化工过程设计课件

化工过程模拟与优化 Simulation & Optimization of Chemical Engineering Process,主要内容（Contents）,一、 前言,二、 化工过程模拟技术概述,三、 化工过程模拟技术的结构与功能,四、化工过程模拟技术的热力学方法及选择,五、蒸馏过程的计算,前言：过程工业,2019/5/18,filename.ppt,3,一、什么是过程工业,1、过程构成：单元操作与设备 2、过程原理：三传一反 质量传递 热量传递 动量传递（流体流动） 化学反应 因此化工、炼油、钢铁、医药、造纸、食品等都属于过程工业 (Process Industry)。,2019/5/18,filename.ppt,4,化工、石化等过程工业属能量密集型行业,2019/5/18,filename.ppt,5,二、什么是过程系统工程,1.过程系统工程（Process System Engineering PSE） 继上世纪20年代单元操作、60年代传递现象研究之后，是化学工程的第三次突破。Westeberg： “如何选择优化了的单元设备及其间的联结关系来组成一个化工过程系统，从给定的原料生产一定的产品，在最小的总费用和最小的环境污染条件下安全地生产，并在运行中采取和保持最优的操作条件” 。,2019/5/18,filename.ppt,6,2.过程系统技术由系统设计、系统操作和系统控制三部分组成。PI属于系统设计的一部分。 3.是一门交叉科学，涉及系统工程、化学工程、控制理论、计算机、经济、环境等学科。 4.应用于设计、改造、扩产、消除瓶颈等层次。,二、什么是过程系统工程,第一章 化工过程模拟技术概述,2019/5/18,filename.ppt,8,1、前言,由于在石油化工实际生产过程中，利用传统的技术很难实现描述单元装置操作的静、动态特征，如工艺过程中反应的，流体力学的，传热的，传质的特征及工程技术问题，装置的系统故障诊断，新产品研制开发中的问题等。,2019/5/18,filename.ppt,9,化工流程模拟是一种高科技手段，它根据化工单元过程和热力学的基本方程，应用现代数学方法，通过计算机模拟实际的化工生产过程。即在计算机上准确地“再现”实际生产过程，得到详细、完整的物料平衡和热量平衡数据。,2、什么是化工流程模拟？,2019/5/18,filename.ppt,10,2、什么是化工流程模拟？,由于过程流程模拟技术能够反映传统技术难以实现的单元装置的静、动态特征，因此越来越受到石化领域设计与开发人员的重视，广泛地应用于石油、化工、制药、冶金等重要行业中，无论是在项目工程设计中，还是在生产中实施先进过程控制，抑或是更高层次的企业优化生产管理（当今比较流行的ERP企业资源计划体系）。,2019/5/18,filename.ppt,11,2、什么是化工流程模拟？,过程模拟技术所有的应用都必须是建立对企业的生产过程有一个全面准确了解的基础上，通过运用流程模拟软件对生产过程进行流程模拟寻求实际生产过程的模拟结果，以便来指导实际生产。,2019/5/18,filename.ppt,12,3、化工过程模拟技术的应用,流程模拟技术一般都采用序贯模块法，通过严格的质量和能量平衡，相态和化学平衡，去预测一个工艺过程的表观现象。 主要可以解决以下工程问题： (1) 可为工程设计提供基础数据。通过工艺过程严格的物流和能流的平衡计算，预测物流的流率，组成和性质，预测操作条件，设备尺寸，从而减少装置的设计时间，也可进行各种装置的设计方案比较。,2019/5/18,filename.ppt,13,3、化工过程模拟技术的应用,（2）可以对生产过程中的故障进行模拟诊断, 当生产过程现有装置系统发生故障时，主要是设备问题和工艺问题，可以通过流程模拟进行工况模拟诊断，帮助尽快找出故障发生的原因和位置。 （3）在新产品开发过程中，通过流程模拟可以为新产品开发研制提供极大的便利，可模拟新产品开发中的工艺参数，协助新工艺的开发，减少大量不必要的实验投资。,2019/5/18,filename.ppt,14,3、化工过程模拟技术的应用,（4）在生产过程中，流程模拟可以对现有装置进行生产能力的标定，来帮助寻找系统的“瓶颈”部位。使我们能充分利用原有的设备，制定合理的改造方案，清除装置的瓶颈，使整个装置能力匹配，最大限度地发挥效益。 （5）石油化工生产过程中，优化操作是石油化工研究开发和应用的热点领域，应用流程模拟可以优化工艺操作条件，使生产装置的运行处于最优操作，以节能降耗，较少的投入取得较大的经济效益和提高生产技术水平。,2019/5/18,filename.ppt,15,3、化工过程模拟技术的应用,(6) 可进行生产过程的经济评价，进行多种工艺方案的经济比较，进行最优评估。 (7) 能够支持实现研究和开发阶段的数学模拟放大，概念设计，工艺设计及工程设计，工厂开工指导及操作工仿真培训，工艺流程改进及优化，工厂消除瓶颈的技术改造等。 (8) 可在生产中实施先进过程控制和企业的优化生产管理。