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化工过程模拟与优化Simulation&Optimization of Chemical Engineering Simulation&Optimization of Chemical Engineering ProcessProcess 李亚军李亚军31955956,1357040840831955956,2024/4/18 2024/4/18 周四周四filename.pptfilename.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2024/4/18 2024/4/18 周四周四filename.pptfilename.ppt第二章 化工过程模拟技术的结构与功能2024/4/18 2024/4/18 周四周四filename.pptfilename.ppt第一节 化工模拟系统的结构2024/4/18 2024/4/18 周四周四filename.pptfilename.ppt2024/4/18 2024/4/18 周四周四4化工模拟系统的结构 2024/4/18 2024/4/18 周四周四51、Aspen Plus 的物性系统 1.1 物性数据库n纯组分数据库，有5000多种纯组分的物性数据；n纯化合物数据库，包含500种化合物的参数；n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；n固体数据库，包括约3314种固体的固体模型参数；nHenry常数库，包括水溶液中61种化合物的Henry常数参数；2024/4/18 2024/4/18 周四周四6 n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；n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；n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；nAspen Plus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、Aspen Plus的物性系统 2024/4/18 2024/4/18 周四周四71、Aspen Plus 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 nAspen Plus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。n对于一些极性很强的特殊体系，Aspen Plus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。2024/4/18 2024/4/18 周四周四81、Aspen Plus 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。2024/4/18 2024/4/18 周四周四92、Aspen Plus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。Aspen Plus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。2024/4/18 2024/4/18 周四周四103、Aspen Plus模拟电解质系统 Aspen Plus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。Aspen Plus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。2024/4/18 2024/4/18 周四周四114、Aspen Plus的单元操作模型库 nAspen Plus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。n单元操作用户可将自身的专用单元操作模型以用户模型（USER MODEL）加入到Aspen Plus系统之中，为用户提供了极大的方便性和灵活性。nAspen Plus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。2024/4/18 2024/4/18 周四周四124、Aspen Plus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AEROTRAN2024/4/18 2024/4/18 周四周四134、Aspen Plus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PETROFRAC 2024/4/18 2024/4/18 周四周四144、Aspen Plus的单元操作模型库Aspen Plus的分馏是最常用的单元操作模型。nRADFRAC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。nMULTIFRAC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。2024/4/18 2024/4/18 周四周四154、Aspen Plus的单元操作模型库Aspen Plus的分馏模型是最常用的单元操作模型nAspen Plus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。nAspen Plus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。2024/4/18 2024/4/18 周四周四164、Aspen Plus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RBATCH2024/4/18 2024/4/18 周四周四174、Aspen Plus的单元操作模型库反应模型是最常用的单元操作模型n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。n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）。2024/4/18 2024/4/18 周四周四185、Aspen Plus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nRBATCH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。nRGIBBS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。2024/4/18 2024/4/18 周四周四196、过程模拟技术应用1、炼油装置（一）n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。n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。n延迟焦化装置主分馏塔模拟计算工艺包。n催化重整装置芳烃抽提（环丁砜为溶剂）模拟计算工艺包。n加氢裂化装置分馏部分模拟计算工艺包。n加氢精制装置分馏部分模拟计算工艺包。n炼厂干气、液化气脱硫装置模拟计算工艺包。