ASPEN PLUS 化工工艺流程模拟软件

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一、Aspen Plus 软件概况

Aspen Plus 是大型通用流程模拟系统,源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院(MIT)组织的开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”(Advanced System for Process Engineering,简称 ASPEN),并于 1981 年底完成,该化工软件经过近20 年来不断地改进、扩充和提高,已先后推出了十几个版本,成为举世公认的标准大型流程模拟软件,用户上千个。全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是 Aspen Plus的用户。

二、Aspen Plus 具有最完备的物性系统

物性模型和数据是得到精确可靠的模拟结果的关键。人们普遍认为 Aspen Plus 具有最适用于工业、且最完备的物性系统。许多公司为了使其物性计算方法标准化而采用 Aspen Plus的物性系统,并与其自身的工程计算软件相结合。

Aspen Plus 的物性系统包括:

2.1  一套完整的基于状态方程和活度系数方法的物性模型

用户可在流程的不同部分任意选用不同的物性模型。兹将 Aspen Plus 中的物性模型列举如下:

2.1.1 状态方程(共有 20 多种模型)

ASME 水蒸汽表关联式                                        ASME 水蒸汽表关联式

理想气体模型                                               BWR-Lee-Starling 模型

Hayden-O’Connell 模型(具有气相缔合)                    HF 模型(气相水理想性)

Lee Kesler 模型                                            MHV2 混合规则

Lee Kesler Plocker 模型(具有气相缔合)                    NBS/NRC 蒸汽表

Nothnagel 模型                                             Peng Robinson 模型

Peng Robinson Boston Math 水-碳氢物体系模型               Peng Robinson MHV2 模型

Peng Robinson Wong-Sandler 模型                           Predictive SRK 模型

PSRK 混合规则                                              Redlich Kwong 模型

Redlich Kwong ASPEN 模型                                   Redlich Kwong Soave 模型

Redlich Kwong Soave Wong Sandler 模型                      Redlich Kwong Soave MHV2 模型

RK-Sovae Alpha 函数                                        Schwartzentruber-Renon 模型

Helgeson 状态方程(电解质比热及焓计算)

2.1.2 活度系数模型

扩展的 Scatchard Hildebrand 方程                           NRTL 局部组成电解质方程

MSA 电解质方程 NRTL 方程                                   Pitzer 电解质方程

Chien Null 模型                                            Redlich-Kister 模型

三后缀 Margules 模型                                       VanLaar 方程

Wilson 方程                                                UNIFAC 方法

Dortmund 改进 UNIFAC                                       Lyngby 改进 UNIQUAC 方法

Brornley Pitzer 活及系数模型                               多项式活度系数模型

理想流体模型

2.1.3 摩尔体积模型

用于石油馏分的 API 液体体积模型

Brelvi O’Connell 偏摩尔液体体积模型                        多项式固体体积模型

Cheuh Prausnitz/Rackett 压缩液体体积模型                    Campbell Thodos 液体体积模型

COSTALD 饱和和压缩液体体积模型                              Clark 电解质液体体积模型

Debye Huckel 电解质液体体积模型                             Cavett 饱和液体体积模型

Rackett 饱和液体体积模型表数据输入

2.1.4 蒸发潜热模型

DIPPR/Watson/IK-CAPE 方程                                    Clausius Clapeyron 方程

2.1.5 焓、自由能、熵模型

Cavett 饱和液体和水蒸汽表液体模型

Criss Cobble 电解质液体焓模型                                综合固体升华模型

多项式固体升华模型                                           多项式固体模型

改进的多项式固体模型                                         DIPPR 比热模型 BARIN 方程

改进的 Watson 方程                                           多项式固体熔化热模型

Yen Alexander 液体和气体模型汽化热模型                       表数据输入

Yen Alexander 水蒸汽表气体模型

2.1.6 蒸汽压模型

扩展的 Antoine 液体模型C                                      avett 液体模型

改进的多项式模型表数据输入                                    Antoine 固体模型

2.1.7 气液平衡比模型

API SOUR 模型                                                  Kent Eisenberg 模型

改进的多项式模型表数据输入

2.1.8 Henry 常数模型

改进的多项式模型表数据输入

2.1.9 复合固体密度模型

综合广义的密度模型

IGT 干燥固体模型

2.1.10 复合固体焓模型

Boie 关联式

Chang Jirapongphan Boston 关联式

温度的三次方程 Dulong 关联式

综合焓模型 Grummel 和 Davis 关联式

基于燃烧热的关联式 Kirov 关联式

2.1.11 热导率模型

Chung Lee Starling 液体和气体模型

IAPS 水的液体和气体模型

多项式固体模型 Sato Riedel 液体模型

Stiel Thodos 高压气体模型

TRAPP 液体和气体模型

Wassiljewa Mason Saxena 低压气体模型表数据输入

2.1.12 表面张力模型

石油馏分的 API 模型

Hakim Steinberg Stiel 模型

水的 IAPS 模型

表数据输入 Onsager Samaras 模型

2.1.13 粘度模型

Chapman Enskog Brokaw 低压气体模型

Chung Lee Starling 液体和气体模型

Dean Stiel 高压气体模型

水的 IAPS 液体和气体模型

API 液体粘度模型

Letsou Stiel 高温液体模型

Lucas 气体模型

改进的 Andrade 液体模型

TRAPP 液体和气体模型

表数据输入 Andrade/DIPPR 模型

2.1.14 扩散系数模型

Chapman Enskog/Wilke Lee 低压气体模型

Dawson Khoury Kobayashi 高压气体模型

Wilke Chang 表数据输入

  1. 2. 2 Aspen Plus 数据库包括24000多种纯组分的物性数据及下列数据库

1、纯组分数据库,包括 5000 种化合物的参数。

2、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。

3、固体数据库,包括约 3314 种固体的固体模型参数。

4、Henry 常数库,包括水溶液中 61 种化合物的 Henry 常数参数。

5、二元交互作用参数库,包括 Ridlich-Kwong Soave、Peng Robinson、Lee KeslerPlocker、BWR Lee Starling,以及 Hayden O’Connell 状态方程的二元交互作用参数约 40,000 多个,涉及 5,000 种双元混合物。

