化工计算与软件应用(包宗宏)2
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2.热泵精馏技术应用于异丁烷精馏的节能比较(1)
热泵精馏技术应用于异丁烷精馏的节能比较叶阳1（1中国石油大学（北京）化学工程学院，北京102249）摘要：常规精馏分离正丁烷-异丁烷小温差体系的能耗较高，为此本文将两种机械蒸汽再压缩（MVR）热泵精馏工艺，即塔顶蒸汽压缩式热泵工艺和塔底液相闪蒸式热泵工艺应用于正丁烷-异丁烷的分离研究。
利用Aspen Plus化工流程模拟软件中的严格精馏模块Rad Frac.和压缩机模块Compr.等，选用PENG-ROB方程计算物性数据，在与常规精馏相同的操作条件下得到常规精馏和热泵精馏的工艺以及设备参数。
结果表明：与常规精馏工艺相比，以上两种MVR热泵精馏工艺节能分别为83.76%和83.66%，节能明显且效果不相上下。
以上两种工艺是分离该体系较为合适的方法。
关键词：正丁烷-异丁烷；热泵精馏；模拟；节能中图分类号：TQ028Energy-saving comparison of isobutane distillation by usingheat-pump technologiesYE Yang1(1College of Chemical Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249)Abstract：Because high energy consumption for separation of small temperaturedifference system like n-butane and isobutane through conventional rectification, thispaper investigated two kinds of mechanical vapor recompression (MVR) heat-pumpdistillation processes, tower top vapor recompressed heat-pump distillation and towerbottom liquid flash recompressed heat-pump distillation. Based on the minimum energyconsumption for separating n-butane and isobutane. The simulations for the two schemeswere performed by Aspen Plus with the Radfrac. module Compr. module and PENG-ROB equation. The suitable operating parameters and device parameters were obtainedunder the same operating conditions with conventional rectification. The researchshowed that the two MVR heat-pump distillation processes can save energy by 83.76%and 83.66% respectively compared with the conventional distillation process. Energy-saving effect is obvious and comparable, indicating both of the two Heat-pumpTechnologies would be suitable for the system.Key words：n-butane and isobutane; heat-pump distillation; simulation; energy-saving正丁烷异构为异丁烷，是生产异丁烷的主要工艺之一，该工艺主要包括原料脱水、丁烷异构和产品分离3部分。
Aspen plus 化工物性数据和相平衡数据的查询与估算
业 大 学 包 宗 宏
系统数据库
SOLIDS COMBUS
包括3314个固体组分的参数，该 数据库用于固体和电解质应用， 该数据库大部分被INORGANIC替 代了，但它对于电解质应用来说 13 仍然是必要的。
BINARY
1.1 化工物性数据的查询 了解软件数据库的内容与功能，为的是在化工设计过程中 应用。在工艺设计之初，大量时间被用于查找物性数据。化工 模拟软件的普及，为物性数据查找提供了极大的便利。 例1-1.查询硫化氢和硫磺的全部纯组分物性. 为保护环境，工业废气中的硫化氢都采用CLAUS工艺转化 为液态硫磺进行回收。请从ASPEN PLUS 系统数据库中查询 硫化氢和硫磺的全部纯组分物性。
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
3
1.1 化工物性数据的查询 1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑴ 化工辞典，王箴主编，化学 工业出版社出版. 最新版本是2000年出的第4版， 共收词16000余条。
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
4
1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑵ 石油化工基础数据手册,卢焕章 主编，化学工业出版社1982. 共两篇，第一篇介绍各种化工介质 物理、化学性质和数据的计算方 法；第二篇将387个化合物的各 种数据列成表格．以供查阅。 这些数据包括临界参数，及其在一 定温度、压力范围内的饱和蒸汽 压、汽化热、热容、密度、粘度、 导热系数、表面张力、压缩因子、 偏心因子等16个物理参数。 1993年,化学工业出版社出版了由 马沛生主编的石油化工基础数据 手册续编，包含552个新化合物 的21项物性。
包 宗 宏
11
