用ASPEN进行全流程模拟的一些心得(共6页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上ASPEN PLUS 的学习经验 概述入门是初学aspen plus软件最重要也是最难的一关。读过手册的人都知道，Aspen plus的手册和资料有很多，初学者面对如此之多的资料可能不知如何开始，我认为其中比较重要而且必读的是用户指南（user guide）、单元操作模型（Unit Operation Models）、物性方法和模型（Physical Property Methods and Models）、物性数据等，如果有一定的英文基础，最好是读英文的，这些在帮助文件中都有。其实一旦入了门，流程模拟软件学习起来就很简单了，很多功能触类旁通很容易就懂了，比如说，如果

2、知道了sensitivity, 那么optimizaiton、desian spec就很容易了。 大体来说，初学aspen plus 需要掌握如下三个方面：1） aspen plus能做什么？2）Aspen plus需要什么？3）aspen plus的界面及功能。2. aspen plus的界面及功能和学习所有软件一样，首先需要了解软件的环境，也就是界面。我个人认为界面基本上可以分为两种：一是流程图窗口(process flowsheet window),另外是数据浏览窗口（data browser window)。实际上还应该再加一个控制面板（control panel)窗口，这个窗口也很重

3、要，但这个窗口只是在流程调试使用，并且涉及的内容初级入门者也不必花太多时间去看，先忽略。流程图窗口很简单，只要你在工厂干过，看过PFD流程图并且是windows的用户，就没有什么难得地方，读一下user guide知道各菜单及快捷键的功能，很快就能搞定。数据浏览窗口是aspen plus最重要的部分。这也是aspen plus区别于画图软件的地方。你需要在这个窗口中输入所有的已知条件，并且运行后观看运行结果。其中如下信息是所有的模拟都需要有输入的：1）组分（components)2）属性(properties)3）物流(streams)4）单元操作(blocks)组分没什么好说的，流程用到什么

4、成分你就输什么成份，aspen plus内置的数据库包括了1600多种常用物质（如果需要的组分aspen plus中没有用户可以自己扩充，这部份内容不适合在初级，再后面介绍）。属性是一个难点，高难点，我认为这是考察技术人员模拟水平高低的一个重要点。此内容与化工热力学关系十分紧密，如果你忘了，那么赶紧去研究化工热力学吧，怎么研究？快捷的方法是去读aspen plus的物性模型和方法手册。3. aspen plus能做什么？       Aspen plus能做什么？（以下是个人观点而非aspentech公司官方的解释，也许有误，欢迎指正

5、）    aspen plus是用来计算平衡态体系数据的软件，这句话的意思有以下几点：    （1）aspen plus首先是计算软件。这一点上和其他计算软件（包括我们自己开发的计算程序）没有区别。比如我们自己搞一个srk方程的计算程序，其核心与aspen plus没有什么不同，都只是根据化工热力学，化工原理等公式，输入一些已知条件，然后运行得到结果而已。    这么说好像aspen plus也不过如此而已，其实aspen plus是一个功能十分强大的过程模拟软件。aspen

6、 plus的强大之处在于：1）它几乎内建了所有化工过程所涉及的原理公式，也就是说化工专业的课程他全部都包括了；2)它附带了完善的数据库，囊括了所有你需要去化工手册上查找的数据；3)强大的分析工具，比如改变输入会怎样影响输出? aspen plus已经自带了此类工具，你可以直接使用。正因为如此, aspen plus可以很方便的计算出大的复杂的流程，这也是它称之为模拟软件的原因。（2）其次aspen plus是平衡态体系的软件。它不是仿真机，所以不是动态模拟软件，并且所计算的体系都是假设已经达到平衡态，即不考虑时间的作用。比如相平衡计算，只能计算达到平衡时体系是什么组成，温度压力等是多少，不能处

7、理非平衡的问题。（3）aspen plus还有一个十分有用的功能，就是根据实验数据回归出一些常数供其它地方使用。aspen plus的数据库功能十分强大，1）aspen plus由于已经自带了大量的数据库，并且你可以得到这些数据，那么你就不需要再去查化工手册了。比如，纯物质的比热，临界点温度，压力等等常数你都可以得到。2)aspen plus可以计算得到任意计算物流的几乎所有的物理性质，比如：密度，比热，湿度等等工艺工程师所关心的数据。       但当你的需要的数据在aspen plus的数据库中没有时可以根据实验数据回归出得到。举