,2019/5/18,filename.ppt,16,4、过程模拟技术发展情况,1、国外进展 Flexible Flowsheet 美国M.W.Kellogg公司(1958年) PROCESS/PRO 美国Simulation Sciences公司(60年末) Aspen Plus 美国Aspen Tech.公司(80年代末) Hysim/Hysis 加拿大Hyprotech公司(80年代初),2019/5/18,filename.ppt,17,4、过程模拟技术发展情况,2、国内情况 HSSSP 原化工部第五设计院(中石化兰州院) (70年代中) ECSS 青岛化工学院(80年代末),2019/5/18,filename.ppt,18,5、化工流程模拟分类,稳态模拟(离线模拟、静态模拟）Steady State Simulation 静态模拟软件： Aspen plusAspen Tech.公司 Pro-SimSci 公司 动态模拟 Dynamic Simulation 动态模拟软件： Aspen dynamicsAspen Tech.公司 Hysis Hyprotech公司 Dynsim SimSci公司,2019/5/18,filename.ppt,19,5、化工流程模拟分类,实时优化 Real Time Optimization 实时优化软件: Aspen DMO Plus Aspen Tech.公司 ROMEO (Rigorous On-line Modeling with Equation-based Optimization )SimSci公司,2019/5/18,filename.ppt,20,6、Aspen工程 软件介绍,Aspen工程套件(Aspen Engineering Suite)： 稳态模拟(离线模拟、静态模拟）Steady State Simulation 该套件由以下几个著名的软件组成：稳态模拟Aspen Plus、动态模拟Aspen Custom Modeler 及Aspen Dynamics、过程综合与集成Aspen Pinch（夹点技术）和Aspen Split、聚合过程模拟Polymers Plus、换热器设计B-JAC、设计工作流集成平台Aspen Zyqad等。,2019/5/18,filename.ppt,21,6、Aspen工程 软件介绍,Aspen Plus 是世界过程工业最大的软件商Aspen Tech. 公司开发的大型通用流程模拟系统，称为“先进过程工程系统”（Advanced System for Process Engineering）简称Aspen。 经过20年多来不断地改进、扩充和提高，成为举世公认的标准大型流程模拟软件。Aspen Plus 在全球各大石油化工企业中占有较大的份额，全世界最大的50家化学公司中有46家使用该软件。,2019/5/18,filename.ppt,22,6、Aspen工程 软件介绍,（1） Aspen PlusAspenTech公司开发的稳态模拟软件。,科研开发,可模拟诊断生产装置不正常运行工况； 优化操作参数，节能降耗， 可以标定生产流程各部位的能力，找出“瓶颈”位置及增产方案。,可以快速筛选各种替代流程方案 迅速确定物料及能量衡算,工程设计,生产制造,可以减少中试层次 减少试验量， 加速产品上市过程,2019/5/18,filename.ppt,23,2019/5/18,filename.ppt,24,6、Aspen工程 软件介绍,（2） Aspen Custom Modeler及Aspen Dynamics Aspen Custom Modeler是一套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。它使用和Aspen Plus一样的物性数据库（Properties Plus），这样可使稳态及动态模拟计算结果保持一致性。它与一些其它工具软件有接口： MATLAB接口：这种过程控制设计工具相联接可以开发控制策略 G2接口：可以与这种人工智能工具软件结合开发操作工仿真培训器及工厂诊断系统,2019/5/18,filename.ppt,25,2019/5/18,filename.ppt,26,通过建立的动态模型，可以对共沸塔的操作进行大量细致的的仿真研究,塔底供热量塔压塔顶取热量塔底MTBE纯度,塔压,塔底供热量,塔顶取热量,塔底产品纯度,2019/5/18,filename.ppt,27,6、Aspen工程 软件介绍,Aspen Custom Modeler常用的几个方面： 提高可操作性：包括开车方案，正常操作规程 改进安全性：包括释放系统，事故分析 改进过程控制方案：测试可能的控制方案，研究先进控制策略 开发用户模型及优化过程操作,2019/5/18,filename.ppt,28,6、Aspen工程 软件介绍,（3） Aspen Pinch和Split Aspen Pinch和Split是两个相互补充的先进过程设计软件。 