Aspenplus的發(fā)展及應用

1、Aspen plus 的簡介及應用 摘要 ：本文介紹了 Aspen plus 軟件的發(fā)展，功能及產品性能， 并簡介了 Aspen plus 在國內的應用情況； Aspen plus 在 工程模擬中給企業(yè)帶來的收益及在國內的應用方向；據(jù)此，作者對 Aspen plus 在國內的應用前景提出了自己的看法。 關鍵詞 ： Aspen plus功能 應用 前景一、前言流程模擬就是將一個由許多個單元過程組成的化工流程用數(shù)學模型描述， 并在計算機上通過改變各種有效條件得到 所需要的結果如操作條件等。這一方法是計算機技術在化工方面的最重要的應用之一。用計算機作化工過程模擬始于 50 年代，到現(xiàn)在它已成為一種普

2、遍采用的常規(guī)手段而廣泛應用于化工過程的研究開發(fā)、設計、生產過程的控制，優(yōu)化 及技術改造等方面。隨著計算機技術的發(fā)展及應用軟件技術的開發(fā)，化工過程模擬技術日趨成熟和實用，商業(yè)化軟件 廣泛出現(xiàn)于化工過程模擬中，其主要的代表是ASPEN PLUS系統(tǒng)。二、Aspen plus 簡介Aspen Plus是大型通用流程模擬系統(tǒng)，源于美國能源部七十年代后期在麻省理工學院（MIT）組織的會戰(zhàn)，開發(fā)新型第三代流程模擬軟件。該項目稱為“過程工程的先進系統(tǒng)”（Advanced System for Process Engineering ，簡稱ASPEN，并于1981年底完成。1982年為了將其商品化，成立了As

3、pe nTech公司，并稱之為 Aspen Plus。該軟件經過20 多年來不斷地改進、擴充和提高，已先后推出了十多個版本，成為舉世公認的標準大型流程模擬軟件，應用案例數(shù) 以百萬計。全球各大化工、石化、煉油等過程工業(yè)制造企業(yè)及著名的工程公司都是Aspen Plus 的用戶。1 、產品特點1）產品具有完備的物性數(shù)據(jù)庫物性模型和數(shù)據(jù)是得到精確可靠的模擬結果的關鍵。 人們普遍認為 AspenPlus 具有最適用于工業(yè)、 且最完備的物性 系統(tǒng)。許多公司為了使其物性計算方法標準化而采用 Aspen Plus 的物性系統(tǒng)，并與其自身的工程計算軟件相結合。Aspen Plus 數(shù)據(jù)庫包括將近 6000 種純

4、組分的物性數(shù)據(jù)，純組分數(shù)據(jù)庫，包括將近 6000 種化合物的參數(shù)。電解質 水溶液數(shù)據(jù)庫，包括約 900 種離子和分子溶質估算電解質物性所需的參數(shù)。固體數(shù)據(jù)庫，包括約 3314 種固體的固體 模型參數(shù)。 Henry 常數(shù)庫， 包括水溶液中 61 種化合物的 Henry 常數(shù)參數(shù)。 二元交互作用參數(shù)庫， 包括 Ridlich Kwong Soave、Peng Robinson 、Lee Kesler Plocker 、BWR Lee Starling ，以及 Hayden OConnell 狀態(tài)方程的二元交互作 用參數(shù)約40,000多個，涉及5,000種雙元混合物。PURE10數(shù)據(jù)庫，包括1727

5、種純化物的物性數(shù)據(jù)，這是基于美國 化工學會開發(fā)的 DIPPR 物性數(shù)據(jù)庫的比較完整的數(shù)據(jù)庫。無機物數(shù)據(jù)庫，包括2450 種組分（大部分是無機化合物）的熱化學參數(shù)。燃燒數(shù)據(jù)庫，包括燃燒產物中常見的 59 種組分和自由基的參數(shù)。固體數(shù)據(jù)庫，包括 3314 種組分，主 要用于固體和電解質的應用。水溶液數(shù)據(jù)庫，包括 900 種離子，主要用于電解質的應用。Aspen Plus是唯一獲準與DECHEM徼據(jù)庫接口的軟件。該數(shù)據(jù)庫收集了世界上最完備的氣液平衡和液液平衡數(shù)據(jù)， 共計二十五萬多套數(shù)據(jù)。用戶也可以把自己的物性數(shù)據(jù)與 Aspen Plus 系統(tǒng)連接。2）產品線比較長，集成能力很強。Aspen Plus

