1、第一章 绪论第一节 化工模拟 化学工程的研究对象通常是非常复杂的，主要表现在：过程本身的复杂性：既有化学的，又有物理的，并且两者时常同时发生,相互影响。物系的复杂性:既有流体（气体和液体），又有固体，时常多相共存。流体性质可有大幅度变化，如低粘度和高粘度、牛顿型和非牛顿型等。有时，在过程进行中有物性显著改变，如聚合过程中反应物系从低粘度向高粘度的转变。物系流动时边界的复杂性：由于设备（如塔板、搅拌桨、档板等）的几何形状是多变的，填充物（如催化剂、填料等）的外形也是多变的，使流动边界复杂且难以确定和描述。第一节 化工模拟 由于化学工程对象的这些特点，使得解析方法在化学工程研究中往往失效。也从而形
2、成了自己的研究方法（化学工程研究方法），其中有些方法并非首创，而由别的领域移植而来。化学工程初期的主要方法是经验放大，通过多层次的、逐级扩大的试验，探索放大的规律。这种经验方法耗资大、费时长、效果差，人们一直努力试图摆脱这种处境。但是时至今日，对于一些特别复杂，人们迄今尚知之甚少的过程，还不得不求助于或部分求助于此法。到20 世纪初，相当盛行的是相似论和因次分析，其特点是将影响过程的众多变量通过相似变换或因次分析归纳成为数较少的无因次数（无量纲）群形式，然后设计模型试验，求得这些数群的关系。用这两种方法归纳实验结果，甚为有效。而对于反应过程，逐级的经验方法沿用了很长时间。由于不可能在满足几何相
3、似和物理量相似的同时满足化学相似条件，用无因次数群关联实验结果以获得反应过程规律的思路归于无效。直至50年代，才在化学反应工程领域中广泛应用数学模型方法。这一方法的影响波及到化学工程的其他分支，使研究方法出现了一个革新。在上述方法的应用中，多方面体现了过程分解（将一个复杂过程分解为两个或几个较简单过程），过程简化（较复杂过程忽略次要因素而以较简单过程简化处理）和过程综合（在分别处理分解了的过程后，再将这些过程综合为一）的思想。第一节 化工模拟 对化工过程模拟而言，有不同层次的过程模拟，一个工厂的流程模拟的对象在十几米甚至上百米的规模范围，而其单元过程子系统则为几厘米至几米大小。进一步深入模拟每
4、个单元过程设备的内部传递过程和反应过程，则模拟对象小到毫米亚微米级。而在计算分子物性或研制新的药品时，要模拟分子的性能，模拟的对象甚至小到纳米级。典型的化工模拟的层次如图1所示。第二节 流程模拟 化工过程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据，诸如物料的压力、温 度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，采用适当的模拟软件，将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述，用计算机模拟实际的生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。简言
5、之，化工过程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程。由于这一“再现”过程并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，因而给了化工模拟人员最大的自由度，可以在计算机上“为所欲为”地进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。这一方法是计算机技术在化工方面的最重要的应用之一。流程规模系统的迅速与准确不仅可节省时间，也可节省大量资金和操作费用，提高产品质量和产量，降低消耗。流程模拟系统还可对经济效益、过程优化、环境评价进行全面地分析和精确评估。并可对化工过程的规划、研究和开发及技术可靠性作出分析。同时流程模拟系统的快速准确对多种流程方案的分析和对比提供了保证。随着计算机技术的发展及应用软件技术的开发
6、，化工过程模拟技术日趋成熟和实用，商业化软件广泛出现于化工过程模拟中，其主要的代表有ASPEN PLUS系统和PROE系统。第三节 单元模拟 过程工业的处理过程是以质量、动量和能量的连续流动为特征。传统手段对这一过程的处理在很大程度上是依靠经验以及一些宏观参数表达的经验关系式。现代过程工业普遍使用的流程模拟技术尽管更系统化和普遍地描述这一过程，使工艺工程师更深入地了解工艺链中的关联关系，但在流程模拟技术中，绝大部分单元过程仍被处理为“黑箱”模型。对流动、传质、热、反应比较敏感的单元过程的设计、放大，需要了解有关质量、动量、能量流更多微观和深入的信息，单元模拟技术即为了解决这一问题而产生。第三节
