（化学工程专业论文）氯乙烯生产中edc精制工艺的模拟研究.pdf

摘要 y 8 4 6 0 0 7 摘要 本文以目前国际上最为流行的先进化工流程模拟软件为技术手段，参考了翔实的技术 资料、技术文献、交流资料及大量的工厂实际操作记录等，以上海氯碱公司氯乙烯车间 的两套e d c 精制装置( 3 0 0 单元和1 3 0 0 单元) 为研究对象，一方面着眼于对引进流程( 3 0 0 单元) 的消化吸收，建立全过程的流程模拟计算机模型；另一方面针对工厂实际情况， 完善，修正并充实流程模型，以实践情况来检验模型的可靠性。 本文对e d c 精制所处理的复杂的多组分物系进行了深入的研究，找到了可能存在的 多达3 9 种的共沸组成；指出在精制系统所接受的粗e d c 进料中，苯及三氯乙烯的含量 是影响e d c 精制质量水平的关键因素；寻找到了适合体系的热力学模型；建立了e d c 精制3 0 0 单元的全流程模拟模型；对3 0 0 单元塔设备和冷换设备均作了详细的核算；寻 找到e d c 精制3 0 0 单元提量操作的设备瓶颈所在；指出了e d c 精制3 0 0 单元的处理负 荷上限。 本文也对技术改造装置( 即1 3 0 0 单元) 进行了全流程的建模工作，对1 3 0 0 单元进 行认真而深入的查定工作，根据查定模型，对仪表等进行了有的放矢的判定；在查定状 况下，分析了各塔的操作情况及水力学状况等；揭示出所谓的1 3 0 0 单元“节能装置不 节能”的深层次原因，并指出了改进方法和具体途径。指出开足1 3 0 0 单元装置，将可真 正体现出1 3 0 0 单元装置双效变压节能的设计思想；指出了e d c 精制1 3 0 0 单元的处理负 荷上限。 综合3 0 0 单元所谓的常规流程以及1 3 0 0 单元所谓的节能流程的特点，本文运用模拟 手段提出了几种不同的e d c 精制方案；分别建立了各自的模拟流程；以蒸汽消耗为具体 指标，以节能为主要考量，对各方案进行了比较；指出双效变压耦合操作流程是e d c 精 制工艺最为切实可行而有效的节能手段；从节能角度，充分考虑到流程的先进性，操作 的简洁性，从而提出了优选方案作为自己的新见解。 关键词 流程模拟；e d c ；精制；节能；工艺包：查定；技术改造；工艺设计；双效变压 a b s t r a c t a b s t r a c t u s i n g t h ea d v a n c e ds i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rc h e m i c a l e n g i n e e r i n g ，r e f e r r i n g t h e i n t e r r e l a t e dt e c h n i c a li n f o r m a t i o n ，a n a l y z i n gl a r g en u m b e r so fp l a n to p e r a t i n gr e c o r d s ，t h e a r t i c l es t u d i e st h et w oe d cp u r i f i c a t i o n s e t s ( u n i t3 0 0a n du m t1 3 0 0 ) o fs h a n g h a i c h l o r a l k a l ic h e m i c a lc o r p a r a t i o n ( s c a c c ) t h es t u d ya i m sa tb o t ht h ea b s o r p t i o no ft h e f o r e i g np r o c e s st e c h n o l o g ya n dt h ea c c u m u l a t i n ge x p e r i e n c ef r o mt h ei n d u s t r i a lp r a c t i c e b y t h e s es t u d i e s ，t h ea r c t i c l es e t su pt h ep r o c e s ss i m u l a t i n gm o d e l so fu n i t3 0 0a n du n i t1 3 0 0 s e p a r a t e l y t h er e s e a r c hg o e sd e e pi n t ot h ec o m p l e xm u l t i - c o m p o n e n t sp h y s i c a ls y s t e ma b o u tt h e e d c p u r i f i c a t i o n ，f i n d so u ta b o u t3 9k i n d sa z e o t r o p ee x i s t i n gp o s s i b l y , a n do b t a i n st h ep r o p e r p h y s i c a la n dt h e r m o d y n a m i c sm o d e l s b yt h er