第五章 Aspen plus流程模拟

第五章 ASPEN工艺核算及优化 ................................................. 2 5.1 引言 ................................................................. 2 5.2 Aspen Plus软件介绍 .................................................... 2 5.3 基于Aspen Plus稳态模拟的甲醇三塔模型搭建 ............................. 4 5.3.1 甲醇三塔稳态模拟基本步骤 ........................................ 4 5.3.2 甲醇三塔初始模拟搭建 ............................................ 6 第五章 ASPEN工艺核算及优化 5.1 引言 在前三章内容中,已经分别介绍了关于甲醇精馏三塔现有的工艺流程、影响效率的操作参数以及对于甲醇精塔的具体控制方案设计。在此基础上,本章主要根据所设计的控制方案,以工艺流程为依据搭建精馏装置模型,以此对控制方案的可操作性进行检验,同时也对在精馆塔控制方面的仿真研究有一个全面的认识。化工过程的模拟通常由两大块组成,分别为稳态以及动态仿真,精馏塔工艺流程的模型搭建属于稳态模拟,控制方案的实施则属于动态模拟[62]。

5.2 Aspen Plus软件介绍 化工流程模拟需选用适宜的软件,通过相关软件的操作运行,在计算机上就可对实际的工业生产过程进行全面的了解与检测,是连接理论研究及落实应用于实际的桥梁。在计算机上通过软件的操作避免了对具体工艺生产中的设备、管线的变动,可以较为自由地对不同的控制方案及工艺流程进行研究探讨分析。流程模拟可以用于对新工艺技术的研究与开发、新流程装置的设计调节、旧有设备的改造、生产流程优化及操作故障诊断等,同时还可以减少大量时间及资金费用地投入。根据化工过程模拟对生产过程、环境评价及经济效益等进行综合的评估分析,其所得数据,对生产装置管理投资提供了有力的依据。在理论研究方面,化工过程模拟是相关研究发设计的有力保障,在具体生产过程中,化工过程模拟是使其从经验型向科技型转变的有效手段。 Aspen Plus是在化工模拟中较常被使用的软件工具,也是本文用于验证方案可操作性的软件平台。它的出现得益于一项名为“Advanced System for Process Engineering”(先进过程工程系统)的项目[63]。这一项目直到1981年末得以全部完成,其后不久Aspen Tech公司正式成立,而Aspen Plus作为商业化软件得到发行。Aspen Plus经过多次的改进、升级与扩充,现下己成为业界公认的大型化工模拟软件。 化工过程的模拟不明思议需要根据流程搭建所需的模型,Aspen Plus也是如此,因此它提供了一系列的操作模块供用户进行选择,使得模型的搭建更具合理性及适用性这些操作模块不仅能够应付单个生产单元的模拟,同时对完整的工艺流程都能够胜任。而之后的所有操作都是建立于所搭建的模型之上完成的。Aspen Plus的组成部分大致可分为三类,物性数据库、单元操作模块及系统实现策略。 ⑴ 物性数据库 化工过程是千差万别的,不同的反应原理不同的反应式,各种物质对应的特性本就不同进行反应后又有所差别,因此化工流程模拟软件就需要一个尽量完善的数据库,而Aspen Plus在这一点上是相对出色的。它包含有两个大型数据库,一个是由其发行公司自主研发而成,另一个则是化工行业中极具权威性的数据库(DIRR)[66,67]。以此为后盾,Aspen Plus可以轻松地应对客户的多种要求。或许在常见的领域其优势尚未明显,但在特殊领域如固体加工等,其数据库的优势是显而易见的。 为了更合理逼真地接近具体的工况,在选定合适的流程模型后还需要进一步对模型进行参数的设置,参数的设置包括有对流股、模型装置、全局设定及特殊环境设定等。参数的设定可以由物性输入界面键入,也可由软件对整个流程装置进行评估后计算得到。同时Aspen Plus软件本身就为用户提供了各种物质的特性参数供选择。 ⑵ 单元操作模块 Aspen Plus软件所拥有的单元操作模块数量多达50多种。这些模块的不同组合可以满足不同工艺流程的需求。此外,多种贴心的工具可用于模型分析,用户可自行选择。工况分析及灵敏度分析模块是较常被用的两种工具[68]。工况分析模块的功能可以得到同一个工艺流程在不同的操作工况下运行所得数据,对工艺流程投入至实际生产过程中具有指导性作用,也是研究工艺流程合理性的重要助。通过灵敏度分析模块的相关设置,可以选定某一变量成为特定变量[69]。通过改变这一变量的数值时,软件运行结果也随之变化。 ⑶ 系统实现策略 Aspen Plus作为一个成熟的商业软件,它的功能是较为完善的,因此除了基本的配备即完备的数据库与多种不同的单元模块外,一些辅助功能也被软件所收纳,其中较为突出的是数据输入、计算策略及结果输出。 ① 数据输入 Aspen Plus的输入可以通过两种方式来完成,在建立好相关模型后,点击Next便可通过弹出的窗口键入相关的数据完备模型装置的参数使得模型更趋近于真实的工况。除此之外软件也支持由命令输入的方式,在数据输入的文件中用于注释的语句能够通过转化变成利于仿真的相关信息。此种形式对软件用户较大程度地带来了便捷。 ② 计算策略 Aspen Plus仿真结果是通过提供的模型参数设定值进行相关的计算而得,其计算方式主要有两种,分别为联立方程及序贯模块。计算顺序由软件根据模型搭建方式自动进行,若有特殊的需要用户也可以通过定义参数来进行调整在工业生产中往往存在循环回路,而在软件模型过程中需对这一部分査看其收敛结果。 ③ 结果输出 计算之后的结果输出有多种方式,可以以图表查看,也可生成报告文件査看。报告文件可以包含各种输入的数据及运行模拟的结果,可通过相关命令控制报告文件的输出形式及相关内容。结果输出有多种方式,可以以图表查看,也可生成报告文件査看。报告文件可以包含各种输入的数据及运行模拟的结果,可通过相关命令控制报告文件的输出形式及相关内容。

