過程模擬軟件AspenPlus基礎(chǔ)及實例

.PAGE.第5章過程模擬軟件AspenPlus基礎(chǔ)與實例5.1基礎(chǔ)知識Aspen工程套件〔EngineeringSuite是目前應用最廣泛的一種過程模擬軟件系統(tǒng),其功能強大,具有包括化工過程的模擬、優(yōu)化與設計在內(nèi)的很多功能。AspenPlus是Aspen工程套件中的一個重要組成部分,采用化學工程師所常用的流程求解技術(shù)實現(xiàn)對化工單元操作及整個工藝流程的模擬。本節(jié)介紹軟件使用的一些基礎(chǔ)知識。1、主窗口啟動AspenPlus之后,出現(xiàn)如圖5-1所示的主窗口,包括標題欄、菜單欄、工具欄、工藝流程窗口、模型庫與狀態(tài)欄。圖5-1AspenPlus用戶界面-主窗口2、工具欄工具欄上設置有常用的按鈕,可以快捷的進行一些操作,缺省的工具欄包括標準工具欄、數(shù)據(jù)瀏覽器工具欄、模擬運行工具欄、工藝流程工具欄等。用戶可以定制所需要的工具欄,在View菜單下,單擊Toolbar,彈出如圖2-2所示的對話框,選擇所需要顯示的操作即可。圖5-2工具欄定義對話框3、模型庫模型庫〔ModelLibrary中存放著各種單元操作模塊。如果軟件啟動后看不到模型庫,按一下F10即可顯示模型庫,也可以在View菜單下,選中ModelLibrary進行顯示。4、數(shù)據(jù)瀏覽器數(shù)據(jù)瀏覽器〔DataBrowser是顯示所需要的輸入、各種定義及計算結(jié)果的樹狀表格,在主窗口的工具欄中單擊形狀類似眼鏡的按鈕即可激活數(shù)據(jù)瀏覽器,如圖5-3所示。圖5-3AspenPlus用戶界面-數(shù)據(jù)瀏覽器打開數(shù)據(jù)瀏覽器的其它方法是按一下F8或者在Data菜單下,選中ModelLibrary進行顯示。數(shù)據(jù)瀏覽器中的狀態(tài)指示符<Statusindicator>對于工藝流程的建立、糾錯、調(diào)試等具有重要的作用,這些指示符顯示每個單獨表格及整個模擬的完整狀態(tài)。5、對象管理器每一個塊、物流或者其它模擬對象都具有一個唯一的ID。當用戶選擇數(shù)據(jù)瀏覽器中的一個文件夾時,在數(shù)據(jù)瀏覽器的表格部分就出現(xiàn)對象管理器,如圖5-4所示。圖5-4對象管理器6、Next—專家系統(tǒng)位于工具欄上數(shù)據(jù)瀏覽器圖表后面的Next按鈕是一個非常有用的專家系統(tǒng)〔ExpertSystem。它使得用戶能夠以最簡便的方式完成一個復雜的模擬：指導用戶輸入必要或可選的數(shù)據(jù)、顯示用戶下一步所要進行內(nèi)容的提示或者當用戶的規(guī)定不完整或不一致時能夠提示用戶。5.2過程模擬實例詳解軟件學習的最有效的途徑就是實踐,本節(jié)通過甲基環(huán)己烷回收的實例詳細講解AspenPlus的使用。1、模擬問題描述甲基環(huán)己烷與甲苯形成一個共沸體系,采用簡單的精餾方法很難分離。在回收塔中,使用苯酚來萃取甲苯,使得在塔頂能夠回收相對純的甲基環(huán)己烷。回收的甲基環(huán)己烷的純度依賴于苯酚進料流量。通過AspenPlus的模擬,可以研究分離的情況。甲基環(huán)己烷回收塔的操作條件為：塔的理論板數(shù)為22、采用全凝器且壓力為16psia、回流比為8、塔頂餾出物的流量為200lbmol/hr、再沸器壓力為20.2psia,原料進料位置為14、溫度為220F、壓力為20psia、甲基環(huán)己烷與甲苯各200lbmol/hr,苯酚進料位置為7、溫度為220F、壓力為20psia、流量為1200lbmol/hr。2、啟動AspenPlus程序單擊"開始"菜單中的"程序/AspenTech/ProcessModelingV7.1/AspenPlus/AspenPlusUserInterface"啟動AspenPlus的用戶界面程序,如圖5-5所示。圖5-5AspenPlus啟動路徑可以在桌面上創(chuàng)建AspenPlusUserInterface快捷方式,以后每次啟動時,單擊快捷方式就能啟動程序。程序啟動后,跳過啟動畫面后,出現(xiàn)如圖5-6的啟動對話框。圖5-6AspenPlus啟動對話框-文件方式單擊圖中的Template,然后單擊OK,利用AspenPlus內(nèi)置的模板創(chuàng)建一個新的模擬。3、選擇模板創(chuàng)建模擬AspenPlus內(nèi)置模板可以用于化學品、石油、電解質(zhì)、特殊化學品、藥物、冶金、聚合物、固體等的模擬,如圖5-7所示。圖5-7AspenPlus啟動對話框-單位與運行類型采用默認模板,注意到圖中右下角顯示運行類型為Flowsheet,正是模擬所需要的,其它的運行類型包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)回歸、性質(zhì)估計等,可以在需要的時候通過下拉菜單進行選擇。單擊OK出現(xiàn)如圖5-8的對話框。圖5-8AspenPlus啟動對話框-連接方式單擊OK,稍等片刻,出現(xiàn)如圖5-9所示的主窗口,由于還沒有進行任何的輸入,工作區(qū)目前是空白的。圖5-9主窗口4、繪制工藝流程圖在工藝流程窗口下部的模型庫中,單擊Columns標簽,出現(xiàn)一系列塔的模塊,如圖5-10所示。將鼠標放置在各個模塊上,會出現(xiàn)相應的說明。圖5-10塔模塊在該模擬中,選用RadFrac。首先,單擊RadFrac右側(cè)的三角形,出現(xiàn)可用的圖標,如圖5-11所示。圖5-11RadFrac塔的各種模塊單擊圖中頂部第二個標志為FRACT1的圖標,此時鼠標變成十字線,然后在流程圖中單擊,如圖5-12所示,完成在流程圖中放置單元操作模塊的過程。圖5-12在工藝流程中放置RadFrac模塊注意到,此時箭頭仍然為十字線,如果在流程圖上再次單擊,則出現(xiàn)第二個模塊,單擊鼠標右鍵,恢復鼠標形狀,從而進行其它的操作。在流程圖中放置單元操作模塊的過程也可以通過另一種方式實現(xiàn)：單擊圖中頂部第二個標志為FRACT1的圖標,保持鼠標左鍵按住不放,然后移動鼠標到流程圖中,釋放鼠標左鍵。然后連接相應的物流。單擊模型庫最左側(cè)的物流圖標,鼠標變成十字線,注意到此事流程圖中的塔模塊上出現(xiàn)可以連接物流的箭頭,如圖5-13所示。圖5-13RadFrac模塊上的物流連接點圖中的紅色箭頭表示必須連接物流,藍色的箭頭表示可選連接。在流程圖上單擊鼠標左鍵,生成一個物流,此時鼠標與物流相關(guān)聯(lián),將鼠標移動到與塔左側(cè)紅色箭頭相重合的地方,單擊鼠標左鍵,則建立并連接進料物流。單擊鼠標的右鍵,可以恢復鼠標的形狀,進行其它的操作。再次單擊模型庫最左側(cè)的物流圖標,鼠標變成十字線,在塔頂部的橫向紅色箭頭上單擊,建立一個物流,此時鼠標與物流相關(guān)聯(lián),將鼠標移動到空白位置,單擊左鍵,完成塔頂采出產(chǎn)品物流的建立與連接。同樣操作,可以完成塔底采出產(chǎn)品與另外一股進料物流的建立與連接。如圖5-14所示。圖5-14完整的工藝流程圖如果圖中的物流線比較凌亂,可以單擊Ctrl+A,選中所有的對象,然后在其中的塔模塊上單擊鼠標右鍵,在彈出的菜單中選擇AlignBlocks,則物流的形狀變得清晰美觀。主窗口右下角的紅色狀態(tài)指示符顯示為RequiredInputIncomplete,這表明要完成模擬,還有其它必須的輸入沒有完成。如果需要對模塊或者物流進行重新命名,可以選中模塊或者物流,單擊鼠標右鍵,在彈出的菜單中選擇RenameStream或者RenameBlock,然后在彈出的對話框中輸入相應的名稱即可,重命名后如圖5-15。圖5-15重新命名工藝物流后的工藝流程圖5、輸入標題、單位與全局設定數(shù)據(jù)單擊Next圖標,彈出如圖5-16所示的對話框,表示流程已經(jīng)繪制完整,可以顯示相關(guān)的輸入表格。圖5-16提示流程完成對話框單擊OK,即可打開數(shù)據(jù)瀏覽器,顯示應當輸入的表單,如圖5-17所示。圖5-17全局設定表格在Setup|Specifications|Global表格下,可以輸入模擬的標題〔Title,可以通過下拉菜單選擇模擬過程中所采用的單位〔Unitsofmeasurement,還可以通過進行一些全局設定,這些設定對模擬的各個部分都是適用的。6、定制報告中所要顯示的內(nèi)容單擊Setup|ReportOptions,可以觀察到AspenPlus默認設置的報告內(nèi)容,在該模擬中需要顯示摩爾分數(shù),因此單擊其中的Stream標簽,選中Fractionbasis下的Mole復選框,如圖5-18所示。圖5-18設定報告中顯示的物流信息如果用戶要顯示質(zhì)量分數(shù),同時選擇Fractionbasis下的Mass復選框即可。