化工过程数值模拟及AspenPlus软件应用

2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦1化工过程数值模拟及AspenPlus软件应用刘华彦浙江工业大学化材学院新产品：研究与开发小试与实验室研究中间试验工业化试验实验设计、实验报告：MicrosoftOffice文本处理Chemoffice、AutoCAD、Visio等分子式、实验装置Endnote引用参考文献实验数据处理：Matlab、Polymath等数值计算Origin、Excel作图技术成熟产品：工程设计与生产管理前期研究•市场调研、文献调研•项目建议书•可行性研究报告•环评、安评工程设计•工艺、自控与设备•工厂布置、总图运输•节能环保、劳动卫生•经济社会效益评价生产调度、企业管理•生产管理与调度•节能降耗、过程强化可研报告、设计报告：MicrosoftOffice文本处理Chemoffice、AutoCAD、Visio等分子式、工艺流程图、设备装配图、总图、平立面布置图PDMS、PDS等三维配管Endnote引用参考文献流程模拟与优化、设备核算、经济评价：Aspen、PROII、ChemCAD等参考书2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦42019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦5参考书2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦6绪论•化工模拟•流程模拟•单元模拟•单元模拟与流程模拟的关系2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦7化工模拟•化学工程研究对象–化学反应过程：化学反应器–物理过程：单元操作•化学工程研究对象的复杂性–物系的复杂性–物系流动时边界的复杂性–过程本身的复杂性•化学工程研究方法–早期：经验逐级放大–目前：数学模型方法2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦8化工模拟•化工模拟的思想–过程分解–过程简化–过程综合•化工模拟的层次10-10m100m10-3m10-7m102m分子模拟传递过程及反应动力学模拟单元操作及反应器模拟流程模拟模拟对象规模模拟层次图1-1化工过程模拟层次2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦9流程模拟/过程模拟•根据化工过程的数据，采用适当的模拟软件，将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述，用计算机模拟实际的生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果：原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据•商业化化工过程模拟软件–AspenPlus、PRO/II、ChemCAD、HYSIS、DesignII、ECSS2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦10单元模拟•在单元模拟中，用N-S方程这个高度复杂的非线性偏微分方程组来描述质量、动量、能量之间的关系•单元模拟技术通过离散方法求解这一耦合体系，以获得空间和时间的速度分布、温度分布、压力分布、浓度分布、相分数分布等2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦11单元模拟软件•CFD(ComputationalFlowDynamics)商业软件–CFX软件–Fluent•PHOENICS–计算流体力学与传热学的商业化软件–适合模拟低速热流输运现象•STAR-CD–SimulationofTurbulent-flowinArbitraryRegion缩写，ComputationalDynamicsLtd–基于有限容积法的通用流体计算软件–强项在于汽车发动机内流动与传热的计算2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦12化工过程数值模拟软件介绍流程模拟技术——AspenPlus2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦13流程模拟的步骤•流程的建立–根据模拟的实际过程，选择合适的模型描述每一个单元操作过程–根据实际流程中的物流走向将单元操作的模块连接起来，形成完整的模拟所需要的工艺流程•变量的设置–根据模拟的需要完成必须的和可选的变量的输入•程序的运行–根据需要采用合适的方式运行流程模拟•输出报告2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦14AspenPlus流程模拟商业软件•ASPEN：先进过程工程系统（AdvancedSystemforProcessEngineering）–1976~1981年：美国能源部资助，MIT主持，55个高校和公司参与，开发的新型第三代流程模拟软件•1982年：AspenTech公司成立将其商品化，称为ASPENPLUS•ASPENPLUS是基于序贯模块法的稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程软件2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦15AspenPlus软件功能•进行工艺过程严格的能量和质量平衡计算•预测物流的流率、组成和性质•预测操作条件、设备尺寸•减少装置设计时间并进行各种设计方案比较•帮助改进当前工艺–回答“如果…那会怎么样”的问题–在给定的限制内优化工艺条件–辅助确定一个工艺约束部位（消除瓶颈）2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦16ASPENPLUS的组成•物性数据库–通用的数据库：AspenCD——ASPENTECH公司自己开发的数据库，DIPPR——美国化工协会物性数据设计院设计的数据库–专用的数据库–工业上最适用而完备的物性系统：1773种有机物、2450种无机物、3314种固体物、900种水溶液电解质的基本物性参数2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦17ASPENPLUS的组成•物性数据库–丰富的状态方程和活度系数法：•理想混合物汽-液平衡的拉乌尔定律•烃类混合物的Chao-Seader•非极性和弱极性混合物的Redilch-Kwong-Soave、BWR-Lee-Staring、Peng-Robinson•强的非理想液态混合物的活度系数模型：UNIFAC、Wilson、NRTL、UNIQUAC•ASENPLUS还提供灵活的数据回归系统(DRS)，使用实验数据来求物性参数2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦18ASPENPLUS的组成•单元操作模块–有五十多种单元操作模型：混合、分割、换热、闪蒸、精馏、反应等–提供了灵敏度分析和工况分析模块：利用灵敏度分析模块，用户可以设置某一变量作为灵敏度分析变量，通过改变此变量的值模拟操作结果的变化情况。