用ASPEN进行全流程模拟的一些心得

ASPENPLUS 的学习阅历概述入门是初学aspenplus软件最重要也是最难的一关。读过手册的人都知道，Aspenplus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头，我认为其中比较重要而且必读的是《用户指南》〔《userguide》〕、《单元操作模型》〔《UnitOperationModels》〕、《物性方法和模型》〔《PhysicalPropertyMethodsandModels》〕、《物性数据》等，假设有肯定的英文根底，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洁了，很多功能触类旁通很简洁就懂了，比如说，假设知道了sensitivity,optimizaiton、desianspec就很简洁了。大体来说，初学aspenplus需要把握如下三个方面：1〕aspenplus能做什么2〕Aspenplus需要什么3〕aspenplus的界面及功能。aspenplus的界面及功能和学习全部软件一样，首先需要了解软件的环境，也就是界面。我个人认为界面根本上可以分为两种：一是流程图窗口(processflowsheetwindow),另外是数据扫瞄窗口〔databrowserwindow)。实际上还应当再加一个掌握面板〔controlpanel)窗口，这个窗口也很重要，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，先无视。流程图窗口很简洁，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《userguide》知道各菜单及快捷键的功能，很快就能搞定。数据扫瞄窗口是aspenplus最重要的局部。这也是aspenplus区分于画图软件的地方。你需要在这个窗口中输入全部的条件，并且运行后观看运行结果。其中如下信息是全部的模拟都需要有输入的：2〕属性(properties)3〕物流(streams)4〕单元操作(blocks)aspenplus内置的数据库包括了1600多种常用物质〔假设需要的组分aspenplus中没有用户可以自己扩大，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凹凸的一个重要点。此内容与化工热力学关系格外严密，假设你忘了，那么抓紧去争论化工热力学吧，怎么争论快捷的方法是去读《aspenplus的物性模型和方法〉手册。aspenplus能做什么Aspenplus能做什么〔以下是个人观点而非aspentech公司官方的解释，或许有误，欢送指正〕aspenplus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〕aspenplus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比方我们自己搞一个srkaspenplus都只是依据化工热力学，化工原理等公式，输入一些条件，然后运行得到结果而已。这么说似乎aspenplusaspenplus是一个功能格外强大的过程模拟软件。aspenplus的强大之处在于：1〕它几乎内建了全部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，囊括了全部你需要去化工手册上查找的数据；3)强大的分析工具，比方转变输入会怎样影响输出aspenplus已经自带了此类工具，你可以直接使用。正由于如此,aspenplus可以很便利的计算出大的简单的流程，这也是它称之为模拟软件的缘由。其次aspenplus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到达平衡态，即不考虑时间的作用。比方相平衡计算，只能计算达不能处理非平衡的问题。aspenplus还有一个格外有用的功能，就是依据试验数据回归出一些常数供其它地方使用。aspenplus的数据库功能格外强大，1〕aspenplus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。比方，纯物质的比热，临界点温度，压力等等常数你都可以得到。2)aspenplus可以计算得到任意计算物流的几乎全部的物理性质，比方：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aspenplus的数据库中没有时可以依据试验数据回归出得到。举个常见的例子，假设你在试验室中，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，现在想依据该试验结果得到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aspenplus的数据回归功能(dataregress)。该功能的用处在于，假设你的工艺是比较特别的，aspenplus的数据库内没有内置你所争论的体系，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。aspenplus需要什么前面说过，aspenplus才能解出未知数，所以aspenplus需要的是方程的数〔或条件〕，却不能少，否则方程无解。aspenplus的方程首先来了解一下aspenplus的方程，aspenplus的方程可以分为三大类：热力学方程，这是与具体的工艺流程无关的方程，如抱负气体方程、nrtl方程、非抱负溶液焓模型方程等等。该类方程为单元操作过程计算供给必要的数据根底。单元操作方程，如换热器，精馏塔等单元操作过程的计算，涉及到三传一反，这局部主要是和化工原理有关。数学方程，这局部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aspenplus的根底，建议在aspenplus入门以后要好好的重点的学习一下，精读一遍《aspenplus物性方法和模型手册》。其次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，只要生疏其原理即可。实际上aspenplus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aspenplus的计算模型是“黑箱”的，这就使很多应用aspenplus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；缺点是想有更深争论的人，无从知道过程的机理。我想这也正是aspenplus的商业隐秘所在。对于aspenplus的流程计算模式〔还有其他模式如数据回归模式此处不争论〕。这些方程计算你需要输入以下数据：流程图组分物性方法起始物流数据：组分、温度、压力〔其他物流数据aspenplus可以计算出来〕。全部单元操作模型数据〔操作条件〕其他非必要数据，这主要是指假设你使用其他的功能，如设计规定，灵敏度分析等。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。单元操作的模型由两个因素打算：1〕你有什么条件〔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。这句话需要敏捷运用，我想再深入的讲一点。aspenplus它是过程的一种抽象。你想解决的过程是怎样的才能打算你所选择的模型，而不是由具体的设备打算的。