第7章常用流程模拟软件简介.ppt

第七章常用流程模拟软件简介 Companyname 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 流体力学 传热 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 Companyname 过程模拟技术越来越广泛地应用于石油 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 而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来达到目的 前言 Companyname 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 什么是化工流程模拟 Companyname 石油化工生产过程的流程模拟软件一般是通过对生产过程中严格的质量和能量平衡 寻求实际生产过程的模拟结果 以便来指导实际生产 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 什么是化工流程模拟 Companyname 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 化工过程模拟技术的应用 Companyname 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 化工过程模拟技术的应用 Companyname 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 化工过程模拟技术的应用 Companyname 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 工厂消除瓶颈及技术改造等 8 可在生产中实施先进过程控制和企业的优化生产管理 化工过程模拟技术的应用 Companyname 化工流程模拟软件介绍与比较 一 概要目前 国内主要的化工流程模拟软件美国SimSci Esscor公司的PRO II 美国AspenTech公司的AspenPlus Hysys 英国PSE公司的gPROMS 美国Chemstations公司ChemCAD和美国WinSimInc 公司的DesignII 加拿大VirtualMaterialsGroup的VMGSim 现将这几种软件简介归纳如下 供参考学习之用 Companyname 1 一般认为 PRO II在炼油工业应用更为准确些 因其数据库中有不少经验数据 而ASPEN在化工领域表现更好 AspenPlus与之比较有其它软件不可比拟的优点它基本上覆盖了以上各软件的所有优点 有人比喻 PROII是经验派 ASPEN是学院派 2 学习aspenplus必备 1 化工原理 讲化工过程得单元操作 2 热力学方法 讲述物性计算方法 3 化工系统工程 讲述如何对化工系统进行建模 分析 求解 二 CHEMCAD PROII ASPEN的比较 Companyname 二 CHEMCAD PROII ASPEN的比较 3 HYSYS主要用于炼油 动态模拟是它的优势 ASPEN是智能型的 用于化工领域流程模拟 比较大或长的流程 而且数据库比较全 开放式的 它和HYSYS现在是一家 PRO II可以用于设备核算 流程短 或精馏核算 ChemCAD由于物性较少 使用不方便 相对较差 网上到处都可以下载 设计院不太使用 高校中有一定市场 4 aspenplus的计算是最精确的 数据库的建设也是最完善的 ChemCAD的界面操作让人感觉非常简单 使用起来比较顺手 但是数据库不是太大 5 0版本只有2000中常用物质的物性数据 PRO II在这两方面都在中间 Companyname 二 CHEMCAD PROII ASPEN的比较 5 从易收敛性上看 ChemCAD HYSYS PRO II 6 从贴近工业实际看 PRO II HYSYS ChemCAD 这些工程模拟仿真软件中 Aspen PRO II HYSYS为国内绝大多数设计院所使用 感觉Aspen适应范围最广 电解质 固体 燃烧等模块是其它软件难以比拟的 PRO II在石化上应用较多 积累了丰富的经验 HYSYS则在油气工程领域就有着极高的精度和准确性 Companyname 二 CHEMCAD PROII ASPEN的比较 7 版本介绍 1 aspen好用的版本是10 2和11 1 2 Pro