化工过程数值模拟软件介绍 第2章流程模拟技术
化工过程数值模拟软件介绍 第2章 流程模拟技术
2.1流程模拟的步骤 2.1.1流程的建立 化工流程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过 程,因此流程模拟的第一步就是要在计算机上建立需要模 拟的流程。在这个过程中,用户需要根据需要模拟的实际 过程,选择合适的模型去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 现行的流程模拟软件都给用户提供了交互式图形界面 用于流程的定义,同时还提供了多种单元操作的模型库可 供用户选择。用户只需在模型库中选择所需的模型,并在 流程图窗口绘制整个流程图就可以完成流程的建立。同时 还可以根据需要在该窗口中对建立的流程进行修改
2．1 流程模拟的步骤 2.1.1 流程的建立 化工流程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过 程，因此流程模拟的第一步就是要在计算机上建立需要模 拟的流程。在这个过程中，用户需要根据需要模拟的实际 过程，选择合适的模型去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。 现行的流程模拟软件都给用户提供了交互式图形界面 用于流程的定义，同时还提供了多种单元操作的模型库可 供用户选择。用户只需在模型库中选择所需的模型，并在 流程图窗口绘制整个流程图就可以完成流程的建立。同时 还可以根据需要在该窗口中对建立的流程进行修改
2.1流程模拟的步骤 2.1.2变量的设置 流程建立后,用户应该选择所需要进行的流程模拟的类 型。根据模拟的需要完成必须的和可选的变量的输入。这其 中包括模拟的名称、所用单位等变量的输入;也包括设计的 物流的组分和组成的定义,热力学模型的选择这些物性相关 变量的输入及选择;还包括设备的尺寸以及操作的温度压力 等操作参数的确定;用户也可以根据自己的需要选择输入报 告的输出及格式。 2.1.3程序的运行 流程的定义和变量的设置完成后,用户就可以根据需要 采用合适的方式运行流程模拟了
2．1 流程模拟的步骤 2.1.2 变量的设置 流程建立后，用户应该选择所需要进行的流程模拟的类 型。根据模拟的需要完成必须的和可选的变量的输入。这其 中包括模拟的名称、所用单位等变量的输入；也包括设计的 物流的组分和组成的定义，热力学模型的选择这些物性相关 变量的输入及选择；还包括设备的尺寸以及操作的温度压力 等操作参数的确定；用户也可以根据自己的需要选择输入报 告的输出及格式。 2.1.3 程序的运行 流程的定义和变量的设置完成后，用户就可以根据需要 采用合适的方式运行流程模拟了
2.2 Aspen Plus流程模拟商业软件 22. I Aspen Plust流程模拟软件介绍 ASPEN PLUS起源于七十年代后期美国能源部在麻省理 工学院MITˆ组织会战,要求开发新型第三代流程模拟软件。 这个项目称为"先进过程工程系统"( Advanced System for Process Engineering)简称 ASPEN。这一大型项目于 1981年底完成。1982年 Aspen Tech公司成立将其商品化, 称为 ASPEN PLUS ASPEN PLUS是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析 和经济评价的大型化工流程软件。它为用户提供了一套完 整的单元操作模型,用于模拟各种操作过程,从单个操作 单元到整个工艺流程的模拟。 ASPEN PLUS主要由三部分 组成,简述如下
2．2 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.1 Aspen Plus流程模拟软件介绍 ASPEN PLUS起源于七十年代后期美国能源部在麻省理 工学院MIT组织会战，要求开发新型第三代流程模拟软件。 这个项目称为"先进过程工程系统"（Advanced System for Process Engineering）简称ASPEN。这一大型项目于 1981年底完成。1982年Aspen Tech公司成立将其商品化， 称为ASPEN PLUS。 ASPEN PLUS是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析 和经济评价的大型化工流程软件。它为用户提供了一套完 整的单元操作模型，用于模拟各种操作过程，从单个操作 单元到整个工艺流程的模拟。ASPEN PLUS 主要由三部分 组成，简述如下