1.1 化工物性数据的查询 1.1.2从ASPEN PLUS软件数据库中查找 在化工设计过程中，物性数据的查找是耗时最多的工作。 能够熟练地查找数据、判断数据的可靠性是化工专业人员的 基本功之一。 图书馆内关于化工物性数据的专著、手册、图册、教材琳 琅满目，对于新加入化工领域的学生来说，往往无从下手。 而使用大型化工流程模拟软件查找、计算、估算化工物性 数据，则为他们提供一条查找物性数据的快捷通道。 即是使经验丰富的化工工程师，掌握软件的物性数据估算、 计算功能，也会对他们的设计工作提供一个事倍功半的利器， 大大提高工作效率，成为他们设计工作中爱不释手的有力工 具。
系统数据库
SOLIDS COMBUS
包括3314个固体组分的参数，该 数据库用于固体和电解质应用， 该数据库大部分被INORGANIC替 代了，但它对于电解质应用来说 13 仍然是必要的。
BINARY
1.1 化工物性数据的查询 了解软件数据库的内容与功能，为的是在化工设计过程中 应用。在工艺设计之初，大量时间被用于查找物性数据。化工 模拟软件的普及，为物性数据查找提供了极大的便利。 例1-1.查询硫化氢和硫磺的全部纯组分物性. 为保护环境，工业废气中的硫化氢都采用CLAUS工艺转化 为液态硫磺进行回收。请从ASPEN PLUS 系统数据库中查询 硫化氢和硫磺的全部纯组分物性。
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1.1 化工物性数据的查询 1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑴ 化工辞典，王箴主编，化学 工业出版社出版. 最新版本是2000年出的第4版， 共收词16000余条。
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4
1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑵ 石油化工基础数据手册,卢焕章 主编，化学工业出版社1982. 共两篇，第一篇介绍各种化工介质 物理、化学性质和数据的计算方 法；第二篇将387个化合物的各 种数据列成表格．以供查阅。 这些数据包括临界参数，及其在一 定温度、压力范围内的饱和蒸汽 压、汽化热、热容、密度、粘度、 导热系数、表面张力、压缩因子、 偏心因子等16个物理参数。 1993年,化学工业出版社出版了由 马沛生主编的石油化工基础数据 手册续编，包含552个新化合物 的21项物性。
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1.1 化工物性数据的查询 1.1.2从ASPEN PLUS软件数据库中查找 在化工设计过程中，物性数据的查找是耗时最多的工作。 能够熟练地查找数据、判断数据的可靠性是化工专业人员的 基本功之一。 图书馆内关于化工物性数据的专著、手册、图册、教材琳 琅满目，对于新加入化工领域的学生来说，往往无从下手。 而使用大型化工流程模拟软件查找、计算、估算化工物性 数据，则为他们提供一条查找物性数据的快捷通道。 即是使经验丰富的化工工程师，掌握软件的物性数据估算、 计算功能，也会对他们的设计工作提供一个事倍功半的利器， 大大提高工作效率，成为他们设计工作中爱不释手的有力工 具。
5 工业装置流程模拟 化工计算与软件应用 课件
京 工
管件、仪表等，如图5-1所示。
业
大
学
包 宗 宏
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5.1 混酸过程
在图5-1中，除了硫酸、硝酸、稀硫酸储罐外，还设置了混合 酸循环罐、混合酸储罐、换热器、流体泵、气体吸收文丘里 设备和相应的管道管件。
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5.1 混酸过程
在做物料衡算与热量衡算时，设计人员关心的是三股原料酸 与混合产品酸的流率与组成、换热器的热负荷。因此，基于 图5-1的混酸过程，在用AspenPlus 进行稳态过程模拟时，抽 象出的模拟流程如图5-2所示。
化工计算与软件应用
第五章 工业装置流程模拟
1
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第五章 工业装置流程模拟
不管是设计型模拟计算，或核算型模拟计算，模拟人员首要任 务是充分理解基本工艺路线，明确本流程的主干与枝干，选择 软件中合适的模块、或模块组合构成流程，以反映流程的模拟 需求。
冷凝器E-5005用循环冷却水（CWS，进口33℃，400 kPa，
出口43℃）作为冷凝冷却介质。冷凝器E-5006用循环冷冻水
南 京
（RWS，进口0℃，400
kPa，出口10℃）作为冷凝冷却介质。
工
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5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程
第一、二、三、四效蒸发器的二次蒸汽冷凝液汇总后(物流号 80) 在换热器E-5007内与汽提塔 (T-5001) 的一股釜液 (物流号 83) 换热升温，然后送入汽提塔进行汽提处理，以脱去冷凝液 中残存的轻组分。
目前，丙烯腈装置三废处理是根据污染物不同形态，采取高处 排放、焚烧、四效蒸发、掩埋等措施进行处理。
Aspen 物料衡算与能量衡算
对的二元交互作用参数。以软件自带的“.bkp” 数据包文件作为模 拟计算的起点，可以免除物性方法选择、反应方程式输入等步骤， 直接进行流程绘制与物流输入，模拟计算结果正确的可能性要大得 “Asy”文件夹：提供原始实验数据，包含了全球各地原油的实 多。如果“.bkp” 数据包文件中的组分与操作者欲模拟计算过程的 沸点数据； 组分有少量的差异，也可以对数据包文件中的组分进行调整。 南 京 工 业 大 学 包 宗 宏 对于电解质过程，数据包文件中包含了体系中的全部分子组分与离
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(5)画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设 备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有 关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。
