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1、3.7 过程系统模拟的应用实例 化工流程模拟软件的种类虽然较多，但针对化工过程模拟的基本思想和方法却相通。Aspen Plus应用非常广泛，下面我们以乙苯生产过程乙苯精馏塔生产实例为例介绍Aspen Plus稳态模拟的基本方法和基本思想。 某干气制乙苯装置中，干气中的乙烯与苯催化反应生成乙苯，反应产物中同时包括反应副产品丙苯、二乙苯、多乙苯和没有反应完全的苯。反应物经过苯塔分离脱除苯后进入乙苯塔、丙苯塔获得乙苯、丙苯产品。已知进入乙苯塔物料含苯0.2%（摩尔分数，下同）、乙苯77%、丙苯10%、二乙苯12.8%，流量8679kg/h，压力1.45MPa（绝压，下同），温度281℃。乙苯塔为
2、93块浮阀塔盘，进料位置为第40块塔板，操作中，塔顶压力0.52MPa，冷凝器后压力0.5MPa，塔顶温度210℃，塔底温度254℃，回流量19000kg/h，塔顶产品中乙苯含量99.5%，釜液中乙苯含量1.5%，塔顶为全凝器，塔底为热虹吸式再沸器。 生产中对乙苯产品指标有严格限制，要求乙苯产品纯度大于99.6%，同时为较小物耗要求乙苯塔釜液乙苯含量小于1%，试通过模拟分析提出改进方案。 使用Aspen Plus进行模拟的基本步骤： （1）选择模板 （2）选择运行类型 （3）创建一个流程 （4）规定计算的全局信息 （5）规定组分 （6）选择物性方法 （7）输入物流规定
3、 （8）输入模型规定 （9）运行模拟 （10）检查结果 （11）灵敏度分析 （12）生成报告 1. 建立一个新的运行 当启动Aspen Plus并建立一个新的模拟时，可以从一个空白模拟着手或者从一个模板着手，见图3-27。模板设定了特定工业通常使用的缺省项包括 测量单位、 所要报告的物流组成信息和性质、 物流报告格式、 对游离水选项的缺省设置、 性质方法、 其它特定的应用缺省。 Aspen Plus 内置以下列模板： l 空气分离 l 化学工艺 l 电解质 l 气体加工 l 一般工艺 l 湿法冶金 l 石油 l 医药 l 冶金 l 固体
4、 l 特种化工 对于每个模板，可以选择米制或英制作为缺省测量单位制，其它单位制也可用。 由于本分离工艺物系为芳烃分离，可以选择General with Metric Units 模板作为模拟模板，见图3-27。 图3-27 2. 选择运行类型 当建立一个新运行时，必须在New对话框上的Run Type的列表框中选择运行类型。Flowsheet 运行类型为流程模拟计算的基本类型，见图3-27。 表3-1 Aspen Plus运行类型表 运行类型 说明 用途 Flowsheet 模拟计算的基本类型。 对流程模拟包括灵敏度分析和优化，同时集成了性质常数估计
5、化验数据分析/虚拟组分产生、性质分析。 化验数据分析 一个独立的化验数据分析/虚拟组分产生运行。 当你不想在同一个运行中进行流程模拟而分析化验数据时用 数据回归 一个独立的数据回归运行，能够包含性质常数估计和性质分析计算。 将Aspen Plus所需的物性模型参数与所测量的纯组分、气液平衡、液液平衡和其它混合数据拟合，Aspen Plus在流程运行中不能执行数据回归。 PROPERTIES PLUS 一个PROPERTIES PLUS设置运行 制备性质包，以便供Aspen Custom Modeler /ADVENT 使用 性质分析 一个独立的性质分析运行，能够包含性质
6、常数估计和化验数据分析计算。 当你不想在同一个运行中进行流程模拟时，通过生成物性值表格而进行性质分析。 性质估计 一个独立的性质常数估计运行。 当你不想在同一个运行执行流程模拟时估计性质参数 本算例的目的是对乙苯分离过程进行稳态模拟，因此选择Flowsheet 运行类型，见图3-27。 3．创建一个流程 Aspen Plus是基于流程图的通用流程模拟软件，因此要定义一个能够反应实际过程的流程图。定义一个流程用如下步骤： （1）在View 菜单下确认PFD 状态已经关闭，否则设置的模块和物流图形不能变成模拟模型的一部分，如图3-28； 图3-28 （2）选择单元操
7、作模块并将它们放置到流程窗口。Aspen Plus 中过程单元操作模型包括8大类、57小类、349个单元操作模型。 表3-2 单元操作模型 类型 模型 说明 混合器/分流器 Mixer Fsplit Ssplit 物流混合 物流分流 子物流分流 分离器 Flash2 Flash3 Decanter Sep Sep2 双出口闪蒸 三出口闪蒸 液-液倾析器 多出口组分分离器 双出口组分分离器 换热器 Heater HeatX MHeatX Hetran Aerotran 加热器/冷却器 双物流换热器 多物流换热器 与BJAC 管壳
