9 化工过程模拟
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用户自定义能力强大
2.2 Aspen Plus的用户界面
帮助按钮 菜单栏 工具栏 下一步按钮
主要用于 流程拓扑的 输入、过程 流程图绘制 、各种菜单 功能的选择 等
数据浏览输入工具 流程图 输入区
模拟控制工具
单元模型库 选择按钮 流股连 接工具 状态栏
Aspen Plus的主界面
Aspen Plus数据浏览器的界面
近年来，CFD已广泛地应用于化工领域，如反应器 型式与结构优化、换热器结构优化、空调通风系统优 化等。与实验研究相比，CFD的优点是成本低、速度 快，可获得实验难以实现或无法测量的信息
模型求解
指定计算次序 调整收敛算法和参数
复杂过程分析 与模拟的步骤
不合理 结果检验 确定目标函数和 决策变量 确定各种约束 过程优化 确定最优化算法 不合理 方案评价 运算求解
方案实施
结 束
工业乙二醇装置的模拟流程图
F R EEWATE S52 9R SPL IT 3 IN WATER 2 IN WATER 4 IN WATER 3 IN WATER 5
动态模拟的特点
描述过程对象的模 型中不包括时间参 数，即把过程中的 各种因素都看成是 不随时间变化的 是对复杂的动态过 程的一种简化处理
描述过程对象的模 型中包括有时间参 数，允许模拟各项 过程参数随时间变 化的规律 广泛应用于各种动 态过程
稳态模拟和动态模拟的比较
项目 模型方程 物料平衡方程 能量平衡方程 热力学模型 稳态模拟 仅有代数方程 代数方程 代数方程 严格模型 动态模拟 同时有微分方程和代数方程 微分方程 微分方程 严格模型
快速进行工艺过程的严格能量、质量平衡 计算 准确预测物流的流量、组成和性质 准确预测操作条件、设备尺寸对过程的影 响 缩短装置设计时间，允许设计者快速地测 试各种装置的设计方案 当前工艺的瓶颈分析与改进 工艺条件的优化
1.2 稳态过程与动态过程
1.2 稳态模拟与动态模拟
稳态模拟特点
Aspen Plus 软件的应用
解决问题
过程开发、过程设计、工艺改造中常见的计 算问题 化工、炼油、石油化工 气体加工、煤炭、医药 冶金、环境保护、动力
应用领域
节能、食品等
Aspen Plus 软件的特点
计算结果准确可靠 单元模型库丰富 物性数据库完备
热力学及传递性质计算方法完备
Process Limited Systems Enterprise
www.aspentech.com www.simsci-esscor.com www.psenterprise.com/gproms
HYSIS
ChemCad
Design II
Aspen Tech
ChemStations
WinSim
严格模型-Tower
指定条件
塔顶乙烯纯度0.99 塔底乙烯流量<0.05×757.46=35.873kmol/h
分析步骤
初步设计参数的获得 使用RADFRAC模型进行严格模拟 使用RADFRAC的设计规定
3.3 复杂过程的模拟
开 始 问题定义 确定流程拓扑 收集基础数据 建立过程模型 确定单元模型、参数 确定物性模型、参数
多目录模式 单目录模式 选择目录 下一步 状态 注释 树状菜单 输入表单 单位制 前进 回退 上个窗体 输入/输出 查看菜单
下个窗体
主要用于 模拟所需参 数的输入和 模拟结果的 浏览
提示区 状态栏
使用Aspen Plus进行过程模拟的一般步骤
1. 启动Aspen Plus，建立新的模拟文件 2. 选择和编辑所采用的单位制 3. 利用图形化输入界面输入单元设备和流股的连接 关系 4. 输入模拟对象涉及的化学组分 5. 选择适当的热力学方法，检查并输入所需的热力 学参数 6.设定流股和单元设备的参数 7.为模拟指定计算次序和收敛方法 8.运行模拟 9.查看模拟结果、输出报告
1 化工过程模拟技术
1.1 化工模拟技术简介
化工单元与过程的物料、能量平衡等的 计算
20世纪50年代 手工和简单的计算工具 上世纪50年代 使用计算机辅助进行某些单 元过程的计算 上世纪60年代 过程模拟技术日益成熟，大 型过程模拟软件不断出现，开创了化工全过 程严格模拟的新时代
过程模拟的主要应用
5.单击
按钮输入模拟中用到的化合物
解题步骤-6
6.单击
按钮打开热力学方法输入窗体
解题步骤-7
பைடு நூலகம்
7.单击
按钮切换到流股输入窗体
解题步骤-8
8.单击 按钮进入闪蒸器FLASH的单元 模块输入窗体
解题步骤-9
9.单击 按钮运行模拟，会自动弹出控 制面板并显示模拟运算相关的各种信息
解题步骤-10
焓流量
质量分数
乙二醇 环氧乙烷
0 0.1
0 0
1 0
0 0
0 0.1
0.125 0
0.141 0
0 0
0 0
碳酸乙烯酯
0 0 0 0 0 0.9
