用ASPEN進行全流程模擬的一些心得

1、文檔可能無法思考全面，請瀏覽后下載! ASPEN PLUS 的學(xué)習(xí)經(jīng)驗 概述入門是初學(xué)aspen plus軟件最重要也是最難的一關(guān)。讀過手冊的人都知道，Aspen plus的手冊和資料有很多，初學(xué)者面對如此之多的資料可能不知如何開始，我認為其中比較重要而且必讀的是用戶指南（user guide）、單元操作模型（Unit Operation Models）、物性方法和模型（Physical Property Methods and Models）、物性數(shù)據(jù)等，如果有一定的英文基礎(chǔ)，最好是讀英文的，這些在幫助文件中都有。其實一旦入了門，流程模擬軟件學(xué)習(xí)起來就很簡單了，很多功能觸類旁通很容易就懂了，

2、比如說，如果知道了sensitivity, 那么optimizaiton、desian spec就很容易了。 大體來說，初學(xué)aspen plus 需要掌握如下三個方面：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的界面及功能和學(xué)習(xí)所有軟件一樣，首先需要了解軟件的環(huán)境，也就是界面。我個人認為界面基本上可以分為兩種：一是流程圖窗口(process flowsheet window),另外是數(shù)據(jù)瀏覽窗口（data browser window)。實際上還應(yīng)該再加一個控制面板（control panel)窗口，這

3、個窗口也很重要，但這個窗口只是在流程調(diào)試使用，并且涉及的內(nèi)容初級入門者也不必花太多時間去看，先忽略。流程圖窗口很簡單，只要你在工廠干過，看過PFD流程圖并且是windows的用戶，就沒有什么難得地方，讀一下user guide知道各菜單及快捷鍵的功能，很快就能搞定。數(shù)據(jù)瀏覽窗口是aspen plus最重要的部分。這也是aspen plus區(qū)別于畫圖軟件的地方。你需要在這個窗口中輸入所有的已知條件，并且運行后觀看運行結(jié)果。其中如下信息是所有的模擬都需要有輸入的：1）組分（components)2）屬性(properties)3）物流(streams)4）單元操作(blocks)組分沒什么好說的，

4、流程用到什么成分你就輸什么成份，aspen plus內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫包括了1600多種常用物質(zhì)（如果需要的組分aspen plus中沒有用戶可以自己擴充，這部份內(nèi)容不適合在初級，再后面介紹）。屬性是一個難點，高難點，我認為這是考察技術(shù)人員模擬水平高低的一個重要點。此內(nèi)容與化工熱力學(xué)關(guān)系十分緊密，如果你忘了，那么趕緊去研究化工熱力學(xué)吧，怎么研究？快捷的方法是去讀aspen plus的物性模型和方法手冊。3. aspen plus能做什么？       Aspen plus能做什么？（以下是個人觀點而非aspentech公司官方的解釋，也許有

5、誤，歡迎指正）    aspen plus是用來計算平衡態(tài)體系數(shù)據(jù)的軟件，這句話的意思有以下幾點：    （1）aspen plus首先是計算軟件。這一點上和其他計算軟件（包括我們自己開發(fā)的計算程序）沒有區(qū)別。7 / 11比如我們自己搞一個srk方程的計算程序，其核心與aspen plus沒有什么不同，都只是根據(jù)化工熱力學(xué)，化工原理等公式，輸入一些已知條件，然后運行得到結(jié)果而已。    這么說好像aspen plus也不過如此而已，其實aspen plus是一個功能十分強大的

6、過程模擬軟件。aspen plus的強大之處在于：1）它幾乎內(nèi)建了所有化工過程所涉及的原理公式，也就是說化工專業(yè)的課程他全部都包括了；2)它附帶了完善的數(shù)據(jù)庫，囊括了所有你需要去化工手冊上查找的數(shù)據(jù)；3)強大的分析工具，比如改變輸入會怎樣影響輸出? aspen plus已經(jīng)自帶了此類工具，你可以直接使用。正因為如此, aspen plus可以很方便的計算出大的復(fù)雜的流程，這也是它稱之為模擬軟件的原因。（2）其次aspen plus是平衡態(tài)體系的軟件。它不是仿真機，所以不是動態(tài)模擬軟件，并且所計算的體系都是假設(shè)已經(jīng)達到平衡態(tài)，即不考慮時間的作用。比如相平衡計算，只能計算達到平衡時體系是什么組成，

