使用，将不被使用，它们的它们的IDs 不在不在 流股输入表格上显示流股输入表格上显示.2022-12-3虚拟组分命名 虚拟组分的命名约定虚拟组分的命名约定 计算出的沸点计算出的沸点(例如：例如：PC125

21、,PC136,)规定起始编号规定起始编号 切割温度上限切割温度上限(例如：将例如：将225-250F 窄馏份命名为窄馏份命名为PC250)切割温度下限切割温度下限(例如：将例如：将225-250F 窄馏份命名为窄馏份命名为PC225)用户定义的名称列表用户定义的名称列表 在表格在表格 Components Petro CharacterizationGenerationNaming Options 上，规定命名约定上，规定命名约定.如果你要将如果你要将Aspen Plus 生成的虚拟组分与反应器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。或者分离模块关联，应使用用户定义的

22、名称列表。2022-12-3GenerationNamingOptions表格2022-12-31.在表格在表格 ComponentsSpecificationsSelection上，上，输入组分输入组分 IDs 并且选择并且选择 Pseudocomponent类型。类型。2.在表格在表格 ComponentsPseudocomponentsSpecifications 上上,至至少提供下列参数中的两个：少提供下列参数中的两个：正常沸点正常沸点 NBP,重度重度 Gravity(Specific gravity,API gravity,or Liquid density),分子量分子量 Mol

23、ecular weight Aspen Plus 可以估算第可以估算第3性质性质.3.可选地可选地,输入与温度相关的性质数据输入与温度相关的性质数据:液相粘度液相粘度 Liquid viscosity 水溶解度水溶解度 Water solubility 饱和蒸汽压饱和蒸汽压 Vapor pressure定义用户虚拟组分2022-12-3虚拟组分规定表格2022-12-3虚拟组分物性方法方法名称描述API-METHCOAL-LIQLKAPI-TWUAPI procedureCorrelations for coal-liquid fractionsLee Kesler correlationsA

24、PI procedure with Twu correlationsfor critical 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。2022-12-3虚拟组分计算结果 生成的虚拟组分在表格生成的虚拟组分在表格 Components Petro CharacterizationResults上浏览检查。上浏览检查。2022-12-3表格Analysis OptionsAssay Procedure2022-12-3石油性

25、质模型 基本的虚拟组分性质模型基本的虚拟组分性质模型 分子量分子量 Molecular Weight 临界温度临界温度 Critical Temperature 临界压力临界压力 Critical Pressure 临界体积临界体积 Critical Volume 偏心因子偏心因子 Accentric Factor 饱和蒸汽压饱和蒸汽压 Vapor Pressure 液相摩尔体积液相摩尔体积 Liquid Molar Volume 水溶解度水溶解度 Water Solubility 粘度粘度 Viscosity 基本的虚拟组分性质模型可以在表格基本的虚拟组分性质模型可以在表格Component

26、sPetro CharacterizationProperties MethodsBasic 上修改。上修改。2022-12-3石油性质模型(续)虚拟组分热力学性质模型虚拟组分热力学性质模型 理想气体热容理想气体热容 Ideal Gas Heat Capacity 汽化焓汽化焓 Enthalpy of Vaporization 标准生成焓标准生成焓 Standard Enthalpy of Formation 标准生成自由能标准生成自由能 Standard Free Energy of Formation 基本的虚拟组分性质模型可以在表格基本的虚拟组分性质模型可以在表格ComponentsPe

27、tro Characterization Properties MethodsThermodynamic上修上修改改.2022-12-3石油性质模型(续)虚拟组分状态方程虚拟组分状态方程(EOS)性质模型性质模型 RKS Interaction Parameters BWR Orientation Parameter BWR Critical Temperature BWR Critical Volume 基本的虚拟组分性质模型可以在表格基本的虚拟组分性质模型可以在表格ComponentsPetro Characterization Properties MethodsEOS上修改上修改.20

28、22-12-3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虚拟组分与下列常规组分的交互作用参数Kijs:H2S N2 CO2 CO H2 CH42022-12-3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在线帮助中有每一种性质方法的简要说明2022-12-3流程模拟计算 在流程模拟计算期间在流程模拟计算期间,不区分虚拟组分和真实不区分虚拟组分和真实组分组分.产品流股中的虚拟组分调