0 0 0.932 0.068 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 0.9
0 0 0.012 0.001 0 0.862
0 0 0.014 0.001 0 0.844
E52 2 S60 3C
H2
S60 3
SPL IT 2 S51 4 H4 IN ST EAM3 E52 1 E53 1
S60 1
E61 1,A
E53 2
IN ST EAM4 S51 0
E53 3
E53 4 S60 8
IN ST EAM1 E53 0
S51 8 S50 4
S51 3 MIX1 F 53 5
2.1 Aspen Plus软件介绍
Aspen Plus软件的历史
Aspen Plus软件起源于1976~1981年期间在 美国能源部资助下，由麻省理工学院化工系 主持，55个高校和公司参与开发的新型化工 流程模拟系统“过程工程的先进系统”（ Advanced System for Process Engineering， 简称ASPEN） 1981年成立了AspenTech公司，专门负责该 软件的商品化，并将其更名为Aspen Plus
计算机在化学化工中的应用
九 化工过程模拟
本章要点
背景 化工过程模拟 Aspen Plus CFD 作业
问题的提出
化工流程日益复杂 企业规模日益大型化 新产品开发与工业放大技术的落后。采 用相似和相拟的方法放大倍数为50，采 用数学模拟法放大倍数可达103～104 能源危机后，装置集成度提高，设备操 作条件愈加苛刻，对自动控制、优化控 制要求更高
闪蒸过程的流程图
解题步骤-1
1. 建立新模拟文件
Aspen Plus的启动对话框
Aspen Plus的模板选择对话框
解题步骤-2
2.插入闪蒸单元模型
FLASH2模型的选择
解题步骤-3
3. 输入连接流股
a
b
c
d
FLASH模型的流股连接
解题步骤-4
4.单击工具栏上的
继续下一步的输入
解题步骤-5
塔顶 P=1.78MPa 塔顶 P=1.82MPa 回流比R=3.1 热力学模型采用Peng-Robinson模型 轻组分回收率0.95 重组分回收率0.03
简捷计算法结果
简捷计算初步结果
塔板数 进料板数 塔顶压力 全塔压降 回流比 塔底采出量 32 18 1.78MPa 0.04MPa 3.1 731.39 kmol/h
F 54 0 S51 6
M IXER
S52 9
乙二醇过程模拟的部分结果
INPUT PDEG PMEG PTEG S500 S501 S502 S503 S504 温度(℃) 60 129.7 50 190.3 162 162 176.1 173.5 173.5 压 (MPa) 气相分数 0 0 0 0 0 0 0 1 0 力 1.6 0.001 0.012 0.005 1.6 1.6 0.872 0.86 0.86
M IXER
S60 4 D 6 10
SPL IT 4 S60 6 S61 0 D 6 30 PU MP1 D 6 20 S61 2 S60 9 E63 2 PTEG D 7 10 PD EG
E52 0
0
S50 7 S51 7 S60 2P
SPL IT 1
S52 7
S60 2 S52 1 S52 2
D 5 80 S52 4 IN ST EAM2 S61 1 S52 0
3 Aspen Plus应用实例
3.1 闪蒸单元模拟
例9-1：一股含苯、甲苯、对二甲苯的物 料，在1atm下绝热闪蒸，要求计算闪蒸 后气、液相物料的温度、压力和组成。 原料的温度、压力、组成和过程流程图 见下图 VAPOR
苯 30 mol/s 甲苯 50 mol/s 对二甲苯 40 mol/s T=120℃, P=1atm FEED FLASH P=1atm Q=0 LIQUID
组分名称 H2 摩尔分数 0.00014
CH4 C2H4 C2H6
C3H6
0.00162 0.75746 0.24003
0.00075
视频 演示
解题思路
首先使用简捷计算法获得初步设计参数 再使用严格模型验证和进一步优化操作 参数
简捷计算法
ChemCAD使用Shortcut Column模型 根据经验设定如下参数：
Limited
HYSYS Aspen Tech www.aspentech.com
2 Aspen Plus
AspenOne
AspenOne主要组件
ASPEN PLUS ASPEN DYNAMICS ASPEN CUSTOM MODELER ASPEN PINCH SPLIT BATCH PLUS POLYMERS PLUS B-JAC ASPEN ZYQAD ASPEN ONLINE
10.单击 按钮打开数据浏览器（Data Browser）查看模拟结果
Summary面板
Phase Equilibrium面板
解题步骤-10
流股计算结果