2.1.3 衡算的基本步骤 (6) 根据工艺流程图抽象出模拟流程。要充分理解基本工艺 路线，明ห้องสมุดไป่ตู้本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或 模块组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需求。 (7)校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整 理，编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平 衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并 易于发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。
工 业 大 学
对于含电解质的过程，要考虑可能存在的离子反应，借助于软 件中的电解质向导，确认体系中的真实组分、表观组分、结晶 包 宗 化合物。
宏
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (4)熟悉模块功能及其计算方法。软件中的模块本质上是计算 方法的图形显示，有的一个模块仅对应一种算法，有的一个模 块可包含几种算法，可根据运算操作者意愿选择运行。熟悉软 件的模块功能，可快速正确地建立起物料衡算的模拟流程。
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(5)画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设 备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有 关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。
2.1.3 衡算的基本步骤 (6) 根据工艺流程图抽象出模拟流程。要充分理解基本工艺 路线，明ห้องสมุดไป่ตู้本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或 模块组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需求。 (7)校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整 理，编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平 衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并 易于发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。
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对于含电解质的过程，要考虑可能存在的离子反应，借助于软 件中的电解质向导，确认体系中的真实组分、表观组分、结晶 包 宗 化合物。
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (4)熟悉模块功能及其计算方法。软件中的模块本质上是计算 方法的图形显示，有的一个模块仅对应一种算法，有的一个模 块可包含几种算法，可根据运算操作者意愿选择运行。熟悉软 件的模块功能，可快速正确地建立起物料衡算的模拟流程。
化工计算与软件应用设备工艺计算.pptx
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南京工业大学 包宗宏
4.1 塔设备 ASPEN PLUS 软件中的填料设计（Pack sizing）功能，计 算选用某种填料时的塔径，共有40种填料供选用，包括 5 种典型的散堆填料和 5 种典型的规整填料。
5 种典型的散堆填料是： ①拉西环（RASCHIG）； ②鲍尔环（PALL）； ③阶梯环（CMR）； ④矩鞍环（INTX）； ⑤超级环（SUPER RING）。
⑶填料塔设计。使用SULZER公司的MELLAPAK-250X型 波纹板规整填料，设等板高度0.3 m，求两段塔径、压降和塔 板上的水力学数据；
⑷筛板塔设计。进行筛板塔设计计算，设筛孔直径8 mm，
板间距600 mm，堰高50 mm，降液管底隙50 mm，求两段塔径
、压降和塔板上的水力学数据。
9
4.2 换热器
南京工业大学 包宗宏
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4.2 换热器
ASPEN ONE工程套件中的“Exchanger Design and Rating” 软 件中还有7种换热器模型： ①Aspen Air Cooled Exchanger (formerly Aspen ACOL+)； ②Aspen Fired Heater (formerly Aspen FiredHeater)； ③Aspen Plate Fin Exchanger； ④Aspen Shell and Tube Exchanger (formerly Aspen TASC+)； ⑤Aspen Shell and Tube Mechanical (formerly Aspen Teams)； ⑥Aspen Plate Exchanger (formerly Aspen Plate+)； ⑦Aspen HTFS Research Network。
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4.1 塔设备 ASPEN PLUS 软件中的填料设计（Pack sizing）功能，计 算选用某种填料时的塔径，共有40种填料供选用，包括 5 种典型的散堆填料和 5 种典型的规整填料。
5 种典型的散堆填料是： ①拉西环（RASCHIG）； ②鲍尔环（PALL）； ③阶梯环（CMR）； ④矩鞍环（INTX）； ⑤超级环（SUPER RING）。
⑶填料塔设计。使用SULZER公司的MELLAPAK-250X型 波纹板规整填料，设等板高度0.3 m，求两段塔径、压降和塔 板上的水力学数据；
⑷筛板塔设计。进行筛板塔设计计算，设筛孔直径8 mm，
板间距600 mm，堰高50 mm，降液管底隙50 mm，求两段塔径
