过程模拟软件Aspen Plus基础与实例.docx
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过程模拟软件AspenPlus基础与实例
第5章过程模拟软件AspenPlus基础与实例
5.1基础知识
Aspen工程套件（EngineeringSuite）是目前应用最广泛的一种过程模拟软件系统，其功能强大，具有包括化工过程的模拟、优化与设计在内的很多功能。
AspenPlus是Aspen工程套件中的一个重要组成部分，采用化学工程师所常用的流程求解技术实现对化工单元操作及整个工艺流程的模拟。
本节介绍软件使用的一些基础知识。
1、主窗口
启动AspenPlus之后，出现如图5-1所示的主窗口，包括标题栏、菜单栏、工具栏、工艺流程窗口、模型库与状态栏。
图5-1AspenPlus用户界面-主窗口
2、工具栏
工具栏上设置有常用的按钮，可以快捷的进行一些操作，缺省的工具栏包括标准工具栏、数据浏览器工具栏、模拟运行工具栏、工艺流程工具栏等。
用户可以定制所需要的工具栏，在View菜单下，单击Toolbar，弹出如图2-2所示的对话框，选择所需要显示的操作即可。
图5-2工具栏定义对话框
3、模型库
模型库（ModelLibrary）中存放着各种单元操作模块。
如果软件启动后看不到模型库，按一下F10即可显示模型库，也可以在View菜单下，选中ModelLibrary进行显示。
4、数据浏览器
数据浏览器（DataBrowser）是显示所需要的输入、各种定义及计算结果的树状表格，在主窗口的工具栏中单击形状类似眼镜的按钮即可激活数据浏览器，如图5-3所示。
图5-3AspenPlus用户界面-数据浏览器
打开数据浏览器的其它方法是按一下F8或者在Data菜单下，选中ModelLibrary进行显示。
数据浏览器中的状态指示符（Statusindicator）对于工艺流程的建立、纠错、调试等具有重要的作用，这些指示符显示每个单独表格及整个模拟的完整状态。
5、对象管理器
每一个块、物流或者其它模拟对象都具有一个唯一的ID。
当用户选择数据浏览器中的一个文件夹时，在数据浏览器的表格部分就出现对象管理器，如图5-4所示。
图5-4对象管理器
6、Next—专家系统
位于工具栏上数据浏览器图表后面的Next按钮是一个非常有用的专家系统（ExpertSystem）。
它使得用户能够以最简便的方式完成一个复杂的模拟：
指导用户输入必要或可选的数据、显示用户下一步所要进行内容的提示或者当用户的规定不完整或不一致时能够提示用户。
5.2过程模拟实例详解
软件学习的最有效的途径就是实践，本节通过甲基环己烷回收的实例详细讲解AspenPlus的使用。
1、模拟问题描述
甲基环己烷与甲苯形成一个共沸体系，采用简单的精馏方法很难分离。
在回收塔中，使用苯酚来萃取甲苯，使得在塔顶能够回收相对纯的甲基环己烷。
回收的甲基环己烷的纯度依赖于苯酚进料流量。
通过AspenPlus的模拟，可以研究分离的情况。
甲基环己烷回收塔的操作条件为：
塔的理论板数为22、采用全凝器且压力为16psia、回流比为8、塔顶馏出物的流量为200lbmol/hr、再沸器压力为20.2psia，原料进料位置为14、温度为220F、压力为20psia、甲基环己烷与甲苯各200lbmol/hr，苯酚进料位置为7、温度为220F、压力为20psia、流量为1200lbmol/hr。
2、启动AspenPlus程序
单击“开始”菜单中的“程序/AspenTech/ProcessModelingV7.1/AspenPlus/AspenPlusUserInterface”启动AspenPlus的用户界面程序，如图5-5所示。
图5-5AspenPlus启动路径
可以在桌面上创建AspenPlusUserInterface快捷方式，以后每次启动时，单击快捷方式就能启动程序。
程序启动后，跳过启动画面后，出现如图5-6的启动对话框。
图5-6AspenPlus启动对话框-文件方式
单击图中的Template，然后单击OK，利用AspenPlus内置的模板创建一个新的模拟。
3、选择模板创建模拟
AspenPlus内置模板可以用于化学品、石油、电解质、特殊化学品、药物、冶金、聚合物、固体等的模拟，如图5-7所示。
图5-7AspenPlus启动对话框-单位与运行类型
采用默认模板，注意到图中右下角显示运行类型为Flowsheet，正是模拟所需要的，其它的运行类型包括数据分析、数据回归、性质估计等，可以在需要的时候通过下拉菜单进行选择。
单击OK出现如图5-8的对话框。