7、 单元模拟 在单元模拟中，用N-S方程这个高度复杂的非线性偏微分方程组来描述质量、动量、能量之间的关系。为求解该方程组，采用离散原理，将单元设备划分为许多微元，并在微元上用代数方程近似偏微分方程，然后联立求解所有微元代数方程以及边界方程，得到各个微元上的参数，如速度、温度、压力、浓度等。当划分的微元无限小时，计算结果也就无限逼近实际问题的解。在实际过程中，单元内部的介质基本是多组分或多相的，传质、传热、反应过程相互耦合。为模拟这些复杂过程，可以对介质的每一相或每一组分分别求解N-S方程，各相或各组分通过各组N-S方程之间质量、力、热量的相互传递相互影响。例如化学反应，反应物质量方程的一个消失量
8、对应着生成物质量方程中的一个生成量，反应热对应着能量方程中的一个生成或消失量。同样，单元模拟技术通过离散方法求解这一耦合体系，以获得空间和时间的速度分布、温度分布、压力分布、浓度分布、相分数分布等。第三节 单元模拟 单元模拟主要有以下四方面的应用：1工程放大：由于单元模拟技术采用机理性模型，原则上不限制结构形式、结构尺寸、工艺参数、操作参数，因此通过单元模拟技术可以跳过“实验室小试中试工业”传统放大过程的某些环节，例如经过小试后直接进行工业装置放大验证。单元模拟技术作为一种工程放大手段，可以大量节省资金和时间，而且由于掌握大量数据，放大的可靠性也较高。2技术创新，优化设计：在传统开发环境中，大
9、量的创新思路或创新设想无法或难以验证，而在单元模拟技术辅助的开发环境中，新设想的验证变得容易，因此有助于进行技术创新，此外，由于极低的重复成本，单元模拟技术使包含大量设计循环的优化设计成为可能。3诊断及扩能改造：通过单元模拟技术不仅可获得对过程机理的深入理解，而且可判断过程的故障原因、关键部分以及扩能潜力，进一步可验证各种改造和扩能方案的效能。4生产调优以及控制：用单元模拟技术建立核心装置仿真模型，用于操作调优验证或用于控制系统数据采集，可有效降低运行风险，提高装置效能。第四节 单元模拟与流程模拟的关系 单元模拟和流程模拟两者既有不同，又是相互联系的。两者的不同主要表现在：（1）流程模拟的处理
10、对象是全工艺流程，本质上计算系统各单元过程之间的相互影响关系，其结果主要用于流程参数调优，提高生产效率。单元模拟的对象是单元过程，本质上是计算单元过程的内部状态，其结果主要有助于理解过程机理，设备调优以及故障诊断。（2）流程模拟本质上是半经验性的，因此需要一个具有各种单元过程模型的数据库，所能处理的单元过程类型以及工艺参数范围仅限于数据库中的已有数据，对于新型过程，或超出正常操作范围的工艺参数，流程模拟不能通过自身解决。单元模拟是机理性的，原则上不限制单元过程的类型，也不限制工艺参数的范围，因此可以用于研究新型单元过程，以及异常工艺、操作参数的影响。（3）流程模拟基本上是一维模拟，可以得到参数
11、沿流程的变化，但不能获得参数的空间分布。单元模拟是三维动态模拟，不仅获得诸如速度、温度、压力、浓度在三维空间的分布，而且可获知这些参数的动态变化过程。第四节 单元模拟与流程模拟的关系 在实际工业应用中，流程模拟和单元模拟是互补的。通过流程模拟得到的工艺参数可以作为单元模拟的输入参数或边界条件。通过单元模拟检验单元过程的状态，反过来可以用于修正流程模拟的参数。对于流程模拟不能处理的新型单元过程或超常工艺、操作参数，通过单元模拟检验或建模后可以扩充流程模拟的数据库。用流程模拟优化全流程参数以及确定全流程关键单元过程后，可用单元模拟对关键单元过程进一步优化。用流程模拟诊断系统故障部位后，可用单元模拟
12、详细分析故障机理以及确定改造方案。因此，单元模拟与流程模拟是互补的两种基本工程手段，只是单元模拟实际工业应用的时间晚于流程模拟。第第2章章 流程模拟技术流程模拟技术21 流程模拟的步骤流程模拟的步骤 2.1.1 2.1.1 流程的建立流程的建立 化工流程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程，因此流程模拟的第一步就是要在计算机上建立需要模拟的流程。在这个过程中，用户需要根据需要模拟的实际过程，选择合适的模型去描述每一个单元操作过程；根据实际流程中的物流走向将单元操作的模块连接起来，形成完整的模拟所需要的工艺流程。现行的流程模拟软件都给用户提供了交互式图形界面用于流程的定义，同时还提供了多种单