6、是Aspen工程套件（AES的一個組份。AES是集成的工程產品套件，有幾十種產品。 以Aspen Plus的嚴格機理模型為基礎，形成了針對不同用途、不同層次的AspenTech 家族軟件產品，并為這些軟件提供一致的物性支持。如： Polymers Plus ，在 Aspen Plus 基礎上專門為模擬高分子聚合過程而開發(fā)的層次產品，已成功地用于聚烯烴、 聚酯等過程。 Aspen Dynamics ：在使用 Aspen Plus 計算穩(wěn)態(tài)過程的基礎上，轉入此軟件可接著計算動態(tài)過程。PetroFrac ：專門用于煉油廠的模擬軟件。Aspen HX-NET：Aspen Plus 可以為夾點技術軟件直

7、接提供其所需要的各流段的熱焓、溫度和壓力等參數(shù)。B-JAC/ HTFS :換熱器詳細設計（包括機械計算）的軟件包，Aspen Plus可以在流程模擬工藝計算之后直接無縫集成，轉入設備設計計算。Aspen Zyqad:這是一個工程設計工作流集成平臺，可以供多種用戶環(huán)境下將概念設計、初步設計、工程設計直到設備采購、工廠操作全過程生命周期的各項工作數(shù)據(jù)、報表及知識集成共 享。 Aspen Plus 有接口可與之自動集成。 Aspen Online :在線工具，將 Aspen Plus 離線模型與 DCS 或裝置數(shù)據(jù)庫管 理系統(tǒng)聯(lián)結，用實際裝置的數(shù)據(jù)，自動校核模型，并利用模型的計算結果指導生產。3）

8、唯一將序貫（SM模塊和聯(lián)立方程（EO兩種算法同時包含在一個模擬工具中。序貫算法提供了流程收斂計算的初值，采用聯(lián)立方程算法，大大提高了大型流程計算的收斂速度，同時，讓以往收斂困難的流程計算成為可能。節(jié)省了工程師計算的時間。4）結構完整，除組分、物性、狀態(tài)方程之外，還包含以下單元操作模塊：對于氣/液系統(tǒng)，Aspen Plus包含： 通用混合、物流分流、子物流分流和組分分割模塊。如：閃蒸模塊、物流放大、拷貝、選擇和傳遞模塊、 精餾模型；對于固體系統(tǒng)，Aspen Plus包含：文丘里滌氣器、靜電除塵器、纖維過濾器、篩選器、旋風分離器、水力旋風分離器、 離心過濾器、轉鼓過濾器、固體洗滌器、逆流傾析器、連

9、續(xù)結晶器等。5）模型/流程分析功能Aspen Plus提供一套功能強大的模型分析工具，最大化工藝模型的效益。其分析工具主要如下：1、收斂分析：自動分析和建議優(yōu)化的撕裂物流、流程收斂方法和計算順序，即使是巨大的具有多個物流和信息循環(huán)的流程，收斂分析非常方便。II、calculator models 計算模式： 包含在線 FORTRAN和 Excel模型界面。III、靈敏度分析：非常方便地用表格和圖形表示工藝參數(shù)隨設備規(guī)定和操作條件的變化而變化。IV、 案例研究：用不同的輸入進行多個計算，比較和分析。V、設計規(guī)定能力：自動計算操作條件或設備參數(shù)，滿足規(guī)定的性能目標。VI、數(shù)據(jù)擬合：將工藝模型與真實