e s e a r c h ，t h ea u t h o ri n d i c a t e st h a tt h ec o n t e n t p e r c e n t a g eo f b e n z e n ea n dt r i c h l o r e t h y l e n ei st h ek e yt ot h ep r o d u c te d c p u r i t y i nt h ea r t i c l e ，t h eu n i t3 0 0a n dt h eu n i t1 3 0 0 sm a i ne q u i p m e n t s ，i n c l u d i n ga l lt o w e r s a n da l lh e a te a c h a n g e r s a r ea l ld i s c u s s e d b yt h ep r o c e s ss i m u l a t i o na n dt h es u c c e d e n t e q u i p m e n tc h e k i n g ，t h ea u t h o rf i n do u tt h eo p e r a t i n gb o t t l e n e c ko f t h et w os e t sa n dt h eu p p e r l i n f i to f o p e r a t i n gl o a d ， e s p e c i a l l yt ot h eu n i t13 0 0 ，t h ea r t i c l ef o c u s e so nt h ea c t u a lp r o b l e m “e n e r g ys a v i n gs e t d o e s n ts a v ee n e r g y ”b yc h e k i n gt h ea c t u a lo p e r a t i n gs t a t u s ，t h ea u t h o ra n a l y z e sm a n yr e a s o n s f r o mv a r i a b l ev i e w sa n dp r o v i d e ss e v e r a le f f e c t i v es o l u t i o n s t h es c a c cb r i n g st h e s es o l u t i o n s i n t oe f f e c ta n dg e te x p e c t i n gr e s u l t s b a s eo nt h es t u d i e sa b o v e ，t h ea r t i c l ed i s c u s s e st h ep r o b l e mo fr e d u c i n gt h es t e a m c o n s u m p t i o no f1 , 2 - d i c h l o r o e t h a n er e c t i f i c a t i o np r o c e s s e si nd e t m l t h ea u t h o rc o n u a s t i v e l y a n a l y s i z e st h ee d c sr e c t i f i c a t i o np r o c e s s e s ，a n db r i n g sf o r w a r dal o to fn e wf l o ws c h e m e s u s i n gt h ea s p e np l u ss o f t w a r e ，a n dc o m p a r e st h e i re n e r g ys a v i n gr e s u l t s 。 t h ea u t h o rc o n c l u d e st h a tt h ed u a le f f e c tv a r i a b l ep r e s s u r ep r o c e s sf l o wi st h em o s t e f f e c t i v ew a yt oa c h i e v et h ee n e r g ys a v i n gi ne d cp u r i f i c a t i o np r o c e s s a n dh ea l s op u t s f o r w a r dt h eo p t i m a lc h o i c ea sh i sn e wo p i n i o n k e yw o r d s p r o c e s ss i m u l a t i o n ；e d c ；r e f i n e ；e n e r g ys a v i n g ；p r o c e s sp a c k a g e ；c h e c k i n g ： t e c h n i c a lr e v a m p i n g ：p r o c e s sd e s i g n ；d u a le f f e c tv a r i a b l ep r e s s u r e 1 i 第一章引言 第一章引言 1 1 氯乙烯生产及e d c 精制概述2 2 0 世纪3 0 年代，氯乙烯工业诞生。