举个比较典型的例子：aspenplus中有radfrac模型是个典型的精馏塔具体计算模型，根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，他想计算冷凝器的具体构造该怎么办由于radfrac方法很简洁，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，但假设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。物性方法的选择。对于初学者而言，除非他格外生疏热力学的内容，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《aspenplus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方我们做一个很简洁的化工过程计算：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℃,,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，液相密度。简单一点，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抱负气体，完全符合抱负气体的行为，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。由于抱负气体的焓与压力无关，则换热器的负荷可以依据水和乙醇的定压热熔计算出来。在此例当中，描述抱负气体行为的假设干方程，就是一种物性方法〔aspenplus中称为idealpropertymethod)。简洁的说，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假设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=nRTdH=CpdT.实际上，以上是一种最简洁的计算方法，但结果误差是很大的。这是由于对于“水-乙醇”体系在此两种温度压力下，假设当作抱负气体来处理，其误差是比较大的，尤其对于液相。依据抱负气体处理的话，冷却后仍旧为气体，不应当有液相消灭。那么应当如何计算呢主要涉及以下过程：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，但此处不推举使用Rackett模型计算液相密度。至于物流的相态，则首先需要做汽液平衡计算。在进展汽液平衡计算时，液相应用活度系数方程计算组分的逸度系数，并且还需要antoine方程计算蒸汽压力。换热器负荷的计算比较简单，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。焓的计算有多种途径，对于液相比较常用的方法是计算抱负液体混合物焓，然后再加上过剩焓计算出来。要计算非抱负液体混合物过剩焓，则可通过混合物质汽相焓与蒸发焓差来计算，非抱负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：状态方程srk,液相密度方程rackett.3〕antoine方程.汽，液相逸度系数方程液相活度系数方程汽相焓方程，通过srk方程导出，需要设计纯气体Cp=f(p,t)方程。液相焓方程，相当简单，此处不再重复。其他方程，包括数学方程，比方以上计算时涉及到了微积分运算，汽液平衡的回归运算等。以上方程，假设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，并且很简洁出错。好在模拟软件已经帮我做了这一步，这就是物性方法。srk；液相用了活度系数方程(nrtl,wilson,等aspenplus中将此中方法叫做活度系数法，假设你选择nrtl方程，就称为nrtl方法，wilson方程就成为wilson物性方法(wilsonpropertymethod)方程公式。在aspenplus中〔或者应当说在化工热力学中〕有两大类格外重要的物性方法，对于初学者而言，了解到此两类物性方法，根本上就可以开头着手模拟工作了。大体而言，依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elecnrtl物性方法。关于更多更具体的物性方法选择请参考物性方法与模型手册。学好aspenPlus应具备的先导学问首先要学好《化工热力学》、《化工原理》、《分别过程》、《过程系统工程》这几课，Aspen的学习资料会比较轻松。另外，学习一点数学方面的学问，在《过程系统工程》这样的书里是有具体介绍的。不管学什么，先把根底打好，这是最重要的。关于AspenuserguidePhysicalPropertyMethodsandModels《UnitOperationModels前面已经强调了热力学模型在过程模拟中的重要性了，所以务必要把握好各种物性模型和如何选择。6推举学习资料下面两个资料建议初学者看一下，对于学学习asepnplus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《Aspenplus塔设计案例》。前者可以使初学者快速生疏和把握Aspenplus的界面与根本操作方法，后者通过一个精馏塔的案例，一步Aspenplus做过程模拟的各种功能。ASPEN我理解的全流程模拟，比方一个有假设干塔、假设干换热器的流程，包括很多循环流。在物性选择正确的根底上，想要收敛顺当，主要靠一步一步来。比方先用简洁换热器，而不用具体换热器，来代替现实的换热网络。先把塔算通，比方bottomrate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。即使不通过也很简洁错在什么地方。由于只是在算一个塔而已。算通塔只后，循环。此时流程中全部的换热器实际上只是简洁换热器，在ASPENPLUS就是HEATER。可以利用PINCHPINCH哪个物流换热，换到多少度。此时可以把流程中的简洁换热器一个一个地用具体换热器代替。实际上全部的计算，尤其有循环流的状况下，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PINCH各流股的计算值代替初值，这就是reconsi...的用处。假设这样还不行的话，再去修改相应的整个流程收敛设置。比方broyton法就很强大，就是有时候算出来的东西有点似是而非。总之流程模拟必需一步一步来，很多人不留意这一点，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。另外流程模拟的根底是物性方法的选择，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的物性指南协作看，比方对于状态方程之类，混合规章的选择就格外重要，而对于气液系统，不同来源的二元交互参数，往往有一样的计算效果。其次，对要计算的物性系统已出版的物性数据，在选定物性方法之前，可以参考别人的选择试算。最终要认真读ASPENSRK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OPTIONCODE中要输入适当值，才能把开启该功能。另外对基于液液传质，除非有从试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当，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情愿深入学习，比方物性这一块。另外还可以参考各软件附带的例子，都供给了