II好用的版本是5 6 6 0 7 1 3 Hysys好用的是2 4 3 0 3 2 Companyname 三 各软件简介 AspenplusAspenPlus是大型通用流程模拟系统 美国AspenTech公司的产品 全球各大化工 石化 炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是AspenPlus的用户 官方网站 http www AspenT Companyname Aspenplus 具有最完备的物性系统a 一套完整的基于状态方程和活度系数方法的物性模型有20多种状态方程模型有15种活度系数模型有10多种摩尔体积模型2种蒸发潜热模型13种焓 自由能 熵模型4种蒸汽压模型3种气夜平衡比模型具有纯组分的物性数据常数模型两种复合固体密度模型5种复合固体焓模型6种热导率模型4种表面张力模型10种粘度模型3种扩散系数模型 Companyname Aspenplus 具有最完备的物性系统AspenPlus数据库包括5000多种纯组分的物性数据及下列数据库纯组分数据库包括5000种化合物参数 电解质水溶液数据库 包括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 包括水溶液种61中化合物的henry常数参数 二元交互作用数据库 包括Ridlch KwongSoave PengRinson LeeKeslerPlocker BWRLeeStarling以及HaydenO Connell状态方程的二元交互作用参数约4000多个 涉及5000种双元混合物 PURE10数据库 包括1727种化合物的物性数据 这是基于美国化工协会开发的DIPPR物性数据库的比较完整的数据库 无机物数据库包括2450种组分的热化学参数 烧数据库 包括燃烧产物中常见的59种组分和自由基的参数 固体数据库 包括3314种组分主要用于固体和电解质的组分 水溶液数据库 包括900种离子 主要用于电解质的应用 Companyname Aspenplus 1 具有最完备的物性系统与DECHEMADETHERMA等物性数据接口Aspen是唯一获准与DECHEMA的数据库接口软件 该数据库收集了世界上最完备的气液平衡及液液平衡数据 共计二十五万多套数据 用户也可以把自己的物性数据与AspenPlus系统连接 高度灵活的数据回归系统性质常数估算系统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 Redlinch Kwong UNIFAC状态方程可用于非极性 极性和缔合组分体系AspenPlus混合固体系统在煤的净化和液化 流化床燃烧 高温冶金 以及固体废物 聚合物 生物和食品工业中都有固体应用的问题 AspenPlus中固体的性质数据有两个来源 一是Soild数据库 它广泛收集了3314纯无机物和有机物的热化学数据 二是和CSIRO数据库接口 Companyname Aspenplus 1 具有最完备的物性系统AspenPlus模拟电解质系统许多公司已经用AspenPlus模拟电解质过程 如酸水汽提 苛性盐水结晶与蒸硝酸生产 湿法冶金 胺净化气体和盐酸回收等 AspenPlus提供pitzer活度系数模型和陈氏模型计算物质的活度系数 包括弱电解质 盐类和含有机化合物的电解质系统 这些模型已在工业中广泛的应用 证明是准确 可靠的 电解质系统有三个物性参数数据库 水数据库包括物质的各种离子和分子溶质的性质 一些特殊的电解质系统的应用于酸性气体交互过程的数据包是由本公司应用部门和用户一起开发的 Companyname Aspenplus 1 具有最完备的物性系统AspenPlus具有完整的单元操作模型库Aspenplus有一套完整的单元操作模型 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 由于采用了先进的PLEX数据结构 对于组分数 进出口物流数 塔的理论摸板数以及反应数目均无限制 这是它的一项独特优点 非其它的模拟软件所能比拟 此外 所有模型都可以处理固体和电解质 单元操作模型库约有50种单元操作模型构成 用户可将自身的单元用户模型以用户模型加到AspenPlus系统之中 这为用户提了极大的方便性和灵活性 Companyname Aspenplus 1 具有最完备的物性系统Aspenplus的分馏和反应模型是最常用的两类单元操作模型 1 分馏模型Aspenplus的多级严格分离模型是基于内外两层结构 结合最新的联立方程和求解法编制而成 