有時,用戶希望顯示物流的某些物性,可以通過以下方法實現(xiàn)：單擊Setup|ReportOptions|Stream|PropertySets,然后在彈出的對話框中選擇相應的物性集即可,如圖5-19所示。圖5-19物性集選擇對話框AspenPlus中內(nèi)置有五個物性集模板：HXDESIGN、THERMAL、TXPORT、VLE、VLLE。TXPORT能夠顯示物流的密度、粘度以及液相物流的表面張力。設置好后,單擊Close。7、輸入模擬中涉及的物質(zhì)單擊Next圖標,專家系統(tǒng)導航到下一個必須的操作：在Components|Specifications|Selection內(nèi)進行化學物質(zhì)的規(guī)定。單擊左下角的Find按鈕,彈出如圖5-20所示的對話框。圖5-20查找物質(zhì)對話框可以通過物質(zhì)名稱、分子式、CAS號或者分子量與沸點的范圍確定所需要的物質(zhì),比如輸入名稱等于〔equalsTOLUENE,單擊Findnow,則找到甲苯,如圖5-21。圖5-21查找物質(zhì)甲苯單擊甲苯物質(zhì),然后單擊左下角的Addselectedcompounds按鈕,將甲苯添加到模擬中去。按照同樣的方法,將苯酚與甲基環(huán)己烷也添加到模擬中去。然后單擊Close按鈕。以上完成之后,應當如圖5-22所示。圖5-22所添加物質(zhì)一覽表8、選擇適宜的熱力學方法單擊Next圖標,專家系統(tǒng)導航到熱力學方法的選擇。單擊Properties|Specifications|Global|Propertiesmethods&models|Processtype下的下拉菜單,將其選為All。單擊其下面的Basemothod的下拉菜單,可以看到AspenPlus內(nèi)置了超過50多種的物性方法。熱力學方法的選擇對模擬至關(guān)重要,很多情況下要根據(jù)具體的物系結(jié)合文獻中發(fā)表的實驗數(shù)據(jù)進行確定。本例中,熱力學方法選擇UNIFAC,如圖5-23。圖5-23選擇熱力學方法為UNIFAC然后單擊Next圖標,出現(xiàn)如圖5-24所示的對話框。圖5-24專家系統(tǒng)向?qū)υ捒騿螕鬙K,專家系統(tǒng)導航到物流相關(guān)參數(shù)的規(guī)定。9、工藝物流數(shù)據(jù)的規(guī)定在Streams|FEED|Input|Specifications表格上,輸入進料物流的溫度、壓力以及流量：溫度為220F、壓力為20psia、甲苯流量200lbmol/hr、甲基環(huán)己烷流量200lbmol/hr。輸入完成后應當如圖5-25所示,注意單位要一致。圖5-25進料物流信息規(guī)定一覽表單擊Next圖標,定位到規(guī)定苯酚物流的表格上,輸入如下數(shù)據(jù)：溫度為220F、壓力為20psia、苯酚流量1200lbmol/hr,輸入完成后應當如圖5-26所示,注意到數(shù)據(jù)輸入前后,狀態(tài)提示符由紅色變?yōu)樗{色。圖5-26所輸入的進料物流信息10、單元操作模塊相關(guān)參數(shù)的規(guī)定單擊Next圖標,專家系統(tǒng)導航到單元操作模塊的設置,出現(xiàn)如圖5-27所示的表格。圖5-27塔的輸入信息一覽表在Blocks|TA|Setup|Configuration表上,輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)：理論板數(shù)〔Numberofstages為22、冷凝器〔Condenser為全凝器〔Total、塔頂產(chǎn)品流率〔Distillaterate為200lbmol/hr、回流比〔Refluxratio為8,其它項目采用缺省值,如圖5-28。圖5-28所規(guī)定的塔配置信息狀態(tài)指示符變?yōu)樗{色,說明所需要的輸入已經(jīng)填好。然后單擊Next或者單擊Streams標簽,進入到塔中物流相關(guān)參數(shù)的設置。物流FEED的進料位置設定為14,物流PHENOL的進料位置設定為7,如圖5-29所示。圖5-29所規(guī)定的塔的進料物流配置信息單擊Next或者單擊Pressure標簽,進入到塔壓力的設置。單擊View下的下拉菜單,選擇Pressureprofile,在其中的Stage下輸入1,Pressure下輸入16,設定塔頂冷凝器的壓力為16psia,此時會自動增加一行,輸入22與20.2,設定再沸器的壓力為20.2psia。設置好后,如圖5-30所示。圖5-30所規(guī)定的塔的壓強信息11、運行模擬單擊Next,如果沒有錯誤的話,會出現(xiàn)如圖5-31所示的對話框,說明已完成所有必須的輸入,可以進行模擬。圖5-31提示運行模擬的對話框單擊OK,出現(xiàn)控制面板,模擬開始執(zhí)行,如圖5-32所示。圖5-32模擬運行后的相關(guān)信息可以看出,進行7次迭代后模擬收斂,沒有錯誤或者警告生成。如果模擬不收斂,控制面板上能夠給出很多有用的信息,可以用來找出錯誤,修正后重新模擬。12、查看模擬運行后的結(jié)果單擊Next,出現(xiàn)如圖5-33的對話框。圖5-33提示顯示結(jié)果對話框單擊OK,則顯示運行狀態(tài)結(jié)果表格,如圖5-34。圖5-34運行結(jié)果信息單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的Blocks|TA|Results,可以顯示精餾塔的計算結(jié)果,如圖5-35。圖5-35精餾塔計算結(jié)果信息以上顯示的是冷凝器的溫度與熱負荷,單擊View的下拉菜單,可以顯示再沸器的相關(guān)數(shù)據(jù)。單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的Blocks|TA|Profiles,可以顯示精餾塔內(nèi)每塊板上的溫度、壓力、氣液相流率等相關(guān)數(shù)據(jù),如圖5-36所示。圖5-36精餾塔的TPFQ結(jié)果單擊TPFQ右側(cè)的compositions標簽,可以觀察每塊理論板上的組成,如圖5-37所示。圖5-37精餾塔的組成分布單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的Blocks|ResultsSummary|Streams,可以顯示物流的計算結(jié)果,如圖5-38。圖5-38物流計算結(jié)果可以看出,塔頂甲基環(huán)己烷的純度為97.3%〔摩爾百分數(shù),下同。該數(shù)據(jù)結(jié)果可以通過單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的Streams|TOP1|Results而得到,如圖5-39。圖5-39塔頂物流計算結(jié)果13、改變條件重新運行模擬現(xiàn)在的問題是想知道如果增加萃取劑的流量,塔頂產(chǎn)品的純度是否會增加,那么單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的Streams|PHENOL|Input,將苯酚的進料量改為1800lbmol/hr,如圖5-40。圖5-40塔頂物流計算結(jié)果然后單擊Next,在彈出的對話框上單擊OK,重新運行模擬,結(jié)果如圖5-41所示。圖5-41模擬運行后的相關(guān)信息進行5次迭代后模擬收斂。按照前面講述的步驟,可以觀察到塔頂甲基環(huán)己烷的純度為98.4%,說明增加苯酚的進料量能夠提高塔頂產(chǎn)品的純度。需要指出,AspenPlus在每次計算過程中都會保留計算結(jié)果,下一次運行時,計算的初值采用上次的計算結(jié)果,這也是為何只迭代5次就能收斂的原因。如果不讓AspenPlus采用上次計算的結(jié)果作為初值,則單擊工具欄上的重新初始化圖標,彈出如圖5-42所示的對話框。圖5-42選擇重新初始化對象的對話框單擊OK,出現(xiàn)如圖5-43所示的提示。圖5-43提示重新初始化的對話框單擊OK就實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重新初始化。此時單擊Next重新運行模擬,可以看出仍然需要7次迭代,但是得到的結(jié)果完全相同。當然如此手動修改條件進行重復模擬的效率是很低的,在后面的小節(jié)里介紹的靈敏度分析與設計規(guī)定可以提高模擬與優(yōu)化的效率。14、生成報告并保存文件用戶可以生成包括模擬規(guī)定與計算結(jié)果的報告文件。單擊File菜單,選擇Export,彈出如圖5-44所示的對話框。圖5-44保存路徑與文件名在保存文件類型中選擇ReportFile<*.rep>。