8、式换热器的接口程序 与BJAC 空气冷却换热器的接口程序 塔 DSTWU Distl RadFrac Extract MultiFrac SCFrac PetroFrac Rate-Frac BatchFrac 简捷蒸馏设计 简捷蒸馏核算 严格蒸馏 严格液-液萃取器 复杂塔的严格蒸馏 石油的简捷蒸馏 石油的严格蒸馏 连续蒸馏 严格的间歇蒸馏 反应器 RStoic RYield REquil Rgibbs RCSTR RPlug RBatch 化学计量反应器 收率反应器 平衡反应器 平衡反应器
9、连续搅拌罐式反应器 活塞流反应器 间歇反应器 压力变送器 Pump Compr Mcompr Pipeline Pipe Valve 泵/液压透平 压缩机/透平 多级压缩机/透平 多段管线压降 单段管线压降 严格阀压降 手动操作器 Mult Dupl ClChong 物流倍增器 物流复制器 物流类变送器 固体 Crystallizer Crusher Screen FabFl Cyclone Vscrub ESP HyCyc CFuge Filter SWash CCD 除去混合
10、产品的结晶器 固体粉碎器 固体分离器 滤布过滤器 旋风分离器 文丘里洗涤器 电解质沉降器 水力旋风分离器 离心式过滤器 旋转真空过滤器 单级固体洗涤器固体 逆流倾析器 用户模型 User User2 用户提供的单元操作模型 用户提供的单元操作模型 本例中的任务是对乙苯塔进行模拟，因此选择严格蒸馏模型，如图3-29 图3-29 根据现场操作过程，选择FRACT2作为模拟模型，并添加乙苯塔位号T-303，见图3-30。 图3-30 （3）用物流线画出生产过程的物料流程，同时物流线将各单元模块连接起来。本案例中，进塔物流号为101，塔顶液相采
11、出物流号为102，塔底液相采出物流号为103，如图3-31。 图3-31 4．规定计算的全局信息 全局规定为整个运行设定缺省值，Aspen Plus 运行在输入详细的流程说明之前，要在Setup 窗体中规定全局信息，见图3-32。虽然在选择模板时，Aspen Plus 已经规定了计算的默认值，但可以在任何时候返回这些表格和改变输入。 图3-32 表3-3 Setup 包含的内容 内容 说明 用途 Specification 规定 输入全局信息 Simulation Options 模拟选项 规定计算闪蒸收敛系统选项时间和误差限制 Stream Clas
12、s 物流类 定义物流类和物流性质 Substreams 子物流 定义子物流和属性 Units-Sets 单位集 定义度量单位集 Custom Units 习惯单位 确定用户习惯的单位 Report Options 报告选项 规定报告选项 5．规定组分 将模拟过程中所需的组分输入到组分列表中。本案例中所需要的组分为苯、乙苯、丙苯、二乙苯，见图3-33、图3-34。 图3-33 图3-34 6．选择物性方法 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，同时也是模拟的核心工作。物性方法是一批方法和模型，Aspen Plus 用它们计算热
13、力学物性和迁移性质。热力学物性包括逸度系数、焓、熵、吉布斯自由能、体积，迁移性质包括粘度、热导率、扩散系数、表面张力。Aspen Plus 包括大量内置的物性方法足以满足大部分的应用，但是同时用户可以建立新的适合模拟需要的物性方法。Aspen Plus为用户物性方法的选择提供了参考。 表3-4 油和气产品 应用 推荐的物性方法 储水系统 PR-BM、RKS-BM 板式分离 PR-BM、 RKS-BM 通过管线输送油和气 PR-BM、RKS-BM 表3-5 炼油 应用 推荐的物性方法 低压应用（最多几个大气压）、 真空蒸馏塔、常压原油塔 BK10、 CHAO-S
14、EA 、GRAYSON 中压应用（最多几十个大气压） Coker 主分馏器 FCC 主分馏器 CHAO-SEA 、GRAYSON、 PENG-ROB、 RK-SOAVE 富氢的应用 重整炉加氢器 GRAYSON 、PENG-ROB 、RK-SOAVE 润滑油单元、脱沥青单元 PENG-ROB、 RK-SOAVE 表3-6 气体加工 应用 推荐的物性方法 烃分离 脱甲烷塔 C3 分离器 PR-BM、 RKS-BM 、PENG-ROB、 RK-SOVAE 深冷气体加工 空气分离 PR-BM 、RKS-BM 、PENG-ROB、 RK-SOVAE 表3-7