2 反应器模型Aspenplus的反应器模型可用于很广的范围 简单的化学计量模型 RSTOIC 只需要规定化学计量和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 RCSTR 反应模型或活塞反应模型 RPLUG Companyname Aspenplus 1 具有最完备的物性系统Aspenplus的分馏和反应模型是最常用的两类单元操作模型 Aspenplus的单元操作模型及主要功能 混合器和分流器 分离器 加热器和热交换器 多级分离 反应器 泵和压缩机 固体处理 流控制器 管线与阀门 用户模型 压力释放 Companyname Aspenplus 2 AspenPlus具有快速可靠的流程模拟功能Aspenplus提供流程模拟所需的各种功能 可以帮助用户方便的编写各种输入文件 快速而可靠的收敛模型 以及进行流程优化计算 这些功能包括 a 可以用Aspenplus的插入模块 Insert 功能 重复使用流程模拟的某一部分 例如一酸性气体的净化模型 一组物性输入数据 也可以建立自己的Insert 并存入用户插入模块库 Librury 来应用 b 可以利用设计规定 DesignSpecification 来达到对任何模块计算的参数所规定的目标值 Companyname Aspenplus 3 AspenPlus具有先进的流程收敛方法Aspenplus具有最先进的数值计算方法 能使笔直环物流和设计规定迅速而准确收敛 这些方法包括迭代法 Wegstein 正割法 Secant 拟牛顿法 Broyden法等 4 AspenPlus可以进行优化计算应用Aspenplus的优化功能 可寻找工厂条件下的最优值 以达到任何目标函数的最大值 对约束条件和可变参数的数目没有限制 可以将任意工程和技术经济变量作为目标函数 如利润和生产率 Companyname Aspenplus 5 新的Wondows标准化用户界面Aspenplus第十版的重要改进就是 整个用户界面进行工程再造 变为32位95 环境 根据MicrosoftWindows设计标准采用了工具包及系统 使得对用户来说 外观及感觉和用户熟悉其它程序十分相似 输入系统采用了NEXTEXPERT专家系统 通过Windows交互操作功能 第十版的最大好处可使和其他程序的交互作用 使用着可以迅速而容易的在Aspenplus和其它应用程序之间传送模拟数据 它在三个不同的层次上支持这种交互操作 a 模拟数据的拷贝 粘贴 链接b 对模拟对象和数据的目标连接嵌入OLE自动界面c OLE目标的嵌入 Companyname Aspenplus 6 新的模拟引擎结构第十版的模拟引擎改为共享库结构 这种结构大大改变了组态性能 组元可选择 很容易装入或移出 内部改进 可与Aspenplus系统程序隔离开 立的模型局部可以由网上存取 层次产品可以增加上去并更新 Aspenplus10 2增加的新功能 支持分层的流程图应用 全面支持流程摸板技术 流程对象的激活和失活 加入新的单元操作模型 Companyname Aspenplus 7 系统开放性 计算器 允许电子表格或在线Fortran对流程变量进行存取 支持CAPE OPEN标准 允许VB C VJ Fortran用定制用户模型 支持热力学CAPE OPEN接口 COM对原油的虚拟组分和原油混合方法进行改进 OLE自动接口方法和技术的增强 Companyname Aspenplus 8 与工程套件中其它产品的集成 CustomModeler 支持CustomModeler所建立的单元操作模型 Aspenpinch 替代Aspenpinch完成当有多个物流进入一个单元时混合物流物性的计算 可从Aspenplus直接用分馏序列的设计 套件中其它产品 与等其它产品的接口也得到加强 Companyname Aspenplus 9 Aspenplus工程能力的增强 Heatx中加入了LMTD修正因素加入了新的气相关联模型 支持二聚 三聚和六聚物的计算用户界面的更改和增强物性 对原物性进行了完善 Companyname PRO II PRO II是美国SimSci Esscor公司开发的化工流程模拟软件 已广泛应用于油 气加工 炼油 化工 化学 工程和建筑 聚合物 精细化工 制药等行业 官方网站http www simsci Companyname PRO II 1 RRO II功能及特征PRO II软件自80年代进入中国后 已得到广大用户的好评 发挥出良好的效益 特别是一些大的石化和化工设计院的应用 