輸入文件名后單擊Save就可以生成報告文件。以后就可以在不啟動AspenPlus的情況下,使用文件編輯器打開報告文件。也可以在AspenPlus中選擇View|Report觀察報告文件,則彈出如圖5-45所示的對話框。圖5-45選擇顯示報告的對象選中相應的內(nèi)容,單擊OK,則可以觀察報告文件的內(nèi)容,如圖5-46。圖5-46報告文件內(nèi)容運行模擬之后,可以選擇File|Saveas保存文件并退出AspenPlus。保存文件時需要注意文件的擴展名,常用的文件格式有兩種|：apw文件與bkp文件。apw文件是Aspen的標準文檔,包括模擬輸入、模擬結(jié)果以及中間收斂的信息,文件較大,適用于大的流程合并時采用；bkp文件是備份文件,含有輸入規(guī)定與模擬結(jié)果,但是不含有中間收斂信息,文件較小,而且不同版本之間是向上兼容的。15、AspenPlus流程模擬的一般步驟通過以上的實例詳解,可以總結(jié)出使用AspenPlus進行化工過程模擬的一般步驟主要包括：⑴啟動程序；⑵選用模板創(chuàng)建模擬；⑶利用模型庫建立工藝流程；⑷設定全局特性；⑸定制所要顯示的結(jié)果；⑹輸入化學組分信息；⑺選用物性計算方法和模型；⑻規(guī)定進料物流信息；⑼規(guī)定單元模塊參數(shù)；⑽運行模擬；⑾查看結(jié)果；⑿改變條件重新模擬；⒀生成報告并保存模擬項目。5.3模型庫與單元操作模塊AspenPlus的模型庫提供了豐富的能夠模擬化工單元操作過程的各種模塊,共分為九大類：混合器/分割器、分離器、換熱器、塔、反應器、壓力改變器、控制器、固體、用戶模型,限于篇幅,僅作簡要介紹。1、混合器/分割器混合器/分割器包括Mixer〔流股混合器、FSplit〔分割器和SSplit〔子物流分割器三個模塊,如圖5-47所示。Mixer可用于將多股物流〔或熱流、功流混合,一個Mixer模塊只能混合相同類型的流股。當混合熱流或功流時,不需要任何規(guī)定。當混合物料流時,可以規(guī)定出口壓力或壓降。FSplit可以把相同類型的流股〔物流、熱流或功流混合并把混合后的流股分成兩股或更多的流股,所有出口物流具有與混合后的入口物流相同的組成和條件。SSplit的作用是將物流混合并把物流分成兩股或多股物流〔不包括熱流或功流,具有相同的組成、溫度和壓力,流率可以不同。圖5-47混合器/分割器模塊2、分離器分離器包括Flash〔閃蒸罐、Decanter〔液-液傾析器和Sep〔組分分離器三個模塊,如圖5-48所示。Flash分為Flash2〔兩股出口閃蒸罐和Flash3〔三股出口閃蒸罐兩個模塊,前者采用嚴格的氣-液或氣-液-液平衡把進料物流分成三股出口物流,可以用做單級相平衡分離器、閃蒸罐、蒸發(fā)器,后者用嚴格的氣-液-液平衡把進料物流分成三股出口物流,可以用做分層器與具有兩個液相的單級分離器。Decanter用于模擬分層器或無氣相的單級分離器,可以進行液-液平衡與液體-游離水計算。Sep用于將物流混合并把混合后的物流按每個組分的分離規(guī)定分成兩股或更多股的物流,這在化工過程設計中是很有用的,因為有時候分離的細節(jié)不太重要或者尚不明確,用Sep模型代替嚴格分離模型可以很好的完成整個工藝流程的模擬。圖5-48分離器模塊3、換熱器換熱器包括Heater〔加熱器或冷卻器、HeatX〔兩股物流的換熱器、MeatX〔多股物流的換熱器、Hetran〔與B-JACHetran程序相關(guān)的界面模塊、Aerotran〔與B-JACAerotran空氣冷卻換熱器相關(guān)的界面模塊、HXFlux〔傳熱計算模型、THRIXIST〔與THRI換熱程序相關(guān)的界面模塊7種模塊,如圖5-49所示。Heater用于加熱器、冷卻器、冷凝器等的模擬,可以確定出口物流的熱狀況與相態(tài)。HeatX用于兩流股之間的換熱,當換熱器確定時也可以校核管殼式換熱器,完成具有單相和兩相物流的傳熱系數(shù)和壓降估算的全區(qū)域分析,能夠進行污垢熱阻的估算。MeatX用來模擬諸如液化天然氣換熱器的多股熱流和冷流之間的傳熱情況,能夠保證總的能量平衡,不考慮換熱器的幾何尺寸。Hetran是設計和模擬管殼式換熱器B-JACHetran的程序界面。Aerotran可以用來模擬各種類型的空冷換熱器,是設計和模擬空冷換熱器B-JACAerotran的程序界面。HXFlux利用對流傳熱進行熱源與散熱片之間的傳熱計算。THRIXIST是設計和模擬管殼式換熱器HTRI'sXist的程序界面。圖5-49換熱器模塊需要指出,在新版本的Aspen套件中,有專門的計算換熱器的程序,其功能更為詳盡,可以參閱相關(guān)的專門教程。4、塔塔是化工工業(yè)生產(chǎn)過程中用到的最廣泛、最重要的設備,AspenPlus中的塔模塊包括DSTWU〔使用Winn-Underwood-Gilliland方法的簡捷精餾設計、Distl〔使用Edmister方法的簡捷精餾核算、RadFrac〔單一塔嚴格的兩相或三相分餾、Extract〔液體與溶劑的嚴格逆流萃取、MultiFrac〔復雜塔的嚴格分餾、SCFrac〔復雜塔的簡捷精餾、PetroFrac〔石油煉制的嚴格分餾、RateFrac模型〔基于速率的非平衡模型嚴格分餾、BatchFrac〔嚴格的兩相或三相間歇精餾共九個模塊,如圖5-50所示。圖5-50塔模塊5、反應器反應器包括RStoic〔化學計量反應器、RYield〔基于已知產(chǎn)率分布的非化學計量反應器、REquil〔基于化學計量方法的嚴格平衡反應器、RGibbs〔基于吉布斯自由能最小的嚴格反應或多相平衡、RCSTR〔嚴格的連續(xù)攪拌釜反應器、RPlug〔嚴格的平推流反應器和RBatch〔嚴格的間歇或半連續(xù)反應器,如圖5-51所示。圖5-51反應器模塊6、壓力改變器壓力改變器包括Pump〔泵或透平機、Compr〔壓縮機或透平機、MCompr〔多級壓縮機或透平機、Valve〔閥門、Pipe〔單段管道以及Pipeline〔多段管道,如圖5-52所示。圖5-52壓力改變器模塊7、控制器控制器包括Mult〔物流倍增器、Dupl〔物流復制器、Clchng〔物流類別改變器、Analyzer〔EO物流性質(zhì)計算器、Feedbl〔物流分析器、Selector〔物流選擇器、Qtvec〔加載物流控制器、Measurement〔工廠數(shù)據(jù)測試器、Design-Spec〔設計規(guī)定、Calculator〔計算器、Transfer〔轉(zhuǎn)移器,如圖5-53所示。圖5-53控制器模塊8、固體固體包括Crystallizer〔結(jié)晶器、Crusher〔固體粉碎機、Screen〔篩分、FabFl〔使用織物過濾器、Cyclone〔旋風分離器、VScrub〔文丘里滌氣器、ESP〔電除塵器、HyCyc〔水力旋流器、CFuge〔離心機、Filter〔旋轉(zhuǎn)真空過濾器、Swash〔單級固體洗滌器、CCD〔多級固體洗滌器、Dryer〔固體干燥器,如圖5-54所示。圖5-54固體模塊9、用戶模型用戶模型包括User〔用戶定義的操作模型,輸入與輸出物流的總數(shù)少于4個、User2〔用戶定義的操作模型,輸入與輸出物流的數(shù)目沒有限制、User3〔用戶定義的操作模型,采用聯(lián)立方程法求解、Hierarchy〔分等級塊,用于復雜模擬,如圖5-55所示。圖5-55用戶模型5.4物性分析估計與數(shù)據(jù)回歸對于流體的物理性質(zhì),AspenPlus提供的物性分析與物性估計功能非常有用,在數(shù)據(jù)瀏覽器的Setup|Specifications|Global|Globalsettings|Runtype:中的下拉菜單可以進行設置,如圖5-56所示。圖5-56規(guī)定運行類型為物性分析性質(zhì)分析功能顯示諸如臨界壓縮因子、比熱、密度、粘度、熱導率的純組分數(shù)值以及取自各種資料庫的混合物特性。對于用戶定義的組分,物性估計的功能能為用戶提供相對可靠的估計數(shù)據(jù)。1、純組分的物性分析Aspen物性系統(tǒng)〔PhysicalPropertySystem主要數(shù)據(jù)庫是Pure22,其中包括物質(zhì)的各種性質(zhì)：⑴普適常數(shù),比如臨界溫度與臨界壓力；⑵溫度與過渡性質(zhì),比如沸點與三聯(lián)點；⑶參考態(tài)性質(zhì),比如焓與吉布斯自由能；⑷熱力學性質(zhì),比如液體-蒸汽壓；⑸傳輸性質(zhì),比如液體粘度；⑹安全性質(zhì),比如閃點與燃燒極限；⑺Unifac模型的官能團信息；⑻Soave–Redlich–Kwong與Peng–Robinson狀態(tài)方程的參數(shù)；⑼石油相關(guān)的性質(zhì),比如API比重、辛醇數(shù)、芳烴含量、氫含量與硫含量；⑽具體到模型的參數(shù),比如Rackett與Uniquac參數(shù)。