、压降和塔板上的水力学数据。
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4.2 换热器
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4.2 换热器
ASPEN ONE工程套件中的“Exchanger Design and Rating” 软 件中还有7种换热器模型： ①Aspen Air Cooled Exchanger (formerly Aspen ACOL+)； ②Aspen Fired Heater (formerly Aspen FiredHeater)； ③Aspen Plate Fin Exchanger； ④Aspen Shell and Tube Exchanger (formerly Aspen TASC+)； ⑤Aspen Shell and Tube Mechanical (formerly Aspen Teams)； ⑥Aspen Plate Exchanger (formerly Aspen Plate+)； ⑦Aspen HTFS Research Network。
Aspen物料衡算与能量衡算
(4)确定计算任务。根据工艺流程示意图和化学反应方程式， 分析物流热流经过每一过程、每一设备在数量、组成、及物流 热流走向所发生的变化。
南
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(5)画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设
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备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有
学 关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。
学 件中的电解质向导，确认体系中的真实组分、表观组分、结晶
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化合物。
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
(4)熟悉模块功能及其计算方法。软件中的模块本质上是计算 方法的图形显示，有的一个模块仅对应一种算法，有的一个模 块可包含几种算法，可根据运算操作者意愿选择运行。熟悉软 件的模块功能，可快速正确地建立起物料衡算的模拟流程。
醛醛醛醛
酮酮 酮酮
酯酯酯
酮酮酮酮
酯酯酯
醇醇醇醇
二二醇二醇二醇醇
水水水水
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含极性物质
PR, LK-PLOCK,
PR-BM, PKS, RKSBM及其衍生方程
模拟 体系
南
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不含极性物质
工
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全是真实组分
CHAO-SEA, GRAYSON, BK10
P>0.1MPa
含虚拟组分 真空
BK10, IDEAL
(5)了解软件对物性术语的缩写。ASPEN PLUS是全英文软
件，操作界面上的指令都用英文全名表示，易于理解。但物流
的物性均用缩略语表示，很难记忆。在编制物料平衡表时，需
南 京
要同时列出各物流的物性，这就要向软件提出输出特定物性数
Aspen plus 化工物性数据和相平衡数据的查询与估算
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1.2 纯物质的物性估算 1.2.2 与温度相关的热力学性质 理想气体热容：PCES用用多项式(式1-3)、Benson 方法和 Joback 方法估算，温度范围280-1100K，误差< 2%; 临界温度以下纯组分液体热容和液体焓：PCES用DIPPR、 PPDS、IK-CAPE、NIST等关联式计算； 液体摩尔体积: PCES用带有RKTZRA参数的Rackett模型方程 (式1-5)估算; 液体蒸汽压: 数据库组分用扩展Antoine方程(式1-6)进行估算， 非数据库组分采用Riedel、Li-Ma、Mani三种方法估计； 汽化潜热: 数据库组分用Clausius-Clapeyron 方程和Watson方 程(式1-7)估算，非数据库组分用Vetere、Gani、Ducros、 Li-Ma等化合物官能团贡献方法进行估算，Vetere方法的平 均误差为1.6%，Li-Ma方法平均误差为1.05%。
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3
1.1 化工物性数据的查询 1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑴ 化工辞典，王箴主编，化学 工业出版社出版. 最新版本是2000年出的第4版， 共收词16000余条。
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1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑵ 石油化工基础数据手册,卢焕章 主编，化学工业出版社1982. 共两篇，第一篇介绍各种化工介质 物理、化学性质和数据的计算方 法；第二篇将387个化合物的各 种数据列成表格．以供查阅。 这些数据包括临界参数，及其在一 定温度、压力范围内的饱和蒸汽 压、汽化热、热容、密度、粘度、 导热系数、表面张力、压缩因子、 偏心因子等16个物理参数。 1993年,化学工业出版社出版了由 马沛生主编的石油化工基础数据 手册续编，包含552个新化合物 的21项物性。