Aspen Pinch是一个基于过程综合与集成的夹点技术的计算软件。它应用工厂现场操作数据或者Aspen Plus模拟计算的数据为输入，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。,2019/5/18,filename.ppt,29,2019/5/18,filename.ppt,30,夹点分析,2019/5/18,filename.ppt,31,2019/5/18,filename.ppt,32,复合曲线,2019/5/18,filename.ppt,33,6、Aspen工程 软件介绍,Aspen Pinch的典型作用有以下几个方面： 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（例如换热器网络）的设计分析 公用工程系统合理布局及优化操作（包括加热炉、蒸汽透平、燃气透平、制冷系统等模型在内）,2019/5/18,filename.ppt,34,2019/5/18,filename.ppt,35,6、Aspen工程 软件介绍,（4） Polymers Plus 是一个模拟聚合物制造过程的通用聚合过程模拟系统。 评估不同的过程设计方案 优化工厂操作 开发反应动力学的深入机理 通过模拟来找寻增加生产能力的方案 开发新牌号,2019/5/18,filename.ppt,36,6、Aspen工程 软件介绍,（5） BJAC 是一个换热器设计的专用软件包，它包括各种换热器的热设计、机械设计、成本估算及设备结构施工图。软件函盖的范围包括：管壳式换热器、空气冷却换热器、火焰加热炉、燃炉尾气省能器等各种类型。,2019/5/18,filename.ppt,37,B-JAC换热器优化设计结果,催化汽油降烯烃改质过程能量综合优化,汽柴油的分离,2019/5/18,filename.ppt,39,2019/5/18,filename.ppt,40,7、水力学计算软件,全塔液泛性能分析,全塔的雾沫夹带和漏液分布,塔设备操作弹性分析,2019/5/18,filename.ppt,41,7、水力学计算软件,板式塔的负荷性能,基 于 全 塔 的 负 荷 性 能 图,第二章 化工过程模拟技术的结构与功能,第一节 化工模拟系统的结构,2019/5/18,filename.ppt,44,化工模拟系统的结构,2019/5/18,filename.ppt,45,1、Aspen Plus 的物性系统,1.1 物性数据库 纯组分数据库，有5000多种纯组分的物性数据； 纯化合物数据库，包含500种化合物的参数； 电解质水溶液数据库，包括约900种离子和分子溶质估算电解质物性所需的参数； 固体数据库，包括约3314种固体的固体模型参数； Henry常数库，包括水溶液中61种化合物的Henry常数参数；,2019/5/18,filename.ppt,46,二元交互作用参数库，包含涉及5000种双元混合物的约40000多个二元交互作用参数； 无机物数据库，包括2450种组分（大部分是无机化合物）的热化学参数； 燃烧数据库，包含燃烧产物中常见的59种组分和自由基的参数； Aspen Plus是世界上唯一获准与DECHEMA数据库接口的软件，该数据库收集了世界上最完备的气液平衡和液液平衡数据，共计二十五万多套数据。,1、Aspen Plus的物性系统,2019/5/18,filename.ppt,47,1、Aspen Plus 的物性系统,1.2 基于状态方程和活度系数方法的热力学模型 Aspen Plus约有40来种基于各类状态方程、活度系数方法等的热力学模型，除此外还加入了其特有的各类电解质、聚合物、固体模型，加上其他一些专用的焓、蒸发潜热、表面张力等模型。 对于一些极性很强的特殊体系，Aspen Plus软件结合实验数据开发一些专用的热力学方法和物性数据包。有氨-水包、乙烯包、电解质胺包、烟道气处理、甲醛-甲醇-水、乙二醇脱水、甲胺包及专用于电解质的Pitzer数据包等，还附有数十种特定电解质-水体系的物性数据。,2019/5/18,filename.ppt,48,1、Aspen Plus 的物性系统,1.3、高度灵活的数据回归系统 可使用实验数据求取物性参数，可以回归实际应用中任何类型的数据，计算任何模型参数，包括用户自编的模型。 1.4、性质常数估算系统 当模拟流程中含有缺少实验数据的新化学品时，能够通过输入分子结构和易测性质（例如沸点）来估算短缺的物性参数。例如，可估算活度系数模型中的二元参数。,2019/5/18,filename.ppt,49,2、Aspen Plus模拟固体系统,在煤的净化和液化、流化床燃烧、高温冶金和湿法冶金，以及固体废物、聚合物、生物和食品加工业中都有固体应用的问题。 Aspen Plus中有Solid固体性质数据库，它广泛收集了约3314种纯无机和有机物质的热化学数据；还具有一套通用的处理固体的单元操作模型，包括破碎机、旋风分离器、筛分、文杜里洗涤器、静电沉淀器、过滤洗涤机和倾析器。