13、元操作的模型库可供用户选择。用户只需在模型库中选择所需的模型，并在流程图窗口绘制整个流程图就可以完成流程的建立。同时还可以根据需要在该窗口中对建立的流程进行修改。21 流程模拟的步骤流程模拟的步骤 2.1.2 2.1.2 变量的设置变量的设置 流程建立后，用户应该选择所需要进行的流程模拟的类型。根据模拟的需要完成必须的和可选的变量的输入。这其中包括模拟的名称、所用单位等变量的输入；也包括设计的物流的组分和组成的定义，热力学模型的选择这些物性相关变量的输入及选择；还包括设备的尺寸以及操作的温度压力等操作参数的确定；用户也可以根据自己的需要选择输入报告的输出及格式。2.1.3 2.1.3 程序的运
14、行程序的运行 流程的定义和变量的设置完成后，用户就可以根据需要采用合适的方式运行流程模拟了。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.1 Aspen Plus流程模拟软件介绍 ASPEN PLUS起源于七十年代后期美国能源部在麻省理工学院MIT组织会战，要求开发新型第三代流程模拟软件。这个项目称为先进过程工程系统（Advanced System for Process Engineering）简称ASPEN。这一大型项目于1981年底完成。1982年Aspen Tech公司成立将其商品化，称为ASPEN PLUS。ASPEN PLUS是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大
15、型化工流程软件。它为用户提供了一套完整的单元操作模型，用于模拟各种操作过程，从单个操作单元到整个工艺流程的模拟。ASPEN PLUS 主要由三部分组成，简述如下。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 （1）物性数据库 AspenPlus自身拥有两个通用的数据库：Aspen CDASPEN TECH公司自己开发的数据库，DIPPR美国化工协会物性数据设计院设计的数据库。另外还有多个专用的数据库，如电解质，固体，燃料产品，这些数据库结合拥有的一些专用状态方程和专用单元操作模块使得AspenPlus软件可使用于固体加工电解质等特需的领域，极大地拓宽了AspenPlus的应用范围。ASPEN P
16、LUS具有工业上最适用而完备的物性系统。包含1773种有机物、2450种无机物、3314种固体物、900种水溶电解质的基本物性参数。主要有：分子量、Piterzer偏心因子、临界因子、标准生成自由能、标准生成热、正常沸点下的汽化潜热、回转半径、凝固点、偶极矩、比重等。对UNIQUAC 和UNIFAC方程的参数也收集在数据库中。计算时可自动从数据库中调用基础物性进行传递物性和热力学性质的计算。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 同时ASPEN PLUS 还提供了几十种用于计算传递物性和热力学性质模型的方法，主要有：计算理想混合物汽液平衡的拉乌尔定律、烃类混合物的Chao-Seader、非
17、极性和弱极性混合物的Redilch-Kwong-Soave、BWR-Lee-Staring、Peng-Robinsin。对于强的非理想液态混合物的活度系数模型主要有UNIFAC、Wilson、NRTL、UNIQUAC。ASEN PLUS还提供灵活的数据回归系统(DRS)，使用实验数据来求物性参数，可以回归实际应用中的任何类型的数据，计算任何模型参数，包括用户自编的模型。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 此外，ASPEN PLUS中的物性常数估算系统(PCES)能够通过输入分子结构和易测性质来估算短缺的物性参数。当模拟流程中含有缺少的实验数据的新化学产品时，PCES特别有用。（2）单元
18、操作模块 ASPEN PLUS中有五十多种单元操作模型，如混合、分割、换热、闪蒸、精馏、反应等，通过这些模型和模块的组合，能模拟用户所需要的流程。除此之外，ASPEN PLUS 还提供了灵敏度分析和工况分析模块。利用灵敏度分析模块，用户可以设置某一变量作为灵敏度分析变量，通过改变此变量的值模拟操作结果的变化情况。采用工况分析模块，用户可以对同一流程几种操作工况的进行运行分析。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 （3）系统实现策略（数据输入解算结果输出）ASPEN PLUS 提供了操作方便、灵活的用户界面Model Manager，以交互式图形界面(GUI)来定义问题，控制计算和灵活地检