图5-8AspenPlus启动对话框-连接方式
单击OK，稍等片刻，出现如图5-9所示的主窗口，由于还没有进行任何的输入，工作区目前是空白的。
图5-9主窗口
4、绘制工艺流程图
在工艺流程窗口下部的模型库中，单击Columns标签，出现一系列塔的模块，如图5-10所示。
将鼠标放置在各个模块上，会出现相应的说明。
图5-10塔模块
在该模拟中，选用RadFrac。
首先，单击RadFrac右侧的三角形，出现可用的图标，如图5-11所示。
图5-11RadFrac塔的各种模块
单击图中顶部第二个标志为FRACT1的图标，此时鼠标变成十字线，然后在流程图中单击，如图5-12所示，完成在流程图中放置单元操作模块的过程。
图5-12在工艺流程中放置RadFrac模块
注意到，此时箭头仍然为十字线，如果在流程图上再次单击，则出现第二个模块，单击鼠标右键，恢复鼠标形状，从而进行其它的操作。
在流程图中放置单元操作模块的过程也可以通过另一种方式实现：
单击图中顶部第二个标志为FRACT1的图标，保持鼠标左键按住不放，然后移动鼠标到流程图中，释放鼠标左键。
然后连接相应的物流。
单击模型库最左侧的物流图标，鼠标变成十字线，注意到此事流程图中的塔模块上出现可以连接物流的箭头，如图5-13所示。
图5-13RadFrac模块上的物流连接点
图中的红色箭头表示必须连接物流，蓝色的箭头表示可选连接。
在流程图上单击鼠标左键，生成一个物流，此时鼠标与物流相关联，将鼠标移动到与塔左侧红色箭头相重合的地方，单击鼠标左键，则建立并连接进料物流。
单击鼠标的右键，可以恢复鼠标的形状，进行其它的操作。
再次单击模型库最左侧的物流图标，鼠标变成十字线，在塔顶部的横向红色箭头上单击，建立一个物流，此时鼠标与物流相关联，将鼠标移动到空白位置，单击左键，完成塔顶采出产品物流的建立与连接。
同样操作，可以完成塔底采出产品与另外一股进料物流的建立与连接。
如图5-14所示。
图5-14完整的工艺流程图
如果图中的物流线比较凌乱，可以单击Ctrl+A，选中所有的对象，然后在其中的塔模块上单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择AlignBlocks，则物流的形状变得清晰美观。
主窗口右下角的红色状态指示符显示为RequiredInputIncomplete，这表明要完成模拟，还有其它必须的输入没有完成。
如果需要对模块或者物流进行重新命名，可以选中模块或者物流，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择RenameStream或者RenameBlock，然后在弹出的对话框中输入相应的名称即可，重命名后如图5-15。
图5-15重新命名工艺物流后的工艺流程图
5、输入标题、单位与全局设定数据
单击Next图标，弹出如图5-16所示的对话框，表示流程已经绘制完整，可以显示相关的输入表格。
图5-16提示流程完成对话框
单击OK，即可打开数据浏览器，显示应当输入的表单，如图5-17所示。
图5-17全局设定表格
在Setup|Specifications|Global表格下，可以输入模拟的标题（Title），可以通过下拉菜单选择模拟过程中所采用的单位（Unitsofmeasurement），还可以通过进行一些全局设定，这些设定对模拟的各个部分都是适用的。
6、定制报告中所要显示的内容
单击Setup|ReportOptions，可以观察到AspenPlus默认设置的报告内容，在该模拟中需要显示摩尔分数，因此单击其中的Stream标签，选中Fractionbasis下的Mole复选框，如图5-18所示。
图5-18设定报告中显示的物流信息
如果用户要显示质量分数，同时选择Fractionbasis下的Mass复选框即可。
有时，用户希望显示物流的某些物性，可以通过以下方法实现：
单击Setup|ReportOptions|Stream|PropertySets，然后在弹出的对话框中选择相应的物性集即可，如图5-19所示。
图5-19物性集选择对话框
AspenPlus中内置有五个物性集模板：
HXDESIGN、THERMAL、TXPORT、VLE、VLLE。
TXPORT能够显示物流的密度、粘度以及液相物流的表面张力。
设置好后，单击Close。
7、输入模拟中涉及的物质
单击Next图标，专家系统导航到下一个必须的操作：
在Components|Specifications|Selection内进行化学物质的规定。
单击左下角的Find按钮，弹出如图5-20所示的对话框。