2.2 Aspen Plus流程模拟商业软件 (1)物性数据库 Aspenplus自身拥有两个通用的数据库: Aspen CD ASPEN TECH公司自己开发的数据库, DIPPR一美国化 工协会物性数据设计院设计的数据库。另外还有多个专用 的数据库,如电解质,固体,燃料产品,这些数据库结合 拥有的一些专用状态方程和专用单元操作模块使得 AspenPlus软件可使用于固体加工电解质等特需的领域, 极大地拓宽了 AspenPlus的应用范围 ASPEN PLUS具有工业上最适用而完备的物性系统。包 含1773种有机物、2450种无机物、314种固体物、900种 水溶电解质的基本物性参数。主要有:分子量、 Piterzer 偏心因 临界因子、标准生成自由能、标准生成热、正 常沸点下的汽化潜热、回转半径、凝圄点、偶极矩、比重 等。对 UNIQUAC和 UNIFAC方程的参数也收集在数据库中 计算时可自动从数据库中调用基础物性进行传递物性和热 力学性质的计算
2．2 Aspen Plus流程模拟商业软件 （1） 物性数据库 AspenPlus自身拥有两个通用的数据库：Aspen CD— —ASPEN TECH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。另外还有多个专用 的数据库，如电解质，固体，燃料产品，这些数据库结合 拥有的一些专用状态方程和专用单元操作模块使得 AspenPlus软件可使用于固体加工电解质等特需的领域， 极大地拓宽了AspenPlus的应用范围。 ASPEN PLUS具有工业上最适用而完备的物性系统。包 含1773种有机物、2450种无机物、3314种固体物、900种 水溶电解质的基本物性参数。主要有：分子量、Piterzer 偏心因子、临界因子、标准生成自由能、标准生成热、正 常沸点下的汽化潜热、回转半径、凝固点、偶极矩、比重 等。对UNIQUAC 和UNIFAC方程的参数也收集在数据库中。 计算时可自动从数据库中调用基础物性进行传递物性和热 力学性质的计算
2.2 Aspen Plus流程模拟商业软件 同时 ASPEN PLUS还提供了几十种用于计算传递物性 和热力学性质模型的方法,主要有:计算理想混合物汽 液平衡的拉乌尔定律、烃类混合物的Chao- Reader、非极 性和弱极性混合物的 Redilch- Kwong-Soave、 BWR-Lee Staring、Peng- Robinsin。对于强的非理想液态混合物的 活度系数模型主要有 UNIFAC、 Wilson、NRTL、 UNIQUAC。 ASEN PLUS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,可以回归实际应用中的任何类型的数 据,计算任何模型参数,包括用户自编的模型
2．2 Aspen Plus流程模拟商业软件 同时ASPEN PLUS 还提供了几十种用于计算传递物性 和热力学性质模型的方法，主要有：计算理想混合物汽－ 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-LeeStaring、Peng-Robinsin。对于强的非理想液态混合物的 活度系数模型主要有UNIFAC、Wilson、NRTL、UNIQUAC。 ASEN PLUS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，可以回归实际应用中的任何类型的数 据，计算任何模型参数，包括用户自编的模型
2.2 Aspen Plus流程模拟商业软件 此外, ASPEN PLUS中的物性常数估算系统(PCES)能够 通过输入分子结构和易测性质来估算短缺的物性参数。当 模拟流程中含有缺少的实验数据的新化学产品时,PCES特 别有用。 (2)单元操作模块 ASPEN PLUS中有五十多种单元操作模型,如混合、分 割、换热、闪蒸、精馏、反应等,通过这些模型和模块的 组合,能模拟用户所需要的流程。除此之外, ASPEN 块,用户可以设置某一变量作为灵敏度分析变量,通过改 娈此銮量的偵模挡操作结果的变化情况采用工况分析模 玦,用戶可以对同一流程几种操作工况的进行运行分析
2．2 Aspen Plus流程模拟商业软件 此外，ASPEN PLUS中的物性常数估算系统(PCES)能够 通过输入分子结构和易测性质来估算短缺的物性参数。当 模拟流程中含有缺少的实验数据的新化学产品时，PCES特 别有用。 （2） 单元操作模块 ASPEN PLUS中有五十多种单元操作模型，如混合、分 割、换热、闪蒸、精馏、反应等，通过这些模型和模块的 组合，能模拟用户所需要的流程。除此之外，ASPEN PLUS 还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
