一、化工流程模拟
1、化工流程模拟的概念
化工流程模拟是指使用计算机程序定量模拟一个化学过程的特性方程。其主要过程是根据化工过程的数据,采用适当的模拟软件,将由多个单元操作组成的化工流程用数学模型描述,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。
2、化工流程模拟的功能
1)科学研究、开发新工艺
2)进行新装置的设计
3)进行旧装置的改造
4)生产装置调优和故障诊断
3、流程模拟实例
含苯(BENZENE,C6H6)和丙烯(PROPENE,C3H6)的原料物流FEED进入反应器REACTOR,经反应生成异丙苯(PRO-BEN,C9H12),反应后的混合物经冷凝器COOLER冷凝,再进入分离器SEP,分离器SEP顶部物流RECYCLE循环回反应器REACTOR,分离器SEP底部物流作为产品PRODUCT流出,流程如下图所示,求产品PRODUCT中异丙苯的摩尔流率。

原料物流FEED温度为105℃,压力为0.25MPa,苯和丙烯的摩尔流率均为18kmol/h, 反应器REACTOR绝热操作,压力为0.1MPa,反应方程式为:
C6H6+C3H6→C9H12
其中丙烯的转化率为90%。冷凝器COOLER的出口温度为54℃,压降为0.7kPa;分离器SEP绝热操作,压降为0。
如此复杂的过程手算很困难,但使用化工过程模拟仿真软件就能很简单的解决了,这里只是举例说明化工流程模拟的作用,具体的解决过程见后面说明。
二、Aspen Plus简介
1、Aspen Plus简介
Aspen Plus是大型通用流程模拟系统,源起于美国能源部在七十年代后期在麻省理工学院MIT组织会战,要求开发新型第三代流程模拟软件。这个项目称为“先进过程工程系统”(Advanced System for Process Engineering)简称ASPEN。这一大型项目于1981年底完成。1982年Aspen Tech公司成立将其商品化,称为Aspen Plus。
这一软件经过15年不断改进、扩充、提高,已经历了九个版本,成为全世界公认的标准大型流程模拟软件,用户接近上千个。目前广泛被用的是7.2版本、8.4版本,尤其8.4及之后版本在界面上较为美观,功能及数据库较之前版本也有较大进步,随后又先后升级到v9、v10、v11等,相信在未来Aspen Plus必将更加普及,更加完善。
Aspen Plus 8.4版本附图:

全世界各大化工、石化生产厂家及著名工程公司都是Aspen Plus的用户。Aspen Plus以严格的机理模型和先进的技术赢得广大用户的信赖,它具有以下特性:
第一,Aspen Plus有一个公认的跟踪记录,在一个工艺过程的制造的整个生命周期中提供巨大的经济效益,制造生命周期包括从研究与开发经过工程到生产。
第二,Aspen Plus使用最新的软件工程技术通过它的Microsoft Windows图形界面和交互式客户-服务器模拟结构使得工程生产力最大。
第三,Aspen Plus拥有精确模拟范围广泛的实际应用所需的工程能力,这些实际应用包括从炼油到非理想化学系统到含电解质和固体的工艺过程。
第四,Aspen Plus是AspenTech的集成智能制造系统技术的一个核心部分,该技术能在公司的整个过程工程基本设施范围内捕获过程专业知识并充分利用。
在实际应用中,Aspen Plus可以帮助工程师解决快速闪蒸计算、设计一个新的工艺过程、查找一个原油加工装置的故障或者优化一个乙烯全装置的操作等工程和操作的关键问题。
(2)Aspen Plus的重要功能
l 严格的电解质模拟:在水盐体系方面有良好应用(亲自实践)
l 固体处理:金属,混合物之类均可得到其丰富的数据库
l 石油处理:在石油化工方面具有良好的实用性
l 数据回归:回归实验数据可得出某些系数及性质
l 数据拟合:拟合数据可验证数据的准确性及得出某些规律
l 优化:优化工艺,有利于消除“瓶颈”
l 用户子程序:与用户有良好的交互功能
(4)上面例题的操作流程(使用Aspen Plus)
含苯(BENZENE,C6H6)和丙烯(PROPENE,C3H6)的原料物流FEED进入反应器REACTOR,经反应生成异丙苯(PRO-BEN,C9H12),反应后的混合物经冷凝器COOLER冷凝,再进入分离器SEP,分离器SEP顶部物流RECYCLE循环回反应器REACTOR,分离器SEP底部物流作为产品PRODUCT流出,流程如下图所示,求产品PRODUCT中异丙苯的摩尔流率。
原料物流FEED温度为105℃,压力为0.25MPa,苯和丙烯的摩尔流率均为18kmol/h, 反应器REACTOR绝热操作,压力为0.1MPa,反应方程式为:
C6H6+C3H6→C9H12
其中丙烯的转化率为90%。冷凝器COOLER的出口温度为54℃,压降为0.7kPa;分离器SEP绝热操作,压降为0。
重要画面截图
1.1 建立流程图
1.2输入数据
(1)选择物质
(2) 选择物性方法
(3)输入物流参数
(4)输入模块参数
冷凝器(COOLER):
反应器(REACTOR):
分离器(SEP):
(5)运行并得出结果
可以看出PRODUCT中异丙苯的摩尔流率为17.193kmol/h。