7、溫度壓力等是多少，不能處理非平衡的問題。（3）aspen plus還有一個十分有用的功能，就是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)回歸出一些常數(shù)供其它地方使用。aspen plus的數(shù)據(jù)庫功能十分強大，1）aspen plus由于已經(jīng)自帶了大量的數(shù)據(jù)庫，并且你可以得到這些數(shù)據(jù)，那么你就不需要再去查化工手冊了。比如，純物質(zhì)的比熱，臨界點溫度，壓力等等常數(shù)你都可以得到。2)aspen plus可以計算得到任意計算物流的幾乎所有的物理性質(zhì)，比如：密度，比熱，濕度等等工藝工程師所關(guān)心的數(shù)據(jù)。       但當你的需要的數(shù)據(jù)在aspen plus的數(shù)據(jù)庫中沒有時可以根

8、據(jù)實驗數(shù)據(jù)回歸出得到。舉個常見的例子，如果你在實驗室中，測量了水-乙醇體系在不同壓力溫度下，汽液平衡時的汽液平衡組成，現(xiàn)在想根據(jù)該實驗結(jié)果得到wilson方程的水-乙醇參數(shù)（雖然這組參數(shù)aspen數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)有），那么就可以使用aspen plus的數(shù)據(jù)回歸功能(data regress)。該功能的用處在于，如果你的工藝是比較特殊的，aspen plus的數(shù)據(jù)庫內(nèi)沒有內(nèi)置你所研究的體系，那么你就可以先用數(shù)據(jù)回歸功能得到相應(yīng)的參數(shù)，再做模擬。該功能的具體用法以后再說。4. aspen plus需要什么？       前面說過，aspen

9、 plus是一個根據(jù)方程計算的軟件，那么很明顯，是方程必然需要已知條件才能解出未知數(shù)，所以aspen plus需要的是方程的已知數(shù)（或已知條件），已知數(shù)可以多，卻不能少，否則方程無解。4.1 aspen plus的方程    首先來了解一下aspen plus的方程，aspen plus的方程可以分為三大類：    1）熱力學(xué)方程，這是與具體的工藝流程無關(guān)的方程，如理想氣體方程、nrtl方程、非理想溶液焓模型方程等等。該類方程為單元操作過程計算提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。    2）

10、單元操作方程，如換熱器，精餾塔等單元操作過程的計算，涉及到三傳一反，這部分主要是和化工原理有關(guān)。    3）數(shù)學(xué)方程，這部分主要是用來解方程時涉及到的一些數(shù)學(xué)計算方法，與我們工程技術(shù)人員關(guān)系不大。     我認為第一類方程即熱力學(xué)方程是aspen plus的基礎(chǔ)，建議在aspen plus入門以后要好好的重點的學(xué)習(xí)一下，精讀一遍aspen plus物性方法和模型手冊。第二類方程相對而言不是太難，而且我個人認為初學(xué)者沒有必要去精讀，只要熟悉其原理即可。實際上aspen plus在其單元操作手冊上也并沒有寫明單元操作模

11、型的方程。也就是說aspen plus的計算模型是“黑箱”的，這就使很多應(yīng)用aspen plus求解問題的人可以得到問題的解，有時計算解和實際有很好的吻合，但卻不知道其機理，這有利也有弊。好處是我們可以不必關(guān)心過程的機理模型，便可以求解問題；缺點是想有更深研究的人，無從知道過程的機理。我想這也正是aspen plus的商業(yè)秘密所在。對于aspen plus的流程計算模式（還有其他模式如數(shù)據(jù)回歸模式此處不討論）。     這些方程計算你需要輸入以下數(shù)據(jù)：      1）流程圖  

12、;    2）組分      3）物性方法      4）起始物流數(shù)據(jù)：組分、溫度、壓力（其他物流數(shù)據(jù)aspen plus可以計算出來）。      5）所有單元操作模型數(shù)據(jù)（操作條件）      6）其他非必要數(shù)據(jù)，這主要是指如果你使用其他的功能，如設(shè)計規(guī)定，靈敏度分析等。4.2 單元操作模型關(guān)于流程圖，需要特別指出

