化工过程模拟与优化

化工过程模拟与优化Simulation&OptimizationofChemicalEngineeringProcess

李亚军31955956iyajun@2026/8/23\[filename].ppt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2026/8/23\[filename].ppt第二章化工过程模拟技术的结构与功能2026/8/23\[filename].ppt第一节化工模拟系统的结构2026/8/23\[filename].ppt2026/8/234化工模拟系统的结构

2026/8/2351、AspenPlus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；2026/8/236

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；AspenPlus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、AspenPlus的物性系统

2026/8/2371、AspenPlus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AspenPlus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，AspenPlus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。2026/8/2381、AspenPlus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。2026/8/2392、AspenPlus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。

AspenPlus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。

2026/8/23103、AspenPlus模拟电解质系统

AspenPlus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。AspenPlus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。2026/8/23114、AspenPlus的单元操作模型库

AspenPlus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（USERMODEL）加入到AspenPlus系统之中，为用户提供了极大的方便性和灵活性。AspenPlus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。2026/8/23124、AspenPlus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AEROTRAN2026/8/23134、AspenPlus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PETROFRAC2026/8/23144、AspenPlus的单元操作模型库AspenPlus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。2026/8/23154、AspenPlus的单元操作模型库AspenPlus的分馏模型是最常用的单元操作模型AspenPlus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。AspenPlus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。2026/8/23164、AspenPlus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RBATCH2026/8/23174、AspenPlus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）。2026/8/23185、AspenPlus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。2026/8/23196、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。2026/8/23206、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2026/8/23216、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2026/8/23226、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2026/8/23236、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2026/8/23\[filename].ppt2026/8/2325

稳态过程模拟的解法1、序贯模块法（SequentialModularMethod)特点：模型和解法合二为一优点：计算方法易实现，稳定可解2026/8/2326

稳态过程模拟的解法2、联立方程法

（Equation-basedMethod，SimultaneousMethod)特点：模型和解法分开，对计算方法要求高。一般采用SQP法—Sequentialquadraticprograming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2026/8/23\[filename].ppt2026/8/2328化工过程模拟的七个基本步骤2026/8/23291、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2026/8/23302026/8/23311、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2026/8/23321、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；

步骤3：定义组分2026/8/23331、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2026/8/2334

输入系统进料的以下数据：

温度，压力

流量，组成

步骤5：输入物流数据2026/8/2335

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。

步骤6：输入单元过程数据2026/8/2336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ASPENPLUS进行工艺过程模拟2026/8/23\[filename].ppt2026/8/2338第四节、使用ASPENPLUS进行工艺过程模拟

1、用户界面提供了有关ASPENPLUS用户界面的基本信息2、建立模拟模型

如何使用ASPENPLUS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

ASPENPLUS在线应用库使用ASPENPLUS帮助2026/8/23392026/8/2340第四节、使用ASPENPLUS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2026/8/2341第四节、使用ASPENPLUS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2026/8/2342第四节、使用ASPENPLUS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2026/8/23436、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