,2019/5/18,filename.ppt,50,3、Aspen Plus模拟电解质系统,Aspen Plus具有模拟电解质过程的功能，如酸水汽提、盐水结晶与蒸发、硝酸生产、湿法冶金、胺净化气体和盐酸回收等。Aspen Plus提供Pitzer活度系数等模型可准确、可靠的应用在包括强弱电解质、盐类和含有机化合物的电解质系统工业中。,2019/5/18,filename.ppt,51,4、Aspen Plus的单元操作模型库,Aspen Plus有一套完整的单元操作模型，模型库约由50种单元操作模型构成，可以模拟各种操作过程，由单个原油蒸馏塔的计算到整个合成氨厂的模拟。 单元操作用户可将自身的专用单元操作模型以用户模型（USER MODEL）加入到Aspen Plus系统之中，为用户提供了极大的方便性和灵活性。 Aspen Plus系统采用了先进的数据结构，对于组分数、进出口物流数、塔的理论板数以及反应数目均无限制。,2019/5/18,filename.ppt,52,4、Aspen Plus的单元操作模型库,换热器5种 (1)、通用加热器HEATER (2)、热交换器HEATX (3)、多股物流的热交换器MHEATX (4)、管壳式换热器HETRAN (5)、空冷式换热器AEROTRAN,2019/5/18,filename.ppt,53,4、Aspen Plus的单元操作模型库,塔分离8种 (1)、严格法精馏RADFRAC; ( 2)、多塔精馏MULTIFRAC (3)、吸收; (4)、萃取EXTRACT; (5)、捷算法设计型精馏DSTWU; (6)、捷算法核算型精馏DISTL (7)、捷算法多塔精馏SCFRAC; (8)、石油炼制分馏塔PETROFRAC,2019/5/18,filename.ppt,54,4、Aspen Plus的单元操作模型库,Aspen Plus的分馏是最常用的单元操作模型。 RADFRAC模型能严格地模拟多级气液平衡操作，包括吸收、汽提、有再沸器的吸收和汽提、萃取和共沸蒸馏，以及高度非理想体系的分馏过程。RADFRAC能严格计算任一塔板上两个液相的存在，也可以简单地假设第二液相为纯水。 MULTIFRAC可以有效地计算互连的多塔分馏系统，如原油蒸馏、减压塔、催化裂化分馏塔、吸收塔、解吸塔 、空气分馏塔以及有热交换的塔系统。,2019/5/18,filename.ppt,55,4、Aspen Plus的单元操作模型库,Aspen Plus的分馏模型是最常用的单元操作模型 Aspen Plus有能处理反应的分离模型，该模型可在塔的任意塔板处或所有塔板上处理速率控制反应、化学平衡反应，以及气、液相反应。 Aspen Plus的简捷算法蒸馏模型具有设计和核算两种型式。在不需要高度精确计算的情况下可以使用这些模型。,2019/5/18,filename.ppt,56,4、Aspen Plus的单元操作模型库,反应器7种 (1)、产率反应器PYIELD; (2)、化学计量反应器RSTOIC (3)、连续搅拌釜式反应器RCSTR; (4)、活塞流反应器RPLUG (5)、两相化学平衡反应器REQUIL; (6)、通用相平衡和化学平衡反应器RGIBBS (7)、间歇式反应器RBATCH,2019/5/18,filename.ppt,57,4、Aspen Plus的单元操作模型库,反应模型是最常用的单元操作模型 简单的化学计量模型（RSTOIC）只需要规定化学计量或反应中一个关键组分的转化率即可应用。 在已知反应动力学的情况下，可以用更精确的模型，如连续搅拌釜式反应模型（RCSTR）或活塞流反应模型（RPLUG）。,2019/5/18,filename.ppt,58,5、Aspen Plus的单元操作模型及其主要功能,反应模型是最常用的单元操作模型 RBATCH反应模型可处理单相或两相的动态反应，可选用连续进料和出料。 RGIBBS是根据GIBBS自由能极小的基本原理，它能描述单相化学平衡、相平衡，也能同时描述化学平衡和相平衡，可以处理固、液多相系统。,2019/5/18,filename.ppt,59,6、过程模拟技术应用,1、炼油装置（一） 燃料型和滑油型原油蒸馏装置全流程和单塔模拟计算工艺包。 催化裂化装置分馏和吸收稳定全流程和单塔模拟计算工艺包。 延迟焦化装置主分馏塔模拟计算工艺包。 催化重整装置芳烃抽提（环丁砜为溶剂）模拟计算工艺包。 加氢裂化装置分馏部分模拟计算工艺包。 加氢精制装置分馏部分模拟计算工艺包。 炼厂干气、液化气脱硫装置模拟计算工艺包。