打開前文所作的模擬,利用數(shù)據(jù)瀏覽器的Setup|Specifications|Global|Globalsettings|Runtype:中的下拉菜單將運行類型設置為性質(zhì)分析,如圖5-56所示。選擇Tools|RetrieveParameterResults,彈出如圖5-57所示的對話框。圖5-57提取參數(shù)結(jié)果對話框單擊OK,彈出的對話框,提示可以查看參數(shù)結(jié)果,如圖5-58。圖5-58查看參數(shù)結(jié)果對話框單擊OK,然后單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的Properties|Parameters|Results|Purecomponent,可以查看相關(guān)的性質(zhì)數(shù)據(jù),如圖5-59。圖5-59查看與溫度無關(guān)的性質(zhì)數(shù)據(jù)純組分與溫度有關(guān)的性質(zhì)可以通過單擊Scalar標簽右側(cè)的T-Dependent標簽得到,在Parameter的下拉菜單下選擇參數(shù)Plxant-1,則調(diào)出三種物質(zhì)的擴展安托因方程系數(shù),如圖5-60所示。圖5-60查看與溫度有關(guān)的性質(zhì)數(shù)據(jù)此外,AspenPlus提供了豐富的圖形化表達方式。對于上面的例子,可以利用作圖功能繪制出不同溫度三種物質(zhì)的飽和蒸汽壓,則會使得物性數(shù)據(jù)更加清晰明了。單擊Tools|Analysis|Property|Pure,如圖5-61。圖5-61選擇純組分性質(zhì)分析出現(xiàn)如圖5-62的窗口。圖5-62純組分性質(zhì)分析的規(guī)定在上圖中,單擊Property|Property的下拉菜單,選擇PL,即飽和蒸汽壓；單擊Property|Units的下拉菜單,選擇kPa；單擊Components下兩個方框中間的第二個按鈕,將三個物質(zhì)都選中；單擊Temperature|Units的下拉菜單,選擇C,即攝氏度；將Upper右側(cè)的數(shù)值設定為120；如圖5-63所示。圖5-63純組分性質(zhì)分析的規(guī)定單擊下部中間的Go按鈕,則繪制出不同溫度下三種物質(zhì)的飽和蒸汽壓,如圖5-64。圖5-64三種物質(zhì)的飽和蒸汽壓類似的,可以做出圖形化表達的其它物性。2、混合物相圖的繪制對于混合物來說,性質(zhì)分析可以在用戶選擇的溫度范圍內(nèi)以圖形化的方式顯示兩相與三相的相平衡數(shù)據(jù)。打開前文所作的模擬,在AspenPlus主菜單下,選擇Tools|Analysis|Property|Binary,如圖5-65。圖5-65二元組分性質(zhì)分析的規(guī)定出現(xiàn)二元分析對話框,在Analysistype中包括可用的分析類型：TxyandPxy分析用于研究汽液體系的非理想性,是否形成共沸物。Gibbsenergyofmixing用于觀察體系是否會形成兩個液相。選擇Txy,其余的采用系統(tǒng)的缺省值,如圖5-66。圖5-66二元組分性質(zhì)分析的規(guī)定單擊Go,應用缺省的設置并開始分析,計算完成后,結(jié)果以表格的形式出現(xiàn),同時自動顯示一個T-xy圖,如圖5-67所示。圖5-67Txy相圖在圖的內(nèi)部單擊鼠標可以顯示相應的坐標,從圖中可以看出,體系含有一個共沸物。單擊圖形右上角的關(guān)閉按鈕,關(guān)閉圖形,則顯示以表格形式顯示的計算結(jié)果,如圖5-68。圖5-68txy數(shù)據(jù)表可以觀察所計算的活度系數(shù)、K值、溫度與組成,可以拖動滾動條觀察所有的數(shù)據(jù)。表格的下邊有一個PlotWizard,可以用來繪制相關(guān)的圖形。單擊PlotWizard,出現(xiàn)PlotWizardStep1對話框,如圖5-69。圖5-69繪圖向?qū)Р襟E1單擊Next,出現(xiàn)PlotWizardStep2對話框,選擇所要繪制圖形的類型,選擇YX圖標,如圖5-70。圖5-70繪圖向?qū)Р襟E2單擊Next,出現(xiàn)PlotWizardStep3對話框,如圖5-71,繪圖變量的單位采取缺省設置。圖5-71繪圖向?qū)Р襟E3單擊Next,出現(xiàn)PlotWizardStep4對話框,如圖5-72,對于圖中顯示的信息采取缺省設置。圖5-72繪圖向?qū)Р襟E4單擊Finish,生成繪圖,如圖5-73。圖5-73繪制xy圖采用同樣的方法,可以繪制活度系數(shù)的圖形,如圖5-74所示。圖5-74繪制無限稀釋活度系數(shù)圖從圖上可以觀察無限稀釋的活度系數(shù)。3、估計非數(shù)據(jù)庫組分的物性在化工過程設計與模擬過程中,有時遇到某些物質(zhì)并沒有包含在AspenPlus數(shù)據(jù)中,可以使用AspenPlus中的物性常數(shù)估計系統(tǒng)〔PCES,可以估計諸如臨界壓力的純組分物性。狀態(tài)方程是估計某些物性的一種重要方法,由于狀態(tài)方程的參數(shù)主要由臨界性質(zhì)確定,因此提供所要估計組分的沸點與蒸汽壓等實驗數(shù)據(jù)對于估計很有幫助。比如丁烯酮〔MVK,在AspenPlus的數(shù)據(jù)庫中并沒有這個物質(zhì),因此需要運行AspenPlus中的物性估計來估計丁烯酮的未知性質(zhì)參數(shù)?？梢圆榈蕉∠┩缦滦畔ⅲ篊AS號78-94-4,分子結(jié)構(gòu)為CH3COCH＝CH2,摩爾質(zhì)量70.09g·mol?1,沸點81.4℃,密度為0.8407g/cm3⑴啟動AspenPlus并創(chuàng)建模擬。單擊AspenPlusUserInterface,選擇Template并單擊OK,在運行類型中選擇性質(zhì)估計〔PropertyEstimation,如圖5-75。圖5-75規(guī)定運行類型為性質(zhì)估計⑵輸入組分ID并規(guī)定估計的性質(zhì)。單擊Components|Specifications|Selection表格,輸入組分的ID,本例中輸入MVK,由于該組分是未知組分,不必輸入組分名稱與分子式,如圖5-76所示。圖5-76輸入組分ID單擊Next,進行全局參數(shù)的設置。再次單擊Next,出現(xiàn)Properties|Estimation|Input|Setup表格,規(guī)定要估計的性質(zhì),本例中采用缺省的估計選項,即估計所有缺少的參數(shù),如圖5-77。圖5-77規(guī)定估計所有缺少的參數(shù)⑶輸入分子結(jié)構(gòu)。單擊Next,彈出對話框,提示組分為未知組分,如圖5-78。圖5-78提示未知組分的對話框選擇最下面的選項,即輸入分子結(jié)構(gòu),然后單擊OK,進入的組分輸入向?qū)?如圖5-79。圖5-79組分輸入對象管理器單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的Properties|MolecularStructure,單擊MVK前面的圓圈選擇該物質(zhì),出現(xiàn)Properties|MolecularStructure|THIAZOLE|General表格,如圖5-80。圖5-80一般信息表格可以使用普通方法或者官能團方法定義分子結(jié)構(gòu),不過都較為繁瑣。一種簡單的方法是通過mol文件導入分子結(jié)果信息,在網(wǎng)站上查到該分子的mol文件并保存在電腦上。單擊右上角的Structure標簽,然后單擊ImportStructure,定位到mol文件的存儲位置,單擊Open,導入分子結(jié)構(gòu),如圖5-81所示。圖5-81導入分子結(jié)構(gòu)單擊CalculateBonds,彈出對話框,如圖5-82所示。圖5-82分子結(jié)構(gòu)信息單擊OK,完成計算。然后單擊General標簽,觀察相應的各個原子之間的連接與成鍵的信息,如圖5-83。圖5-83分子連接信息⑷輸入已有物性的實驗數(shù)據(jù)。分子結(jié)構(gòu)信息足以讓AspenPlus進行物性估計。輸入已有的數(shù)據(jù)能夠提高AspenPlus估計的準確性,因此在進行物性估計時,應當輸入盡可能多的已知數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)瀏覽器中單擊Properties|Parameters|PureComponent,出現(xiàn)對象管理器。單擊New。在NewPureComponentParameters對話框中,選擇Scalar,如圖5-84。圖5-84建立一個新的純組分標量參數(shù)輸入新的名稱TBMW〔用以表示沸點和分子量,并單擊OK。