29、和在一起，并且生成产品流股中的虚拟组分调和在一起，并且生成蒸馏曲线蒸馏曲线 产品终馏点产品终馏点(即即 D86 95%point)或者初馏点或者初馏点(D86 5%point)可以规定为单元操作的性能指可以规定为单元操作的性能指标：标：塔内部的设计规定塔内部的设计规定 用于其它单元操作的外部设计规定用于其它单元操作的外部设计规定2022-12-3检查蒸馏塔各产品之间的分离效果(重叠度)2022-12-3Petroleum Properties and Property SetsObjective:Become familiar with petroleum properties and lea

30、rn the use of stream analysisAspen Plus References:User Guide,Chapter 32,Petroleum Assays and PseudocomponentsPetroleum 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 value2022-12-3

31、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 at(0,5,10,95%)TBP temperatures Vacuum temperatures2022-12-3Petrol

32、eum 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:Antiknock,vapor knock,refractive,warm-up Numbers:Motor and research octane Luminometer Viscosity General

33、ly input curves for assays to generate these curves for product streams is needed.2022-12-3Distillation Curves Volume and weight basis ASTM D86 ASTM D1160 ASTM D2887(weight percent only)Vacuum TBP API Gravity Gravity MW2022-12-3Property Sets A property set(Prop-Set)is a way of accessing a collection

34、,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 specifications,Fortran

35、blocks,sensitivity Stream reports Physical property tables(Property Analysis)Tray properties(RadFrac,PetroFrac,etc.)Heating/cooling curves(Flash2,MHeatX,etc.)2022-12-3Properties included in Prop-Sets Properties commonly included in property sets include:API-API gravity SGSTD-Standard specific gravit

36、y(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-related propertiesReference:Aspen Plus Physical

37、 Property Data Reference Manual,Chapter 4,Property Sets has a complete list of properties that can be included in a property set.2022-12-3Defining Property Sets Specifications for a property set include:Property name and units Temperature and pressure at which to calculate Include or exclude water p

38、hase qualifier(V,L,L1,L2,T,S)2022-12-3Specifying 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 property specified,where applicable.Users can define new properties o

39、n the Properties Advanced User-Properties form by providing a Fortran subroutine.2022-12-3Predefined 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:Predefined

40、 Property SetTypes of PropertiesHXDESIGNHeat exchanger designTHERMALMixture thermal(HMX,CPMX,KMX)TXPORTTransportVLEVapor-liquid equilibrium(PHIMX,GAMMA,PL)VLLEVapor-liquid-liquid equilibrium2022-12-3Predefined Petroleum Prop-Sets(Continued)Predefined Prop-Sets with the Petroleum Application template

41、: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,heat capacity ratio KINVISC Liquid

42、 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 distilled TBP-95 True boiling point temp

43、.at 95%liquid volume distilled2022-12-3Petroleum Prop-Sets Most 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 exactly the same way as other prop-set properties2022-12-3St

44、ream 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 properties to be reported for each stream2022-12-3Prop-sets Discussio

45、n1.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.To his surprise,he did not see viscosity.What happened?2022-12-3PetroFracObjective

46、:Introduce the features of the PetroFrac model and its use in simulating a crude towerAspen Plus References:Unit Operation Models Reference Manual,Chapter 4,ColumnsCharacteristics of Refining Process Wide boiling range fluids Large temperature gradients along column Most fluid compositions are unkno

47、wn 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 contents2022-12-3Petroleum Refining ApplicationsPetroFrac is a distillation model specifically designed for p

48、etroleum refining applications:preflash tower crude unit vacuum unit vacuum lube fractionator FCC main fractionator delayed coker main fractionator quench tower/primary fractionator 2022-12-3PetroFrac Features Integration of furnace,column,side stripper and pumparound ADA/PCS for assay input,crude b

49、lend and breakdown Conversion between different ASTM curves User specification of cuts Petroleum oriented specifications Tray and packing sizing and rating Other features Initialization and convergence2022-12-3Example Crude TowerGASDECANT WATERNAPHTHAJET FUELKEROSENEDIESEL GAS OILRESIDCRUDE FEEDSTEA

50、M2022-12-3PetroFrac-ConnectivityVapor DistillateBottomsFeedsFeedsOverflashPumparoundPumparoundStripper BottomsLiq ReturnSide ProductsOverheadLiquid DistillateWater DistillateFeedHeatBottom Stage orReboiler Heat DutyTop Stage or Cond.Heat DutyHeat or Reboiler Heat DutySteam Feed2022-12-3PetroFrac-Flo