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1.2 纯物质的物性估算 1.2.2 与温度相关的热力学性质 理想气体热容：PCES用用多项式(式1-3)、Benson 方法和 Joback 方法估算，温度范围280-1100K，误差< 2%; 临界温度以下纯组分液体热容和液体焓：PCES用DIPPR、 PPDS、IK-CAPE、NIST等关联式计算； 液体摩尔体积: PCES用带有RKTZRA参数的Rackett模型方程 (式1-5)估算; 液体蒸汽压: 数据库组分用扩展Antoine方程(式1-6)进行估算， 非数据库组分采用Riedel、Li-Ma、Mani三种方法估计； 汽化潜热: 数据库组分用Clausius-Clapeyron 方程和Watson方 程(式1-7)估算，非数据库组分用Vetere、Gani、Ducros、 Li-Ma等化合物官能团贡献方法进行估算，Vetere方法的平 均误差为1.6%，Li-Ma方法平均误差为1.05%。
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1.1 化工物性数据的查询 1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑴ 化工辞典，王箴主编，化学 工业出版社出版. 最新版本是2000年出的第4版， 共收词16000余条。
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1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑵ 石油化工基础数据手册,卢焕章 主编，化学工业出版社1982. 共两篇，第一篇介绍各种化工介质 物理、化学性质和数据的计算方 法；第二篇将387个化合物的各 种数据列成表格．以供查阅。 这些数据包括临界参数，及其在一 定温度、压力范围内的饱和蒸汽 压、汽化热、热容、密度、粘度、 导热系数、表面张力、压缩因子、 偏心因子等16个物理参数。 1993年,化学工业出版社出版了由 马沛生主编的石油化工基础数据 手册续编，包含552个新化合物 的21项物性。
化工计算与软件应用(包宗宏)2
OVHD FEED
COLUMN
5000 lbmol/hr 10 mole % acetone 90 mole % water 南 京 工 业 大 学
BTMS
Specification: 99.5 mole % acetone recovery
包 宗 宏 Predicted number of stages required
“Elecins”文件夹：综合过程数据包与电解质过程数据包，包含 93个电解质过程的“.bkp” 数据包文件；
“Datapkg” 文件夹：包含了15个综合化工过程的“.bkp” 数据包 文件。 18/40
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (7)学会判断计算结果的正确性。当一个模拟过程运算正常收 敛后，软件状态栏上提示 “Results Available”，表示计算有了 结果，这并不表示结果正确。 结果是否正确，不能指望模拟软件提供结论, 而应依靠自己的 判断。判断的基础是运算操作者对模拟过程的细致了解、化工 专业知识的深刻领会、模拟过程工业背景的熟悉程度、工业装 置的现场操作数据等综合评价。
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
南 京 工 业 大 学
在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项 包 相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热 宗 宏 量衡算。
4/40
2.1.3 衡算的基本步骤 (1)收集数据资料。一般需要收集的数据和资料包括生产规模 和生产时间(即年生产时数)、有关的定额、收率、转化率、原 料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物 理化学常数等。 (2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力 的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压 力或表压。 物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对 南 京 于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。 工 业 用模拟软件进行衡算时，以单位时间的投料量为起点进行计 大 学 算比较方便。当系统介质为固体或液体时，一般以质量为计算 包 基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。
COLUMN
5000 lbmol/hr 10 mole % acetone 90 mole % water 南 京 工 业 大 学
BTMS
Specification: 99.5 mole % acetone recovery
包 宗 宏 Predicted number of stages required
“Elecins”文件夹：综合过程数据包与电解质过程数据包，包含 93个电解质过程的“.bkp” 数据包文件；
“Datapkg” 文件夹：包含了15个综合化工过程的“.bkp” 数据包 文件。 18/40
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (7)学会判断计算结果的正确性。当一个模拟过程运算正常收 敛后，软件状态栏上提示 “Results Available”，表示计算有了 结果，这并不表示结果正确。 结果是否正确，不能指望模拟软件提供结论, 而应依靠自己的 判断。判断的基础是运算操作者对模拟过程的细致了解、化工 专业知识的深刻领会、模拟过程工业背景的熟悉程度、工业装 置的现场操作数据等综合评价。
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
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在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项 包 相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热 宗 宏 量衡算。