19、查结果。用户在窗口环境中可使用MOUSE鼠标器和键盘操作，并提供多种菜单，包括一般文本菜单，下拉菜单(Pull-down)，弹出菜单(Pop-up)，对话框(Dialogue box)等，用户可以根据屏幕提示以填充式的表格方式填入数据，产生报告，定义图表和流程。另外还提供了各种图形，文本操作和编辑功能，如放大、移动、翻页，图形和文本的删除、修改、插人等，以帮助和指导用户进行流程模拟。用户通过Model Manager完成数据输入后，即可进行模拟计算，以交互方式分析计算结果，按模拟要求修改数据，调整流程，或修改或调整输入文件中的任何语句或参数。GUI支持Windows及Motif的标准。提供了包
20、括拷贝、粘贴等目标管理功能，能方便地处理复杂的流程图。图例符号编辑器使用户能够建立新的设备及PFD图例符号，修改已存在的图例符号。DXF格式接口可以将Model Manager中的流程图按DXF标准格式输出，再转换成其他CAD系统如AUTOCAD所能调用的图形文件。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 ASPEN PLUS解算方法为序贯模块方法，对流程的计算顺序可以由用户自己定义，液可以由程序自动产生。对于有循环回路和设计规定的流程必须迭代收敛。所谓设计规定是指用户希望规定某处的变量值达到一定的要求。ASPEN PLUS采用先进的数值计算方法，能使循环物料和设计规定迅速而准确地收敛。这些
21、方法包括直接迭代法，正割法，拟牛顿法,Broyde。法等。这些方法均经ASPENTeh进行了修正。APEN PLUS可以同时收敛多股断裂(Tear)流股，多个设计规定，甚至收敛有设计规定的断裂流股。应用ASPEN PLUS的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值以达到任何目标函数的最大值。可以将任何工程和技术经济变量作为目标函数，对约束条件和可变参数的数目没有限制。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.2 Aspen Plus安装及运行环境安装及运行环境 2.2.2.1 Aspen Plus的安装的安装 Aspen PLUS安装过程很容易，以ASPEN PLUS 10.2的WIND
22、OWS版本为例，先在硬盘上建立一个目录，运行CD1内的Setup.exe程序进行安装，会出现以下画面（图2.1），单击Aspen Engineering Suit选项，则开始进行安装，单击Next。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.1 ASPEN 安装界面22 Aspen Plus流程模拟商业软件 单元模拟和流程模拟两者既有不同，又是相互联系的。两者的不同主要表现在：（1）流程模拟的处理对象是全工艺流程，本质上计算系统各单元过程之间的相互影响关系，其结果主要用于流程参数调优，提高生产效率。单元模拟的对象是单元过程，本质上是计算单元过程的内部状态，其结果主要有助于理解过程机理，设
23、备调优以及故障诊断。（2）流程模拟本质上是半经验性的，因此需要一个具有各种单元过程模型的数据库，所能处理的单元过程类型以及工艺参数范围仅限于数据库中的已有数据，对于新型过程，或超出正常操作范围的工艺参数，流程模拟不能通过自身解决。单元模拟是机理性的，原则上不限制单元过程的类型，也不限制工艺参数的范围，因此可以用于研究新型单元过程，以及异常工艺、操作参数的影响。（3）流程模拟基本上是一维模拟，可以得到参数沿流程的变化，但不能获得参数的空间分布。单元模拟是三维动态模拟，不仅获得诸如速度、温度、压力、浓度在三维空间的分布，而且可获知这些参数的动态变化过程。22 Aspen Plus流程模拟商业软件
24、选 项 直 到出现图2.2，如果在个人PC上直接使用ASPEN PLUS，选择All Products选项（如 果 选 择L i c e n s e d Products 则要先安装ALM，ASPEN L I C E N S E D MANAGER）单。图2.2 ASPEN的安装22 Aspen Plus流程模拟商业软件图2.3 ASPEN ASPEN的安装22 Aspen Plus流程模拟商业软件 单击Next继续，出现图2.3，选择选择Standard Install 单击Next，出现画面2.4.选择要安装的模块，ASPEN PLUS 必选，第一次安装时和online，web（网络组件）