出現(xiàn)Properties|Parameters|PureComponent|TBMW|Input表格。單擊表格中Component的下拉菜單,選中MVK,如圖5-85所示。圖5-85選定物質(zhì)單擊表格中Parameters的下拉菜單,選中TB,即沸點。單擊表格中Units的下拉菜單,選中C表示沸點是以攝氏度表示的。在第四列〔在Component的地方中,輸入81.4。單擊Parameters的地方的第二行,單擊下拉菜單選擇MW,即分子量,在第四列〔在Component的地方中,輸入70.09。完成后如圖5-86所示。圖5-86輸入沸點與摩爾質(zhì)量數(shù)據(jù)至此,完成純組分性質(zhì)數(shù)據(jù)的輸入,可以運行PCES了。當然如果用戶手頭上還有其它與溫度有關(guān)的實驗數(shù)據(jù),也可以輸入。⑸運行物性常數(shù)估計并查看結(jié)果。單擊Next,彈出對話框,單擊OK,又一次彈出對話框,繼續(xù)單擊OK,如圖5-87,提示用戶是否進行模擬。圖5-87提示輸入完成的性質(zhì)估計對話框單擊OK,開始物性常數(shù)估計,結(jié)果如圖5-88。圖5-88性質(zhì)估計運行結(jié)果由于沒有使用官能團,所以忽略警告信息,關(guān)閉控制面板。單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的ResultsSummary|RunStatus,顯示的信息為計算完成,但是有警告。單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的Properties|Estimation|Results,出現(xiàn)PureComponents表格,其中有估計的純組分性質(zhì),如圖5-89所示。圖5-89估計的純組分與溫度無關(guān)的性質(zhì)單擊T-Dependent標簽,出現(xiàn)T-Dependent表格,其中含有估計的多項式參數(shù),用以模擬與溫度有關(guān)的物性,如圖5-90。圖5-90估計的純組分與溫度有關(guān)的性質(zhì)⑹保存文件并在其它模擬中調(diào)用。將該文件保存為備份文件bkp文件,可以將其應用到含有該物質(zhì)的流程模擬中。保存文件的方法前文已經(jīng)講述,下面講述如何在流程中導入備份的文件。打開一個流程模擬程序。單擊File|Import并且選擇剛才保存的備份文件并單擊Open,出現(xiàn)Information對話框,如圖5-91。圖5-91載入文件對話框單擊OK。按F8,打開數(shù)據(jù)瀏覽器。單擊Setup|Specifications|Global。然后將運行類型改為Flowsheet,然后就可以進行模擬。在數(shù)據(jù)瀏覽器中,單擊Properties|Estimation|Input,由于已估計了所需要的參數(shù),所以選擇Donotestimateanyparameters,如圖5-92所示。圖5-92估計輸入設定經(jīng)過以上步驟,在新的流程模擬中就包括了前面所估計的物性。4、相平衡實驗數(shù)據(jù)的回歸AspenPlus的數(shù)據(jù)回歸系統(tǒng)〔DataRegressionSystem可以用于擬合諸如蒸汽壓的純組分物性數(shù)據(jù),但是其主要用途是進行多組分汽液平衡〔VLE與液液平衡〔LLE實驗數(shù)據(jù)的熱力學模型相關(guān)參數(shù)的回歸。作為實例,研究乙醇與乙酸乙酯的汽液平衡數(shù)據(jù)的熱力學模型參數(shù)的回歸,查相關(guān)文獻,可以得到40℃與70℃的pxy數(shù)據(jù)〔Martl,Collect.Czech.Chem.Commun.37,266<1972>與常壓下的txy數(shù)據(jù)〔OrtegaJ.andPenaJ.A.,J.Chem.Eng.Data31,339<1986>的數(shù)據(jù),列于下表中。表5-140℃與70℃的pxy數(shù)據(jù)t℃pxy40136.60.00600.022040150.90.04400.144040163.10.08400.227040183.00.18700.370040191.90.24200.428040199.70.32000.484040208.30.45400.560040210.20.49500.574040211.80.55200.607040213.20.66300.664040212.10.74900.716040204.60.88500.829040200.60.92000.871040195.30.96000.9280t℃pmmHgxy70548.60.00650.017570559.40.01800.046070633.60.13100.237070664.60.21000.321070680.40.26300.367070703.80.38700.454070710.00.45200.493070712.20.48800.517070711.20.62500.597070706.40.69100.641070697.80.75500.681070679.20.82200.747070651.60.90300.839070635.40.93200.888070615.60.97500.9480表5-2常壓下的txy數(shù)據(jù)txytxytxy78.450074.000.19920.303672.100.68540.616977.400.02480.057773.800.20980.314372.300.71920.647577.200.03080.070673.700.21880.323472.500.74510.672576.800.04680.100773.300.24970.351772.800.77670.702076.600.05350.111472.700.30860.400273.000.79730.722776.400.06150.124572.400.33770.422173.200.81940.744976.200.06910.139172.300.35540.433173.500.83980.766176.100.07340.144772.000.40190.461173.700.85030.777375.900.08480.163371.950.41840.469173.900.86340.791475.600.10050.186871.900.42440.473074.100.87900.807475.400.10930.197171.850.44700.487074.300.89160.821675.100.12160.213871.800.46510.493474.700.91540.850475.000.12910.223471.750.47550.499575.100.93670.879874.800.14370.240271.700.51000.510975.300.94450.891974.700.14680.244771.700.56690.531275.500.95260.903874.500.16060.262071.750.59650.545275.700.96340.920874.300.16880.271271.800.62110.565276.000.97480.934874.200.17410.278071.900.64250.583176.200.98430.952674.100.17960.283672.000.66950.604076.400.99030.968677.1511⑴建立一個數(shù)據(jù)回歸。單擊AspenPlusUserInterface,選擇Template并單擊OK,在運行類型中選擇數(shù)據(jù)回歸DataRegression。單擊OK。在Components|Specifications|Selection表中定義組分：乙醇與乙酸乙酯,如圖5-93所示。圖5-93組分輸入在Properties|Specifications|Global表中選擇物性方法為NRTL,如圖5-94。圖5-94選擇熱力學模型⑵輸入相平衡實驗數(shù)據(jù)。單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的Properties|Data,出現(xiàn)對象管理器,單擊Data對象管理器上的New,在彈出的對話框中,輸入一個ID,在SelectType下拉菜單中選擇MIXTURE,如圖5-95。圖5-95新建性質(zhì)數(shù)據(jù)ID單擊OK,進入到所建立的數(shù)據(jù)集表格。