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2.1.3 衡算的基本步骤 (1)收集数据资料。一般需要收集的数据和资料包括生产规模 和生产时间(即年生产时数)、有关的定额、收率、转化率、原 料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物 理化学常数等。 (2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力 的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压 力或表压。 物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对 南 京 于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。 工 业 用模拟软件进行衡算时，以单位时间的投料量为起点进行计 大 学 算比较方便。当系统介质为固体或液体时，一般以质量为计算 包 基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。
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5000 lbmol/hr
10 mole % acetone
90 mole % water
BTMS
南
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Specification: 99.5 mole % acetone recovery
业
大 学
Ideal
Equation of
Activity Coefficient
“App”文件夹：对对 子各于 组电分种解，化质各过级工程电过，离数过程据程完包的文反整件应模中方包程拟含式的了、体化文系学件中 反的 应；全 平部 衡分 常子 数组 与分 各与 离离 子
对的二元交互作用参数。以软件自带的“.bkp” 数据包文件作为模
拟计算的起点，可以免除物性方法选择、反应方程式输入等步骤，
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
(2) 选择合适的物性计算方法。ASPEN PLUS软件把模拟计 算一个流程所需要的热力学性质与传递性质的计算方法与计算 模型都组合在一起，称之为性质方法，每种性质方法以其中主 要的热力学模型冠名，软件中共有80多种性质方法供操作者选 择使用。针对不同的模拟体系，选择合适的性质方法用于模拟 过程是获得正确计算结果的前提。
(2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力 的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压 力或表压。
物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对
南 京
于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。
工 业
用模拟软件进行衡算时，以单位时间的投料量为起点进行计
包
Approach State Approach Model Approach
宗 宏
Predicted number of stages
11
7
42
required
Approximate cost in dollars 520,000
390,000
880,000
常见有机化合物极性增加顺序：
烃烃烃
醚 醚醚醚
(5)了解软件对物性术语的缩写。ASPEN PLUS是全英文软
件，操作界面上的指令都用英文全名表示，易于理解。但物流
的物性均用缩略语表示，很难记忆。在编制物料平衡表时，需
南 京
要同时列出各物流的物性，这就要向软件提出输出特定物性数
工 业
据的要求，若能熟悉软件常用物性术语的缩写方式，则可方便
大 学
地输出物流的物性。
南 京
使用图2-1的前提是已知模拟过程的物流组成、体系压力、温
工 业
度范围。
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学 包 宗
图2-1并未概括软件中所有的物性方法，随着软件版本的更新， 新的物性方法也会不断充实进来，但该图给出了一个物性方法
宏 的选择方向。
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
(3)输入组分的数量要完整。用软件进行物料衡算时，首先必 须向软件输入组分名称，通知软件调用数据库中该组分的全部 物性数据参与运算。
南 (ΔE)等于体系所吸收的热减去环境对体系所做的功。
京
工
业 大
简单化工操作单元的能量衡算可以手工进行，复杂化工流程的
学 能量衡算手工计算非常困难，而任何情况下使用模拟软件进行
包 宗
化工过程的能量衡算都是很方便的。
宏
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2.1.2 衡算方程式
化工工艺计算中的物料平衡是指“在单位时间内进入衡算系 统的全部物料质量，必定等于离开该系统的全部物料质量、加 上损失掉与积累起来的物料质量。”
“Asy”文件夹：提直供接原进行始流实程绘验制数与物据流，输入包，含模拟了计全算结球果各正确地的原可能油性的要大实得
沸点数据；
多。如果“.bkp” 数据包文件中的组分与操作者欲模拟计算过程的 组分有少量的差异，也可以对数据包文件中的组分进行调整。
南
京
工 业 大
“Elecins”文件夹：综合过程数据包与电解质过程数据包，包含 93个电解质过程的“.bkp” 数据包文件；
大 学
算比较方便。当系统介质为固体或液体时，一般以质量为计算
包 基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。
宗
宏
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2.1.3 衡算的基本步骤
(3)确定化学反应方程式。列出各个过程的主、副化学反应 方程式，明确反应和变化前后的物料组成及各个组分之间的定 量关系，若计算反应器大小，还需要掌握反应动力学数据。
