化工过程模拟与优化-2

化工过程模拟与优化Simulation&OptimizationofChemicalEngineeringProcessSouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology李亚军31955956,[e-mail]主要内容（Contents）SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology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、蒸馏过程的计算第二章化工过程模拟技术的结构与功能第一节化工模拟系统的结构SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/124化工模拟系统的结构SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/1251、AspenPlus的物性系统1.1物性数据库纯组分数据库，有5000多种纯组分的物性数据；纯化合物数据库，包含500种化合物的参数；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；固体数据库，包括约3314种固体的固体模型参数；Henry常数库，包括水溶液中61种化合物的Henry常数参数；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/126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；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；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；AspenPlus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、AspenPlus的物性系统SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/1271、AspenPlus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AspenPlus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。对于一些极性很强的特殊体系，AspenPlus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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/1281、AspenPlus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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/1292、AspenPlus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。AspenPlus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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12103、AspenPlus模拟电解质系统AspenPlus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。AspenPlus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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12114、AspenPlus的单元操作模型库AspenPlus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。单元操作用户可将自身的专用单元操作模型以用户模型（USERMODEL）加入到AspenPlus系统之中，为用户提供了极大的方便性和灵活性。AspenPlus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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12124、AspenPlus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AEROTRANSouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12134、AspenPlus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PETROFRACSouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12144、AspenPlus的单元操作模型库AspenPlus的分馏是最常用的单元操作模型。RADFRAC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。MULTIFRAC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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12154、AspenPlus的单元操作模型库AspenPlus的分馏模型是最常用的单元操作模型AspenPlus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。AspenPlus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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12164、AspenPlus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RBATCHSouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12174、AspenPlus的单元操作模型库反应模型是最常用的单元操作模型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。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）。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12185、AspenPlus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RBATCH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。RGIBBS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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12196、过程模拟技术应用1、炼油装置（一）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。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。延迟焦化装置主分馏塔模拟计算工艺包。催化重整装置芳烃抽提（环丁砜为溶剂）模拟计算工艺包。加氢裂化装置分馏部分模拟计算工艺包。加氢精制装置分馏部分模拟计算工艺包。炼厂干气、液化气脱硫装置模拟计算工艺包。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12206、过程模拟技术应用1、炼油装置（二）气体分馏装置五塔和三塔流程模拟计算工艺包滑油糠醛抽提装置MTBE装置分子筛脱蜡装置白油加氢装置酮苯脱蜡装置SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12216、过程模拟技术应用石化装置（一）乙烯装置环氧乙烷装置乙二醇装置乙苯装置苯乙烯装置丁二烯抽提装置（乙腈为溶剂）偏三甲苯分离装置乙烯汽油加氢装置甲苯加氢生产苯装置UOP生产PX装置甲苯歧化装置二甲苯异构化装置SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12226、过程模拟技术应用石化装置（二）苯加氢生产环己烷装置烷基苯装置苯酚-丙酮装置正戊烷装置（异戊烷、正戊烷、环戊烷三种目标产品）丙烯直接水合法生产异丙醇装置乙烯直接水合法生产乙醇装置丙烯羰基化法生产正丁醇装置乙烯直接法生产线性伯醇装置丙烯直接氧化法生产丙烯酸装置乙腈抽提法生产异戊二烯装置DMT装置SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/12236、过程模拟技术应用其他装置二氯乙烷、氯乙烯单体装置丙烯腈装置轻烃三甘醇脱水装置油田气脱硫醇装置油田伴生气分离正丁烷装置丁辛醇装置环己酮装置合成氨装置脱碳、再生醋酸乙烯装置聚乙烯醇装置橡胶溶剂油回收装置甲乙酮装置MDEA精制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SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/2/1225稳态过程模拟的解法1、序贯模块法（