用ASPEN進(jìn)行全流程模擬的一些心得

ASPENPLUS 的學(xué)習(xí)閱歷概述入門是初學(xué)aspenplus軟件最重要也是最難的一關(guān)。讀過手冊的人都知道，Aspenplus的手冊和資料有很多，初學(xué)者面對如此之多的資料可能不知如何開頭，我認(rèn)為其中比較重要而且必讀的是《用戶指南》〔《userguide》〕、《單元操作模型》〔《UnitOperationModels》〕、《物性方法和模型》〔《PhysicalPropertyMethodsandModels》〕、《物性數(shù)據(jù)》等，假設(shè)有肯定的英文根底，最好是讀英文的，這些在幫助文件中都有。其實(shí)一旦入了門，流程模擬軟件學(xué)習(xí)起來就很簡潔了，很多功能觸類旁通很簡潔就懂了，比如說，假設(shè)知道了sensitivity,optimizaiton、desianspec就很簡潔了。大體來說，初學(xué)aspenplus需要把握如下三個(gè)方面：1〕aspenplus能做什么2〕Aspenplus需要什么3〕aspenplus的界面及功能。aspenplus的界面及功能和學(xué)習(xí)全部軟件一樣，首先需要了解軟件的環(huán)境，也就是界面。我個(gè)人認(rèn)為界面根本上可以分為兩種：一是流程圖窗口(processflowsheetwindow),另外是數(shù)據(jù)掃瞄窗口〔databrowserwindow)。實(shí)際上還應(yīng)當(dāng)再加一個(gè)掌握面板〔controlpanel)窗口，這個(gè)窗口也很重要，但這個(gè)窗口只是在流程調(diào)試使用，并且涉及的內(nèi)容初級(jí)入門者也不必花太多時(shí)間去看，先無視。流程圖窗口很簡潔，只要你在工廠干過，看過PFD流程圖并且是windows的用戶，就沒有什么難得地方，讀一下《userguide》知道各菜單及快捷鍵的功能，很快就能搞定。數(shù)據(jù)掃瞄窗口是aspenplus最重要的局部。這也是aspenplus區(qū)分于畫圖軟件的地方。你需要在這個(gè)窗口中輸入全部的條件，并且運(yùn)行后觀看運(yùn)行結(jié)果。其中如下信息是全部的模擬都需要有輸入的：2〕屬性(properties)3〕物流(streams)4〕單元操作(blocks)aspenplus內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫包括了1600多種常用物質(zhì)〔假設(shè)需要的組分aspenplus中沒有用戶可以自己擴(kuò)大，這部份內(nèi)容不適合在初級(jí)，再后面介紹〕。屬性是一個(gè)難點(diǎn)，高難點(diǎn)，我認(rèn)為這是考察技術(shù)人員模擬水平凹凸的一個(gè)重要點(diǎn)。此內(nèi)容與化工熱力學(xué)關(guān)系格外嚴(yán)密，假設(shè)你忘了，那么抓緊去爭論化工熱力學(xué)吧，怎么爭論快捷的方法是去讀《aspenplus的物性模型和方法〉手冊。aspenplus能做什么Aspenplus能做什么〔以下是個(gè)人觀點(diǎn)而非aspentech公司官方的解釋，或許有誤，歡送指正〕aspenplus是用來計(jì)算平衡態(tài)體系數(shù)據(jù)的軟件，這句話的意思有以下幾點(diǎn)：〔1〕aspenplus首先是計(jì)算軟件。這一點(diǎn)上和其他計(jì)算軟件〔包括我們自己開發(fā)的計(jì)算程序比方我們自己搞一個(gè)srkaspenplus都只是依據(jù)化工熱力學(xué)，化工原理等公式，輸入一些條件，然后運(yùn)行得到結(jié)果而已。這么說似乎aspenplusaspenplus是一個(gè)功能格外強(qiáng)大的過程模擬軟件。