在Setup表的DataType上,選擇數(shù)據(jù)的類型,本例為汽液平衡,實驗數(shù)據(jù)為pxy,所以選擇PXY的數(shù)據(jù)類型。從AvailableComponents名單中選擇組分,并使用右箭頭將它們移動到SelectedComponents名單中。在Constanttemperatureorpressure下,規(guī)定固定的溫度或壓力,在temperature的右側(cè)輸入40,并在下拉菜單中選擇C,即攝氏度。完成以上操作后,如圖5-96所示。圖5-96選擇組分并規(guī)定溫度單位單擊Data標簽,輸入實驗數(shù)據(jù),性質(zhì)數(shù)據(jù)的標準偏差采用系統(tǒng)的缺省值,如圖5-97所示。注意,數(shù)據(jù)回歸設定如下的缺省標準偏差數(shù)據(jù)：溫度為0.1度,壓力與液相組成為0.1%,氣相組成與性質(zhì)為1.0%。圖5-97輸入40℃在Properties|Data的對象管理器,單擊New,建立一個數(shù)據(jù)集,將70℃下的pxy實驗數(shù)據(jù)輸入,如圖5-98圖5-98輸入70℃類似的,建立一個數(shù)據(jù)集,將常壓下的txy數(shù)據(jù)輸入,如圖5-99所示。圖5-99輸入常壓下的txy實驗數(shù)據(jù)⑶實驗數(shù)據(jù)的圖形化表達。輸入數(shù)據(jù)后,可以將輸入的數(shù)據(jù)進行繪圖,可以形象直觀的觀察數(shù)據(jù)是否錄入錯誤等。選中一個數(shù)據(jù)集,本例中選擇D-3,單擊菜單欄中的Plot,在彈出的下拉菜單中選擇PlotWizard,如圖5-100。圖5-100選擇繪圖向?qū)棾鋈鐖D5-101所示對話框。圖5-101繪圖向?qū)Р襟E1單擊Next,出現(xiàn)繪圖類型的界面,如圖5-102。圖5-102繪圖向?qū)Р襟E2由于該數(shù)據(jù)集是txy,因此選擇圖中的第一個圖形,然后單擊Next,如圖5-103。圖5-103繪圖向?qū)Р襟E3單擊Next,出現(xiàn)繪圖選項的設置,如圖5-104。圖5-104繪圖向?qū)Р襟E4單擊Finish,則繪制出實驗數(shù)據(jù)的圖形,如圖5-105。圖5-105實驗數(shù)據(jù)繪圖⑷創(chuàng)建并運行數(shù)據(jù)回歸。在數(shù)據(jù)瀏覽器中單擊Properties|Regression,打開其對象管理器,并單擊其上的New,在CreateNewID對話框中,輸入ID,如圖。圖5-106創(chuàng)建回歸ID單擊OK。在Properties|Regression|R-1|InputSetup表的PropertyOptions表格中,規(guī)定性質(zhì)方法為NRTL,單擊DataSet的下拉菜單,將前面輸入的數(shù)據(jù)集調(diào)出,并采用默認的設置,如圖5-107。需要指出,圖中選擇PerformTest復選框,意味著會進行熱力學一致性檢驗。TestMethod列表框下顯示用來進行一致性檢驗的方法為面積檢驗法,此外還可以使用Reject復選框,選擇是否拒絕沒有通過熱力學一致性檢驗的數(shù)據(jù)集。圖5-107規(guī)定性質(zhì)方法并選擇數(shù)據(jù)集注意,熱力學一致性檢驗檢驗可能由于以下原因而失?。簲?shù)據(jù)含有錯誤,有可能原始數(shù)據(jù)錯誤或數(shù)據(jù)錄入過程出錯；氣相狀態(tài)方程模型不適用于所研究物系氣相的非理想性；數(shù)據(jù)點不充分或者數(shù)據(jù)僅僅涉及很小的濃度范圍。要獲得有意義的一致性檢驗結(jié)果,輸入整個有效組成范圍內(nèi)的數(shù)據(jù),如果數(shù)據(jù)僅僅涉及一個窄的組成范圍,則可以忽略檢驗結(jié)果。單擊Parameters表格,輸入要回歸的參數(shù),由于VLE數(shù)據(jù)覆蓋一個寬溫度范圍,選擇二元參數(shù)進行回歸,進行如圖5-108所示的設置。圖5-108設置回歸的二元交互作用參數(shù)單擊Next,彈出輸入對話框,單擊OK,彈出對話框提示可以進行回歸,繼續(xù)單擊OK,如圖5-109,選擇所要進行的回歸。圖5-109選擇所要進行的回歸如果定義多個回歸,可以選擇回歸的數(shù)量與順序,由于回歸參數(shù)值在隨后的案例中自動使用,因此回歸的運行順序能夠影響回歸的結(jié)果。本例中僅僅定義一個回歸,所以直接單擊OK即可?；貧w運行后,彈出對話框,提示是否覆蓋原有的參數(shù),如圖5-110。圖5-110參數(shù)選項提示信息⑸查看并分析回歸結(jié)果。單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的Properties|Regression|R-1|Results,出現(xiàn)RegressionResults回歸結(jié)果表格,如圖5-111,可以查看回歸得到的參數(shù)值。圖5-111回歸得到的參數(shù)值可以通過參數(shù)、平方和、一致性檢驗確定擬合的結(jié)果好壞,通常來說,一個回歸參數(shù)來的標準偏差為0.0表明參數(shù)在其邊界上,均方根誤差對于VLE數(shù)據(jù)來說小于10,對LLE數(shù)據(jù)來說小于100,VLE數(shù)據(jù)要通過熱力學一致性檢驗。單擊頂部右側(cè)的SumofSquares標簽,可以檢查加權(quán)平均方差以及均方根誤差。圖5-112回歸結(jié)果的均方根誤差單擊頂部的ConsistencyTests標簽,檢查熱力學一致性檢驗的結(jié)果,如圖5-113,說明所有的數(shù)據(jù)集通過了RedlichKister面積檢驗。圖5-113熱力學一致性檢驗的結(jié)果單擊頂部的Residual標簽,檢查壓力、溫度與組成擬合的殘差,如圖5-114。圖5-114回歸的殘差⑹回歸結(jié)果的圖形化表達。瀏覽RegressionResults表格的同時,用戶可以使用PlotWizard生成回歸結(jié)果的繪圖,AspenPlus提供各種預定義的繪圖。在確保打開Properties|Regression|R-1|Results|Residual表格的前提下,擊PlotWizard,出現(xiàn)PlotWizardStep1窗口。單擊Next,出現(xiàn)PlotWizardStep2窗口,如圖5-115。圖5-115繪圖向?qū)Р襟E2選擇最下面的Residual圖形,然后單擊Next,出現(xiàn)PlotWizardStep3窗口,如圖5-116,選擇其中的PRESSURE。圖5-116繪圖向?qū)Р襟E3單擊Next,出現(xiàn)PlotWizardStep4窗口。單擊Finish,出現(xiàn)殘差對性質(zhì)的圖形,如圖5-117所示,顯示誤差如何分布。如果測量數(shù)據(jù)不含有系統(tǒng)誤差,偏差應當隨機分布在零軸附近。圖5-117殘差繪圖類似的,可以繪制實驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果的對比圖,圖5-118對比了數(shù)據(jù)集1的實驗結(jié)果與計算結(jié)果。其中,實驗數(shù)據(jù)用符號表示,計算值用線表示。利用這些圖形,能夠評價擬合的質(zhì)量,確定壞的數(shù)據(jù)點。圖5-118實驗數(shù)據(jù)結(jié)果與計算結(jié)果對比圖可以在一個圖中繪制幾種回歸的結(jié)果從而對比相同數(shù)據(jù)集擬合過程中幾種性質(zhì)模型的優(yōu)劣,這通過選擇PlotWizard上的AddtoPlot實現(xiàn)。5.5概念設計與應用AspenPlus中已經(jīng)集成了概念設計,能夠?qū)崿F(xiàn)確定多組分混合物中存在的均相與非均相共沸物、自動計算三元混合物的精餾邊界和殘余曲線圖、計算三元混合物的多個液體相包線〔液—液和氣—液—液、確定精餾塔分離的可行性等功能,在流程模擬環(huán)境中就能實現(xiàn)。打開所作甲基環(huán)己烷回收塔的模擬文件,點擊Tools菜單欄,接著點擊ConceptualDesign,如圖5-119。圖5-118選擇概念設計然后選擇AzeotropeSearch或者TernaryMaps,可以進行共沸物和三元相圖分析。在進行分析之前,應當確保輸入所要分析的組分及適宜的物性方法。在AzeotropeAnalysis或TernaryMaps對話框的任意區(qū)域按F1鍵可以得到詳細的使用說明。1、共沸物搜索與結(jié)果顯示共沸物搜索能夠確定均相以及非均相混合物中特定組成下具有固定沸點的兩種或多種組分。點擊Tools菜單欄,接著點擊ConceptualDesign,選擇AzeotropeSearch,出現(xiàn)AzeotropeAnalysis對話框,并打開Input表,如圖5-119。