5 0 年代后期，全世界石油化工工业迅速发展， 取得丰富而廉价乙烯以后，氯乙烯原料从乙炔向乙烯转移。氯乙烯工业开始迅速发展。 至1 9 9 8 年底，以乙烯为原料的装置已经约占全世界氯乙烯能力的9 4 。目前，二氯乙烷 和氯乙烯技术的主要专利商有o x yv i n y l ，i n o v y l ，三井化学，v i n n o l i t 。次要专利商为 t o s o h ，s o l v a y ，e l f a t o c h e m 和p p g 。其它专利商或开发商还有 e th y ，h u e l s ，k r e b s ，k t i ，k u r e h a ，三菱，m o n s a n t o ，m o s c o ws i n t e z a ，s i r ，住友，t r a n s p e k 工业和v u l c a n 。 在以乙烯为基础的工艺路线中，氯乙烯单体用热解二氯乙烷( 即，e d c ) 的方法生 产，e d c 的生产采用直接氯化法或乙烯氧氯化法生产。 在直接氯化或乙烯氧氯化法生产e d c 的工艺中，由于转化率及选择性等的影响，制 得的粗e d c 中含有一定量的副产物，达不到e d c 后续的裂解( 热解) 工序的进料要求， 必须进行精制处理。同时，由于e d c 裂解制氯乙烯( v c m ) 的反应通常在非催化条件、4 5 0 6 0 0 。c j f u 高压下进行，为控制副产物生成及结焦，e d c 的典型转化率一般只为4 0 6 5 。 因此，除了生成v c m 和氯化氢及大量未转化的e d c 外，还含有大量副产物。在v c m 精制工段，分离出v c m 及氯化氢后，含有大量副产物的粗e d c 也需要进一步进行精制 处理。 典型的乙烯平衡氧氯化法生产氯乙烯工艺流程如下图1 1 ： 乙烯 氯气 乙烯 氧气 图ll ：乙烯平衡氧氯化法生产v c m x 艺流程示意图 二氯乙烷( e d c ) 精制单元在以乙烯为基础的工艺路线制取氯乙烯的生产过程中具 有承前启后的重要作用，它处理来自直接氯化单元及( 或) 氧氯化单元来的粗e d c 进料 第一章引言 以及返回自v c m 精制单元的循环二氯乙烷等物料。经过本单元的处理，物料中e d c 的纯 度达到9 9 5 3 ( w t ) 以上，水分含量达到l o p p m ( w t ) 以下，从而保证了裂解炉中e d c 的转化率水平。 考虑到e d c 专利商的不同，粗e d c 物料的组成中，除e d c 外，其它组分包括乙烯、 苯、丁二烯、氯丁二烯、氯甲炕、氯乙烷、二氯乙烯、三氯乙醛、2 一氯乙醇、丙烯、碳、 氯丙烯、1 ，l 一二氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、四氯化碳、l ，1 ，2 三氯乙烷、1 ，1 ，2 ，2 四 氯乙烷、水等组分中的几种或十几种不等。日前，e d c 精制单元作为典型的化工分离单元， 主要设备出脱水塔、脱轻塔、脱重塔及回收塔等构成。在脱水塔中，从塔顶馏出水和e d c 的共沸物，在倾析器中倾析出水分，使塔底物料中水分的含量达到l p p m ( ) 以下；在脱 轻塔及脱重塔中，分别脱除轻重组分，重组分经回收塔进一步脱除后排出。 随着蒸馏及节能技术的发展，e d c 精制流程已经出现了五塔流程及三塔流程等，主 要着眼于从节能或流程的优化。例如，把设最两个脱重塔，形成双效变压耦合操作，以 实现节能；或者把脱水塔和脱轻塔进行合并，从而减少塔的个数，优化流程。但对e d c 精制单元更深入的过程模拟研究工作尚未见报道。本文将结合上海氯碱化工股份有限公 司( 以下简称“上海氯碱公司”) 的实际工业装置进行这方面的研究工作。 1 2 上海氯碱公司e d g 精制单元现状咖口踟嘲m 3 上海氯碱公司的两套乙烯氧氯化法生产v c m 装置，分别是从日本的三并东压( t v i i t s u i ) 和德国的赫斯特( h o e c h s t ) ( 现为v i n o l l i t ) 公司引进，年设计能力达到3 0 万吨。该装 置的e d c 和v c m 的精馏装置均采用日本的m i t s u i 技术。 上海氯碱公司e d c 精制系统包括3 0 0 单元和1 3 0 0 单元两套相对独立的装蔑，并行操 作，互不影响。其中，1 3 0 0 单元为上海氯碱公司在1 9 9 7 年1 0 万吨年v c m 扩产时，依据 原3 0 0 单主要设备并采用五塔节能流程而新建的装置。3 0 0 单元主要由脱水塔、脱轻塔、 脱重塔和回收塔共四个精馏塔及换热器、冷凝器和再沸器等设备组成。1 3 0 0 单元各塔及 相关冷换热备等均对应3 0 0 单元相应设备，只是为实现热耦合节能而新增了一台脱重塔； 此后，在上海氯碱公司7 万吨年聚氯乙烯专用树脂技改项目实施中，又新增了一台脱水 塔。目前，1 3 0 0 单元包括脱水塔( 两台) 、脱轻塔( 一台) 、脱重塔( 两台) 及回收塔( 一 台) 共六台精馏塔。 