图5-20查找物质对话框
可以通过物质名称、分子式、CAS号或者分子量与沸点的范围确定所需要的物质，比如输入名称等于（equals）TOLUENE，单击Findnow，则找到甲苯，如图5-21。
图5-21查找物质甲苯
单击甲苯物质，然后单击左下角的Addselectedcompounds按钮，将甲苯添加到模拟中去。
按照同样的方法，将苯酚与甲基环己烷也添加到模拟中去。
然后单击Close按钮。
以上完成之后，应当如图5-22所示。
图5-22所添加物质一览表
8、选择适宜的热力学方法
单击Next图标，专家系统导航到热力学方法的选择。
单击Properties|Specifications|Global|Propertiesmethods&models|Processtype下的下拉菜单，将其选为All。
单击其下面的Basemothod的下拉菜单，可以看到AspenPlus内置了超过50多种的物性方法。
热力学方法的选择对模拟至关重要，很多情况下要根据具体的物系结合文献中发表的实验数据进行确定。
本例中，热力学方法选择UNIFAC，如图5-23。
图5-23选择热力学方法为UNIFAC
然后单击Next图标，出现如图5-24所示的对话框。
图5-24专家系统向导对话框
单击OK，专家系统导航到物流相关参数的规定。
9、工艺物流数据的规定
在Streams|FEED|Input|Specifications表格上，输入进料物流的温度、压力以及流量：
温度为220F、压力为20psia、甲苯流量200lbmol/hr、甲基环己烷流量200lbmol/hr。
输入完成后应当如图5-25所示，注意单位要一致。
图5-25进料物流信息规定一览表
单击Next图标，定位到规定苯酚物流的表格上，输入如下数据：
温度为220F、压力为20psia、苯酚流量1200lbmol/hr，输入完成后应当如图5-26所示，注意到数据输入前后，状态提示符由红色变为蓝色。
图5-26所输入的进料物流信息
10、单元操作模块相关参数的规定
单击Next图标，专家系统导航到单元操作模块的设置，出现如图5-27所示的表格。
图5-27塔的输入信息一览表
在Blocks|TA|Setup|Configuration表上，输入相关的数据：
理论板数（Numberofstages）为22、冷凝器（Condenser）为全凝器（Total）、塔顶产品流率（Distillaterate）为200lbmol/hr、回流比（Refluxratio）为8，其它项目采用缺省值，如图5-28。
图5-28所规定的塔配置信息
状态指示符变为蓝色，说明所需要的输入已经填好。
然后单击Next或者单击Streams标签，进入到塔中物流相关参数的设置。
物流FEED的进料位置设定为14，物流PHENOL的进料位置设定为7，如图5-29所示。
图5-29所规定的塔的进料物流配置信息
单击Next或者单击Pressure标签，进入到塔压力的设置。
单击View下的下拉菜单，选择Pressureprofile，在其中的Stage下输入1，Pressure下输入16，设定塔顶冷凝器的压力为16psia，此时会自动增加一行，输入22与20.2，设定再沸器的压力为20.2psia。
设置好后，如图5-30所示。
图5-30所规定的塔的压强信息
11、运行模拟
单击Next，如果没有错误的话，会出现如图5-31所示的对话框，说明已完成所有必须的输入，可以进行模拟。
图5-31提示运行模拟的对话框
单击OK，出现控制面板，模拟开始执行，如图5-32所示。
图5-32模拟运行后的相关信息
可以看出，进行7次迭代后模拟收敛，没有错误或者警告生成。
如果模拟不收敛，控制面板上能够给出很多有用的信息，可以用来找出错误，修正后重新模拟。
12、查看模拟运行后的结果
单击Next，出现如图5-33的对话框。
图5-33提示显示结果对话框
单击OK，则显示运行状态结果表格，如图5-34。
图5-34运行结果信息
单击数据浏览器中的Blocks|TA|Results，可以显示精馏塔的计算结果，如图5-35。
图5-35精馏塔计算结果信息
以上显示的是冷凝器的温度与热负荷，单击View的下拉菜单，可以显示再沸器的相关数据。
单击数据浏览器中的Blocks|TA|Profiles，可以显示精馏塔内每块板上的温度、压力、气液相流率等相关数据，如图5-36所示。
图5-36精馏塔的TPFQ结果
单击TPFQ右侧的compositions标签，可以观察每块理论板上的组成，如图5-37所示。
图5-37精馏塔的组成分布