2.1 衡算方法
2.1.1基本概念 物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中
不论物质发生任何变化(不包括核反应)它的质量始终保持不变。
在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传
递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。
能量衡算的理论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化
学
包
宗 宏
“Datapkg” 文件夹：包含了15个综合化工过程的“.bkp” 数据包
文件。
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
(7)学会判断计算结果的正确性。当一个模拟过程运算正常收 敛后，软件状态栏上提示 “Results Available”，表示计算有了 结果，这并不表示结果正确。
学 件中的电解质向导，确认体系中的真实组分、表观组分、结晶
包 宗
化合物。
宏
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
(4)熟悉模块功能及其计算方法。软件中的模块本质上是计算 方法的图形显示，有的一个模块仅对应一种算法，有的一个模 块可包含几种算法，可根据运算操作者意愿选择运行。熟悉软 件的模块功能，可快速正确地建立起物料衡算的模拟流程。
因此，物料衡算与能量衡算是进行化工工艺设计、过程经
南 济评价、节能分析以及过程最优化的基础。
京
工 在用化工模拟软件进行流程的物料衡算与能量衡算时，虽
业
大 然可以大大提高计算的速率，但仍然需要遵守物料衡算与能
学 包
量衡算的基本规则，把规则应用于软件的操作之中，软件计
宗 算结果才可能合理与可行。
宏
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含-HOC的衍生 活度系数方程
WILS, NRTL, UNIQUAC
及其衍生方程 P<1MPa
有二元 交互作 用参数
液液 平衡
汽液 平衡
WILS-HF
六聚 有汽相
缔合
二聚 无汽相
缔合
南
京
工
业 大
含极性
学 物质
包 宗 宏
不含 电解质
含电 解质
UNIF-NTH, UNIF-HOC
无二元 交互作 用参数
P>1MPa
在模拟计算起始向软件输入组分时，一定要把化学反应中可能 新生成的组分添加进去。
对于非数据库组分，可按照1.3节介绍的方法，将运行模式改成
“Property Estimation”，对非数据库组分的物性进行估算后，
南 京
再将软件运行模式改成
“Flowsheet”进行物料衡算。
工
业 大
对于含电解质的过程，要考虑可能存在的离子反应，借助于软
UNIFAC 及其衍生方程
液液 平衡
汽液 平衡
UNIFAC-LL
有汽相 缔合
无汽相 缔合
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
若性质方法选择不当，只要模拟过程收敛，即使结果不合理， 软件也不会提示出错信息。
另一方面，即使性质方法选择正确，但使用不当也会产生错误 结果。因为性质方法计算的准确程度由模型方程式本身和它的 用法所决定，如热力学模型的使用往往涉及原始数据的合理选 取、模型参数的估计、从纯物质参数计算混合物参数时混合规 则的选择等问题，均需要正确处理。
(4)确定计算任务。根据工艺流程示意图和化学反应方程式， 分析物流热流经过每一过程、每一设备在数量、组成、及物流 热流走向所发生的变化。
南
京 工
(5)画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设
业 大
备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有
学 关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。
几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质与传递性质的计算,
南 京
其中主要有逸度系数、相平衡常数、焓、熵、Gibbs自由能、
工 密度、粘度、导热系数、扩散系数、表面张力等。
业
大
学
包 没有任何一个热力学模型与传递模型能适用于所有的物系和所
宗 宏
有的过程。因此，性质方法的恰当选择和正确使用决定着计算
结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。
结果是否正确，不能指望模拟软件提供结论, 而应依靠自己的 判断。判断的基础是运算操作者对模拟过程的细致了解、化工 专业知识的深刻领会、模拟过程工业背景的熟悉程度、工业装 置的现场操作数据等综合评价。
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
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2.2 简单物理过程
2.2.1 混合过程 多股物料的混合与一股物料分流成多股物料是化工生产中 常见的操作，其物料衡算可以用ASPEN PLUS 中的混合器与 分流器进行模拟。
包 宗 宏
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2.1.3 衡算的基本步骤
(6) 根据工艺流程图抽象出模拟流程。要充分理解基本工艺 路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或 模块组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需求。
(7)校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整 理，编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平 衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并 易于发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。