e d c 精制3 0 0 单元其主要工艺流程示意图如下图1 2 所示： 2 舻言 脞轻菩腻重举 嘧123 0 0 单元= 艺流程i 毒目 e d c 精制1 3 0 0 单元其主要工艺流程方框图如下图1 3 所示 按原设计的理论值，包括3 0 0 单元和1 3 0 0 单元在内的整个b d c 精制系统总处理能力 约为1 2 0 2 7 万吨年粗e d c ( 包括出下游v c m 精制工段返回的粗e d c 约5 5 1 9 万吨年) ， 此时对应的氯乙烯规模为4 0 万吨年v 洲。该系统包含精馏塔l o 台( 4 + 6 ) 、换热器2 9 台( 1 2 + 1 7 ) ( 不含备用换热器) 及其他众多相关设备，耗能巨大，考虑1 0 的热损失，则 仅蒸汽消耗一项就达5 1 万吨年，占整个v c m 装置蒸汽消耗的6 5 左右。 实际上，由于1 3 0 0 单元长期处于5 0 负荷状态，操作参数没存进于亍优化，为保证精 馏塔操作，各塔回流比普遍偏高，同时，耦合节能设计的理念也没有得到认真的贯彻执 行，这样，实际的运行非但没有体现出原设计要求达到的节能效果，反而大大加剧了能 耗水平。现场查定表明，在1 3 0 0 单元仅5 0 负荷运转的前提下，整个e d c 精制系统的蒸 汽消耗业已高达7 2 5 万吨年。 考虑到3 0 0 单元精馏系统的操作比较好，而且一直在按原设计的满负荷正常运转， 而1 3 0 0 单元的满负荷操作受到前后相关工段装置能力的制约，而这些制约因素的解决需 要一定的时间，因此，有必要对1 3 0 0 单元”节能装置不节能”的原因在进行深入的流穗 第一章引言 模拟计算的基础上进行深层次地探究，如已发现的回流比问题、现有负荷下塔径过大问 题等，并提出现实性的有针对性的可操作的改造方案，尽可能地降低该单元的蒸汽消耗 水平，即使不能够达到原双效变压耦合节能设计的预期目标，也心当使该装置的蒸汽消 耗指标降低到一个可以接受的水平( 至少不大于不采用节能装最的3 0 0 单元) ，这样将至 少可以节约蒸气9 5 万吨年。在此过程中，也将依靠完善的过程模型，并通过现场的勘 验，实际数据的采集等，对相关的问题，如仪表情况、操作条件等，做出综合判断。 另一方面，着眼于对e d c 精制过程深入的系统模拟，本文还将运用先进的模拟手段， 结合国内开发的e d c 精制方案，并考虑到上下游工序需求及介质情况等，对e d c 精制工 艺的多种方案做进一步的分析比较及综合评价等。 1 3 要解决的问题与基本思路 1 3 1 对3 0 0 单元进行全过程模拟研究 3 0 0 单元为引进装置，操作稳定可靠。但是，长期以来，缺乏对该精制过程的定量研 究，凡事皆以外方原始技术资料为依据，对其过程缺乏系统的模拟计算工作，知其然但 不知其所以然。因此，有必要对其进行全过程的模拟研究，一方面可以提高上海氯碱公 司技术革新和技术改造的能力，另一方面，也可通过比对数据，探索、校验、确定过程 模拟模型，为其他相关的研究提供支撑。 对3 0 0 单元进行的全过程模拟研究将为后续的研究提供坚实可靠的基础。 1 3 2 解答1 3 0 0 单元“节能装置不节能”的原因 1 3 0 0 单元是在原有3 0 0 单元精馏技术基础上进行的双效变压耦合节能技术改造。 从理论上讲，应当有着巨大的优越性，但是在实际生产操作中为什么达不到预期的目的? 除了比较明显的一些原因外，是不是还有其它原因? 如何解决? 本文将对此问题进行深 入的研究。 对1 3 0 0 单元的探究将解决实际装置中的相关问题，为企业节能降耗提供技术依据。 1 3 3 各种e d c 精制方案的综合研究 在以上进行全过程模拟以及为工厂解决实际需求的基础上，本文将开展对e d c 精制系 统的热集成研究。提出各种可能的操作性强的有实施价值的e d c 精制方案，并进行综合 研究及分析评价等。 1 3 4 基本思路 一切的研究必须建立在大量可靠数据的基础上，本文将充分比对设计数据及工厂实际 第一章引言 模拟计算的基础上进行深层次地探究，如已发现的回流比问题、现有负荷下塔径过人问 题等，并提出现实性的有刽对性的可操作的改造方案，尽可能地降低该单元的蒸汽消耗 水平，即使不能够达到原双效变压耦合节能设计的预期日标，也j 当使该装置的蒸汽消 耗指标降低到一个可以接受的水平( 至少不大于不采用节能装爱的3 0 0 单元) ，这样将至 少可以节约蒸气g5 万吨年。在此过程中，也将依靠完善的过程模型，并通过现场的勘 验，实际数据的采集等，对相关的问题，如仪表情况、操作条件等，做山综合判断。 另方面，着眼于对e d c 精制过程深入的系统模拟，本文还将运用先进的模拟手段， 结合国内开发的e d c 精制方寰，并考虑到上下游工序需求及介质情况等，对e d c 精制工 艺的多种方案做进一步的分析比较及综合评价等。 1 3 要解决的问题与基本思路 1 ，3 1 对3 0 0 单元进行全过程模拟研究 3 0 0 单元为引进装罟，操作稳定可靠。但是，长期以来，缺乏对该精制过程的定量研 究，凡事旨阻外方原始技术资料为依据，对其过程缺乏系统的模拟训算工作，知其然但 不知其所以然。因此，有必要对其进行全过程台勺模拟研究，一方面可以提高上海氯碱公 司技术革新和技术改造的能力，另一方而，也可通过比对数据，探索、校验、确定过程 模拟模型，为其他相关的研究提供支撑。 