3.2 C2组分精馏分离过程设计
例9-2：某石化厂要求设计一C2组分精馏分离 装置，用以回收物料中95%以上的乙烯，并要 求乙烯产品的摩尔纯度>99%。进料流量为 100kmol/h，泡点进料，原料组成见下表
IN WATER 1 S53 0 S51 5 E53 5
IN PU T
E52 3
D -5 20
S50 1
D 5 30
D 5 31
D 5 32 S50 5 S50 9 S50 8
D 5 33
D 5 34
S51 1
S52 8
S61 0R PU MP2
S50 2 S50 3 H1 S50 6 S51 2 H3 H5 MIX2 S60 5 E62 2 PMEG
www.aspentech.com
www.chemstations.com
www.winsim.com
主流动态模拟软件
软件名称 Dynamics Dynsim 开发公司 Aspen Tech Invensys Process Systems Process Systems Enterprise gPROMS www.psenterprise.com/gproms 网址 www.aspentech.com www.simsci-esscor.com
质量流量
80837.37 109cal/h -276.279
1080 -1.454
10003.89 -17.52
27.923 -0.034
80837.37 -267.337
80837.37 -272.671
71676.69 -237.458
12060.69 -37.856
12060.69 -43.737
0 0 0 0 0 1
0 0 0 0 0 1
乙醛 二乙二醇 三乙二醇 CO2 H2O
4 计算流体力学
4.1 CFD简介
流体动力学
Computational Fluid Dynamics，简称CFD 是流体力学的一个分支，包含了数学、计算 机科学、工程学和物理学等学科 通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下 的有关信息
水力学
无水力学限制
有水力学限制
过程模拟软件
过程模拟软件
专用软件：某一种特定过程、单元的模拟 通用软件：可用于多种过程的模拟
通用模拟软件
稳态模拟软件:开发较早,相当成熟
动态模拟软件
主流稳态模拟软件
软件名称 开发公司 网址
Aspen Plus Pro II gPROMS
Aspen Tech Invensys Process Systems
2.2 Aspen Plus的用户界面
帮助按钮 菜单栏 工具栏 下一步按钮
主要用于 流程拓扑的 输入、过程 流程图绘制 、各种菜单 功能的选择 等
数据浏览输入工具 流程图 输入区
模拟控制工具
单元模型库 选择按钮 流股连 接工具 状态栏
Aspen Plus的主界面
Aspen Plus数据浏览器的界面
近年来，CFD已广泛地应用于化工领域，如反应器 型式与结构优化、换热器结构优化、空调通风系统优 化等。与实验研究相比，CFD的优点是成本低、速度 快，可获得实验难以实现或无法测量的信息
模型求解
指定计算次序 调整收敛算法和参数
复杂过程分析 与模拟的步骤
不合理 结果检验 确定目标函数和 决策变量 确定各种约束 过程优化 确定最优化算法 不合理 方案评价 运算求解
方案实施
结 束
工业乙二醇装置的模拟流程图
F R EEWATE S52 9R SPL IT 3 IN WATER 2 IN WATER 4 IN WATER 3 IN WATER 5
动态模拟的特点
描述过程对象的模 型中不包括时间参 数，即把过程中的 各种因素都看成是 不随时间变化的 是对复杂的动态过 程的一种简化处理
描述过程对象的模 型中包括有时间参 数，允许模拟各项 过程参数随时间变 化的规律 广泛应用于各种动 态过程
稳态模拟和动态模拟的比较
项目 模型方程 物料平衡方程 能量平衡方程 热力学模型 稳态模拟 仅有代数方程 代数方程 代数方程 严格模型 动态模拟 同时有微分方程和代数方程 微分方程 微分方程 严格模型
快速进行工艺过程的严格能量、质量平衡 计算 准确预测物流的流量、组成和性质 准确预测操作条件、设备尺寸对过程的影 响 缩短装置设计时间，允许设计者快速地测 试各种装置的设计方案 当前工艺的瓶颈分析与改进 工艺条件的优化
1.2 稳态过程与动态过程
1.2 稳态模拟与动态模拟
稳态模拟特点
Aspen Plus 软件的应用
解决问题
过程开发、过程设计、工艺改造中常见的计 算问题 化工、炼油、石油化工 气体加工、煤炭、医药 冶金、环境保护、动力
应用领域
节能、食品等
Aspen Plus 软件的特点
计算结果准确可靠 单元模型库丰富 物性数据库完备
热力学及传递性质计算方法完备
Process Limited Systems Enterprise