10、的裝置數(shù)據(jù)進行擬合，確保精確的和有效的真實裝置模型。VII、優(yōu)化功能：確定裝置操作條件，最大化任何規(guī)定的目標，如收率、能耗、物流純度和工藝經濟條件。2、產品功能I、工程工作流：Aspen Plus在整個工藝生命周期，優(yōu)化工程工作流，回歸實驗數(shù)據(jù)，用簡單的設備模型，初步設計流程；用詳細的設備模型，嚴格地計算物料和能量平衡；確定主要設備的大??；在線優(yōu)化完整的工藝裝置。Aspen Plus根據(jù)模型的復雜程度，支持規(guī)模工作流?？梢詮暮唵蔚?、單一的裝置流程到巨大的、多個工程師開發(fā)和維護的整廠流程。分級模塊和模板功能是模型的開發(fā)和維護非常簡單。II、 工程能力：Aspen Plus提供了單元操作模型到裝置

11、流程模擬。這些模型的可靠性和增強功能已經經過20多年經驗的驗證和數(shù)以百萬計例子的證實。Aspen Plus在整個工藝裝置的從研發(fā)、工程到生產生命周期中，提供了經過驗證的巨大的經濟效益。它將穩(wěn)態(tài)模型的功能帶到工程桌面，傳遞著無與倫比的模型功能和方便使用的組合。利用AspenPlus，公司可以設計、模擬、瓶頸診斷和管理有效益的生產裝置。三、Aspen plus 的應用1、Aspen plus 化工模擬系統(tǒng)在精餾過程中的應用Aspen plus精餾模塊中的RateFrac是一個基于流率的非平衡的模型，用于模擬各種類型的多級氣一液精餾操作，可用于一般精餾、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸餾

12、。適用于兩相系統(tǒng)、窄沸程和寬沸程系統(tǒng)以及液相具有強的非理想程度系統(tǒng)。其構成包括任意組輸入、任意組側線、任意組加熱器（或熱流）和任意組傾析器。大慶石化分公司煉油廠n套重油催化裂化二重催車間的氣體分餾裝置，主要產品為丙烯、丙烷、輕重碳四餾分等，要求生產的精丙烯純度不小于 99 . 5% （too1）。該工藝采用常規(guī)四塔氣分流程，即脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯塔、碳四 分餾塔。由于丙烯塔板數(shù)多（200層塔板），在實際操作中分成兩個串聯(lián)塔操作，模擬時，仍采用單塔模擬。根據(jù)裝置的原始設計數(shù)據(jù)，使用RateFrac模型進行工藝模擬計算，其模擬結果與裝置原始設計的計算結果基本吻合，RateFrac模型在該精餾過

13、程中進行的模擬計算是可信的。根據(jù)原始計算結果，丙烯出廠純度為99.9%,較出廠要求高了 0.4%,為節(jié)約能源和質量，采用RateFrac模型改變回流比，每年可節(jié)約資金93.68 萬元。2、Aspen plus在燃煤發(fā)電工程中的應用煤的能量轉化過程是一個相當復雜的化學反應過程，如何能做到高效潔凈地利用，仍然是目前面臨的重要課題。通過使用ASPEN PLU軟件能促進煤高效低污染的應用。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術是煤潔凈高效利用的一條重要途徑。無論是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）、部分煤氣化空氣預熱燃煤聯(lián)合循環(huán)（PGACC,還是第二代增壓流化床聯(lián)合循環(huán)（APFBC cc）等新一代的高效發(fā)電技術.煤的氣化技術是

14、實現(xiàn)這些技術的重要基礎。準確預測氣化爐出口的煤氣組成是發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化的重要工作。徐越等人利用ASPEN PLU平臺對干煤粉加壓氣流床氣化性能進行了模擬。所用的主要反應器模塊是：RYIELDRGIBBS RSTOIC這也是氣化過程中常用的模塊。模擬結果表明，用該方法能夠對干煤粉氣化爐的特性進行比較準確 的模擬，并且為IGCC電站的熱力性能分析系統(tǒng)的建立奠定基礎。在此基礎上，徐越還進行了二段式干粉氣流床氣化的 性能模擬 5 結果是令人滿意的。ASPENPLU駐應用于PFB（燃煤過程堿金屬的賦存、遷移規(guī)律的數(shù)值模擬中，也獲得比較滿意的效果。反應溫度在1000 K1 300 K范圍內.不同含氯量的煤燃燒