5.3 基于Aspen Plus稳态模拟的甲醇三塔模型搭建 5.3.1 甲醇三塔稳态模拟基本步骤 ⑴ 用户界面启动及方式选择 本仿真釆用的是Aspen Plus软件,Aspen Plus软件的模拟无需配备网络只在本地计算机就可完成相关操作模拟在计算机上启动用户界面后,与其它软件相似的是可以对新文件选择其打开方式。本文主要是通过建立甲醇精馈三塔的模型从而进行模拟仿真,在此选用系统模块模拟方式打开新文件。选定后,系统会进一步弹出仿真选择窗口,主要是针对模拟过程中所涉及的单位等。在运行类型的选择方面,选择流程图方式,因为本仿真的建立是在工艺流程图基础上进行的。对选型选定后正式进入到软件界面。 ⑵ 装置模块选定 Aspen Plus软件的界面简洁方便,界面上方是菜单栏及一些快捷操作按钮,界面下方就是模型库。软件具备有强大的模型库,提供有各种装置模块供流程模型搭建。考虑到实际的甲醇精馈过程装置包含精馏塔、冷凝器、再沸器等主要设备,辅助设备包含有阀门、泵等,选用精傾塔Rad Frac模块,并选择菜及阀门模块[72]。同一模块软件提供不同图例选择供用户选择,可以根据流程的需要及图面情况选择合适的模块,模块的名称也可以进行相关设置修改。在选定好模块后只要将鼠标点住后拖至操作区域内即可,模块大小也可通过鼠标拖拽进行调节。 ⑶ 各模块连接 在实际工况中,各路管线用于输送流体至设备即是各装置设备间联系的桥梁,在模拟软件中并不存在管道模块,用于连接装置模块的是流股。何谓流股,就是在模型间用于连接的线段,这只是其在仿真界面上的具象显示,在工业上表现为管线,而在模型过程中另有不同的深意,通过流股的参数设置可以定义模型的进料。在选定流股后,软件会根据模块特性自动对模块的进出口以髙亮方式显示,一般以两种颜色标注,方便于用户进行连接,亮红为该装置的必连口,即此端口若未被连入模型,则无法正常运行仿真。亮蓝则是选接口,可以根据需要连入模型,不做强行规定。当模块及相关流股选定后界面上所呈现的模型如图5.1所示。 ⑷ 工艺参数设置 模型的建立只是第一步,之后更为重要的是对该模型参数的设置。参数的设置主要有全局特性设定、组分信息设定、物性计算方法设定、流股设定及模块参数设定。在具体的工程生产过程中往往要考虑其所处环境的状况,南方或北方环境温度的差别,气压差别这些对于装置都存在不同程度的影响,而全局设定就是针对这一差别可以进行适当地调整使模型更近于实际工况。 组分信息主要是用于设定整套模型装置运行过程中所涉及的物料成分信息。每个成分都有唯一的名称绑定,可以通过该物质的英文名称进行搜索或使用其分子式进行检索,值得一提的是其分子式与一般意义上的分子式有所区别,其构成是碳原子总数、氢原子总数最后是其他原子,与带有结构形式的普通分子式不同。 物性计算是对仿真运行时所套用的计算方式进行选择,选择不同的计算方式对仿真结果产生不同的影响也可能造成模拟结果的偏失。根据工艺流程的分析以及反应物物性分析进行选择,对于某些特殊物质可利用亨利组分进行推断[73]。本文主要研究对象是甲醇精馏装置，考虑到其混合溶液中包含甲醇、水及甲酸甲酯，因此选用的物性方法为NRTL-RK，对于甲醇精馏装置系统具有较好的效果。