,2019/5/18,filename.ppt,60,6、过程模拟技术应用,1、炼油装置（二） 气体分馏装置五塔和三塔流程模拟计算工艺包 滑油糠醛抽提装置 MTBE装置 分子筛脱蜡装置 白油加氢装置 酮苯脱蜡装置,2019/5/18,filename.ppt,61,6、过程模拟技术应用,石化装置（一） 乙烯装置 环氧乙烷装置 乙二醇装置 乙苯装置 苯乙烯装置 丁二烯抽提装置（乙腈为溶剂） 偏三甲苯分离装置 乙烯汽油加氢装置 甲苯加氢生产苯装置 UOP生产PX装置 甲苯歧化装置 二甲苯异构化装置,2019/5/18,filename.ppt,62,6、过程模拟技术应用,石化装置（二） 苯加氢生产环己烷装置 烷基苯装置 苯酚-丙酮装置 正戊烷装置（异戊烷、正戊烷、环戊烷三种目标产品） 丙烯直接水合法生产异丙醇装置 乙烯直接水合法生产乙醇装置 丙烯羰基化法生产正丁醇装置 乙烯直接法生产线性伯醇装置 丙烯直接氧化法生产丙烯酸装置 乙腈抽提法生产异戊二烯装置 DMT装置,2019/5/18,filename.ppt,63,6、过程模拟技术应用,其他装置 二氯乙烷、氯乙烯单体装置 丙烯腈装置 轻烃三甘醇脱水装置 油田气脱硫醇装置 油田伴生气分离正丁烷装置 丁辛醇装置 环己酮装置 合成氨装置脱碳、再生 醋酸乙烯装置 聚乙烯醇装置 橡胶溶剂油回收装置 甲乙酮装置 MDEA精制 甲烷氯化法生产甲烷氯化物装置,第二节 稳态过程模拟的解法,2019/5/18,filename.ppt,65,稳态过程模拟的解法,1、序贯模块法（Sequential Modular Method) 特点：模型和解法合二为一 优点：计算方法易实现，稳定可解,2019/5/18,filename.ppt,66,稳态过程模拟的解法,2、联立方程法 （Equation-based Method，Simultaneous Method) 特点：模型和解法分开，对计算方法要求高。一般采用SQP法Sequential quadratic programing 优点：快速、灵活的自变量和应变量定义,第三节 进行化工过程模拟的基本步骤,2019/5/18,filename.ppt,68,化工过程模拟的七个基本步骤,2019/5/18,filename.ppt,69,1、在工艺流程图的基础上，简化、归纳、补充、完善形成模拟流程图； 2、模拟流程图是否合理，完整的反映了装置的工艺实质至关重要；若单元过程或流程定义有误，则会导致严重错误；,步骤1：建立模拟流程图,2019/5/18,filename.ppt,70,2019/5/18,filename.ppt,71,1、缺省单位制为英制；须根据需要定义输入、输出的单位制； 2、根据需要定义输出报告的输出内容； 3、标注项目名称、计算日期、计算人等信息；,步骤2：定义单位制等总体要求,2019/5/18,filename.ppt,72,步骤3：定义组分,1、从组分数据库中选择、定义相关的组分； 2、组分通常有三类：库组分、石油组分和虚拟组分；使用最多者为库组分；,2019/5/18,filename.ppt,73,1、根据计算物系的特点，选择适当的热力学方法； 2、热力学方法的选择十分重要，往往是计算成败的关键；3、选择不当，虽然计算仍可收敛，但结果可能是完全错误的；,步骤4：选择热力学方法,2019/5/18,filename.ppt,74,步骤5：输入物流数据,输入系统进料的以下数据： 温度，压力 流量，组成,2019/5/18,filename.ppt,75,步骤6：输入单元过程数据,根据不同的单元过程，按照图形界面的要求，输入不同的单元过程数据。,2019/5/18,filename.ppt,76,仔细阅读、分析计算结果： 确认计算是否正确、合理； 检查有无输入错误； 发现流程问题； 提出改进措施； 成功的计算：90以上的时间要用在结果分析上；,步骤7：计算结果阅读、分析,第四节 使用ASPEN PLUS进行工艺过程模拟,2019/5/18,filename.ppt,78,第四节、使用ASPEN PLUS进行工艺过程模拟,1、用户界面 提供了有关ASPEN PLUS用户界面的基本信息 2、 建立模拟模型 如何使用ASPEN PLUS建立模拟模型? 建立一个新的运行 选择一个模板 选择一个运行类型 完成一个运行的输入规定 ASPEN PLUS 在线应用库 使用ASPEN PLUS帮助,2019/5/18,filename.ppt,79,2019/5/18,filename.ppt,80,第四节、使用ASPEN PLUS进行工艺过程模拟,3、定义流程 创建一个流程 使用热流和功流 使用虚拟物流 检查流程的完整性 修改一个流程 使用流程工段,2019/5/18,filename.ppt,81,第四节、使用ASPEN PLUS进行工艺过程模拟,4、计算的全局信息 如何规定和改变所有类型的全局信息？ 输入全局规定 替换缺省的模拟选项 度量单位 报告选项等信息,2019/5/18,filename.ppt,82,第四节、使用ASPEN PLUS进行工艺过程模拟,5、 规定组分 在模拟中怎样去定义组分？ 规定数据库和非数据库组分 增加删除和修改组分 生成电解质组分和反应 标识固体组分 给出常规组分和非常规组分的属性 规定超临界(HENRY)组分 规定UNIFAC 官能团 定义组分组,2019/5/18,filename.ppt,83,6、物性方法,选择接近的物性方法经常是决定模拟结果的精确度的关键步骤。 