13、的是單元操作模型。單元操作模型是一種抽象的過程，選擇哪一個模型，取決于你有的條件和你所想要求的結(jié)果。單元操作的模型由兩個因素決定：1）你有什么已知條件（操作條件）；2）你想得到什么結(jié)果。不同的單元操作模型所能計算的和所需要的條件是不同的，具體請參考單元操作模型手冊或者聯(lián)機幫助。這句話需要靈活運用，我想再深入的講一點。      aspen plus的單元操作模型雖然與生產(chǎn)實際的設(shè)備相對應(yīng)，但是，操作模型不等具體設(shè)備，它是過程的一種抽象。你想解決的過程是怎樣的才能決定你所選擇的模型，而不是由具體的設(shè)備決定的。舉個比較典型的例子：aspe

14、n plus中有radfrac模型是個典型的精餾塔詳細計算模型，基本上可以等同于現(xiàn)實操作的精餾塔設(shè)備，模型有冷凝器和再沸器。曾有人問我，他想計算冷凝器的詳細結(jié)構(gòu)該怎么辦？因為radfrac本身沒有關(guān)于冷凝器的結(jié)構(gòu)的計算啊。解決的辦法很簡單，你將radfrac的冷凝器設(shè)為無，然后在塔頂汽相添加一個heatx或者hetran（換熱器）就可以了。而且還有人問精餾塔怎么不能設(shè)置全回流呢？說實話，我并不明白有什么精餾塔在正常狀態(tài)下是全回流操作的，但如果你非要設(shè)成全回流也不是沒有可能，用我前面講的方法，將換熱器的出口再返回精餾塔就可以了。4.3 物性方法的選擇。   

15、0;對于初學(xué)者而言，除非他十分熟悉熱力學(xué)的內(nèi)容，否則物性方法的選擇確實是個難點，在你還沒有學(xué)習(xí)過熱力學(xué)或者精讀過aspen plus物性方法和模型手冊之前，在這里簡要講一下物性方法。    首先要明白什么是物性方法？比如我們做一個很簡單的化工過程計算：一股100, 1bar的水-乙醇(50：50摩爾比，100kmol/h）的物料經(jīng)過一個換熱器后冷卻到了80, 0.9bar, 問下面值分別是多少？   ·入口物料的密度，汽相分率。   ·換熱器的負荷。   ·出口物料

16、的汽相分率，汽相密度，液相密度。      復(fù)雜一點，我還可以問物料的粘度，逸度，活度，熵等等。以上的值怎么計算出來？      好，我們來假設(shè)進出口物料全是理想氣體，完全符合理想氣體的行為，則其密度可以使用pv=nRT計算出來。并且汽相分率全為1，即該物料是完全氣體。由于理想氣體的焓與壓力無關(guān)，則換熱器的負荷可以根據(jù)水和乙醇的定壓熱熔計算出來。    在此例當中，描述理想氣體行為的若干方程，就是一種物性方法（aspen plus中稱為

17、ideal property method)。簡單的說，物性方法就是計算物流物理性質(zhì)的一套方程，一種物性方法包含了若干的物理化學(xué)計算公式。對于本例而言至少包含了如下兩個方程：        pv=nRT        dH=CpdT.    實際上，以上是一種最簡單的計算方法，但結(jié)果誤差是很大的。這是因為對于“水-乙醇”體系在此兩種溫度壓力下，如果當作理想氣體來處理，其誤差是比較大的，尤其對于液相

18、。按照理想氣體處理的話，冷卻后仍然為氣體，不應(yīng)當有液相出現(xiàn)。那么應(yīng)該如何計算呢？主要涉及以下過程：       1）對于汽相pvt計算，可以使用srk方程，從而可以得到密度。液相也可以使用狀態(tài)方程計算密度，但此處不推薦使用，可以使用Rackett模型計算液相密度。       2）至于物流的相態(tài)，則首先需要做汽液平衡計算。       3）在進行汽液平衡計算時，液相應(yīng)用活度系數(shù)方程計算組分的逸度系數(shù)，并且還需要使用拓

19、展antoine方程計算蒸汽壓力。       4）換熱器負荷的計算比較復(fù)雜，可以使用進出口物流焓差來計算，那么需要計算出進出口物流的焓。       5）焓的計算有多種途徑，對于液相比較常用的方法是計算理想液體混合物焓，然后再加上過剩焓計算出來。要計算非理想液體混合物過剩焓，則可通過混合物質(zhì)汽相焓與蒸發(fā)焓差來計算，非理想性比較強是還要考慮混合焓差。    由此可見，實際過程至少包含如下公式方程：   &#