25、相关的模块不要选择。单击Next出现以下画面（图2.5）.选择Aspen License Manager 单击Next进行安装。出现插入CD2选项框时，选择CD2内文件所在的位置或插入CD2继续安装。安装完成后重新启动计算机，指定license.dat文件的位置，完成整个软件的安装。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.4 ASPEN的安装 22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.5 ASPEN的安装22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.2.2 2.2.2.2 ASPEN PLUS ASPEN PLUS 的启动的启动 ASPEN PLUS安装完成以后，就可以
26、利用它来进行流程模拟的工作了。在WINDOWS操作界面下，用鼠标左键点击“开始”，然后指向Programs中的AspenTech,指向 ASPEN PLUS 然后点击 ASPEN PLUS用户界面（Aspen Properties User），在弹出的启动对话框中（图2.6）选择是使用一个空白模拟(Blank Simulation)、用模板建立一个新的模拟（Tamplate）或者打开一个已经存在的模拟（Open an Existing Simulation）。如果选择通过模板建立一个新运行，系统将提示为新的运行定义模板和运行类型。如果要打开一个已经存在的运行，可以在开始菜单直接在Startup
27、对话框的列表中选择文件名或者选择More File找到要打开的文件，出现Connect to Engine(连接引擎)对话框，指定ASPEN PLUS 模拟引擎将运行的位置，程序进入ASPEN PLUS 的用户界面的主窗口（图2.7）。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.6 ASPEN PLUS 启动对话框22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.7 ASPEN PLUS 用户界面-主窗口22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.2.3 ASPEN PLUS用户界面 在ASPEN PLUS 的用户界面的主窗口（图2.7）中，可以建立显示模拟流程图以及PFD-st
28、yle绘图，还可以从主窗口打开其它窗口。表2.1 列出了ASPEN PLUS主窗口的主要内容。主窗口中这些工具条和按钮的使用与windows下其他程序中下拉菜单以及工具钮的使用类似，因此不再赘述。下面对ASPEN PLUS 用户界面中较为重要的几部分作进一步详细说明。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.2.4 数据浏览器（数据浏览器（Data Browser）数据浏览器（Data Browser）是一个页面和表页查看器，它用于相关参数的输入和定义（图2.8）。在Toolbar（工具条）上单击Data Browser 按钮或从Data menu菜单栏单击Data Browser就
29、可以打开，当用户打开任何一个表时Data Browser也会随之出现。22 Aspen Plus流程模拟商业软件表2.1 ASPEN PLUS主窗口的主要内容22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.8 数据浏览器（Data Browser）窗口22 Aspen Plus流程模拟商业软件 使用数据浏览器可实现下列功能：显示表和页面，编辑定义流程模拟的输入 使用Data Browser可以浏览和编辑表和页，这些表和页为流程模拟定义输入并显示模拟结果，每一个表是多个页的集合。用户可以通过在显示的表中点击页面标签来浏览任意页面。图2.9 为Compoments Specifications