8、个常见的例子，如果你在实验室中，测量了水-乙醇体系在不同压力温度下，汽液平衡时的汽液平衡组成，现在想根据该实验结果得到wilson方程的水-乙醇参数（虽然这组参数aspen数据库中已经有），那么就可以使用aspen plus的数据回归功能(data regress)。该功能的用处在于，如果你的工艺是比较特殊的，aspen plus的数据库内没有内置你所研究的体系，那么你就可以先用数据回归功能得到相应的参数，再做模拟。该功能的具体用法以后再说。4. aspen plus需要什么？       前面说过，aspen plus是一个根据方程

9、计算的软件，那么很明显，是方程必然需要已知条件才能解出未知数，所以aspen plus需要的是方程的已知数（或已知条件），已知数可以多，却不能少，否则方程无解。4.1 aspen plus的方程    首先来了解一下aspen plus的方程，aspen plus的方程可以分为三大类：    1）热力学方程，这是与具体的工艺流程无关的方程，如理想气体方程、nrtl方程、非理想溶液焓模型方程等等。该类方程为单元操作过程计算提供必要的数据基础。    2）单元操作方程，如换热器，

10、精馏塔等单元操作过程的计算，涉及到三传一反，这部分主要是和化工原理有关。    3）数学方程，这部分主要是用来解方程时涉及到的一些数学计算方法，与我们工程技术人员关系不大。     我认为第一类方程即热力学方程是aspen plus的基础，建议在aspen plus入门以后要好好的重点的学习一下，精读一遍aspen plus物性方法和模型手册。第二类方程相对而言不是太难，而且我个人认为初学者没有必要去精读，只要熟悉其原理即可。实际上aspen plus在其单元操作手册上也并没有写明单元操作模型的方程。也就是说asp

11、en plus的计算模型是“黑箱”的，这就使很多应用aspen plus求解问题的人可以得到问题的解，有时计算解和实际有很好的吻合，但却不知道其机理，这有利也有弊。好处是我们可以不必关心过程的机理模型，便可以求解问题；缺点是想有更深研究的人，无从知道过程的机理。我想这也正是aspen plus的商业秘密所在。对于aspen plus的流程计算模式（还有其他模式如数据回归模式此处不讨论）。     这些方程计算你需要输入以下数据：      1）流程图    

12、;  2）组分      3）物性方法      4）起始物流数据：组分、温度、压力（其他物流数据aspen plus可以计算出来）。      5）所有单元操作模型数据（操作条件）      6）其他非必要数据，这主要是指如果你使用其他的功能，如设计规定，灵敏度分析等。4.2 单元操作模型关于流程图，需要特别指出的是单元操作模型。单元操

13、作模型是一种抽象的过程，选择哪一个模型，取决于你有的条件和你所想要求的结果。单元操作的模型由两个因素决定：1）你有什么已知条件（操作条件）；2）你想得到什么结果。不同的单元操作模型所能计算的和所需要的条件是不同的，具体请参考单元操作模型手册或者联机帮助。这句话需要灵活运用，我想再深入的讲一点。      aspen plus的单元操作模型虽然与生产实际的设备相对应，但是，操作模型不等具体设备，它是过程的一种抽象。你想解决的过程是怎样的才能决定你所选择的模型，而不是由具体的设备决定的。举个比较典型的例子：aspen plus中有radf

14、rac模型是个典型的精馏塔详细计算模型，基本上可以等同于现实操作的精馏塔设备，模型有冷凝器和再沸器。曾有人问我，他想计算冷凝器的详细结构该怎么办？因为radfrac本身没有关于冷凝器的结构的计算啊。解决的办法很简单，你将radfrac的冷凝器设为无，然后在塔顶汽相添加一个heatx或者hetran（换热器）就可以了。而且还有人问精馏塔怎么不能设置全回流呢？说实话，我并不明白有什么精馏塔在正常状态下是全回流操作的，但如果你非要设成全回流也不是没有可能，用我前面讲的方法，将换热器的出口再返回精馏塔就可以了。4.3 物性方法的选择。    对于初学者而言，除非

15、他十分熟悉热力学的内容，否则物性方法的选择确实是个难点，在你还没有学习过热力学或者精读过aspen plus物性方法和模型手册之前，在这里简要讲一下物性方法。    首先要明白什么是物性方法？比如我们做一个很简单的化工过程计算：一股100, 1bar的水-乙醇(50：50摩尔比，100kmol/h）的物料经过一个换热器后冷却到了80, 0.9bar, 问下面值分别是多少？   ·入口物料的密度，汽相分率。   ·换热器的负荷。   ·出口物料的汽相分率，汽相密度，液