20、160;1）狀態(tài)方程srk,    2） 液相密度方程rackett.    3）拓展antoine方程.    4）汽，液相逸度系數(shù)方程    5）液相活度系數(shù)方程    6）汽相焓方程，通過srk方程導(dǎo)出，需要設(shè)計純氣體Cp=f(p,t)方程。    7）液相焓方程，相當復(fù)雜，此處不再重復(fù)。    8）其他方程，包

21、括數(shù)學(xué)方程，比如以上計算時涉及到了微積分運算，汽液平衡的回歸運算等。    以上方程，如果需要我們用戶去一個個選擇出來，則是一件相當麻煩的工作，并且很容易出錯。好在模擬軟件已經(jīng)幫我做了這一步，這就是物性方法。    對于本例，我們對汽相用了狀態(tài)方程，srk；液相用了活度系數(shù)方程(nrtl,wilson,等），在aspen plus中將此中方法叫做活度系數(shù)法，如果你選擇nrtl方程，就稱為nrtl方法，wilson方程就成為wilson物性方法(wilson property method)。這種物性方法中已經(jīng)囊括了

22、所有我上面提到的方程公式。    在aspen plus中（或者應(yīng)該說在化工熱力學(xué)中）有兩大類十分重要的物性方法，對于初學(xué)者而言，了解到此兩類物性方法，基本上就可以開始著手模擬工作了。大體而言，根據(jù)液相混合物逸度的計算方法的不同，物性方法可以分為兩大類：狀態(tài)方程法和活度系數(shù)法。狀態(tài)方程法使用狀態(tài)方程來計算汽相及液相的逸度，而活度系數(shù)法使用狀態(tài)方程計算汽相逸度，但是通過活度系數(shù)來計算液相的逸度。    ·常見的狀態(tài)方程有ideal、srk、pr、lk方程以及他們的一些改進方程。狀態(tài)方程法就是基于此類狀態(tài)方程

23、來計算逸度，壓縮因子，焓等等的物性方法。    ·常見的活度系數(shù)方程有nrtl、wilson、uniquac等?；疃认禂?shù)法就是基于此類活度系數(shù)方程來計算液相逸度，液相焓等的物性方法。一般而言，對于常見的烴類如烷，烯，芳香族，無機氣體如O2、N2等非（弱）極性的化合物，選用狀態(tài)方程法；對于極性強的化合物，如水-醇，有機酸體系選用活度系數(shù)法。另外對于汽相聚合的物質(zhì)，應(yīng)選用特別的活度系數(shù)法，可以計算汽相聚合效應(yīng)。對于無機電解質(zhì)體系，選用elecnrtl物性方法。    關(guān)于更多更詳細的物性方法選擇請參考物性方法

24、與模型手冊。5.學(xué)好aspen Plus應(yīng)具備的先導(dǎo)知識      首先要學(xué)好化工熱力學(xué)、化工原理、分離過程、過程系統(tǒng)工程這幾課，這些基礎(chǔ)知識學(xué)好后再看Aspen的學(xué)習(xí)資料會比較輕松。      另外，學(xué)習(xí)一點數(shù)學(xué)方面的知識，在過程系統(tǒng)工程這樣的書里是有詳細介紹的。不管學(xué)什么，先把基礎(chǔ)打好，這是最重要的。關(guān)于Aspen幫助文檔，有三個是必看的，user guide，Physical Property Methods and Models，Unit Operation Mode

25、ls。前面已經(jīng)強調(diào)了熱力學(xué)模型在過程模擬中的重要性了，所以務(wù)必要掌握好各種物性模型和如何選擇。6 推薦學(xué)習(xí)資料       下面兩個資料建議初學(xué)者看一下，對于學(xué)學(xué)習(xí)asepn plus會事半功倍的，一個是大慶金橋aspen教學(xué)，“aspen金橋演示教程”，另一個是Aspen plus塔設(shè)計案例。前者可以使初學(xué)者快速熟悉和掌握Aspen plus的界面與基本操作方法，后者通過一個精餾塔的案例，一步一步引導(dǎo)你學(xué)習(xí)Aspen plus做過程模擬的各種功能。用ASPEN進行全流程模擬的一些心得我理解的全流程模擬，比如一個有若干塔、若干換熱器的