更能说明它的独具功能和特点 这些单位有 北京炼油设计院BDI 石化北京工程公司BPEC 寰球院 天辰院 2000年购买 吉化院 2000年购买 抚顺院 乌石化院 大庆油田院 大庆天然气公司等数十家单位 近年购买 Companyname PRO II 2 国内应用情况2001年5月新发行的PROIIV5 5在功能上有很大进步 可以提供在线模拟 在实用性上 PROII要比其它同类软件更具优势 主要是该软件的开发思路就是针对炼油化工行业 SIMSCI的计算模型已成为国际标准 公司拥有一批技术专家从事售后支持 可以解答用户所遇到的疑难问题 这方面要优于其它软件公司 说明书中有大量的实用例子 使用户更加容易使用软件 这已被大院所认可 PROII有标准的ODBC通道 可同换热器计算软件或其它大型计算软件相连 另外还可与WORD EXCEL 数据库相连 计算结果可在多种方式下输出 原使用ASPEN软件的单位如 BPEC BDI 化工化一院 天辰 环球公司等 认为PROII更具有工程实用性 一些化工院和石化院正准备购买PROII软件 Companyname PRO II 3 软件功能特点适用的行业 油 气加工 炼油 化工 化学 工程和建筑 聚合物 精细化工 制药 模拟应用 设计新工艺 评估改变的装置配置 改进现有装置 依据环境规则进行评估和证明 消除装置工艺瓶颈 优化和改进装置产量和效益 PRO II典型的化学工艺模型 合成氨 共沸精馏和萃取精馏 结晶 脱水工艺 无机工艺 液 液抽提 苯酚精馏 固体处理 聚合物 自由基聚合 一般目的的聚合 苯乙烯 低密度聚合 乙烯 聚合 甲基丙烯酸甲脂 聚合 乙烯基乙酸脂 链增长聚合 聚酯 酰胺 尼龙6 尼龙6 6 尼龙6 12 共聚 聚合 苯乙烯 甲基丙烯酸甲脂 聚合 乙烯 乙烯基乙酸脂 Companyname PRO II 3 软件功能特点炼油 原油预热 常压蒸馏 减压塔 FCC主分馏塔 焦碳塔 气体装置 汽油稳定 石脑油分离和气提 反应精馏 变换和甲烷化反应器 酸水分离器 硫和HF酸烷基化 脱异丁烷塔 化工 乙烯分离塔 C3分离塔 芳烃分离塔 环己烷装置 MTBE分离制造厂 萘转化 烯烃生产 氧化生产 丙烯氯化 气体加工 胺脱硫 多级冷冻 压缩机组 脱乙烷塔和脱甲烷塔 膨胀装置 气体脱氢 水合物生成 抑制 多级 平台操作 冷冻回路 透平膨胀机优化 制药 间歇精馏 间歇反应 一般化的闪蒸模型 闪蒸 阀 压缩机 膨胀机 泵 管线 混合器 分离器 Companyname PRO II 3 软件功能特点精馏模型 Inside out SURE CHEMDIST算法 两 三相精馏 四个处值估算器 电解质 反应精馏和间歇精馏 简捷模型 液 液抽提 填料塔的设计和核算 塔板的设计和核算 热虹吸再沸器 换热器模型 管壳式 简单式和LNG换热器 区域分析 加热 冷却曲线 反应器模型 转化和平衡反应 活塞流反应器 连续搅拌罐式反应器 在线FORTRAN反应动力学 吉布斯自由能最小 变换和甲烷化反应器 沸腾釜式反应器 Profimatics重整和加氢器模型界面 间歇反应器 聚合物模型 连续搅拌釜反应器 活塞流反应器 擦膜蒸发器 Companyname PRO II 3 软件功能特点固体模型 结晶器 溶解器 逆流倾析器 离心分离器 旋转过滤器 干燥器 固体分离器 旋风分离器 组分数据库 2000多纯组分库 以DIPPR为基础的库 固体性质 1900多组分 种类电解质库 非库组分 虚拟组分和性质化验描述 用户库 根据结构确定性质 多个化验混合 用于聚合物的VanKrevelen方法 混合物数据 用于3000多VLE二元作用在线二元参数 用于300多LLE二元作用在线二元参数 2200在线共沸混合物用于参数估算 专用数据包 酒精脱水 天然气脱水 带有三乙烯乙二醇 来自GPA GPSWAT 的酸水包 气体和液体氨处理 硫醇 Companyname PRO II 4 PROII软件除基本包以外 还提供给用户有如下模块 界面模块HTFS PRO II HTFSInterface自动从PRO II数据库检索物流物性数据 并用该数据创建一个HTFS输入文件 HTFS然后能输出该文件 以访问各种物流物性数据 HTRI PRO II HTRIInterface从PRO II数据库检索数据 并创建一个用于各种HTRI程序的HTRI输入文件 来自PRO II热物理性质计算的物流性质分配表提供给HTRI的严格换热器设计程序 这减少在两个程序之间输入数据的重复 LinnhoffMarch 来自PRO II的严格质量和能量平衡结果能传送给SuperTarget