2.2 Aspen Plus流程模拟商业软件 (3)系统实现策略(数据输入一解算一结果输出) ASPEN PLUS提供了操作方便、灵活的用户界面一 Model manager, 以交互式图形界面(GUⅠ来定义问题,控制计算和灵活地检査结果 用户在窗口环境中可使用 MOUSE鼠标器和键盘操作,并提供多种菜单 包括一般文本菜单,下拉菜单(Pull-down),弹出菜单(Pop-up) 对话框( Dialogue box)等,用户可以根据屏幕提示以填充式的表格方 式填入数据,产生报告,定义图表和流程。另外还提供了各种图形, 文本操作和编辑功能,如放大、移动、翻页,图形和文本的删除、修 改、插人等,以帮助和指导用户进行流程模拟。用户通过 Model Manager完成数据输入后,即可进行模拟计算,以交互方式分析计算 结果,按模拟要求修改数据,调整流程,或修改或调整输入文件中的 任何语句或参数。GUI支持 Windows及 Motif的标准。提供了包括拷贝、 粘贴等目标管理功能,能方便地处理复杂的流程图。图例符号编辑器 使用户能够建立新的设备及PFD图例符号,修改已存在的图例符号。 DXF格式接口可以将 Model manager中的流程图按DⅫ标准格式输出, 再转换成其他CAD系统如 AUTOCAD所能调用的图形文件
2．2 Aspen Plus流程模拟商业软件 （3） 系统实现策略（数据输入－解算－结果输出） ASPEN PLUS 提供了操作方便、灵活的用户界面－Model Manager， 以交互式图形界面(GUI)来定义问题，控制计算和灵活地检查结果。 用户在窗口环境中可使用MOUSE鼠标器和键盘操作，并提供多种菜单， 包括一般文本菜单，下拉菜单(Pull-down )，弹出菜单(Pop - up )， 对话框(Dialogue box)等，用户可以根据屏幕提示以填充式的表格方 式填入数据，产生报告，定义图表和流程。另外还提供了各种图形， 文本操作和编辑功能，如放大、移动、翻页，图形和文本的删除、修 改、插人等，以帮助和指导用户进行流程模拟。用户通过Model Manager完成数据输入后，即可进行模拟计算，以交互方式分析计算 结果，按模拟要求修改数据，调整流程，或修改或调整输入文件中的 任何语句或参数。GUI支持Windows及Motif的标准。提供了包括拷贝、 粘贴等目标管理功能，能方便地处理复杂的流程图。图例符号编辑器 使用户能够建立新的设备及PFD图例符号，修改已存在的图例符号。 DXF格式接口可以将Model Manager中的流程图按DXF标准格式输出， 再转换成其他CAD系统如AUTOCAD所能调用的图形文件
2.2 Aspen Plus流程模拟商业软件 ASPEN PLUS解算方法为序贯模块方法,对流程的计算 顶序可以由用户自己定义,液可以由程序自动产生。对于 有循环回路和设计规定的流程必须迭代收敛。所谓设计规 定是指用户希望规定某处的变量值达到一定的要求。 ASPEN PLUS采用先进的数值计算方法,能使循环物料和设 计规定迅速而准确地收敛。这些方法包括直接迭代法,正 割法,拟牛顿法, Broyde。法等。这些方法均经 ASPENTeh 进行了修正。 APEN PLUS可以同时收敛多股断裂(Tear)流 股,多个设计规定,甚至收敛有设计规定的断裂流股。应 用 ASPEN PLUS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。可以将任何工程和技术经 济变量作为目标函数,对约束条件和可变参数的数目没有
2．2 Aspen Plus流程模拟商业软件 ASPEN PLUS解算方法为序贯模块方法，对流程的计算 顺序可以由用户自己定义，液可以由程序自动产生。对于 有循环回路和设计规定的流程必须迭代收敛。所谓设计规 定是指用户希望规定某处的变量值达到一定的要求。 ASPEN PLUS采用先进的数值计算方法，能使循环物料和设 计规定迅速而准确地收敛。这些方法包括直接迭代法，正 割法，拟牛顿法,Broyde。法等。这些方法均经ASPENTeh 进行了修正。APEN PLUS可以同时收敛多股断裂(Tear)流 股，多个设计规定，甚至收敛有设计规定的断裂流股。应 用ASPEN PLUS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。可以将任何工程和技术经 济变量作为目标函数，对约束条件和可变参数的数目没有 限制
2.2 Aspen Plus流程模拟商业软件 22 Aspen Plus安装及运行环境 221 Aspen Plus的安装 Aspen Plus安装过程很容易,以 ASPEN PLUS 10.2的 WINDOWS版本为例,先在硬盘上建立一个目 录,运行CD1内的 Setup.exe程序进行安装,会出 现以下画面(图2.1),单击 Aspen engineering Suit选项,则开始进行安装,单击Next
2．2 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.2 Aspen Plus安装及运行环境 2.2.2.1 Aspen Plus的安装 Aspen PLUS安装过程很容易，以ASPEN PLUS 10.2的WINDOWS版本为例，先在硬盘上建立一个目 录，运行CD1内的Setup.exe程序进行安装，会出 现以下画面（图2.1），单击Aspen Engineering Suit选项，则开始进行安装，单击Next