采用工况分析模块，用户可以对同一流程几种操作工况的进行运行分析2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦19ASPENPLUS的组成•系统实现策略（数据输入－解算－结果输出）–提供了交互式图形界面(GUI)：操作方便、灵活–按DXF标准格式输出流程图，再转换成其他CAD系统如AUTOCAD所能调用的图形文件–先进的数值计算方法：直接迭代法、正割法、拟牛顿法、Broyden法等–可以同时收敛多股断裂(Tear)流股、多个设计规定–应用ASPENPLUS的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值以达到任何目标函数的最大值2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦20AspenPlus11.0的安装•运行CD1内的Setup.exe程序进行安装，单击AspenEngineeringSuite选项，则开始进行安装，单击Next2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦21AspenPlus11.0的安装•在个人PC上使用ASPENPLUS，选择AllProducts选项(如选择LicensedProducts则要先安装ALM，ASPENLICENSEDMANAGER)2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦22AspenPlus11.0的安装•单击Next继续，选择StandardInstall单击Next2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦23AspenPlus11.0的安装•选择要安装的模块，ASPENPLUS必选，第一次安装时和Online,Web（网络组件）相关的模块不要选择。单击Next出现以下画面×：不选2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦24•选择AspenLicenseManager单击Next进行安装•出现插入CD2选项框时，选择CD2内文件所在的位置或插入CD2继续安装AspenPlus11.0的安装2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦25AspenPlus11.0的安装•安装完成后重新启动计算机，指定license.dat文件的位置，完成整个软件的安装2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦26ASPENPLUS的启动AspenTechASPENPLUSAspenEngineeringSuite空白模拟(BlankSimulation)基于模板（Tamplate）已有的模拟（OpenanExistingSimulation）ASPENPLUSUserInterface•常用的模板：•GeneralwithMetricUnits•ChemicalswithMetricUnits2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦27AspenPlus的基本术语•用户界面（UserInterface）•流程图（FlowSheet）•模型库（ModelLibrary）•数据浏览器（DataBrowser）•流股（Stream）•模块（Block）2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦28ASPENPLUS用户界面——主窗口RunID运行文件ToolBar工具条MenuBar菜单栏SelectMode模式选择钮ModelLibrary模型库ModelMenuTabs模型菜单条ProcessFlowsheetWindow工艺流程窗口NextButtonNEXT钮StatusArea状态区TitleBar标题条2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦29数据浏览器（DataBrowser）Menutree菜单树PreviousSheet前一表页NextSheet下一表页Statusbar状态区UpOneLevel到上一级Units单位GoBack向后GoForward向前Comments注释按钮Promptarea提示区Status状态按钮FolderList文件夹列表Input/ResultsViewMenu输入/结果浏览菜单2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦30状态指示符各符号的含义2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦31NEXT按钮的使用•单击此按钮就可以调用ASPENPLUS专家系统•借助显示信息指导用户对一个运行进行必需和可选的输入，进行下一步操作，当用户改变已经输入的选择项和规定时，也确保用户不会做出不完整或不一致的规定•在其指导下，用户可以安全、方便地完成模拟所必须经历的各步骤2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦32AspenPlus模拟必须的步骤•画出模拟流程图：选用单元模块(ModelBlocks)，连接流股(Streams)•进行全局级设置(SetupGlobalSpecification)，选择或定义一个合适的单位集，还可以选择输出报告的格式和内容•输入化学组分信息数据(Components)•选择物性方法和模型(PropertyMethods&Models)•输入外部物流数据(ExternalStreams)2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦33AspenPlus模拟必须的步骤•输入模块数据(BlockSpecification)，即规定每一个单元操作模块的性能以表示工艺流程的设计条件或操作条件•运行模型•查看计算结果•输出报告文件(Report)•保存模拟项目(*.apw/*.bkp)•退出2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦34流程的建立——定义一个流程•定义一个流程步骤–在View菜单下确认PFD状态已经关闭–选择单元操作模块放置到流程窗口•选择类别，再选单元操作模块2019/8/14浙江工业大学化材学院刘华彦35流程的建立——定义一个流程•定义一个流程步骤(cont’)–用物流连接模块•单击STREAMS图标，选择物流类型（物料、热流或功流），移动鼠标到流程窗口，单击显亮的流股连接点，引出至合适位置，完成连接•红色：必须连接蓝色：其它可选连接–注意检查流程的完整性STREAMS2019/