16、相密度。      复杂一点，我还可以问物料的粘度，逸度，活度，熵等等。以上的值怎么计算出来？      好，我们来假设进出口物料全是理想气体，完全符合理想气体的行为，则其密度可以使用pv=nRT计算出来。并且汽相分率全为1，即该物料是完全气体。由于理想气体的焓与压力无关，则换热器的负荷可以根据水和乙醇的定压热熔计算出来。    在此例当中，描述理想气体行为的若干方程，就是一种物性方法（aspen plus中称为ideal proper

17、ty method)。简单的说，物性方法就是计算物流物理性质的一套方程，一种物性方法包含了若干的物理化学计算公式。对于本例而言至少包含了如下两个方程：        pv=nRT        dH=CpdT.    实际上，以上是一种最简单的计算方法，但结果误差是很大的。这是因为对于“水-乙醇”体系在此两种温度压力下，如果当作理想气体来处理，其误差是比较大的，尤其对于液相。按照理想气体处理的话，

18、冷却后仍然为气体，不应当有液相出现。那么应该如何计算呢？主要涉及以下过程：       1）对于汽相pvt计算，可以使用srk方程，从而可以得到密度。液相也可以使用状态方程计算密度，但此处不推荐使用，可以使用Rackett模型计算液相密度。       2）至于物流的相态，则首先需要做汽液平衡计算。       3）在进行汽液平衡计算时，液相应用活度系数方程计算组分的逸度系数，并且还需要使用拓展antoine方程计算

19、蒸汽压力。       4）换热器负荷的计算比较复杂，可以使用进出口物流焓差来计算，那么需要计算出进出口物流的焓。       5）焓的计算有多种途径，对于液相比较常用的方法是计算理想液体混合物焓，然后再加上过剩焓计算出来。要计算非理想液体混合物过剩焓，则可通过混合物质汽相焓与蒸发焓差来计算，非理想性比较强是还要考虑混合焓差。    由此可见，实际过程至少包含如下公式方程：    1）状态方程sr

20、k,    2） 液相密度方程rackett.    3）拓展antoine方程.    4）汽，液相逸度系数方程    5）液相活度系数方程    6）汽相焓方程，通过srk方程导出，需要设计纯气体Cp=f(p,t)方程。    7）液相焓方程，相当复杂，此处不再重复。    8）其他方程，包括数学方程，比如以上计算

21、时涉及到了微积分运算，汽液平衡的回归运算等。    以上方程，如果需要我们用户去一个个选择出来，则是一件相当麻烦的工作，并且很容易出错。好在模拟软件已经帮我做了这一步，这就是物性方法。    对于本例，我们对汽相用了状态方程，srk；液相用了活度系数方程(nrtl,wilson,等），在aspen plus中将此中方法叫做活度系数法，如果你选择nrtl方程，就称为nrtl方法，wilson方程就成为wilson物性方法(wilson property method)。这种物性方法中已经囊括了所有我上面提到的方程公式

22、。    在aspen plus中（或者应该说在化工热力学中）有两大类十分重要的物性方法，对于初学者而言，了解到此两类物性方法，基本上就可以开始着手模拟工作了。大体而言，根据液相混合物逸度的计算方法的不同，物性方法可以分为两大类：状态方程法和活度系数法。状态方程法使用状态方程来计算汽相及液相的逸度，而活度系数法使用状态方程计算汽相逸度，但是通过活度系数来计算液相的逸度。    ·常见的状态方程有ideal、srk、pr、lk方程以及他们的一些改进方程。状态方程法就是基于此类状态方程来计算逸度，压缩因子，焓

23、等等的物性方法。    ·常见的活度系数方程有nrtl、wilson、uniquac等。活度系数法就是基于此类活度系数方程来计算液相逸度，液相焓等的物性方法。一般而言，对于常见的烃类如烷，烯，芳香族，无机气体如O2、N2等非（弱）极性的化合物，选用状态方程法；对于极性强的化合物，如水-醇，有机酸体系选用活度系数法。另外对于汽相聚合的物质，应选用特别的活度系数法，可以计算汽相聚合效应。对于无机电解质体系，选用elecnrtl物性方法。    关于更多更详细的物性方法选择请参考物性方法与模型手册。5.学好as