15、后煙氣中氣態(tài)堿金屬的含量隨溫度的變化關系和文獻6中的數(shù)據(jù)規(guī)律基本吻合。3、Aspen plus在吸收穩(wěn)定系統(tǒng)改造技術中的應用在燕化公司煉油廠第一套催化裂化裝置摻煉重油技術改造中，應用AspenPlus軟件對吸收穩(wěn)定系統(tǒng)進行了全流程模擬。相對而言，該系統(tǒng)工藝流程較長，原料組分復雜，設計要求嚴格，且含有多個循環(huán)回路，模擬計算難度較大。通 過吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的全流程模擬計算及優(yōu)化設計的選用，成功地完成了該系統(tǒng)流程模擬，并在此基礎上完成了吸收穩(wěn)定 系統(tǒng)技術改造的工藝設計。改造以前，吸收穩(wěn)定系統(tǒng)采用的是吸收、解吸單塔流程。眾所周知，吸收是氣體分子被液體選擇性吸收的過程， 需要低溫高壓的工藝條件，而解吸過程則

16、完全相反，需要高溫低壓的工藝條件，因此在生產過程中很難同時滿足這兩 個過程的工藝條件，結果造成分離效果差，C 3、G組分的吸收率和C2組分的解吸率都比較低。所以在進行摻煉重油 的技術改造中，同步進行了吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的雙塔流程改造。改造后，系統(tǒng)操作正常，C3 C4回收率基本達到了設計要求，解決了干氣帶C3 C4的問題，穩(wěn)定汽油和液化氣質量也達到了設計要求。其結果表明，在AspenPlus工藝流程模擬軟件基礎上進行的吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝設計是成功的，它為工藝設計提供了可靠的基礎數(shù)據(jù)，大大提高設計效率和設計 水平，今后應在工藝設計中宜大力推廣。同時該軟件也可用于指導生產、優(yōu)化操作，的確是工程技術人員進行設

17、計和 生產的有利工具。4、Aspen plus 在排放氣回收系統(tǒng)中的應用中國石化廣州分公司聚乙烯 （PE）裝置采用美國原UCC勺Unipol氣相流化床工藝技術。原設計生產能力100 kt /at 。其中，排放氣回收工段的作用是回收反應系統(tǒng)排出的大量烴類物質達到降低裝置物耗的目的。2003年裝置擴能改造后，生產能力增至200 kt /a，增加了反應器的冷凍液（異戊烷）用量，排放氣回收系統(tǒng)冷凝液回收量隨之增加，對裝置 物耗指標的影響更為關鍵， 但擴能改造后的初期， 因回收系統(tǒng)的低壓回收泵運行極不穩(wěn)定， 導致冷凝液回收量下降 裝 置物耗增加。公司選用ASPEN進行模擬改造，根據(jù) ASPEN流程模擬理

18、論計算結果.在實際生產中提高了氣相出口操作溫度.使得 低壓段不產生冷凝液全部烴類集中在高壓段冷凝。從ASPE軟件計算結果可知，只要氣相出口實際操作溫度高于該壓力下回收氣的露點溫度，回收液總量達最大值。實際生產中，考慮壓縮機沒備允許溫度，通過控制液相出口冷凍液流 量，控制溫度在5 - 10 c,收到了極佳效果。首先。避免了低壓段冷凝液的產生，不需啟動低壓回收泵，完全解決了 回收泵運行不穩(wěn)定的問題，減少操作人員工作量。運行近兩年來同收壓縮機從未出現(xiàn)過“帶液”操作的情況。其次， 低壓段部分不需冷凍機進行“過冷”操作，節(jié)省冷量，降低冷凍機的運行費用，提高液相出口溫度后，2臺冷凍機只需投用 1臺即可滿足