圖5-119共沸物搜索的用戶界面在中間ComponentList下的方框內(nèi),單擊組分前的復選框,選擇三種物質(zhì),其它使用系統(tǒng)默認值。單擊左側(cè)的AzeotropeAnalysis|Output|Report,AspenPlus進行共沸物的搜索,結(jié)果如圖5-120所示。圖5-120共沸物搜索結(jié)果可以看出,該體系中共有一個共沸物,同時給出分別以摩爾與質(zhì)量為基礎(chǔ)的共沸組成及共沸溫度。單擊左側(cè)的AzeotropeAnalysis|Output下的PureComponent、Azeotropes或SingularPoints,可以以表格數(shù)據(jù)的形式顯示計算結(jié)果,如圖5-121。圖5-121表格形式給出的搜索結(jié)果2、三元相圖的功能與物性方法三元相圖是研究三元體系氣—液平衡〔VLE和液—液平衡〔LLE的強大工具,AspenPlus中的三元相圖包括共沸物、精餾邊界、殘余曲線、精餾曲線、等揮發(fā)度曲線、聯(lián)接線、氣相曲線、沸點溫度與標記等,選擇其中的幾項,會在相圖上進行相應的顯示。點擊Tools菜單欄,接著點擊ConceptualDesign,選擇TernaryMaps,如圖,出現(xiàn)TernaryMaps對話框,如圖5-122。圖5-122三元繪圖對話框設置繪制的組分、條件、物性方法與計算選項,然后點擊面板左側(cè)的TernaryPlot,結(jié)果如圖5-123。圖5-123三元繪圖當規(guī)定三元相圖時,選擇一種物性模型用于VLE〔或VLLE計算,選擇一個單獨的模型用于LLE計算。VLE/VLLE模型用于生成殘余曲線、精餾線和等揮發(fā)度曲線的數(shù)據(jù),也用于搜索共沸物。當設定為兩相時,氣—液平衡計算不檢查產(chǎn)生第二個液相的可能。若設定為三相,ConceptualDesign在進行閃蒸計算時會檢查是否存在兩個液相。LLE方法用于檢查在第一步中確定的共沸組成是否會導致泡點下某個溫度時的兩個液相,并能顯示不互溶區(qū)所需要的數(shù)據(jù)。所采用的物性方法應該適用于模擬非理想體系,推薦采用諸如NRTL和UNIQUAC的活度系數(shù)模型方法。圖中最右側(cè)列出可供使用的按鈕,可以處理和定制三元相圖,或者在圖中單擊鼠標右鍵,利用快捷菜單里的命令進行繪圖。單擊鼠標右鍵,選擇Add|Curve,如圖5-124。圖5-124添加精餾曲線鼠標變成十字符,在圖中單擊鼠標,則自動繪制出精餾曲線。3、ConSep的設置與應用在AspenPlus中安裝AspenDistillationSynthesis后,可以利用ConSep模塊對蒸餾塔進行可行性研究和設計計算,首先進行如下設置。單擊AspenPlus的Library菜單,選擇References。如果列出ConceptualDesign,選擇它旁邊的復選框。否則,點擊Browse,定位到APrSystem安裝文件夾,然后到Gui\xeq子文件夾并選擇ConceptualDesign.apm,點擊OK。在references列表上出現(xiàn)ConceptualDesign,同時在ModelLibrary里面的其它標簽之后也出現(xiàn)ConceptualDesign標簽,其中存在ConSep模塊,可以像其它模塊一樣在工藝流程中使用。5.6流程與模型分析工具AspenPlus中非常有用的工具是靈敏度分析、設計規(guī)定與優(yōu)化,下面結(jié)合實例進行介紹。1、靈敏度分析模擬的一個優(yōu)點是可以研究操作變量變化時過程性能的靈敏性,通過改變輸入,研究相應變量的變化情況,稱為靈敏度分析。以前文的甲基環(huán)己烷回收塔塔模擬為例,研究苯酚的不同進料流量下,甲基環(huán)己烷回收塔塔頂產(chǎn)品質(zhì)量純度以及冷凝器熱負荷、再沸器熱負荷的變化關(guān)系,通過靈敏度分析完成上述內(nèi)容。⑴創(chuàng)建并設置一個靈敏度分析。首先打開前文所作的甲基環(huán)己烷回收塔的模擬文件。在數(shù)據(jù)瀏覽器中單擊ModelAnalysisTools|Sensitivity,出現(xiàn)ModelAnalysisTools|Sensitivity對象管理器,點擊New,彈出CreateNewID對話框,如圖5-125。圖5-125創(chuàng)建一個靈敏度分析點擊OK,采取系統(tǒng)默認值S-1,出現(xiàn)ModelAnalysisTools|Sensitivity|S-1|Input|Define表格,如圖5-126。圖5-126靈敏度分析定義表格在Define表格中,定義所要計算變量的名稱,即產(chǎn)品純度、冷凝器熱負荷和再沸器熱負荷；在Vary表格中,規(guī)定操縱變量即苯酚流量的變化范圍和每次計算所增加的大?。辉赥abulate表格中,建立所需要的數(shù)據(jù)表格式。在Define表中點擊New,出現(xiàn)Createnewvariable對話框,輸入XMCH作為變量的名稱,如圖5-127。圖5-127創(chuàng)建一個新的變量點擊OK,彈出VariableDefinition對話框,在Category區(qū)域,選擇Streams,在Reference區(qū)域,點擊Type的下拉菜單,選擇Mole-Frac,點擊Stream的下拉菜單,選擇塔頂餾出物即TOP1,點擊Component的下拉菜單,選擇組分為C7H14-01,如圖5-128,定義甲基環(huán)己烷在塔頂中的摩爾分數(shù)這個變量為XMCH。圖5-128定義塔頂產(chǎn)品摩爾分數(shù)的變量點擊Close,回到ModelAnalysisTools|SensitivityS-1|Input|Define表,可以看到所定義的變量。采用類似的方法,分別定義QCOND和QREB作為冷凝器熱負荷和再沸器熱負荷,如圖5-129、5-130所示。圖5-129定義塔頂冷凝器熱負荷變量圖5-130定義塔釜再沸器負荷變量注意：Sensitivity模塊使用ENG單位,所以熱負荷的單位是Btu/hr,如果切換菜單欄中的單位制為SI,熱負荷的單位會是Watts。完成三個計算變量XMCH、QCOND和QREB的定義后,如圖5-131所示。圖5-131定義的三個變量單擊Next或單擊Vary標簽,出現(xiàn)ModelAnalysisTools|Sensitivity|S-1|Input|Vary表,點擊Manipulatedvariable|Type的下拉菜單,選擇Stream-Var,點擊Stream的下拉菜單,選擇FEED,點擊Variable的下拉菜單,選擇MOLE-FLOW,在Valuesforvariedvariable區(qū)域,選擇Overallrange并且輸入Lower1200、Upper2000、Incr100,表示進料苯酚流量變化范圍為1200lbmol/hr到2000lbmol/hr,增量為100lbmol/hr流量,在Reportlabels區(qū)域,輸入報告標志Line1為PHENOL,Line2為FLOWRATE,以上設定完成后如圖5-132所示。圖5-132規(guī)定變量的相關(guān)參數(shù)單擊Next或單擊Vary標簽,出現(xiàn)ModelAnalysisTools|Sensitivity|S-1|Input|Tabulate表,單擊FillVariables按鈕,AspenPlus自動列出所有的已經(jīng)定義好的變量,如圖5-133所示。圖5-133定制所要顯示的變量點擊TableFormat,出現(xiàn)TableFormat對話框,Labels被分成4行,輸入后如圖5-134。圖5-134表格形式然后,點擊Close。至此,創(chuàng)建并設置一個靈敏度,可以進行靈敏度分析。⑵運行靈敏度分析并查看結(jié)果。單擊Next,或者按F5或者從AspenPlus菜單欄中選擇Run,然后再次選擇Run,運行靈敏度分析。單擊數(shù)據(jù)瀏覽器下的ModelAnalysisTools|Sensitivity|S-1|Results,出現(xiàn)ModelAnalysisToolsSensitivityS-1ResultsSummary表格,如圖5-135。圖5-135靈敏度分析結(jié)果列表⑶靈敏度分析結(jié)果的圖形化表達。采用圖形,可以更加形象直觀的觀察靈敏度分析的結(jié)果。單擊上圖中的第二列的頂部,選中VARY1PHENOLFLOWRATE一列,從Plot菜單中選擇X-AxisVariable,如圖5-136。圖5-136選擇繪圖的橫坐標單擊圖5-136中的第三列的頂部,選中MCHPURITYINDIST一列,從Plot菜單中選擇Y-AxisVariable,如圖5-137。