单击数据浏览器中的Blocks|ResultsSummary|Streams，可以显示物流的计算结果，如图5-38。
图5-38物流计算结果
可以看出，塔顶甲基环己烷的纯度为97.3%（摩尔百分数，下同）。
该数据结果可以通过单击数据浏览器中的Streams|TOP1|Results而得到，如图5-39。
图5-39塔顶物流计算结果
13、改变条件重新运行模拟
现在的问题是想知道如果增加萃取剂的流量，塔顶产品的纯度是否会增加，那么单击数据浏览器中的Streams|PHENOL|Input，将苯酚的进料量改为1800lbmol/hr，如图5-40。
图5-40塔顶物流计算结果
然后单击Next，在弹出的对话框上单击OK，重新运行模拟，结果如图5-41所示。
图5-41模拟运行后的相关信息
进行5次迭代后模拟收敛。
按照前面讲述的步骤，可以观察到塔顶甲基环己烷的纯度为98.4%，说明增加苯酚的进料量能够提高塔顶产品的纯度。
需要指出，AspenPlus在每次计算过程中都会保留计算结果，下一次运行时，计算的初值采用上次的计算结果，这也是为何只迭代5次就能收敛的原因。
如果不让AspenPlus采用上次计算的结果作为初值，则单击工具栏上的重新初始化图标
，弹出如图5-42所示的对话框。
图5-42选择重新初始化对象的对话框
单击OK，出现如图5-43所示的提示。
图5-43提示重新初始化的对话框
单击OK就实现数据的重新初始化。
此时单击Next重新运行模拟，可以看出仍然需要7次迭代，但是得到的结果完全相同。
当然如此手动修改条件进行重复模拟的效率是很低的，在后面的小节里介绍的灵敏度分析与设计规定可以提高模拟与优化的效率。
14、生成报告并保存文件
用户可以生成包括模拟规定与计算结果的报告文件。
单击File菜单，选择Export，弹出如图5-44所示的对话框。
图5-44保存路径与文件名
在保存文件类型中选择ReportFile（*.rep）。
输入文件名后单击Save就可以生成报告文件。
以后就可以在不启动AspenPlus的情况下，使用文件编辑器打开报告文件。
也可以在AspenPlus中选择View|Report观察报告文件，则弹出如图5-45所示的对话框。
图5-45选择显示报告的对象
选中相应的内容，单击OK，则可以观察报告文件的内容，如图5-46。
图5-46报告文件内容
运行模拟之后，可以选择File|Saveas保存文件并退出AspenPlus。
保存文件时需要注意文件的扩展名，常用的文件格式有两种|：
apw文件与bkp文件。
apw文件是Aspen的标准文档，包括模拟输入、模拟结果以及中间收敛的信息，文件较大，适用于大的流程合并时采用；bkp文件是备份文件，含有输入规定与模拟结果，但是不含有中间收敛信息，文件较小，而且不同版本之间是向上兼容的。
15、AspenPlus流程模拟的一般步骤
通过以上的实例详解，可以总结出使用AspenPlus进行化工过程模拟的一般步骤主要包括：
⑴启动程序；⑵选用模板创建模拟；⑶利用模型库建立工艺流程；⑷设定全局特性；⑸定制所要显示的结果；⑹输入化学组分信息；⑺选用物性计算方法和模型；⑻规定进料物流信息；⑼规定单元模块参数；⑽运行模拟；⑾查看结果；⑿改变条件重新模拟；⒀生成报告并保存模拟项目。
5.3模型库与单元操作模块
AspenPlus的模型库提供了丰富的能够模拟化工单元操作过程的各种模块，共分为九大类：
混合器/分割器、分离器、换热器、塔、反应器、压力改变器、控制器、固体、用户模型，限于篇幅，仅作简要介绍。
1、混合器/分割器
混合器/分割器包括Mixer（流股混合器）、FSplit（分割器）和SSplit（子物流分割器）三个模块，如图5-47所示。
Mixer可用于将多股物流（或热流、功流）混合，一个Mixer模块只能混合相同类型的流股。
当混合热流或功流时，不需要任何规定。
当混合物料流时，可以规定出口压力或压降。
FSplit可以把相同类型的流股（物流、热流或功流）混合并把混合后的流股分成两股或更多的流股，所有出口物流具有与混合后的入口物流相同的组成和条件。
SSplit的作用是将物流混合并把物流分成两股或多股物流（不包括热流或功流），具有相同的组成、温度和压力，流率可以不同。
图5-47混合器/分割器模块
2、分离器
分离器包括Flash（闪蒸罐）、Decanter（液-液倾析器）和Sep（组分分离器）三个模块，如图5-48所示。
Flash分为Flash2（两股出口闪蒸罐）和Flash3（三股出口闪蒸罐）两个模块，前者采用严格的气-液或气-液-液平衡把进料物流分成三股出口物流，可以用做单级相平衡分离器、闪蒸罐、蒸发器，后者用严格的气-液-液平衡把进料物流分成三股出口物流，可以用做分层器与具有两个液相的单级分离器。