19、生產需要。第三，烴類冷凝液回收量增加，裝置物耗降低。在此之前，低壓冷凝液因為低壓回收泵運 行的不穩(wěn)定，至少一半的低壓冷凝液排放火炬。優(yōu)化操作后，冷凝液總量大于原來的高、低壓冷凝液之和。更重要是 全部冷凝液得到了回收利用。裝置噸產品冷凍液耗量下降。5、Aspen plus 模擬干氣、液態(tài)烴脫硫和再生系統(tǒng)工藝流程在原油加工中，脫除原油中的硫化氫，不僅可以凈化原料氣，消除污染，還可以變害為利。然而，隨著高硫原油 處理量的增加， 干氣、液態(tài)烴中的硫含量亦隨之增加， 因此必須對現(xiàn)有的脫硫裝置進行改造。 針對這一情況， 利用 ASPEN PLU漱件對裝置進行了模擬計算。以MDE為吸收劑的催化干氣、液態(tài)烴脫

20、硫和再生系統(tǒng)三塔模擬工藝流程。其中包括了溶劑系統(tǒng)的循環(huán)過程，ASPEN在計算過程中需要進行疊代計算，當相鄰兩次計算得到的物流流量和物流溫度的相對誤差小于ASPEI的規(guī)定值，模擬計算將達到穩(wěn)態(tài)平衡。ASPENPLus軟件提供了用于氣體脫酸氣的專用數(shù)據(jù)包，對于動力學平衡，采用KENT-ElsENBR方法來模擬H2S CO2等與胺的化學反應過程，對于 H2S和 CO2吸收過程產生的熱力學平衡，采用修正的cIAUS cIJAPEYRO方程來提供。以此可根據(jù)脫后干氣的H2S含量，確定干氣脫硫塔的溶劑比；根據(jù)液態(tài)烴的Has含量，確定液態(tài)烴脫硫塔的溶劑比。根據(jù)計算得到的再生貧溶劑的H2s含量，通過規(guī)定再生塔

21、的回流比或塔底Hs的含量，調整貧溶劑的 H2s含量。用Aspen Plus軟件對脫硫裝置進行模擬計算可以準確的得到模擬流程中的各個物流的性質為單體設備如塔的 水力學計算、抉熱器的選型及核算等提供基礎數(shù)據(jù)，從而制定出改擴建方案Aspen Plus 軟件不僅能為生產裝置的技術分析和生產計劃的安排提供服務，而且為工藝設計提供了一個強有力的工具。四、Aspen plus 在國內的應用前景Aspen plus 提供3種過程來進行模擬：除了有內置的單元操作模型外，還有用戶自己定義的FORTRAN塊以及設計規(guī)定(design -specification)。在整個ASPEN流程中，除了可以處理物流外，還可以

22、給模塊設定功流和熱流，既可以模擬質量平衡也可以確保整個系統(tǒng)的能量平衡。并且通過物性分析，可以獲得物流組分、溫度、壓力及熱負荷參數(shù)， 從而預測所選模型、物流類型、物性方法的正確性。由于其方便的模塊化流程和用戶端的良好控制，ASPENPLU軟件尤其適合對全系統(tǒng)的綜合模擬、計算和分析；較為簡單地即可完成流程的改變和模型變更，為系統(tǒng)提高總效率和經濟性 的優(yōu)化改良提供了高效的途徑。Aspe n Plus是Aspe nTech公司開發(fā)最早的穩(wěn)態(tài)模擬軟件。早在八十年代初已開始商品化，經過十幾年經驗及不斷增 補完善，已成為世界性標準流程模擬軟件，也是目前國際上功能最強的商品化流程模擬軟件。我國的用戶目前有幾十

23、 個，多以大型化工單位以及國家級科研單位為主，如大慶集團公司、燕化公司、國家電力公司西安熱工研究院等。在 模擬大型化工系統(tǒng)和電站系統(tǒng)中，這款軟件系統(tǒng)流程設計的優(yōu)勢得到了充分地驗證。相信不久的將來，ASPEN PLU將被越來越多的國內用戶所接受，在流程模擬領域發(fā)揮它更大的作用。參考文獻：1 ASPENPLUSB戶指南【M.2 ASPEN PLUS物性方法和模型【M .3 Building and Running a Process Model, ASPEN PLUS!Ml.4 徐越，吳一寧，危師讓基于ASPEN PLU平臺的干煤粉加壓氣流床氣化性能模擬J.西安交通大學學報，2003,37(7)

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