圖5-137選擇繪圖的縱坐標從Plot菜單中選擇DisplayPlot,如圖5-138。圖5-138進行繪圖的顯示出現(xiàn)包含圖形的新窗口,如圖5-139。圖5-139靈敏度分析結(jié)果的圖形化表達雙擊圖5-139中的縱坐標,彈出對話框,將其中Grid后的0.002修改為0.0005,如圖5-140。圖5-140繪圖坐標參數(shù)設置在圖上單擊右鍵,選擇Grid標簽,點擊選擇Grid下的Mesh,如圖5-141。圖5-141繪圖網(wǎng)格參數(shù)設置單擊Apply,然后單擊OK,得到新的圖形,如圖5-142。圖5-142靈敏度分析結(jié)果的圖形⑷保存文件并退出。從AspenPlus菜單欄中,選擇File|Saveas。輸入文件名并點擊保存。選擇File|Exit退出AspenPlus。2、設計規(guī)定有時,希望在過程模擬中確定具有特定輸出變量的輸入變量,AspenPlus提供的設計規(guī)定可以完成這一任務。仍以前文的甲基環(huán)己烷回收塔模擬為例,確定塔頂產(chǎn)品質(zhì)量純度為98.0%時進料苯酚流量的大小。⑴創(chuàng)建一個設計規(guī)定。首先打開所作的包含靈敏度分析的甲基環(huán)己烷回收塔的模擬文件。從AspenPlus菜單欄中,選擇File|SaveAs。在SaveAs對話框中,選擇保存的模擬文件的目錄。在數(shù)據(jù)瀏覽器中單擊FlowsheetingOptions|DesignSpec,出現(xiàn)DesignSpec對象管理器,點擊New,出現(xiàn)CreateNewID對話框,如圖5-143。圖5-143創(chuàng)建設計規(guī)定ID點擊OK接受缺省值ID<DS-1>。出現(xiàn)FlowsheetingOptions|DesignSpec|DS-1|Define表格,如圖5-144。圖5-144設計規(guī)定定義表格在Define表中,可以手動定義XMCH為MCH純度。由于已在靈敏度S-1中定義XMCH,可以從Sensitivity中復制XMCH,不用在DS-1中重新建立XMCH。單擊數(shù)據(jù)瀏覽器中的ModelAnalysisTools|Sensitivity|S-1|InputInput|Define表,選擇XMCH并點擊Copy,如圖5-145。圖5-145復制已定義的變量在數(shù)據(jù)瀏覽器中單擊FlowsheetingOptions|DesignSpec|DS-1|Input|Define表,選擇右下角的Paste按鈕,將變量XMCH復制到Design-SpecDS-1中,如圖5-146。圖5-146粘貼已定義的變量單擊Next或單擊Spec標簽,出現(xiàn)FlowsheetingOptions|DesignSpec|DS-1|Input|Spec表。在Spec右側(cè)空間,輸入XMCH*100,把樣品的摩爾分數(shù)轉(zhuǎn)換成摩爾百分數(shù)。在Target右側(cè)空間,輸入98.0。在Tolerance右側(cè)空間,輸入0.01,如圖5-147。圖5-147輸入規(guī)定的相關(guān)參數(shù)單擊Next或單擊Vary標簽,出現(xiàn)FlowsheetingOptions|DesignSpec|DS-1|Input|Vary表。在Manipulatedvariable下的Type的下拉菜單中選擇Stream-Var。在Streamname的下拉菜單中選擇PHENOL。在Variable的下拉菜單,選擇MOLE-FLOW。在Manipulatedvariablelimits區(qū)域,Lower右側(cè)方框內(nèi)輸入1200,Upper右側(cè)方框內(nèi)輸入2000。在ReportLabels區(qū)域,Line1下方框內(nèi)輸入PHENOL,Line2下方框內(nèi)輸入FLOWRATE。完成輸入后的頁面如圖5-148所示。圖5-148設計規(guī)定的變量參數(shù)至此,已經(jīng)創(chuàng)建好一個設計規(guī)定FlowsheetingOptions|DesignSpec|DS-1。⑵運行設計規(guī)定并檢查結(jié)果。在運行設計規(guī)定分析之前,先隱藏SensitivityS-1。選擇Data|ModelAnalysisTools|Sensitivity,出現(xiàn)Sensitivity對象管理器,選擇S-1行,點擊Hide按鈕,如圖5-149。圖5-149隱藏靈敏度分析彈出對話框,單擊Yes。彈出對話框中單擊OK,S-1從對象管理器上消失,在模擬中不再起作用。注意：此時的Reveal按鈕是可用的,點擊Reveal按鈕可以顯示并激活隱藏的對象。從AspenPlus菜單欄中選擇Run|Run或者直接按F5鍵,運行模擬,運行后如圖5-150所示,表示模擬收斂。圖5-150設計規(guī)定運行過程在數(shù)據(jù)瀏覽器下,點擊ResultsSummary|Convergence,出現(xiàn)ResultsSummary|Convergence|DesignSpecSummary表。如圖所5-151示,可以檢查設計規(guī)定是否已經(jīng)滿足。圖5-151設計規(guī)定運行結(jié)果可以看出,計算成功收斂,苯酚流量大約是1515.0,沒有顯示單位,單位是與全局設置相同的lbmol/hr,。⑶保存文件并推出。從AspenPlus菜單欄中,點擊File|Exit,出現(xiàn)AspenPlus對話框。點擊Yes保存模擬。3、優(yōu)化化工過程設計中通常需要進行過程設備最優(yōu)操作條件的選擇或設備的最優(yōu)設計,可以通過AspenPlus的優(yōu)化來實現(xiàn)。最優(yōu)化問題在形式上描述為一個目標函數(shù)與獨立變量的約束,通過尋找一組滿足約束的獨立變量,達到目標函數(shù)的最優(yōu)值。Aspen

Plus采用迭代的方式求解優(yōu)化問題,包括SQP〔successivequadraticprogramming與Complex〔ablack-boxpatternsearch兩種特定方法。仍以前文的甲基環(huán)己烷回收塔為例,說明優(yōu)化的用法。⑴創(chuàng)建并設置一個優(yōu)化。首先打開前文所作的甲基環(huán)己烷回收塔的模擬文件,并設置其全局單位為SI,修改苯酚進料流量為1600lbmol/hr。在數(shù)據(jù)瀏覽器中單擊ModelAnalysisTools|Optimization,出現(xiàn)ModelAnalysisTools|Optimization對象管理器,點擊New,彈出CreateNewID對話框,如圖5-152。圖5-152創(chuàng)建一個優(yōu)化ID單擊OK,使用缺省ID,出現(xiàn)ModelAnalysisTools|Optimization|O-1|Input|Define表格,如圖5-153。圖5-153定義優(yōu)化的表格建立優(yōu)化問題過程中使用的流程變量并命名。單擊New,在彈出的對話框中輸入FLOWTO,如圖5-154。圖5-154創(chuàng)建變量對話框點擊OK,彈出VariableDefinition對話框,在Category區(qū)域,選擇變量的種類為Streams,在Reference區(qū)域,點擊Type的下拉菜單,選擇Mass-Flow,點擊Stream的下拉菜單,選擇塔頂餾出物即TOP1,點擊Component的下拉菜單,選擇MASS-FLOW,如圖5-155,定義塔頂餾出物流量為變量FLOWTO。圖5-155變量定義對話框單擊Close回到定義表格。采用類似的方法,分別定義變量QDCOND與QDREB作為精餾塔的冷凝器熱負荷與再沸器熱負荷,如圖5-156、5-157所示。圖5-156定義變量DCOND圖5-157定義變量QDREB完成三個流程變量定義后,如圖5-158所示。圖5-158所定義的三個流程變量當存在與優(yōu)化相關(guān)的約束時,在規(guī)定目標函數(shù)之前應當先定義約束。本例中,約束為塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量純度大于或等于95%。在數(shù)據(jù)瀏覽器中單擊ModelAnalysisTools|Constraint,出現(xiàn)ModelAnalysisTools|Constraint,點擊New,彈出CreateNewID對話框,如圖5-159。圖5-159創(chuàng)建約束對話框單擊OK,采用缺省的ID,出現(xiàn)ModelAnalysisTools|Constraint|C-1|Input|Define表格,如圖5-160。圖5-160定義約束的表格單擊New,在彈出的對話框中輸入MASTOP。點擊OK,彈出Vari