30、Selection（组分规定选择）表，具体的数据输入的方式参见2.3节。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.9 Compoments Specifications Selection（组分规定选择）表22 Aspen Plus流程模拟商业软件 检查运行的状态和内容，查看结果是否可用 在建立数据的过程中，数据浏览菜单树前面的状态指示符会随着用户输入的进行不断变化，显示整个模拟以及各个表和页的完成状态。通过状态指示符的变化用户可以方便的知道需要补充输入的参数，检查输出的结果是否有和输入相矛盾的地方以及是否有不合理之处。表2.2 列出了状态指示符各符号时的含义。22 Aspen Plu
31、s流程模拟商业软件表2.2 状态指示符各符号的含义22 Aspen Plus流程模拟商业软件22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.2.5 2.2.2.5 NEXTNEXT钮钮 的使用的使用 Next 按钮 位于主窗口的Data Browser工具条上和Data Browser的工具条上。在ASPEN PLUS 的任一位置，单击此按钮就可以调用ASPEN PLUS专家系统，借助显示信息指导用户对一个运行进行必需和可选的输入，进行下一步操作，当用户改变已经输入的选择项和规定时，也确保用户不会做出不完整的或不一致的规定。在其的指导下，用户可以安全、方便地完成模拟所必须经历的各步骤。当用
32、户完成某一步骤时，单击Next 按钮系统会自动带用户到下一步需完成的步骤中。比如，在进行参数输入时，若所在的表是没有完成的，单击此按钮，系统会显示一个用户完成表必须提供的输入信息清单；若用户所在的表是完成的，则会带用户到当前对象的下一个必需的输入页面。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 当用户建立或改变输入时，使用专家系统能够在用户前后的规定不一致或未完成时发出提示，并指导用户做相应的改变。例如，当用户使用RadFrac去模拟一个精馏塔并且规定没有再沸器操作时，规定字段之一将变成未激活的，因为在塔规定中只有一个自由度。如果用户改变Reboiler 再沸器字段，其它操作规定区域将变为激活
33、的。如果用户改变某个选项或规定，使得其它输入项与之不一致，ASPEN PLUS显示一个对话框提示否想临时跳过错误，如果不想纠正错误而继续则单击Yes，系统会进入受影响的字段并将其与新的规定一致。当用户协调完规定后，受影响的表才标记为完成，专家系统指导你进入没完成的步骤。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.2.6 2.2.2.6 ASPEN PLUSASPEN PLUS帮助系统的调用帮助系统的调用 ASPEN PLUS 有一个在线Help，即提示和专家系统信息，当用户使用程序时可以随时给用户提供信息帮助。在ASPEN PLUS 中可以有几种方法调用帮助：对一个特定专题，可以在下拉
34、菜单的Help项中单击 Help Topics。从出现的 Help Topics 对话框中单击Index 键，寻找所需要的专题进行浏览。对于一个表或字段，可以在ASPEN PLUS 工具条上单击Whats This 按扭，然后单击字段或表即可调用。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 对于出现的对话框，可以直接在对话框上单击 Help 按钮。在运行过程中的任意对象，可将光标和鼠标指在该对象上，按F1键。至于ASPEN PLUS帮助系统的使用，和Windows下其他软件的帮助系统使用是一样的。如果在运行过程中，想保持 Help 窗口始终在任何其它被打开窗口的上面，可以在Help 窗口中单击
35、Options 按钮或菜单进行设置，也可以将鼠标指向 Keep Help On Top 然后单击 On Top。如果在程序运行过程中有疑问或者在帮助系统中无法找到需要的答案，用户也可以直接和ASPEN TECH公司或软件代理商进行联系得到答复。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.2.7 2.2.2.7 ASPEN PLUSASPEN PLUS常用快捷键常用快捷键 表2.3 列出了ASPEN PLUS中一般较为常用的快捷键，利用它们可以快速调用所需的选项。ASPEN PLUS的用户指南提供了更多更为详尽的快捷键列表表2.3 ASPEN PLUS常用快捷键22 Aspen Plus