三、aspen入门练习
练习1:
将1000m3/hr的低浓酒精(乙醇30%w,水 70%w,30°C,1bar)与700m3/hr的高浓酒精(乙醇95%w,水5%w,20°C,1.5bar)混合。
求混合后的温度和体积流量(会是1700m3/hr吗?)。物性方法用nrtl。
练习2:
某化工系统流程图如下图所示,物流经冷凝器COOLER进入两相闪蒸器FLASH1,底部液相节流阀VALVE(绝热)节流至0.6MPa后再进入两相闪蒸器FLASH2.进料温度为-100℃,压力为1.2MPa,流率为100Kmol/h,摩尔组成位氢气0.01、甲烷0.68、乙烷0.31.物性方法选择RK-SOAVE。
两相闪蒸器FLASH1(选择FLASH2模块)操作温度为-100℃,压降为0;两相闪蒸器FLASH2(选择FLASH2模块)操作温度为-125℃,压降为0;冷凝器COOLER(选择Heater模块)热负荷为-14KW,压降为0.02MPa。
要求完成此流程模拟并查看各物流结果。
图1 化工系统流程
参考操作
练习1:
练习2:
首先我们按照第一课的步骤建立一个新的空白模拟,接下来就按照第三课的步骤做就好了。
第二步:输入化学组分信息。在题目中可以看到组分有氢气、甲烷、乙烷,现在我们就输入这几个组分的ID.如图所示:
第二步:选择物性方法。在这个题目中要求使用的物性方法是 RK-SOAVE。先在 Method filter 中选择ALL,再在Base method 中选择物性方法 RK-SOAVE。如下图:
再查看下Methods中还是红色的部分就好了。这下 Properties 中的信息就输入完全了,进入 Simulation 中输入流程以及模块的信息等。
第三步:画流程图。按照题目中的流程进行绘制,然后改正各个模块和流股的名称,改名称的时候就双击先前的名称,然后输入你要输入的名称。
第四步:输入进料流股的信息。题目中给出了进料的温度、压力、流率、以及各流股的摩尔组成(进料温度为-100℃,压力为1.2MPa,流率为100Kmol/h,摩尔组成位氢气0.01、甲烷0.68、乙烷0.31)。我们照着输入就OK了!摩尔组成的就是Mole-Frac
第五步:输入各个模块的信息。这些信息里有压力、温度、压降等。在这里有一句好要提醒大家,若输入的压力>0,则表示该设备的操作压力;若输入的压力<0,则表示该设备的压降。
先输入FLASH1的信息
输入冷凝器COOLER的信息
接下来输入FLASH2的信息
输入节流阀VALVE的信息
模块的信息就输入完毕了,这下就可以直接运行了。
第五步:查看结果。点击蓝色的三角形Run这个按钮进行计算。题目要求查看各物流结果,所以我们就可以在Results Summary中的Streams 中查看结果。
结果截屏的话显示不完全,我们可以按表中的第一个框进行复制并粘贴,就可以看见全部的数据了。
COOL-OUT
FEED
LIQUID1
LIQUID2
VAL-OUT
VAPOR1
VAPOR2
TemperatureC
-102.9
-100.0
-110.0
-125.0
-123.3
-110.0
-125.0
Pressurebar
11.800
12.000
11.800
6.000
6.000
11.800
6.000
VaporFrac
0.412
0.461
0.000
0.000
0.128
1.000
1.000
MoleFlw kmol/hr
100.000
100.000
80.522
77.784
80.522
19.478
2.738
Mass Flow kg/hr
2025.082
2025.082
1722.076
1678.406
1722.076
303.007
43.670
Volume Flowcum/hr
45.752
50.706
3.832
3.540
22.587
19.243
5.089
Enthalpy Gcal/hr
-2.112
-2.100
-1.803
-1.767
-1.803
-0.354
-0.052
Mole Flow kmol/hr
H2
1.000
1.000
0.044
0.005
0.044
0.956
0.038
CH4
68.000
68.000
49.759
47.080
49.759
18.241
2.679
C2H6
31.000
31.000
30.719
30.699
30.719
0.281
0.020
Aspen Plus 软件作为目前最流行的化工流程模拟软件,包括50多种单元设备严格模型组成的模型库及5000种化合物的物性数据库,在科研开发、工程设计、生产管理各个阶段均有广泛的应用。结合Aspen Plus和化工流程模拟技术,可以用于化工装置生命周期的3个阶段:研究开发,概念和工程设计以及装置运行阶段。帮助工程师减少小试和中试的实验次数;从投资成本和运行成本优化概念设计(分离序列和换热网络),比较不同方案,确定温度压力等工艺条件,完成质量和能量平衡;并且对装置进行故障诊断、分析、调优,实时在线优化。
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