6、PURE10 数据库,包括 1727 种纯化物的物性数据,这是基于美国化工学会开发的 DIPPR 物性数据库的比较完整的数据库。这比第九版的 1550 种组分的数据库,不仅扩大了许多,而且参数也更加准确可靠。

7、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。

8、燃烧数据库,包括燃烧产物中常见的 59 种组分和自由基的参数。

9、固体数据库,包括 3314 种组分,主要用于固体和电解质的应用。

10、水溶液数据库,包括 900 种离子,主要用于电解质的应用。

2.3  与 DECHEMA DETHERM 等物性数据接口

Aspen Plus 是唯一获准与 DECHEMA 数据库接口的化工软件。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。用户也可以把自己的物性数据与 AspenPlus 系统连接。

2.4  高度灵活的数据回归系统(DRS)

此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。可以使用面积式或点测试方法自动检查汽液平衡数据的热力学一致性。DRS 以最大似然估算方法给出目标函数,其它如通常的最小平方法、Barker 方法、Gamma 方法和 K 值法也可使用。

2.5  性质常数估算系统(PCES)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。当模拟流程中含有缺少实验数据的新化学品时,PCES 特别有用。

2.6  Redlich-Kwong-UNIFAC 状态方程可用于非极性、极性和缔合组分体系

这个方程是法国巴黎 EcolesDesMines 的 HenriRenon 教授专为 AspenTech 开发的。它提供了十分灵活的混合规则以及利用 UNIFAC基团贡献值于状态方程参数的新颖体系。

三、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 中固体性质数据有两个来源:一是 Solid 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;二是和CSIRO 数据库的接口。第 10 版已合并成新的 SOLIDS数据库,这些数据在模拟冶金、陶瓷矿产业及其它含有固体处理的过程时是必不可少的。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。此外,Aspen Plus 中所有的单元操作都适合于处理固体,例如闪蒸和加热器模型能计算固体的能量平衡,而反应器模型 RGIBBS 可用最小GIBBS 自由能来判断在平衡状态下是否有固相存在。

四、Aspen Plus 模拟电解质系统

许多公司已经用 Aspen Plus 模拟电解质过程,如酸水汽提、苛性盐水结晶与蒸发、硝酸生产、湿法冶金、胺净化气体和盐酸回收等。

Aspen Plus 提供 Pitzer 活度系数模型和陈氏模型(由本公司的陈超群博士开发)计算物质的活度系数,包括强弱电解质、盐类和含有机化合物的电解质系统。这些模型已广泛地在工业中应用,证明是准确、可靠的。

电解质系统有三个电解质物性参数数据库:水数据库包括纯物质的各种离子和分子溶质的性质;固体和    Barin 数据库包括盐类组分性质;一些特殊的电解质系统和应用于酸性气体交互过程的数据包是由本公司应用部门和用户一起开发的。

模拟电解质过程的功能在整套 Aspen Plus 都可以应用。用户可以用数据回归系统(DRS)确定电解质物性模型参数。所有 Aspen Plus     的单元操作模型均可处理电解质系统 。例如, Aspen Plus 闪蒸和分馏模型可以处理有化学反应过程的电解质系统。

五、Aspen Plus 具有完整的单元操作模型库

Aspen Plus 有一套完整的单元操作模型,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。由于 Aspen Plus 系统采用了先进的 PLEX 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,这是 Aspen Plus 的一项独特优点,非其它过程模拟软件所能比拟。此外,所有模型都可以处理固体和电解质。单元操作模型库约由  50   种单元操作模型构成。用户可将自身的专用单元操作模型以用户模型(USERMODEL)加入到 Aspen Plus 系统之中,这为用户提供了极大的方便性和灵活性。

Aspen Plus 的分馏与反应模型是最常用的两类单元操作模型。

5.1  分馏模型 

Aspen Plus 的多级严格分离模型是基于内外两层结构(双层)、结合最新的联立方程和求解法编制而成。双层法是由 AspenTech 总裁 J. Boston 博士首创的。他自 1981 年起一直担任本公司总裁。此法必须提供初值,在大范围内应用十分可靠。

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。Aspen Plus 还有经过工业考验的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。反应速率可由置入内部的幂律表示式或由用户提供的反应动力学程序来计算。Aspen Plus 的简捷算法蒸馏模型需要输入的数据较少,也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。

5.2  反应器模型

Aspen Plus 的反应器模型可应用于很广泛的范围。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)。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。RGIBBS 能自动决定实际存在的相数。

5.3  Aspen Plus 的单元操作模型及其主要功能

5.3.1  混合器和分流器

1、MIXER  通用混合

2、FSPLIT  分流

3、SSPLIT  子物流分流

5.3.2  分离器

1、SEP  组分分割

2、SEP2  两产品分离

3、FLASH2  两相闪蒸

4、FLASH3  三相闪蒸

5、DECANTER  液-液倾析器

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