aspenplus的強(qiáng)大之處在于：1〕它幾乎內(nèi)建了全部化工過程所涉及的原理公式，也就是說化工專業(yè)的課程他全部都包括了；2)它附帶了完善的數(shù)據(jù)庫，囊括了全部你需要去化工手冊上查找的數(shù)據(jù)；3)強(qiáng)大的分析工具，比方轉(zhuǎn)變輸入會(huì)怎樣影響輸出aspenplus已經(jīng)自帶了此類工具，你可以直接使用。正由于如此,aspenplus可以很便利的計(jì)算出大的簡單的流程，這也是它稱之為模擬軟件的緣由。其次aspenplus是平衡態(tài)體系的軟件。它不是仿真機(jī)，所以不是動(dòng)態(tài)模擬軟件，并且所計(jì)算的體系都是假設(shè)已經(jīng)到達(dá)平衡態(tài)，即不考慮時(shí)間的作用。比方相平衡計(jì)算，只能計(jì)算達(dá)不能處理非平衡的問題。aspenplus還有一個(gè)格外有用的功能，就是依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出一些常數(shù)供其它地方使用。aspenplus的數(shù)據(jù)庫功能格外強(qiáng)大，1〕aspenplus由于已經(jīng)自帶了大量的數(shù)據(jù)庫，并且你可以得到這些數(shù)據(jù)，那么你就不需要再去查化工手冊了。比方，純物質(zhì)的比熱，臨界點(diǎn)溫度，壓力等等常數(shù)你都可以得到。2)aspenplus可以計(jì)算得到任意計(jì)算物流的幾乎全部的物理性質(zhì)，比方：密度，比熱，濕度等等工藝工程師所關(guān)心的數(shù)據(jù)。但當(dāng)你的需要的數(shù)據(jù)在aspenplus的數(shù)據(jù)庫中沒有時(shí)可以依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出得到。舉個(gè)常見的例子，假設(shè)你在試驗(yàn)室中，測量了水-乙醇體系在不同壓力溫度下，汽液平衡時(shí)的汽液平衡組成，現(xiàn)在想依據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果得到wilson方程的水-乙醇參數(shù)〔雖然這組參數(shù)aspen數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)有〕，那么就可以使用aspenplus的數(shù)據(jù)回歸功能(dataregress)。該功能的用處在于，假設(shè)你的工藝是比較特別的，aspenplus的數(shù)據(jù)庫內(nèi)沒有內(nèi)置你所爭論的體系，那么你就可以先用數(shù)據(jù)回歸功能得到相應(yīng)的參數(shù)，再做模擬。該功能的具體用法以后再說。aspenplus需要什么前面說過，aspenplus才能解出未知數(shù)，所以aspenplus需要的是方程的數(shù)〔或條件〕，卻不能少，否則方程無解。aspenplus的方程首先來了解一下aspenplus的方程，aspenplus的方程可以分為三大類：熱力學(xué)方程，這是與具體的工藝流程無關(guān)的方程，如抱負(fù)氣體方程、nrtl方程、非抱負(fù)溶液焓模型方程等等。該類方程為單元操作過程計(jì)算供給必要的數(shù)據(jù)根底。單元操作方程，如換熱器，精餾塔等單元操作過程的計(jì)算，涉及到三傳一反，這局部主要是和化工原理有關(guān)。數(shù)學(xué)方程，這局部主要是用來解方程時(shí)涉及到的一些數(shù)學(xué)計(jì)算方法，與我們工程技術(shù)人員關(guān)系不大。我認(rèn)為第一類方程即熱力學(xué)方程是aspenplus的根底，建議在aspenplus入門以后要好好的重點(diǎn)的學(xué)習(xí)一下，精讀一遍《aspenplus物性方法和模型手冊》。其次類方程相對而言不是太難，而且我個(gè)人認(rèn)為初學(xué)者沒有必要去精讀，只要生疏其原理即可。實(shí)際上aspenplus在其單元操作手冊上也并沒有寫明單元操作模型的方程。