36、流程模拟商业软件 22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.3 2.2.3 Aspen PlusAspen Plus的单元操作模块的单元操作模块 单元操作是构成工艺流程的基本单元，每一个化工流程都是由单元操作构成的。ASPEN PLUS提供了多种单元操作的模型。我们可以按照其用途，分为混合器/分流器（Mixers/Splitters）、分离器（Separators）、换热器（Heat Exchangers）、塔（Columns）、反应器（Reactors）、压力变送设备（Pressure Changers）、控制器（Manipulators）、固体（Solids）、用户模型（User
37、 Models）及泄压（Pres-Relief）这样几类，下面对每一类进行具体介绍。22 Aspen Plus流程模拟商业软件22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.3.1 2.2.3.1 混合器混合器/分流（分流（Mixers/SplittersMixers/Splitters）一 Mixer（物流混合器）操作单元模块 使用Mixer 可以将多股物流（物料流、热流或功流，可以在Material STREAMS中根据需要选择Heat Q 和Work W）汇合成一股。主要有混合三通、物流混合操作增加热流、增加功流等操作模型。但是要注意，一个单一的Mixer 模块不能混合不同类型的物流
38、（物料流、热流和功流）。左图绘出了Mixer（物流混合器）的流程连接状况。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.10 Mixer流程连接示意图 22 Aspen Plus流程模拟商业软件 二 Fsplit（分流器）操作单元模块 FSplit的作用是将相同类型的物流（物料流、热流或功流）混合并把结果物流分成两股或更多相同类型的物流，主要有分流器Bleed(排气)、阀等单元操作模型。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，但是FSplit 同样不能将一股物料流分成不同类型的物流。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 要模拟每个出口物流的每个子物流，要使用SSplit
39、模块；要模拟出口物流的组成和性质不同的分流，则可以选择使用Sep 模型或Sep2 模型。下图则给出了Fsplit（分流器）的流程连接示意。图2.11 Fsplit流程连接示意图22 Aspen Plus流程模拟商业软件 当Fsplit（分流器）用于分流物料流时，除一个出口物流外，对每个出口物流都必须给定下述条件之一：（1）混合后的入口物流的分率；（2）摩尔流率；（3）质量流率；（4）标准液体体积流率；（5）实际体积流率（6）在所有其它规定已满足后剩余的分率。系统会将剩余物流的流率作为未规定的出口物流的流率以满足物料平衡。用户可以给出整个物流的流率，也可以物流内关键组分子集的相关流率，可以在In
40、put Key Components页面定义关键组分。FSplit出口压力的缺省值为入口物流中的最低压力值。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 三 Ssplit（子物流分流器）操作单元模块 SSplit（子物流分流器）的作用是混合物料流并把结果物料流分成两股或多股物流（注意不包括热流和功流注意不包括热流和功流），主要有分流器、流体固体分离器等操作模型。SSplit出口物流中的子物流都与混合的入口中的子物流一样，具有相同的组成温度和压力，只有子物流流率不同如果要模拟出口物流中组成和性质不同的子物流则要选择使用使用Sep 模块或Sep2 模块。SSplit（子物流分流器）的流程连接和参数输