对3 0 0 单元进行的全过程模拟研究将为后续的研究提供坚实可靠的基础。 1 3 2 解答1 3 0 0 单元“节能装置不节能”的原因 1 3 0 0 单元是在原有3 0 0 单元精馏技术基础上进行的双效变压耦合节能技术改造。 从理沦上讲，应当有着巨大的优越性，但是在实际生产操作中为什么达不到预期的目的? 除了比较明显的一些原因外，是不是还有其它原因? 如何解决? 本文将对此问题进行深 入的研究。 对1 3 0 0 单元的探究将解决实际装置中的相关问题，为企业节能降耗提供技术依据。 1 3 3 各种e i ) c 精制方案的综合研究 在以上进行全过程模拟以及为丁厂解决实际需求的基础上，本文将开展对e d c 精制系 统的热集成研究。提出各种可能的操作性强的有实施价值的e d c 精制方案，并进行综合 研究及分析评价等。 1 34 基本思路 切的研究必须建立在大量可靠数据的基础上，本文将充分比对设计数据及工厂实际 切的研究必须建立在大量可靠数据的基础上，本文将充分比对设计数据及工厂实际 第一章引言 模拟计算的基础上进行深层次地探究，如已发现的回流比问题、现有负荷下塔径过大问 题等，并提出现实性的有针对性的可操作的改造方案，尽可能地降低该单元的蒸汽消耗 水平，即使不能够达到原双效变压耦合节能设计的预期目标，也心当使该装置的蒸汽消 耗指标降低到一个可以接受的水平( 至少不大于不采用节能装最的3 0 0 单元) ，这样将至 少可以节约蒸气9 5 万吨年。在此过程中，也将依靠完善的过程模型，并通过现场的勘 验，实际数据的采集等，对相关的问题，如仪表情况、操作条件等，做出综合判断。 另一方面，着眼于对e d c 精制过程深入的系统模拟，本文还将运用先进的模拟手段， 结合国内开发的e d c 精制方案，并考虑到上下游工序需求及介质情况等，对e d c 精制工 艺的多种方案做进一步的分析比较及综合评价等。 1 3 要解决的问题与基本思路 1 3 1 对3 0 0 单元进行全过程模拟研究 3 0 0 单元为引进装置，操作稳定可靠。但是，长期以来，缺乏对该精制过程的定量研 究，凡事皆以外方原始技术资料为依据，对其过程缺乏系统的模拟计算工作，知其然但 不知其所以然。因此，有必要对其进行全过程的模拟研究，一方面可以提高上海氯碱公 司技术革新和技术改造的能力，另一方面，也可通过比对数据，探索、校验、确定过程 模拟模型，为其他相关的研究提供支撑。 对3 0 0 单元进行的全过程模拟研究将为后续的研究提供坚实可靠的基础。 1 3 2 解答1 3 0 0 单元“节能装置不节能”的原因 1 3 0 0 单元是在原有3 0 0 单元精馏技术基础上进行的双效变压耦合节能技术改造。 从理论上讲，应当有着巨大的优越性，但是在实际生产操作中为什么达不到预期的目的? 除了比较明显的一些原因外，是不是还有其它原因? 如何解决? 本文将对此问题进行深 入的研究。 对1 3 0 0 单元的探究将解决实际装置中的相关问题，为企业节能降耗提供技术依据。 1 3 3 各种e d c 精制方案的综合研究 在以上进行全过程模拟以及为工厂解决实际需求的基础上，本文将开展对e d c 精制系 统的热集成研究。提出各种可能的操作性强的有实施价值的e d c 精制方案，并进行综合 研究及分析评价等。 1 3 4 基本思路 一切的研究必须建立在大量可靠数据的基础上，本文将充分比对设计数据及工厂实际 第一章引言 操作记录，运用a s p e np l u s 等先进的流程模拟手段建立e d c 精制系统的数学模型。在此 基础上，针对所要解决的问题，提山可行的解决办法。同时，进行理论和方案研究。 1 4 研究的意义 本文立足于上海氯碱公司e d c 精制3 0 0 单元和1 3 0 0 单元的实际情况，着眼于解决具 体问题，着跟于流程的节能优化，同时也进行相关的方案研究，不但具有深刻的现实背 景和意义，而且还具有一定的前瞻性。课题的每一个环节都和工厂的节能增效紧密相关， 体现了科技解决生产问题，服务生产实践，为企业节能增效的鲜明特色。 1 5 本文的内容安排 第一章( 本章) 提出研究课题。 第二章为文献综述，对目前流行的化工过程模拟技术和a s p e n 的现状及发展情况 等做了介绍，对a s p e n 软件模拟系统的使用方法、热力学性质方法、热力学模型等进行 了描述，对本次模拟研究中需要用到的其他设计及核算手段、方法及工具等进行了说明， 对与氯乙烯生产及e d c 精制相关的过程模拟优化等做了简介，这些，将对后面的内容起 到铺垫作用。 第三、四、五章主要反映研究工作的三个主要成果；第三章完成e d c 精制装置的建 模工作；第四章基于模型对引进的e d c 精制装置流程( 3 0 0 单元) 进行核算、评估和分 析，对技术改造装置( 1 3 0 0 单元) 进行查定和节能改造等；第五章基于模型，从理论上 对装置进行流程改造，以节能为目标，设计e d c 精制装置新的流程，其中包括各种方案 及其比较，以最后确定较优的方案。 第六章对论文进行了总结、回顾和展望。 