什么是物性方法 可以采用的物性方法 选择和建立一个物性方法 规定全局的物性方法 规定一个流程段的物性方法 规定局部的物性方法 定义超临界组分 规定游离水相的物性 在有机相态中水的K 值的专用方法 规定电解质计算 修改物性方法 非常规组分的物性方法,2019/5/18,filename.ppt,84,6、物性方法,（1）、什么是物性方法 物性方法是一批方法和模型，模拟系统用它们计算热力学物性和迁移性质。 热力学物性是逸度系数K值、焓、熵、吉布斯自由能和体积；迁移性质是粘度、热导率、扩散系数和表面张力。,2019/5/18,filename.ppt,85,6、物性方法,模拟系统提供了多种描述不同状态下用于流体的汽液平衡常数、液液平衡常数、熵、焓、密度和其他传递性能参数等热力学计算方法，由于每种热力学方法有一定的适用范围，在应用模拟系统解决具体问题时，选择合适的热力学方法是能否正确模拟工艺过程的关键。,2019/5/18,filename.ppt,86,（2）、规定全局的物性方法 如果对一个特殊的流程段单元操作模块或物性分析规定没有不同的物性方法的规定，ASPEN PLUS 对所有物性计算使用全局的物性方法。,6、物性方法,2019/5/18,filename.ppt,87,6、物性方法,（2）、规定全局的物性方法 当在模拟中使用不只一种物性方法时，可以使用流程段去简化物性方法的分配，例如把一个流程段分成高压和低压段，并对每一段给出一个接近的物性方法。 （3）、 规定局部的物性方法,2019/5/18,filename.ppt,88,6、物性方法,（4）、定义超临界组分 活度系数物性方法通过活度系数归一化的不平衡的规则（亨利定律），对于存在液相中的超临界组分要使用亨利定律。,2019/5/18,filename.ppt,89,6、物性方法,（5）、使用游离水计算 对于水-烃应用两个液相经常共存于一个气相，ASPEN PLUS 有两种方法模拟气-液-液平衡的模型：严格三相计算；带有游离水近似法的计算。 （6）、规定电解质计算 模拟一个电解质系统，必须使用电解质物性方法。,第三章 模拟系统的热力学方法及选择,第一节 模拟系统的热力学方法,2019/5/18,filename.ppt,92,1、热力学方法的用途,（1）任何化工单元过程及流程均须满足三大平衡： 物料平衡 能量平衡（热量平衡） 相平衡 （2）能量平衡计算要求提供物料焓值; （3）相平衡计算要求提供相平衡常数K; （4）某些单元过程计算还要求提供熵值及其它相关性质； 所有这些性质计算都是通过不同热力学方法完成的。,2019/5/18,filename.ppt,93,2、热力学方法主要计算内容,计算混合物的相平衡常数K; 计算混合物的焓值； 计算混合物熵值； 其它性质：如密度、表面张力、导热系数、粘度、比热等等； 对于化工过程模拟，准确可靠的热力学方法是必不可少的！,2019/5/18,filename.ppt,94,2、热力学方法主要计算内容,分离过程计算 distillation,stripping,evaporation,extraction Require accurate VLE and LLE calculation 换热器设计和核算 要求焓值及其它性质计算 压缩机、膨胀机设计 要求熵值及其它性质计算 塔水力学计算，管线阻力降、直径计算 要求传递性质计算,2019/5/18,filename.ppt,95,第一类：非极性物质，计算方法：状态方程法或通用关联式法； 第二类：极性物质，计算方法：活度系数法； 非极性物质烃类物质、石油馏份和某些非烃气体； 极性物质水、醇、酮、醚、酯、有机酸等化学品； 采用活度系数法必须做到： 核实该关键二元对的相互作用参数。 估算缺少的其它二元对的相互作用参数。,3、物系分类,2019/5/18,filename.ppt,96,4、相平衡基础,4.1、什么是相平衡常数? K-values 定义为：,2019/5/18,filename.ppt,97,4、相平衡基础,4.2、理想气体（Ideal gas） 理想气体为纯组分气体或气体混合物，凡服从理想气体状态方程(Ideal gas equation ofstate)的气体为理想气体: PV=RT,2019/5/18,filename.ppt,98,4、相平衡基础,4.3、理想溶液（Ideal solution） 理想溶液：是指构成溶液的各个纯组分在混合前和形成溶液后体积不变，并且无混合热的混合物系统。 注：（1）这里所述的溶液系指广义的溶液，它包括气相混合物和液相混合物。 （2）理想溶液不一定是理想气体；但理想气体必定是理想溶液； （3）一个气液系统可以气相是理想溶液，而液相是非理想溶液，反之亦然；,2019/5/18,filename.ppt,99,4、相平衡基础,理想溶液和非理想溶液划分： 低压下（绝压小于2atm），轻烃类混合物的气相可以认为是理想气体；中压下（绝压1520atm），轻烃类混合物的气相可以认为是理想溶液，但不是理想气体；高压下，轻烃类混合物的气相是非理想溶液。 