15、 化工 应用 推荐的物性方法 乙烯装置 初级分馏器 轻烃 串级分离器 急冷塔 CHAO-SEA、 GRAYSON、PENG-ROB 、RK-SOAVE 芳香族环烃 BTX 萃取 WILSON、 NRTL 、UNIQUAC和它们的变化形式 乙苯和苯乙烯装置 PENG-ROB、 RK-SOAVE、WILSON、 NRTL 、UNIQUAC和它们的变化 根据Aspen Plus为用户物性方法提供参考，考虑本案例为乙苯和苯乙烯装置，选用物性方法为PENG-ROB，见图3-35。 图3-35 7．输入物流规定 对于一个模拟过程，根据自由度分析，必须规定过程系统进料
16、物流的流率、组成、热力学状态，还可以提供撕裂循环物流的初始估值。 本案例中，乙苯塔物料含苯0.2%、乙苯77%、丙苯10%、二乙苯12.8%，流量8679kg/h，压力1.45MPa，温度281℃。将上述数据输入到物流101的物流信息表中，如图3-36。 图3-36 8．输入模型规定 对于一个模拟过程，根据自由度分析，必须将模型的操作变量输入到模型规定中。不同的模型规定各不相同。 本案例中，乙苯塔为93块浮阀塔盘，进料位置为第40块塔板，操作中，塔顶压力0.52MPa，冷凝器后压力0.5MPa，塔顶温度210℃，塔底温度254℃，回流量19000kg/h。塔顶为全凝器，塔底为热虹
17、吸式再沸器。将上述信息输送到精馏塔的输入规定中，如图3-37。注意，在模拟计算中，冷凝器和再沸器均按一块板来计，因此计算总板数为95块，进料位置为41块。 图3-37 值得注意的是塔板效率的选择。精馏塔模拟计算中，塔板效率常常是根据计算结果和实际分离结果比较选定的，塔板效率的初值通常根据塔板型式和分离物性选定。本案例中初选全塔效率60%，如图3-38和图39所示。 图3-38 图3-39 9．运行模拟 当所有相关信息添加完成，可以运行模拟 10．检查结果 （1）检查运行的完成状态 要检查有关运行收敛和完成状态的汇总信息，可使用Results Summary
18、 页面。这个表指明了计算是否为正常完成。如果没能正常完成，说明模拟过程的输入需要调整，直至系统收敛。当系统收敛后，可以检查计算结果，如图3-40。 图3-40 如图3-41，在计算结果表中，分别汇集了组分、物流、模块计算信息，根据实际装置运行情况检查模拟结果，如果模拟结果与实际运行结果偏差较大，不能反应实际过程的原貌，则需查找原因，采用调整物性方法等方法直至模拟结果接近实际运行结果。 图3-41 实际运行中塔顶产品中乙苯含量99.5%，釜液中乙苯含量1.5%。模拟结果顶产品中乙苯含量99.54%，釜液中乙苯含量1.455%，与实际运行结果基本吻合，同时塔顶、塔底温度与实际也基本
19、吻合，因此可以认为该过程的模拟基本准确。 11．灵敏度分析 灵敏度分析是检验一个过程如何对变化的关键操作变量和设计变量反应的一个工具。可以用它改变一个或多个流程变量，并研究该变化对流程其它变量的影响。它是做工况研究的一个最有用的工具。被变化的流程变量必须是流程的输入参数，在模拟中计算出的变量不能被改变。可以用灵敏度分析来验证一个设计规定的解是否在操作变量的变化范围内，还可以用它做简单的过程优化，可以用灵敏度分析模块生成随进料物流模块输入参数或其它输入变量变化的模拟结果的表或图。 灵敏度分析的步骤： （1） 建立一个灵敏度(Sensitivity)分析块； 单击“new”，系统自动
20、给出分析块的名字，如图3-42。 图3-42 （2） 标识被采集的流程变量； 对于本案例，乙苯精馏塔操作中，进料位置、回流比对分离结果有很大影响，因此有必要分析进料位置的变化对塔顶乙苯浓度(EBTOP)、塔底乙苯浓度(EBBOT)的影响，回流比的变化对塔顶、塔底乙苯浓度的影响。单击“new”，输入EBTOP，系统弹出一定义变量对话框，如图3-43。 图3-43 （3）标识要操纵的输入变量来生成一个表，如图3-44。 图3-44 （4）定义你要Aspen Plus 将什么制表，如图3-45； 图3-45 当所有相关信息添加完成，可以运行模
21、拟。得出以下结果 图3-46 选择进料板位置为横坐标，塔顶、塔底乙苯摩尔分数为纵坐标，用工具栏中“plot”做灵敏度分析图如图3-47： 图3-47 由于图3-37给的是回流量，因此做回流比灵敏度分析时，将回流量19000kg/h改为回流比3，然后按上面同样步骤进行灵敏度分析，结果如图3-48所示。 图3-48 通过灵敏度分析，如图3-47、图3-48可以发现适宜的进料位置60~64，适宜的回流比3.2以上，因此本装置基本处于较优操作，但仍有进一步调优空间。生产中塔顶产品中乙苯含量99.5%，釜液中乙苯含量1.5%，均不能满足生产要求。通过图3-47可知，如果在