第二章化工流程模拟技术和a s p e n 系统 第二章化工流程模拟技术和a s p e n 系统 2 1 化工过程模拟技术概述1 2 埘 化工模拟优化技术的发展是建立在化学工业的发展、人类对化工过程认识的深入及计 算机技术的迅速发展等的历史背景下的。近现代以来，化学工业朝着综合化方向发展， 流程结构日益复杂，装嚣规模曰趋大型化，化工行业的资源短缺、环境污染等问题变得 越来越重要。同时，人们对化工过程的认识也越来越深入，1 9 1 5 年美国的a dl i t t l e 首次提出的单元操作的概念，上世纪5 0 年代，传递过程理论诞生，随后，化工过程系统 工程应运而生。自1 9 6 5 年以来，大型电子计算机出现，计算方法得到迅速发展。这一切 为现代化工过程模拟优化技术的发展奠定了坚实的基础。 化工过程模拟系统开始产生于上世纪后半叶，其标志性事件就是化工流程模拟软件的 出现与开发。化工流程模拟软件是由化学工程学、化工热力学、系统工程、应用数理统 计、计算方法及计算机技术等多学科理论在计算机上实现的综合性模拟系统。 1 9 6 0 年代，美国h o u s t o n 大学开发出c h e s s ( c h e m i c a le n g i n e e r i n gs i m u l a t i o n s y s t e m ) 系统。6 0 年代末，美国m o n s a n t o ( 孟山都) 公司开发出f l o w t r a n ( f l o w s h e e t t r a n s l a t o r ) 系统。1 9 7 6 1 9 8 1 年，由美国麻省理工大学主持、能源部资助、5 5 个高校 和公司参与开发出a s p e n ( a d v a n c e ds y s t e mf o rp r o c e s se n g i n e e r i n g ) 系统。1 9 8 8 年美国8 i m s c i 模拟公司开发出p r o i i ，对p r o c e s s 做重大改进。1 9 9 0 年代中后期，加 拿大h y p r o t e c h 公司开发出完全交互式的h y s y s 软件，2 0 0 2 年7 月，h y p r o t e c h 公司与 a s p e n t e c h 公司合并，h y s y s 成为a s p e n t e c h 公司的产品。我国的化工过程模拟系统开发 起步较晚，但通过引进软件、硬件等缩短了差距，应用情况目前已接近国际水平。 从上世纪7 、8 0 年代以来，化工过程模拟系统己经进入快速的普及、推广时期。一方 面，化工模拟理论和技术方面的发展，使软的应用范围更加广泛，另一方面，软件及计 算机辅助工具的发展，即研究手段的进步，使工程师更易掌握、使用这种软件，更容易 地进行各种技术方案的研究。 目前，a s p e n t e c h 公司作为为过程工业提供集成软件和解决方案的全球领先地位的供 应商，开发出了涵盖化工石油化工、聚合物工业、精细化工、医药工业、石油工业、工 程应用、电力工业等领域的包括稳态及动态模拟与优化、间歇过程模拟、在线应用、物 性数据与模型、过程综合与分析、项目定义与经济评估、工艺知识和数据管理、设备设 计与校核等的一系列工程软件套件，其核心和基石为a s p e np l u s 软件。 第二章化工流程模拟技术和a s p e n 系统 a s p e np l u s 软件做为目前最流行的国际通用性化工流程模拟软件，其、泛应用于科 研、生产和工程中。全球有1 2 0 0 多家过程： 业客户选择与艾斯苯技术公司结为合作伙伴， 包括全球主要的顶级过程工、【k 公司。该公司的解决方案已为全球化 ：5 0 强中的4 6 家、 石油2 5 强中的2 3 家、制药2 0 强中的1 8 家所采用。石油工业的客户包括：b p 公司、雪 佛龙公司、科诺科公司、埃克森美孚公司、马拉松石油公司、壳牌公司、德士古公司、 埃奎斯塔公司、o m v 公司、r e p s o l 公司等。化学工业客户包括：巴斯夫公司、道化学公 司、杜邦公司、阿托菲纳公司、赫斯特公司、i c i 公司、罗纳一普朗克公司、壳牌化工公 司、埃克森美孚化工公司、住友化学公司等。 该软件在1 9 8 0 年代初开始进入中国。8 0 年代初，中石化北京没计院首先采用艾斯苯 技术公司的a s p e np l u s ，其后，中石化所属的许多企业均先后采用了a s p e n t e c h 的有关 软件和技术，包括北京石化工程公司、北京化工研究院、北京设计院、广州石化、济南 炼厂、金陵石化、九江石化、洛阳石化、兰州设计院、洛阳石化工程公司、茂名石化、 齐鲁石化、高桥石化、上海石化、上海医工院、石家庄炼厂、石科院、武汉石化、燕山 石化、镇海炼化、扬子石化等单位等，均取得了一定的成果和效益。 a s p e np l u s 软件作为a s p e n 软件的核心和基石，它提供了一套完整的单元操作模型， 用于模拟各种操作过程，从单个操作单元到整个工艺流程的模拟。该系统提供了2 9 个单 元操作模块，涵盖了几乎所有的化t 单元操作过程，如单级平衡、多级平衡、反应器、 热交换器及压力变送等。a s p e np l u s 采用序贯模块方法来进行流程模拟，用户可以根据 自己的需要选用以上所列出的单元操作模块来组成不同的流程模拟系统。