对于理想溶液，相平衡常数K为压力和温度的函数: K=f(P, T) 对于非理想溶液，相平衡常数K为压力、温度和组成的函数： K=f(P, T, Xi),2019/5/18,filename.ppt,100,4、相平衡基础,4.4、理想气体和理想溶液相平衡常数的计算 道尔顿定律 当气体为理想气体时，气体总压P为各个组分分压的总和： P=P1+P2+PnPi Pi=P Yi,2019/5/18,filename.ppt,101,4、相平衡基础,4.4、理想气体和理想溶液相平衡常数的计算 拉乌尔定律 当液体为理想溶液时，溶液中i组分的饱和分压等于该纯组分在与气相相同温度时的饱和分压乘以该组分的液相分子分数： Pi=Pi0Xi,2019/5/18,filename.ppt,102,4.4、理想气体和理想溶液相平衡常数的计算,拉乌尔定律和道尔顿定律联立, 得到相平衡常数计算公式： 该相平衡常数仅仅是温度和压力的函数，和组成无关；因而在实际应用上欠准确；目前已很少应用。,2019/5/18,filename.ppt,103,4、相平衡基础,4.5、实际体系相平衡常数计算 对于实际体系，绝大多数不服从道尔顿定律和拉乌尔定律，此时以上公式已不适用。需采用逸度、逸度系数和活度系数来处理非理想溶液的气液相平衡关系。 实际上，所有化工过程模拟软件，都是采用状态方程、通用关联式或活度系数方法来求解相平衡关系。,2019/5/18,filename.ppt,104,4、相平衡基础,4.6、实际体系相平衡常数计算的三类方法 1、状态方程法 2、通用关联式法 3、活度系数法,2019/5/18,filename.ppt,105,4.6、实际体系相平衡常数计算的三类方法,（1）状态方程法 K-values 计算 气液两相的逸度系数均由状态方程计算,2019/5/18,filename.ppt,106,立方型状态方程,Van der Waals Redlich-Kwong Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson,2019/5/18,filename.ppt,107,立方型状态方程_i计算,PR方程i计算,2019/5/18,filename.ppt,108,4.6、实际体系相平衡常数计算的三类方法,状态方程法需要的基本物性 绝大多数状态方程计算相平衡常数仅须三个基本物性： 临界温度Tc； 临界压力Pc； 偏心因子； 任何组分的组合，任何压力、温度条件，也仅仅需要这三个物性就可以算出相平衡常数。 我们不得不惊叹状态方程的奇妙能力！,2019/5/18,filename.ppt,109,4.6、实际体系相平衡常数计算的三类方法,（2）通用关联式模型 BK10 (1960) Chao-Seader(1961) Chao-Seader-ErbarExtension Grayson-Street (1963) Grayson-Street-Erbar Extension Improved Grayson-Street,2019/5/18,filename.ppt,110,（3）液体活度系数法,活度系数方法 液相: 活度系数模型；气相: 状态方程模型 fioL标准态逸度，定义为:,2019/5/18,filename.ppt,111,液体活度系数模型,Margules (1895) van Laar (1910) Wilson (1964) Non-random Two-Liquid (NRTL) (1968) Regular Solution (1970) UNIQUAC (1975) UNIFAC (1975),2019/5/18,filename.ppt,112,（3）液体活度系数法,（a）NRTL 模型 Non-Random Two-Liquid Model,2019/5/18,filename.ppt,113,（b）UNIFAC模型,基于基团贡献法 优点: 根据基团结构进行预测； 当缺乏混合物数据时, UNIFAC 模型对化学品和烃类物质可提供有效的预测； 能较好的描述含有极性和/或非极性组分体系的VLE and LLE 行为；,2019/5/18,filename.ppt,114,（b）UNIFAC模型,局限性: 不适于多官能团结构的物质； 分子量大于400 的物质不适用； 无法预测异构化影响；,2019/5/18,filename.ppt,115,（3）液体活度系数法,除UNIFAC 和Regular Solution模型,所有其它方法均需二元相互作用参数，这些参数是从实验数据回归而得，是必不可少的； 当组分是超临界组分时，不能使用活度系数法，需采用亨利定律；,2019/5/18,filename.ppt,116,（3）液体活度系数法,优点: 有效的关联化学品系统在低压下的性质； 容易使用无限稀释活度系数数据； 