22、保证现场回流比3不变的前提下，通过调整进料位置由40块至61块，可使塔顶产品中乙苯含量由99.5%提高至99.68%，釜液中乙苯含量1.5%降至0.9%，达到生产要求。通过图3-48可知，如果在保证进料位置40块不变的前提下，回流比由现场3增加至3.6（相当于回流量由19000kg/h增加至23000kg/h），可使塔顶产品中乙苯含量由99.5%提高至99.67%，釜液中乙苯含量1.5%降至0.96%，达到生产要求。 12．生成报告 生成的报告如表3-5所示。 表3-5 乙苯塔现场工况模拟结果表 Stage Temperature ℃ Pressure kPa
23、Liquid flow kg/hr Vapor flow kg/hr 液相组成 气相组成 BENZE ETHYL N-PRO O-DIE BENZE ETHYL N-PRO O-DIE 1 207.6013 500 19155 0 0.002597 0.995442 0.001961 1.93E-07 0.006936 0.991792 0.001271 7.76E-08 2 209.8674 520 19510.13 25540 0.001238 0.996211 0.00255 3.19E-07 0.002597 0
24、995442 0.001961 1.93E-07 3 209.9603 520.2 19516.49 25895.13 0.000697 0.996115 0.003188 4.92E-07 0.001573 0.996021 0.002405 2.88E-07 4 210.0204 520.4 19519.35 25901.49 0.000481 0.99564 0.003879 7.31E-07 0.001165 0.995949 0.002886 4.18E-07 5 210.0682 520.6 19520.81 25
25、904.35 0.000394 0.994977 0.004628 1.06E-06 0.001002 0.995591 0.003406 5.99E-07 39 214.939 527.9 19524.93 25916.64 0.000322 0.848496 0.103323 0.047859 0.000894 0.897356 0.074746 0.027005 40 215.6728 528.1 19373.21 25909.93 0.000319 0.829464 0.106999 0.063218 0.000894 0
26、88543 0.077846 0.03583 41 216.4958 528.3 23019.23 20732.35 0.000212 0.809814 0.108317 0.081657 0.000452 0.884257 0.078213 0.037078 42 216.5336 528.6 23022.5 20725.23 0.000109 0.809858 0.108375 0.081658 0.000232 0.884426 0.078275 0.037068 57 217.0547 531.8 23060.87 2
27、0763.98 4.97E-09 0.803193 0.114754 0.082053 1.06E-08 0.878566 0.083983 0.037451 58 217.1203 532.0 23067.38 20766.87 2.55E-09 0.801588 0.116265 0.082147 5.43E-09 0.877117 0.085342 0.037541 59 217.1916 532.2 23072.16 20773.38 1.31E-09 0.799622 0.118111 0.082267 2.79E-09 0.875357 0.086996 0.037647 94 249.6843 539.7 25367.62 23184.28 2.16E-21 0.024118 0.516707 0.459175 8.33E-21 0.034443 0.573765 0.391792 95 252.9471 540 2294 23073.62 5.80E-22 0.014293 0.428637 0.55707 2.31E-21 0.025083 0.525349 0.449568
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