用户还可以将 自己的专用单元操作模型以用户模型的形式加入到a s p e np l u s 系统中，如单元操作、物 性、反应动力学、反应器压力降、反应产率及液一液分配系数等。a s p e np l u s 的物性数据 均可用于这些用户模型，为用户提供了极大的方便和灵活性。 a s p e np l u s 软件具有工业上最适用而完备的物性系统，用于计算热力学性质和传递 性质的方案和模型都组装为选择集。每一个选择集包含一项模拟中需要的方法和模型。 在典型的a s p e np l u s 模拟中所用的物理性质是逸度系数、焓、密度、熵和自由能。a s p e n p l u s 共提供约4 4 个物性选择集，为处理广泛的操作条件和各种类型的混合物提供了灵活 性。物性模型需要数据以便计算物性数据，当用户选定模型所用的选择集后，用户必须 确定需要的参数，这些参数存贮在各类a s p e np l u s 数据库中。这些数据库包含的组分数 据约有：1 7 7 3 种有机物、2 4 5 0 种无机物、3 3 1 4 种固体物、9 0 0 种水溶电解质的基本物性 参数。a s p e np l u s 软件还提供灵活的数据回归系统( o r s ) ，使用实验数据来求物性参数， 可以回归实际应用中的任何类型的数据，计算任何模型参数，包括用户自编的模型。a s p e n 第二章化工流程模拟技术和a s p e n 系统 p l u s 中的物性常数估算系统( p c e s ) 能够通过输入分子结构和易测性质来估算短缺的物 性参数。 a s p e np 1 u s 软件提供流程模拟所需的多种功能，快速而可靠地收敛流程，进行流程 优化计算。a s p e np l u s 软件具有先进的数值计算方案，能使循环物料和设计规定迅速而 准确地收敛。这些方法包括直接迭代法，正割法，拟牛顿法，b r o y d e n 法等。这些方法均 经a s p e np 1 u s 进行了修正。a s p e np l u s 可以同时收敛多股撕裂( t e a r ) 流股，多个设计 规定，甚至收敛有设计规定的撕裂流股。应用a s p e np l u s 的优化功能，可寻求工厂操作 条件的最优值以达到任何目标函数的最大值。可以将任何工程和技术经济变量作为目标 函数，对约束条件和可变参数的数目没有限制。 化工过程模拟系统的开发与推广，为化工及相关产业的技术研发与创新提供了先进的 有效的便捷的手段。应用化工过程模拟系统使以上步骤得以简化，等于是站在巨人的肩 膀上工作，不但使工作简单易行，而且可以极大地拓展研究者的视野。但是，也应当指 出，考虑到物性数据的可靠性、计算工具的限制及几何边界的复杂性等，人们所建立的 数学模型永远只是真实世界的不完善描述，模型的准确性与可靠性必须经过反复的论证 和实践检验。 2 2 关于a s p e np iu s 模拟步骤及性质方法模型等综述”5 1 6 ”1 2 2 1 a s p e np lu s 软件的模拟步骤 a s p e n p l u s 以交互式图形界面( g u i ) 来定义问题，在w i n d o w s 系统下使用，方便灵 活。一般而言，使用a s p e np l u s 软件，其基本步骤为： l 、启动u s e ri n t e r f a c e 2 、选用t e m p l a t e 3 、选用单元操作模块：m o d e lb l o c k s 4 、连结流股：s t r e a m s 5 、设定全局特性：s e t u pg l o b a ls p e c i f i c a t i o n s 6 、输入化学组分信息c o m p o n e n t s 7 、选用物性计算方法和模型p r o p e r t ym e t h o d s m o d e l s 8 、输入外部流股信息e x t e r n a ls t e a m s 9 、输入单元模块参数b l o c ks p e c i f i c a t i o n s 1 0 、运行模拟过程r u np r o j e c t l l 、 查看结果v i e wo fr e s u l t s r 第二章化工流程模拟技术和a s p e n 系统 1 2 、 输出报告文件e x p o r tr e p o r t 1 3 、 保存模拟项目s a v ep r o j e c t 1 4 、退出e x i t 2 2 2a s p e np i u s 的热力学性质方法 在以上步骤巾，选用物性计算方法和模型进行性质计算是至关重要的项。物性方 法是批方法和模型，a s p e np l u s 用它们计算热力学物性( 如逸度系数( k 值) 、焓、熵、 吉布斯自由能体积等) 和迁移性质( 如：粘度、热导率、扩散系数、表面张力等) 。 