可根据基团贡献进行预测； 许多物系的二元相互作用参数可从 DECHEMA 数据库中查出；,2019/5/18,filename.ppt,117,（3）液体活度系数法,局限性: 只能用于液相； 可用的温度压力范围很窄； 对超临界组分需采用亨利常数； 无法计算接近或在临界点时的 K-values； 计算其它热力学性质时无一致性；,2019/5/18,filename.ppt,118,（4）状态方程法和活度系数法的比较,状态方程法 活度系数法 描述非理想液相的能力有限 可描述高度非理想液相 要求二元相互作用参数少 要求大量二元相互作用参数 参数可合理随温度外推 参数不能外推，高度依赖于温度 可描述气液两相 只能用于液相 临界区有一致性 临界区无一致性 可用于高压 只能用于低压,2019/5/18,filename.ppt,119,（5）含水烃类体系的相平衡,炼油厂和气体加工装置的物料中经常含有一定数量的水；水是强极性物质，当烃类物质中含有水时，可以采取两种处理方式： 1、简化法水分层计算water decant； 2、严格三相平衡计算采用适当的处理极性物质的VLLE 热力学方法；,2019/5/18,filename.ppt,120,（5）含水烃类体系的相平衡,第二节 模拟系统的热力学方法选择,2019/5/18,filename.ppt,122,1、推荐的物性方法,ASPEN PLUS 在不同应用推荐的方法： 油和气产品,2019/5/18,filename.ppt,123,1、 推荐的物性方法,ASPEN PLUS 在不同应用推荐的方法： 炼油,2019/5/18,filename.ppt,124,ASPEN PLUS 在不同应用推荐的方法： 油和气产品,气体加工,2019/5/18,filename.ppt,125,化工,2019/5/18,filename.ppt,126,化学品,2019/5/18,filename.ppt,127,ASPEN PLUS 在不同应用推荐的方法： 煤加工,2019/5/18,filename.ppt,128,1、 推荐的物性方法,ASPEN PLUS 在不同应用推荐的方法： 发 电,2019/5/18,filename.ppt,129,合成燃料,2019/5/18,filename.ppt,130,1、 推荐的物性方法,ASPEN PLUS 在不同应用推荐的方法： 水和蒸汽,2019/5/18,filename.ppt,131,1、 推荐的物性方法,ASPEN PLUS 在不同应用推荐的方法： 矿物质和冶金加工,2019/5/18,filename.ppt,132,2019/5/18,filename.ppt,133,选择极性非电解质系统的物性方法,2019/5/18,filename.ppt,134,选择活度系数物性方法,2019/5/18,filename.ppt,135,2、修改物性方法,修改一个内置的物性: 非常规组分的物性方法 非常规组分仅有的计算物性是焓和密度。 非常规一般模型,2019/5/18,filename.ppt,136,2、修改物性方法,非常规组分的物性方法: 煤和煤的衍生物的专用模型：,2019/5/18,filename.ppt,137,应用化工过程模拟软件进行工艺过程模拟计算时热力学系统的选择 在实际工作中，有很多时候会遇到解决装置“瓶颈”的问题，而塔设备往往是需要进行标定或核算的重要设备之一，这时应用软件提供的精馏、吸收、萃取等单元操作过程的严格计算方法进行单塔或全流程模拟计算是非常方便的。,3、实际应用中热力学方法的选择,2019/5/18,filename.ppt,138,（1） 普遍化方法,普遍化方法主要包括用于烃类物系计算的SRK方程、PR方程、BWRS方程、GS方程、IGS方程、BK10方程等，各方程的适用范围如下： 热力学方程 适用领域 SRK 气体加工、炼油过程的烃类物系 SRKKD 炼油过程烃水物系，尤其高温、 高压的气液液过程 SRKM 烃/醇等极性/非极性物系,2019/5/18,filename.ppt,139,热力学方程 适用领域 SRKH 酮/水等极性和高压物系 PR 气体、炼油过程的烃类物系 PRM 烃/醇等极性/非极性物系的 气液液过程 PRH 酮/水等极性和高压物系 BWRS 气体、炼油过程的烃类物系 GS 常压以上的炼油过程,（1） 普遍化方法,2019/5/18,filename.ppt,140,（1）普遍化方法,热力学方程 适用领域 IGS 炼油过程的气液液过程 BK10 油品分馏过程,2019/5/18,filename.ppt,141,（2）、活度系数方法,活度系数方法主要包括用于化工、石油化工等过程的汽液、液液、气液液平衡及相关物性参数计算的NRTL方程、UNIQUAC方程、WILSON方程、UNIFAC方程、VANLAAR方程、FLORY方程、MARGULES方程等，各方程的适用范围如下： 热力学方程 适用领域 NRTL 有活度系数可利用的