2024/4/18 2024/4/18 周四周四206、过程模拟技术应用1、炼油装置（二）n气体分馏装置五塔和三塔流程模拟计算工艺包n滑油糠醛抽提装置nMTBE装置n分子筛脱蜡装置 n白油加氢装置 n酮苯脱蜡装置 2024/4/18 2024/4/18 周四周四216、过程模拟技术应用石化装置（一）n乙烯装置 n环氧乙烷装置n乙二醇装置n乙苯装置n苯乙烯装置n丁二烯抽提装置（乙腈为溶剂）n偏三甲苯分离装置n乙烯汽油加氢装置 n甲苯加氢生产苯装置nUOP生产PX装置n甲苯歧化装置n二甲苯异构化装置2024/4/18 2024/4/18 周四周四226、过程模拟技术应用石化装置（二）n苯加氢生产环己烷装置n烷基苯装置n苯酚-丙酮装置n正戊烷装置（异戊烷、正戊烷、环戊烷三种目标产品）n丙烯直接水合法生产异丙醇装置n乙烯直接水合法生产乙醇装置 n丙烯羰基化法生产正丁醇装置 n乙烯直接法生产线性伯醇装置 n丙烯直接氧化法生产丙烯酸装置 n乙腈抽提法生产异戊二烯装置 nDMT装置2024/4/18 2024/4/18 周四周四236、过程模拟技术应用其他装置n二氯乙烷、氯乙烯单体装置n丙烯腈装置n轻烃三甘醇脱水装置n油田气脱硫醇装置n油田伴生气分离正丁烷装置 n丁辛醇装置 n环己酮装置 n合成氨装置脱碳、再生 n醋酸乙烯装置 n聚乙烯醇装置 n橡胶溶剂油回收装置n甲乙酮装置 nMDEA精制 n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2024/4/18 2024/4/18 周四周四filename.pptfilename.ppt2024/4/18 2024/4/18 周四周四25 稳态过程模拟的解法1、序贯模块法（Sequential Modular Method)n特点：模型和解法合二为一n优点：计算方法易实现，稳定可解2024/4/18 2024/4/18 周四周四26 稳态过程模拟的解法2、联立方程法 （Equation-based Method，Simultaneous Method)n特点：模型和解法分开，对计算方法要求高。一般采用SQP法Sequential quadratic programingn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2024/4/18 2024/4/18 周四周四filename.pptfilename.ppt2024/4/18 2024/4/18 周四周四28化工过程模拟的七个基本步骤2024/4/18 2024/4/18 周四周四291、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2024/4/18 2024/4/18 周四周四302024/4/18 2024/4/18 周四周四31 1、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2024/4/18 2024/4/18 周四周四32 1、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2024/4/18 2024/4/18 周四周四331、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2024/4/18 2024/4/18 周四周四34 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2024/4/18 2024/4/18 周四周四35 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2024/4/18 2024/4/18 周四周四36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ASPEN PLUS进行工艺过程模拟2024/4/18 2024/4/18 周四周四filename.pptfilename.ppt2024/4/18 2024/4/18 周四周四38第四节、使用ASPEN PLUS进行工艺过程模拟 1、用户界面 提供了有关ASPEN PLUS用户界面的基本信息2、建立模拟模型 如何使用ASPEN PLUS建立模拟模型?n 建立一个新的运行n 选择一个模板n 选择一个运行类型n 完成一个运行的输入规定n ASPEN PLUS 在线应用库n 使用ASPEN PLUS帮助2024/4/18 2024/4/18 周四周四392024/4/18 2024/4/18 周四周四40第四节、使用ASPEN PLUS进行工艺过程模拟 3、定义流程n创建一个流程n使用热流和功流n使用虚拟物流n检查流程的完整性n修改一个流程n使用流程工段2024/4/18 2024/4/18 周四周四41第四节、使用ASPEN PLUS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？n输入全局规定n替换缺省的模拟选项n度量单位n报告选项等信息2024/4/18 2024/4/18 周四周四42第四节、使用ASPEN PLUS进行工艺过程模拟 5、规定组分 在模拟中怎样去定义组分？n规定数据库和非数据库组分n增加删除和修改组分n生成电解质组分和反应n标识固体组分n给出常规组分和非常规组分的属性n规定超临界(HENRY)组分n规定UNIFAC 官能团n定义组分组2024/4/18 2024/4/18 周四周四436、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。n什么是物性方法n可以采用的物性方法n选择和建立一个物性方法n规定全局的物性方法n规定一个流程段的物性方法n规定局部的物性方法n定义超临界组分n规定游离水相的物性n在有机相态中水的K 值的专用方法n规定电解质计算n修改物性方法n非常规组分的物性方法2024/4/18 2024/4/18 周四周四446、物性方法 （1）、什么是物性方法 物性方法是一批方法和模型，模拟系统用它们计算热力学物性和迁移性质。热力学物性是逸度系数K值、焓、熵、吉布斯自由能和体积；迁移性质是粘度、热导率、扩散系数和表面张力。2024/4/18 2024/4/18 周四周四456、物性方法 模拟系统提供了多种描述不同状态下用于流体的汽液平衡常数、液液平衡常数、熵、焓、密度和其他传递性能参数等热力学计算方法，由于每种热力学方法有一定的适用范围，在应用模拟系统解决具体问题时，选择合适的热力学方法是能否正确模拟工艺过程的关键。2024/4/18 2024/4/18 周四周四46（2）、规定全局的物性方法 如果对一个特殊的流程段单元操作模块或物性分析规定没有不同的物性方法的规定，ASPEN PLUS 对所有物性计算使用全局的物性方法。6、物性方法2024/4/18 2024/4/18 周四周四476、物性方法（2）、规定全局的物性方法 当在模拟中使用不只一种物性方法时，可以使用流程段去简化物性方法的分配，例如把一个流程段分成高压和低压段，并对每一段给出一个接近的物性方法。（3）、规定局部的物性方法2024/4/18 2024/4/18 周四周四48 6、物性方法（4）、定义超临界组分 活度系数物性方法通过活度系数归一化的不平衡的规则（亨利定律），对于存在液相中的超临界组分要使用亨利定律。2024/4/18 2024/4/18 周四周四49 6、物性方法（5）、使用游离水计算 对于水-烃应用两个液相经常共存于一个气相，ASPEN PLUS 有两种方法模拟气-液-液平衡的模型：严格三相计算；带有游离水近似法的计算。（6）、规定电解质计算 模拟一个电解质系统，必须使用电解质物性方法。