www.aspentech.com www.simsci-esscor.com www.psenterprise.com/gproms
HYSIS
ChemCad
Design II
Aspen Tech
ChemStations
WinSim
严格模型-Tower
指定条件
塔顶乙烯纯度0.99 塔底乙烯流量<0.05×757.46=35.873kmol/h
分析步骤
初步设计参数的获得 使用RADFRAC模型进行严格模拟 使用RADFRAC的设计规定
3.3 复杂过程的模拟
开 始 问题定义 确定流程拓扑 收集基础数据 建立过程模型 确定单元模型、参数 确定物性模型、参数
多目录模式 单目录模式 选择目录 下一步 状态 注释 树状菜单 输入表单 单位制 前进 回退 上个窗体 输入/输出 查看菜单
下个窗体
主要用于 模拟所需参 数的输入和 模拟结果的 浏览
提示区 状态栏
使用Aspen Plus进行过程模拟的一般步骤
1. 启动Aspen Plus，建立新的模拟文件 2. 选择和编辑所采用的单位制 3. 利用图形化输入界面输入单元设备和流股的连接 关系 4. 输入模拟对象涉及的化学组分 5. 选择适当的热力学方法，检查并输入所需的热力 学参数 6.设定流股和单元设备的参数 7.为模拟指定计算次序和收敛方法 8.运行模拟 9.查看模拟结果、输出报告
1 化工过程模拟技术
1.1 化工模拟技术简介
化工单元与过程的物料、能量平衡等的 计算
20世纪50年代 手工和简单的计算工具 上世纪50年代 使用计算机辅助进行某些单 元过程的计算 上世纪60年代 过程模拟技术日益成熟，大 型过程模拟软件不断出现，开创了化工全过 程严格模拟的新时代
过程模拟的主要应用
5.单击
按钮输入模拟中用到的化合物
解题步骤-6
6.单击
按钮打开热力学方法输入窗体
解题步骤-7
பைடு நூலகம்
7.单击
按钮切换到流股输入窗体
解题步骤-8
8.单击 按钮进入闪蒸器FLASH的单元 模块输入窗体
解题步骤-9
9.单击 按钮运行模拟，会自动弹出控 制面板并显示模拟运算相关的各种信息
解题步骤-10
焓流量
质量分数
乙二醇 环氧乙烷
0 0.1
0 0
1 0
0 0
0 0.1
0.125 0
0.141 0
0 0
0 0
碳酸乙烯酯
0 0 0 0 0 0.9
0 0 0.932 0.068 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 0.9
0 0 0.012 0.001 0 0.862
0 0 0.014 0.001 0 0.844
E52 2 S60 3C
H2
S60 3
SPL IT 2 S51 4 H4 IN ST EAM3 E52 1 E53 1
S60 1
E61 1,A
E53 2
IN ST EAM4 S51 0
E53 3
E53 4 S60 8
IN ST EAM1 E53 0
S51 8 S50 4
S51 3 MIX1 F 53 5
2.1 Aspen Plus软件介绍
Aspen Plus软件的历史
Aspen Plus软件起源于1976~1981年期间在 美国能源部资助下，由麻省理工学院化工系 主持，55个高校和公司参与开发的新型化工 流程模拟系统“过程工程的先进系统”（ Advanced System for Process Engineering， 简称ASPEN） 1981年成立了AspenTech公司，专门负责该 软件的商品化，并将其更名为Aspen Plus
计算机在化学化工中的应用
九 化工过程模拟
本章要点
背景 化工过程模拟 Aspen Plus CFD 作业
问题的提出
化工流程日益复杂 企业规模日益大型化 新产品开发与工业放大技术的落后。采 用相似和相拟的方法放大倍数为50，采 用数学模拟法放大倍数可达103～104 能源危机后，装置集成度提高，设备操 作条件愈加苛刻，对自动控制、优化控 制要求更高
闪蒸过程的流程图
解题步骤-1
1. 建立新模拟文件
Aspen Plus的启动对话框
Aspen Plus的模板选择对话框
解题步骤-2
2.插入闪蒸单元模型
FLASH2模型的选择
解题步骤-3
3. 输入连接流股
a
b
c
d
FLASH模型的流股连接
解题步骤-4
4.单击工具栏上的
继续下一步的输入
解题步骤-5
塔顶 P=1.78MPa 塔顶 P=1.82MPa 回流比R=3.1 热力学模型采用Peng-Robinson模型 轻组分回收率0.95 重组分回收率0.03
简捷计算法结果
简捷计算初步结果
塔板数 进料板数 塔顶压力 全塔压降 回流比 塔底采出量 32 18 1.78MPa 0.04MPa 3.1 731.39 kmol/h
F 54 0 S51 6
M IXER
S52 9
乙二醇过程模拟的部分结果