26、流程，包括許多循環(huán)流。在物性選擇正確的基礎(chǔ)上，想要收斂順利，主要靠一步一步來。    比如先用簡單換熱器，而不用詳細換熱器，來代替現(xiàn)實的換熱網(wǎng)絡(luò)。先把塔算通，比如在塔的設(shè)計規(guī)定中規(guī)定塔頂產(chǎn)品規(guī)格、塔底產(chǎn)品規(guī)格，利用調(diào)節(jié)重沸器、塔頂冷卻器負荷來達到目的。此時整個流程的循環(huán)只有一重。如果通過手算給定大概正確的的撥出率，bottom rate之類的初值；對一些強極性的物性，在塔模型內(nèi)選擇適當?shù)氖諗糠椒?。那么計算是相對容量通過的。即使不通過也很容易錯在什么地方。因為只是在算一個塔而已。算通塔只后，利用計算結(jié)果，除去設(shè)計規(guī)定，直接給出相應(yīng)的重沸器、塔頂冷卻器負荷，則可以去掉一重循環(huán)。

27、    此時流程中所有的換熱器實際上只是簡單換熱器，在ASPEN PLUS就是HEATER?？梢岳肞INCH抽出各要換熱的物流的數(shù)據(jù)，在PINCH中形成大致的換熱網(wǎng)絡(luò)，即哪個物流與哪個物流換熱，換到多少度。    此時可以把流程中的簡單換熱器一個一個地用詳細換熱器代替。實際上所有的計算，尤其有循環(huán)流的情況下，好的初值是重要的，而沒有初值，就是零值，任何值除零都出錯，任何值乖零都是零。利用PINCH算出大致?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)時，可以給出各流股的初值；而算通了塔，可以給出各流股的組成；通過預(yù)估壓降可以給出在致的壓力。每算通一個換熱器以后，就用各流股的計算值代替初值，

28、這就是reconsi.的用處。    如果這樣還不行的話，再去修改相應(yīng)的整個流程收斂設(shè)置。比如broyton法就很強大，就是有時候算出來的東西有點似是而非。    總之流程模擬必須一步一步來，很多人不注意這一點，一下子搭一個很大的流程，至少出了錯看不出關(guān)鍵問題在哪里?？赡芨鯇W(xué)時，做例子的方式有關(guān)。    另外流程模擬的基礎(chǔ)是物性方法的選擇，這是一個難點。首先要對物性計算有深刻的理解，比有一本書叫流體相平衡熱力學(xué)，有很多物性計算方面的概念，可以跟ASPEN的物性指南配合看，比如對于狀態(tài)方程之類，混合規(guī)則的選擇就非常重要，而對于氣液系統(tǒng)

29、，不同來源的二元交互參數(shù)，往往有相同的計算效果。其次，對要計算的物性系統(tǒng)，總有一定的已出版的物性數(shù)據(jù)，在選定物性方法之前，可以參考別人的選擇試算。最后要仔細讀ASPEN的物性指南，比如SRK任何一本書都說它可以計算烴水系統(tǒng)，但在ASPEN中該物性方法中的OPTION CODE中要輸入適當值，才能把開啟該功能。    另外對基于液液傳質(zhì)，除非有從實驗數(shù)據(jù)回歸來的二元交互參數(shù)，否則還難得到合理的計算結(jié)果。    實際上一個流程的模擬是否順利，一方面是取決對該工藝的理解，另一方面是取決于理論上的愿不愿意深入學(xué)習(xí)，比如物性這一塊。    另外還可以參考各軟件附帶的例子，都提供了很多二元交互參數(shù)、HENREY系數(shù)。其實很多觀點跟我引用的這個技術(shù)人員觀點很接近，我雖然沒有實際生產(chǎn)經(jīng)驗，但是作為研究生已經(jīng)做了好幾個大型流程的模擬，上次做了一個流程我那部分就涉及到反應(yīng)器，精餾塔，換熱器，結(jié)晶器等模塊，過程實在是非常復(fù)雜，做了好幾個月才完成（當然其中很多時候都是收斂好了交給對方，然后他們又覺得哪里他們考慮不夠返回重新計算），在此期間也積累了一點經(jīng)驗：首先全流程的模擬不是你把所有物流，模塊連接再算，而是應(yīng)該考慮清楚大致結(jié)構(gòu)，然后分塊進行，其中包括一些模型的簡化，如開始換熱器可以先用heater代替，到最后完成流程模擬后改用heatx