Decanter用于模拟分层器或无气相的单级分离器，可以进行液-液平衡与液体-游离水计算。
Sep用于将物流混合并把混合后的物流按每个组分的分离规定分成两股或更多股的物流，这在化工过程设计中是很有用的，因为有时候分离的细节不太重要或者尚不明确，用Sep模型代替严格分离模型可以很好的完成整个工艺流程的模拟。
图5-48分离器模块
3、换热器
换热器包括Heater（加热器或冷却器）、HeatX（两股物流的换热器）、MeatX（多股物流的换热器）、Hetran（与B-JACHetran程序相关的界面模块）、Aerotran（与B-JACAerotran空气冷却换热器相关的界面模块）、HXFlux（传热计算模型）、THRIXIST（与THRI换热程序相关的界面模块）7种模块，如图5-49所示。
Heater用于加热器、冷却器、冷凝器等的模拟，可以确定出口物流的热状况与相态。
HeatX用于两流股之间的换热，当换热器确定时也可以校核管壳式换热器，完成具有单相和两相物流的传热系数和压降估算的全区域分析，能够进行污垢热阻的估算。
MeatX用来模拟诸如液化天然气换热器的多股热流和冷流之间的传热情况，能够保证总的能量平衡，不考虑换热器的几何尺寸。
Hetran是设计和模拟管壳式换热器B-JACHetran的程序界面。
Aerotran可以用来模拟各种类型的空冷换热器，是设计和模拟空冷换热器B-JACAerotran的程序界面。
HXFlux利用对流传热进行热源与散热片之间的传热计算。
THRIXIST是设计和模拟管壳式换热器HTRI'sXist的程序界面。
图5-49换热器模块
需要指出，在新版本的Aspen套件中，有专门的计算换热器的程序，其功能更为详尽，可以参阅相关的专门教程。
4、塔
塔是化工工业生产过程中用到的最广泛、最重要的设备，AspenPlus中的塔模块包括DSTWU（使用Winn-Underwood-Gilliland方法的简捷精馏设计）、Distl（使用Edmister方法的简捷精馏核算）、RadFrac（单一塔严格的两相或三相分馏）、Extract（液体与溶剂的严格逆流萃取）、MultiFrac（复杂塔的严格分馏）、SCFrac（复杂塔的简捷精馏）、PetroFrac（石油炼制的严格分馏）、RateFrac模型（基于速率的非平衡模型严格分馏）、BatchFrac（严格的两相或三相间歇精馏）共九个模块，如图5-50所示。
图5-50塔模块
5、反应器
反应器包括RStoic（化学计量反应器）、RYield（基于已知产率分布的非化学计量反应器）、REquil（基于化学计量方法的严格平衡反应器）、RGibbs（基于吉布斯自由能最小的严格反应或多相平衡）、RCSTR（严格的连续搅拌釜反应器）、RPlug（严格的平推流反应器）和RBatch（严格的间歇或半连续反应器），如图5-51所示。
图5-51反应器模块
6、压力改变器
压力改变器包括Pump（泵或透平机）、Compr（压缩机或透平机）、MCompr（多级压缩机或透平机）、Valve（阀门）、Pipe（单段管道）以及Pipeline（多段管道），如图5-52所示。
图5-52压力改变器模块
7、控制器
控制器包括Mult（物流倍增器）、Dupl（物流复制器）、Clchng（物流类别改变器）、Analyzer（EO物流性质计算器）、Feedbl（物流分析器）、Selector（物流选择器）、Qtvec（加载物流控制器）、Measurement（工厂数据测试器）、Design-Spec（设计规定）、Calculator（计算器）、Transfer（转移器），如图5-53所示。
图5-53控制器模块
8、固体
固体包括Crystallizer（结晶器）、Crusher（固体粉碎机）、Screen（筛分）、FabFl（使用织物过滤器）、Cyclone（旋风分离器）、VScrub（文丘里涤气器）、ESP（电除尘器）、HyCyc（水力旋流器）、CFuge（离心机）、Filter（旋转真空过滤器）、Swash（单级固体洗涤器）、CCD（多级固体洗涤器）、Dryer（固体干燥器），如图5-54所示。
图5-54固体模块
9、用户模型
用户模型包括User（用户定义的操作模型，输入与输出物流的总数少于4个）、User2（用户定义的操作模型，输入与输出物流的数目没有限制）、User3（用户定义的操作模型，采用联立方程法
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