也就是說aspenplus的計(jì)算模型是“黑箱”的，這就使很多應(yīng)用aspenplus求解問題的人可以得到問題的解，有時(shí)計(jì)算解和實(shí)際有很好的吻合，但卻不知道其機(jī)理，這有利也有弊。好處是我們可以不必關(guān)心過程的機(jī)理模型，便可以求解問題；缺點(diǎn)是想有更深爭論的人，無從知道過程的機(jī)理。我想這也正是aspenplus的商業(yè)隱秘所在。對于aspenplus的流程計(jì)算模式〔還有其他模式如數(shù)據(jù)回歸模式此處不爭論〕。這些方程計(jì)算你需要輸入以下數(shù)據(jù)：流程圖組分物性方法起始物流數(shù)據(jù)：組分、溫度、壓力〔其他物流數(shù)據(jù)aspenplus可以計(jì)算出來〕。全部單元操作模型數(shù)據(jù)〔操作條件〕其他非必要數(shù)據(jù)，這主要是指假設(shè)你使用其他的功能，如設(shè)計(jì)規(guī)定，靈敏度分析等。單元操作模型關(guān)于流程圖，需要特別指出的是單元操作模型。單元操作的模型由兩個(gè)因素打算：1〕你有什么條件〔操作條件〕；2〕你想得到什么結(jié)果。不同的單元操作模型所能計(jì)算的和所需要的條件是不同的，具體請參考單元操作模型手冊或者聯(lián)機(jī)幫助。這句話需要敏捷運(yùn)用，我想再深入的講一點(diǎn)。aspenplus它是過程的一種抽象。你想解決的過程是怎樣的才能打算你所選擇的模型，而不是由具體的設(shè)備打算的。舉個(gè)比較典型的例子：aspenplus中有radfrac模型是個(gè)典型的精餾塔具體計(jì)算模型，根本上可以等同于現(xiàn)實(shí)操作的精餾塔設(shè)備，模型有冷凝器和再沸器。曾有人問我，他想計(jì)算冷凝器的具體構(gòu)造該怎么辦由于radfrac方法很簡潔，你將radfrac的冷凝器設(shè)為無，然后在塔頂汽相添加一個(gè)heatx或者h(yuǎn)etran〔換熱器〕就可以了。而且還有人問精餾塔怎么不能設(shè)置全回流呢說實(shí)話，我并不明白有什么精餾塔在正常狀態(tài)下是全回流操作的，但假設(shè)你非要設(shè)成全回流也不是沒有可能，用我前面講的方法，將換熱器的出口再返回精餾塔就可以了。物性方法的選擇。對于初學(xué)者而言，除非他格外生疏熱力學(xué)的內(nèi)容，否則物性方法的選擇確實(shí)是個(gè)難點(diǎn)，在你還沒有學(xué)習(xí)過熱力學(xué)或者精讀過《aspenplus物性方法和模型》手冊之前，在這里簡要講一下物性方法。首先要明白什么是物性方法比方我們做一個(gè)很簡潔的化工過程計(jì)算：一股100℃,1bar的水-乙醇(50：50摩爾比，100kmol/h〕的物料經(jīng)過一個(gè)換熱器后冷卻到了80℃,,問下面值分別是多少·入口物料的密度，汽相分率?！Q熱器的負(fù)荷?！こ隹谖锪系钠喾致剩嗝芏?，液相密度。簡單一點(diǎn)，我還可以問物料的粘度，逸度，活度，熵等等。以上的值怎么計(jì)算出來好，我們來假設(shè)進(jìn)出口物料全是抱負(fù)氣體，完全符合抱負(fù)氣體的行為，則其密度可以使用pv=nRT計(jì)算出來。并且汽相分率全為1，即該物料是完全氣體。由于抱負(fù)氣體的焓與壓力無關(guān)，則換熱器的負(fù)荷可以依據(jù)水和乙醇的定壓熱熔計(jì)算出來。在此例當(dāng)中，描述抱負(fù)氣體行為的假設(shè)干方程，就是一種物性方法〔aspenplus中稱為idealpropertymethod)。簡潔的說，物性方法就是計(jì)算物流物理性質(zhì)的一套方程，一種物性方法包含了假設(shè)干的物理化學(xué)計(jì)算公式。對于本例而言至少包含了如下兩個(gè)方程：pv=nRTdH=CpdT.實(shí)際上，以上是一種最簡潔的計(jì)算方法，但結(jié)果誤差是很大的。這是由于對于“水-乙醇”體系在此兩種溫度壓力下，假設(shè)當(dāng)作抱負(fù)氣體來處理，其誤差是比較大的，尤其對于液相。