a s p e np l u s 常用的物性方法由以下几种，见表2 1 表2 4 ： 1 ) 理想物性方法表2 1 理想物性方法k 值方法 i d e a l 理想气体r a o u l t 定律亨利定律 p e n g - r o b p e n g - r o b i n s o n p r b m 带有b o s t o n m a t h i a s 函数的p e n g r o b i n s o n r k - - s o a v e r e d l i c h - k w o n g - s o a v e r k s b m 带有b o s t o n m a t h i a so 【函数的r e d l i c h - k w o n g s o a v e 3 ) 活度系数物性方法表23 以下着重对热力学方法中的状态方程方法和活度系数方法进行叙述。公式符号均采用 原文翻译得到，对标准态的标示等，考虑到引文的一致性，均沿袭，不做更改，特此说明。 在一个模拟中，所执行的主要热力学性质计算是相平衡。在个平衡的系统的汽液相 中，对于每个组分i 最基本的关系是： = 正7 ( 2 1 ) 其中： = 组分i 在汽相中的逸度 q 第二章化工流程模拟技术和a s p e n 系统 _ = 组分i 在液相中的逸度 对于逸度，应用热力学提供了两种通过相平衡关系根据可测量的状态变量来描述逸度 的方法，即状态方程方法和活度系数方法。 在状态方程方法中： 矗= 娃y 和t 2 2 、 = 让 ( 2 3 ) 同时： ，n 妒? = 一j 刍：r “ ( 筹 ，儿。，。一等 矿一t n z ： c z a ， 其中： d = v 或l v = 总体积 n i = 组分i 的摩尔数 方程2 ，2 和2 3 是相同的，唯一的差别是变量所适用的相态。逸度系数睇是通过状 态方程获得，在方程2 4 中由p 表示。 在活度系数方法中： = ( p j ”y lp ( 2 5 ) f = x 。竹 ( 2 6 ) 其中：中，。依照方程4 计算， yi = 组分i 的液相活度系数。 矿。 = 纯组分i 在混合物温度下的液相逸度。 方程2 5 与方程2 6 是相同的。同样，逸度系数也是由一个状态方程计算的。方程2 6 是完全不同的。 在a s p e np l u s 中，对于相平衡计算，每一个性质方法都是基于个状态方程或活 度系数方法。相平衡方法决定了如何计算其它的热力学性质，例如：计算焓和摩尔体积。 采用一个状态方程方法，两相中的所有性质都可以由状态方程导出。采用一个活度系 数方法，和状态方程方法一样，汽相的性质也是由一个状态方程导出的。然而，液相的 性质是通过纯组分性质加和来确定的，对于纯组分性质加和将增加一个混合项或过剩项。 a ：状态方程法 第二章化工流程模拟技术和a s p e n 系统 在状态方程方法中，组分i 在一个气体混合物中的分压为： p i 2 y i p ( 2 7 ) 一个组分在一个理想气体混合物中的逸度等于它的分压。在个真实混合物中逸度 是有效分压。 ，”= 妒池p ( 2 8 ) 校正因子叩，”是逸度系数。对于在中压下一个汽相，接近于l 。相同的方程可应用到 液相： ；= 矿f t p ( 2 9 ) 一个液相与一个理想气体的差别比。一个真实气体与一个理想气体的差别更大。因此， 对于某一液体的逸度系数和1 相差很远。 状态方程描述了纯组分和混合物的压力、体积和温度( p 、v 、t ) 表现行为。通常对 于压力的描述是明确的。大多数状态方程都有不同的项来描述分子问的吸引和排斥力。 任何热力学性质，如活度系数和焓，都可以由一个状态方程来计算。在相同的条件下以 相同的混合物的理想气体的性质为基准计算出状态方程的性质。 将方程2 8 和2 9 代八方程1 并除以p ，即可获得汽一液相平衡的关系： 硝y f = 妒k ( 2 1 0 ) 逸度系数由状态方程获得。 与汽一液平衡相比，液液平衡与压力关系较小。活度系数方法能在低压下将液一液和 液一液一汽平衡作为一个温度函数来模拟。然而，随着压力的变化，也需要使用状态方程 方法( 比较“活度系数方法”、液一液和液一液一汽平衡) 。状态方程方法( 方程2 1 0 ) 能 应用到液一液平衡： 妒? 1 石；1 = 妒；2 z j 2 ( 2 ) 也能应用到液一液一汽平衡： 妒? y = 妒j l z j l = 妒，i2 z 。1 2 ( 2 1 2 ) 所有的相态中的逸度系数都用相同的状态方程计算。由状态方程计算的逸度系数是 一个组成、温度和压力的函数。因此，可以描述液一液平衡的压力相关性。 通过基本的热力学方程，状态方程可以与其它性质关联，从而计算出如下性质： 逸度系数： 堕 塑燮型燮塑墅竺 f ：= 咬y i p 焓的偏差 ( 2 1 3 ) ( 日o - h a ) = 一妒钭孙+ ，o 。刊一( z 。_ 1 ) ( 21 4 ) 熵的偏差： o 。瑙) = 一f ：，一书 吉布斯能的偏差： 瓴g 等) = 一f - 一等弘矿一r m ( 嘉 + r 丁( z 。叫 c z - e ， 摩尔体积： 求解pft ，j 得到。 对于一个给定的状态方程，逸度根据方程2 1 3 计算。混合物其它的热力学性质能由 偏差函数计算： 汽相焓： 何：= h d + ( 日：一日：) ( 2 1 7 ) 液相焓： 日：= 等+ ( 日：一日喜) ( 2 1 8 ) 理想气体摩尔焓h m w 由下式计算： 畔2 莩儿 ，畔+ l c 聊d 1 ( 2 1 9 ) 其中： c p ，g = 理想气体的热容 f h i 8 2 理想气体在2 9 8 1