tm 塔模块 以分析整个分离过程的能量效率 所建议的改进方案然后就能在随后的PRO II运行中求出值来 Companyname PRO II 4 PROII软件除基本包以外 还提供给用户有如下模块 应用模块Batch 搅拌釜反应器和间歇蒸馏模型能够独立运行或作为常规PRO II流程的一部分运行 操作可通过一系列的操作方案来说明 具有无比的灵活性 Electrolytes 该模块严密结合了由OLISystems Inc开发的严格电解质热力学算法 电解质应用包作为该模块的一部分 进一步扩展了一些功能 如生成用户电解质模型和创建 维护私有类数据库 Polymers 能模拟和分析从单体提纯和聚合反应到分离和后处理范围内的工业聚合工艺 对于PRO II的独到之处是通过一系列平均分子重量分率来描述聚合物组成 可以准确模拟聚合物的混合和分馏 Profimatics KBCProfimatics重整器和加氢器模型被添加到PRO II单元操作 对于PRO II的独到之处是 由这些反应修改的基础组分和热力学性质数据被自动录入 Companyname ChemCAD ChemCAD系列软件是美国Chemstations公司开发的化工流程模拟软件 使用它 可以在计算机上建立与现场装置吻合的数据模型 并通过运算模拟装置的稳态或动态运行 为工艺开发 工程设计 优化操作和技术改造提供理论指导 官方网站 Companyname ChemCAD 1 工程设计在工程设计中 无论是建立一个新厂或是对老厂进行改造 ChemCAD都可以用来选择方案 研究非设计工况的操作及工厂处理原料范围的灵活性 工艺设计模拟研究不仅可以避免工厂设备交付前的费用估算错误 还可用模拟模型来优化工艺设计 同时通过进行一系列的工况研究 来确保工厂能在较大范围的操作条件内良好运行 即使是在工程设计的最初阶段 也可用这个模型来估计工艺条件变化对整个装置性能的影响 Companyname ChemCAD 2 优化操作对于老厂 由ChemCAD建立的模型可作为工程技术人员用来改进工厂操作 提高产量的产率以及减少能量消耗的有力工具 可用模拟的方法来确定操作条件的变化以适应原料 产品要求和环境条件的变化 该模型可指导工厂的操作以降低费用 提高产率 这样的例子在一些流程模拟软件应用较好的化工装置可以举出很多 3 技术改造ChemCAD也可用模拟研究工厂合理化方案以消除 瓶颈 问题 或采用先进技术改善工厂状况的可行性 如采用改进的催化剂 新溶剂或新的工艺过程操作单元 Companyname ChemCAD 4 ChemCAD单元操作ChemCAD提供了大量的操作单元供用户选择 使用这些操作单元 基本能够满足一般化工厂的需要 对反应器和分离塔 提供了多种计算方法 a ChemCAD可以模拟以下单元操作 蒸馏 汽提 吸收 萃取 共沸 三相共沸 共沸蒸馏 三相蒸馏 电解质蒸馏 反应蒸馏 反应器 热交换器 压缩机 泵 加热炉 控制器 透平 膨胀机 结晶罐 离心机 旋风分离器 湿式旋风分离器 文氏洗气器 袋式过滤机 真空过滤机 压碎机 研磨机 静电收集器 洗涤机 沉淀分离器 间歇蒸馏 间歇反应器 PID控制模块 流量控制阀 记录器模块 选项 以上共50多个单元操作 当然ChemCAD可将每个单元操作组织起来 形成整个车间或全厂的流程图 进而完成整个模拟计算 Companyname ChemCAD ChemCAD热力学ChemCAD的热力学和传递性质包对过程系统提供了计算K值 焓 熵 密度 粘度 导热系数和表面张力的多种选择 热力学选项 ChemCAD提供了大量的最新的热平衡和相平衡的计算方法 包含39种K值计算方法 13种焓计算方法 这些计算方法可以应用于天然气加工厂 炼油厂以及石油化工厂 可以处理直链烃以及电解质 盐 胺 酸水等特殊系统 ChemCAD热力学数据库收录有8000多对二元交互作用参数供NRTL UNIQUAC MARGULES WILSON和VANLAAR活度系数方法来使用 也可以采用ChemCAD提供的回归功能回归二元交互作用参数 ChemCAD提供了热力学专家系统帮助用户选择合适的K值和焓值计算方法 ChemCAD可以处理多相系统 也可以考虑汽相缔合的影响 ChemCAD有处理固体功能 对含氢系统 ChemCAD采用一种特殊方法进行处理 可以可靠预测含氢混合物的反常泡点现象 ChemCAD对于不同单元或不同塔板可以应用不同的热力学方法或不同的二元交互作用参数 Companyname ChemCAD c ChemCAD物性库ChemCAD提供了标准 共享 用户三种组