依據(jù)抱負(fù)氣體處理的話，冷卻后仍舊為氣體，不應(yīng)當(dāng)有液相消滅。那么應(yīng)當(dāng)如何計(jì)算呢主要涉及以下過程：對于汽相pvt計(jì)算，可以使用srk方程，從而可以得到密度。液相也可以使用狀態(tài)方程計(jì)算密度，但此處不推舉使用Rackett模型計(jì)算液相密度。至于物流的相態(tài)，則首先需要做汽液平衡計(jì)算。在進(jìn)展汽液平衡計(jì)算時(shí)，液相應(yīng)用活度系數(shù)方程計(jì)算組分的逸度系數(shù)，并且還需要antoine方程計(jì)算蒸汽壓力。換熱器負(fù)荷的計(jì)算比較簡單，可以使用進(jìn)出口物流焓差來計(jì)算，那么需要計(jì)算出進(jìn)出口物流的焓。焓的計(jì)算有多種途徑，對于液相比較常用的方法是計(jì)算抱負(fù)液體混合物焓，然后再加上過剩焓計(jì)算出來。要計(jì)算非抱負(fù)液體混合物過剩焓，則可通過混合物質(zhì)汽相焓與蒸發(fā)焓差來計(jì)算，非抱負(fù)性比較強(qiáng)是還要考慮混合焓差。由此可見，實(shí)際過程至少包含如下公式方程：狀態(tài)方程srk,液相密度方程rackett.3〕antoine方程.汽，液相逸度系數(shù)方程液相活度系數(shù)方程汽相焓方程，通過srk方程導(dǎo)出，需要設(shè)計(jì)純氣體Cp=f(p,t)方程。液相焓方程，相當(dāng)簡單，此處不再重復(fù)。其他方程，包括數(shù)學(xué)方程，比方以上計(jì)算時(shí)涉及到了微積分運(yùn)算，汽液平衡的回歸運(yùn)算等。以上方程，假設(shè)需要我們用戶去一個(gè)個(gè)選擇出來，則是一件相當(dāng)麻煩的工作，并且很簡潔出錯(cuò)。好在模擬軟件已經(jīng)幫我做了這一步，這就是物性方法。srk；液相用了活度系數(shù)方程(nrtl,wilson,等aspenplus中將此中方法叫做活度系數(shù)法，假設(shè)你選擇nrtl方程，就稱為nrtl方法，wilson方程就成為wilson物性方法(wilsonpropertymethod)方程公式。在aspenplus中〔或者應(yīng)當(dāng)說在化工熱力學(xué)中〕有兩大類格外重要的物性方法，對于初學(xué)者而言，了解到此兩類物性方法，根本上就可以開頭著手模擬工作了。大體而言，依據(jù)液相混合物逸度的計(jì)算方法的不同，物性方法可以分為兩大類：狀態(tài)方程法和活度系數(shù)法。狀態(tài)方程法使用狀態(tài)方程來計(jì)算汽相及液相的逸度，而活度系數(shù)法使用狀態(tài)方程計(jì)算汽相逸度，但是通過活度系數(shù)來計(jì)算液相的逸度。·常見的狀態(tài)方程有ideal、srk、pr、lk方程以及他們的一些改進(jìn)方程。狀態(tài)方程法就是基于此類狀態(tài)方程來計(jì)算逸度，壓縮因子，焓等等的物性方法。·常見的活度系數(shù)方程有nrtl、wilson、uniquac等?；疃认禂?shù)法就是基于此類活度系數(shù)方程來計(jì)算液相逸度，液相焓等的物性方法。一般而言，對于常見的烴類如烷，烯，芳香族，無機(jī)氣體如O2、N2等非〔弱〕極性的化合物，選用狀態(tài)方程法；對于極性強(qiáng)的化合物，如水-醇，有機(jī)酸體系選用活度系數(shù)法。另外對于汽相聚合的物質(zhì)，應(yīng)選用特別的活度系數(shù)法，可以計(jì)算汽相聚合效應(yīng)。對于無機(jī)電解質(zhì)體elecnrtl物性方法。關(guān)于更多更具體的物性方法選擇請參考物性方法與模型手冊。學(xué)好aspenPlus應(yīng)具備的先導(dǎo)學(xué)問首先要學(xué)好《化工熱力學(xué)》、《化工原理》、《分別過程》、《過程系統(tǒng)工程》這幾課，Aspen的學(xué)習(xí)資料會(huì)比較輕松。