INPUT PDEG PMEG PTEG S500 S501 S502 S503 S504 温度(℃) 60 129.7 50 190.3 162 162 176.1 173.5 173.5 压 (MPa) 气相分数 0 0 0 0 0 0 0 1 0 力 1.6 0.001 0.012 0.005 1.6 1.6 0.872 0.86 0.86
M IXER
S60 4 D 6 10
SPL IT 4 S60 6 S61 0 D 6 30 PU MP1 D 6 20 S61 2 S60 9 E63 2 PTEG D 7 10 PD EG
E52 0
0
S50 7 S51 7 S60 2P
SPL IT 1
S52 7
S60 2 S52 1 S52 2
D 5 80 S52 4 IN ST EAM2 S61 1 S52 0
3 Aspen Plus应用实例
3.1 闪蒸单元模拟
例9-1：一股含苯、甲苯、对二甲苯的物 料，在1atm下绝热闪蒸，要求计算闪蒸 后气、液相物料的温度、压力和组成。 原料的温度、压力、组成和过程流程图 见下图 VAPOR
苯 30 mol/s 甲苯 50 mol/s 对二甲苯 40 mol/s T=120℃, P=1atm FEED FLASH P=1atm Q=0 LIQUID
组分名称 H2 摩尔分数 0.00014
CH4 C2H4 C2H6
C3H6
0.00162 0.75746 0.24003
0.00075
视频 演示
解题思路
首先使用简捷计算法获得初步设计参数 再使用严格模型验证和进一步优化操作 参数
简捷计算法
ChemCAD使用Shortcut Column模型 根据经验设定如下参数：
Limited
HYSYS Aspen Tech www.aspentech.com
2 Aspen Plus
AspenOne
AspenOne主要组件
ASPEN PLUS ASPEN DYNAMICS ASPEN CUSTOM MODELER ASPEN PINCH SPLIT BATCH PLUS POLYMERS PLUS B-JAC ASPEN ZYQAD ASPEN ONLINE
10.单击 按钮打开数据浏览器（Data Browser）查看模拟结果
Summary面板
Phase Equilibrium面板
解题步骤-10
流股计算结果
3.2 C2组分精馏分离过程设计
例9-2：某石化厂要求设计一C2组分精馏分离 装置，用以回收物料中95%以上的乙烯，并要 求乙烯产品的摩尔纯度>99%。进料流量为 100kmol/h，泡点进料，原料组成见下表
IN WATER 1 S53 0 S51 5 E53 5
IN PU T
E52 3
D -5 20
S50 1
D 5 30
D 5 31
D 5 32 S50 5 S50 9 S50 8
D 5 33
D 5 34
S51 1
S52 8
S61 0R PU MP2
S50 2 S50 3 H1 S50 6 S51 2 H3 H5 MIX2 S60 5 E62 2 PMEG
www.aspentech.com
www.chemstations.com
www.winsim.com
主流动态模拟软件
软件名称 Dynamics Dynsim 开发公司 Aspen Tech Invensys Process Systems Process Systems Enterprise gPROMS www.psenterprise.com/gproms 网址 www.aspentech.com www.simsci-esscor.com
质量流量
80837.37 109cal/h -276.279
1080 -1.454
10003.89 -17.52
27.923 -0.034
80837.37 -267.337
80837.37 -272.671
71676.69 -237.458
12060.69 -37.856
12060.69 -43.737
0 0 0 0 0 1
0 0 0 0 0 1
乙醛 二乙二醇 三乙二醇 CO2 H2O
4 计算流体力学
4.1 CFD简介
流体动力学
Computational Fluid Dynamics，简称CFD 是流体力学的一个分支，包含了数学、计算 机科学、工程学和物理学等学科 通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下 的有关信息
水力学
无水力学限制
有水力学限制
过程模拟软件
过程模拟软件
专用软件：某一种特定过程、单元的模拟 通用软件：可用于多种过程的模拟
通用模拟软件
稳态模拟软件:开发较早,相当成熟
动态模拟软件
主流稳态模拟软件
软件名称 开发公司 网址
Aspen Plus Pro II gPROMS
Aspen Tech Invensys Process Systems