24、pen Plus应具备的先导知识      首先要学好化工热力学、化工原理、分离过程、过程系统工程这几课，这些基础知识学好后再看Aspen的学习资料会比较轻松。      另外，学习一点数学方面的知识，在过程系统工程这样的书里是有详细介绍的。不管学什么，先把基础打好，这是最重要的。关于Aspen帮助文档，有三个是必看的，user guide，Physical Property Methods and Models，Unit Operation Models。前面已经强调了热力

25、学模型在过程模拟中的重要性了，所以务必要掌握好各种物性模型和如何选择。6 推荐学习资料       下面两个资料建议初学者看一下，对于学学习asepn plus会事半功倍的，一个是大庆金桥aspen教学，“aspen金桥演示教程”，另一个是Aspen plus塔设计案例。前者可以使初学者快速熟悉和掌握Aspen plus的界面与基本操作方法，后者通过一个精馏塔的案例，一步一步引导你学习Aspen plus做过程模拟的各种功能。用ASPEN进行全流程模拟的一些心得我理解的全流程模拟，比如一个有若干塔、若干换热器的流程，包括许多循环流。在

26、物性选择正确的基础上，想要收敛顺利，主要靠一步一步来。    比如先用简单换热器，而不用详细换热器，来代替现实的换热网络。先把塔算通，比如在塔的设计规定中规定塔顶产品规格、塔底产品规格，利用调节重沸器、塔顶冷却器负荷来达到目的。此时整个流程的循环只有一重。如果通过手算给定大概正确的的拨出率，bottom rate之类的初值；对一些强极性的物性，在塔模型内选择适当的收敛方法。那么计算是相对容量通过的。即使不通过也很容易错在什么地方。因为只是在算一个塔而已。算通塔只后，利用计算结果，除去设计规定，直接给出相应的重沸器、塔顶冷却器负荷，则可以去掉一重循环。   

27、; 此时流程中所有的换热器实际上只是简单换热器，在ASPEN PLUS就是HEATER。可以利用PINCH抽出各要换热的物流的数据，在PINCH中形成大致的换热网络，即哪个物流与哪个物流换热，换到多少度。    此时可以把流程中的简单换热器一个一个地用详细换热器代替。实际上所有的计算，尤其有循环流的情况下，好的初值是重要的，而没有初值，就是零值，任何值除零都出错，任何值乖零都是零。利用PINCH算出大致换热网络时，可以给出各流股的初值；而算通了塔，可以给出各流股的组成；通过预估压降可以给出在致的压力。每算通一个换热器以后，就用各流股的计算值代替初值，这就是reconsi.的

28、用处。    如果这样还不行的话，再去修改相应的整个流程收敛设置。比如broyton法就很强大，就是有时候算出来的东西有点似是而非。    总之流程模拟必须一步一步来，很多人不注意这一点，一下子搭一个很大的流程，至少出了错看不出关键问题在哪里。可能跟初学时，做例子的方式有关。    另外流程模拟的基础是物性方法的选择，这是一个难点。首先要对物性计算有深刻的理解，比有一本书叫流体相平衡热力学，有很多物性计算方面的概念，可以跟ASPEN的物性指南配合看，比如对于状态方程之类，混合规则的选择就非常重要，而对于气液系统，不同来源的二元交互参数

29、，往往有相同的计算效果。其次，对要计算的物性系统，总有一定的已出版的物性数据，在选定物性方法之前，可以参考别人的选择试算。最后要仔细读ASPEN的物性指南，比如SRK任何一本书都说它可以计算烃水系统，但在ASPEN中该物性方法中的OPTION CODE中要输入适当值，才能把开启该功能。    另外对基于液液传质，除非有从实验数据回归来的二元交互参数，否则还难得到合理的计算结果。    实际上一个流程的模拟是否顺利，一方面是取决对该工艺的理解，另一方面是取决于理论上的愿不愿意深入学习，比如物性这一块。    另外还可以参考各软件附带的例子，都提供了很多二元交互参数、HENREY系数。其实很多观点跟我引用的这个技术人员观点很接近，我虽然没有实际生产经验，但是作为研究生已经做了好几个大型流程的模拟，上次做了一个流程我那部分就涉及到反应器，精馏塔，换热器，结晶器等模块，过程实在是非常复杂，做了好几个月才完成（当然其中很多时候都是收敛好了交给对方，然后他们又觉得哪里他们考虑不够返回重新计算），在此期间也积累了一点经验：首先全流程的模拟不是你把所有物流，模块连接再算，而是应该考虑清楚大致结构，然后分块进行，其中包括一些模型的简化，如开始换热器可以先用heater代替，到最后