另外，學(xué)習(xí)一點(diǎn)數(shù)學(xué)方面的學(xué)問，在《過程系統(tǒng)工程》這樣的書里是有具體介紹的。不管學(xué)什么，先把根底打好，這是最重要的。關(guān)于AspenuserguidePhysicalPropertyMethodsandModels《UnitOperationModels前面已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了熱力學(xué)模型在過程模擬中的重要性了，所以務(wù)必要把握好各種物性模型和如何選擇。6推舉學(xué)習(xí)資料下面兩個(gè)資料建議初學(xué)者看一下，對于學(xué)學(xué)習(xí)asepnplus會(huì)事半功倍的，一個(gè)是大慶金橋aspen教學(xué)，“aspen金橋演示教程”，另一個(gè)是《Aspenplus塔設(shè)計(jì)案例》。前者可以使初學(xué)者快速生疏和把握Aspenplus的界面與根本操作方法，后者通過一個(gè)精餾塔的案例，一步Aspenplus做過程模擬的各種功能。ASPEN我理解的全流程模擬，比方一個(gè)有假設(shè)干塔、假設(shè)干換熱器的流程，包括很多循環(huán)流。在物性選擇正確的根底上，想要收斂順當(dāng)，主要靠一步一步來。比方先用簡潔換熱器，而不用具體換熱器，來代替現(xiàn)實(shí)的換熱網(wǎng)絡(luò)。先把塔算通，比方bottomrate之類的初值；對一些強(qiáng)極性的物性，在塔模型內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)氖諗糠椒?。那么?jì)算是相對容量通過的。即使不通過也很簡潔錯(cuò)在什么地方。由于只是在算一個(gè)塔而已。算通塔只后，循環(huán)。此時(shí)流程中全部的換熱器實(shí)際上只是簡潔換熱器，在ASPENPLUS就是HEATER?？梢岳肞INCHPINCH哪個(gè)物流換熱，換到多少度。此時(shí)可以把流程中的簡潔換熱器一個(gè)一個(gè)地用具體換熱器代替。實(shí)際上全部的計(jì)算，尤其有循環(huán)流的狀況下，好的初值是重要的，而沒有初值，就是零值，任何值除零都出錯(cuò)，任PINCH各流股的計(jì)算值代替初值，這就是reconsi...的用處。假設(shè)這樣還不行的話，再去修改相應(yīng)的整個(gè)流程收斂設(shè)置。比方broyton法就很強(qiáng)大，就是有時(shí)候算出來的東西有點(diǎn)似是而非?？傊鞒棠M必需一步一步來，很多人不留意這一點(diǎn)，一下子搭一個(gè)很大的流程，至少出了錯(cuò)看不出關(guān)鍵問題在哪里?？赡芨鯇W(xué)時(shí)，做例子的方式有關(guān)。另外流程模擬的根底是物性方法的選擇，這是一個(gè)難點(diǎn)。首先要對物性計(jì)算有深刻的理解，比有一本書叫《流體相平衡熱力學(xué)》，有很多物性計(jì)算方面的概念，可以跟ASPEN的物性指南協(xié)作看，比方對于狀態(tài)方程之類，混合規(guī)章的選擇就格外重要，而對于氣液系統(tǒng)，不同來源的二元交互參數(shù)，往往有一樣的計(jì)算效果。其次，對要計(jì)算的物性系統(tǒng)已出版的物性數(shù)據(jù)，在選定物性方法之前，可以參考別人的選擇試算。最終要認(rèn)真讀ASPENSRK任何一本書都說它可以計(jì)算烴水系統(tǒng)，但在ASPEN中該物性方法中的OPTIONCODE中要輸入適當(dāng)值，才能把開啟該功能。另外對基于液液傳質(zhì)，除非有從試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸來的二元交互參數(shù)，否則還難得到合理的計(jì)算結(jié)果。實(shí)際上一個(gè)流程的模擬是否順當(dāng)，一方面是取決對該工藝的理解，另一方面是取決于理論上的愿不情愿深入學(xué)習(xí)，比方物性這一塊。另外還可以參考各軟件附帶的例子，都供給了