41、入的规定与Fsplit（分流器）是类似的，在此就不在赘述。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.3.2 2.2.3.2分离器（分离器（SeparatorsSeparators）一 Flash（闪蒸罐）操作单元模块 ASPEN PLUS 中的Flash（闪蒸罐）又分为Flash2（两股出口流的闪蒸罐）和Flash3（三股出口流的闪蒸罐）两种模块。Flash2 用来模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐和其它的单级分离器。用严格气-液或气-液-液平衡把进料分成两股出口物流，完成气-液或气-液-液平衡计算。Flash3 是用来模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐、倾析器和其它的在产品中有两液相出口物流的单级
42、分离器Flash3。用严格气-液-液平衡把进料分成三股出口物流，完成气-液-液平衡计算。两者的操作基本是类似的。图2.12 给出了闪蒸的流程连接。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 如果用户在参数输入的Input Specification Sheet 上只给出温度或压力中的一个条件，系统用入口热流总和作为负荷规定；否则只使用入口热流来计算净热负荷，用户可以使用一个可选的出口热流作为净热负荷。输入时Hcurves 窗口定义想要输出的加热或冷却曲线。Flash（闪蒸罐）可以模拟含有固体子物流或电解质化学性质计算。模拟中所有相态都处于热力学平衡状态，固体和流体相态相同保持相同的温度。模拟含
43、有固体子物流时，固体子物流中的物料流不参与相平衡计算。而用于电解质化学性质计算时，固体盐参液-固相平衡和热力学平衡计算。用户需在Properties Specifications Global（全局的性质规定）或Block Options Properties（模块选项性质）中输入相关的电解质化学性质。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.12 闪蒸罐（Flash）的流程连接示意图22 Aspen Plus流程模拟商业软件 二 Decanter（液-液倾析器）操作单元模块 Decanter（液-液倾析器）用于模拟倾析器和其它无气相的单级分离器。它可以完成液-液平衡计算和液-游离水计
44、算，但是不能处理有气相生成的单元操作。图2.13 给出了Decanter（液-液倾析器）的流程连接。和Flash（闪蒸罐）输入类似，如果用户在Decanter（液-液倾析器）参数输入的Input Specification Sheet 上只给出温度或压力中的一个条件，系统用入口热流总和作为负荷规定；否则只使用入口热流来计算净热负荷，用户可以使用一个可选的出口热流作为净热负荷。输入时Hcurves 窗口可以定义想要输出的加热或冷却曲线。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 Decanter（液-液倾析器）的操作模型可以选择绝热、在规定的负荷下和在规定的温度下。如果倾析器中有两个液相，Dec
45、anter（液-液倾析器）模型的缺省值是将具有较高密度的相态看作第二相态。当然用户可以通过规定标识第二个液相的关键组分或规定关键组分的摩尔分率阈值来替换缺省。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.13 Decanter流程连接示意图 22 Aspen Plus流程模拟商业软件 Decanter模型在在缺省情况下，使用在Properties Phase Property 页或Block Options Properties 页上规定的模块物性方法计算KLL（液-液分布系数）。用户可以采用以下方法进行设置：（1）在Properties Phase Property 页规定两个液相分离的
46、物性方法；（2）使用内置的KLL 关联式进行计算，可以在Properties KLL Correlation 页上输入关联式系数；22 Aspen Plus流程模拟商业软件 （3）采用用户自己在Properties KLL Subroutine 页上规定的Fortran 子程序。关于相分离的计算，用户可以选择采用两个液相的等逸度法或系统的最小吉布斯自由能法。若选择的是后者，物性和模块性质方法模型必须和热力学保持一致，两个液相的等逸度法在物性规定上则不受限制。Decanter 模型出口物流通常是平衡的，但是用户也可以在Input Efficiency（输入效率页）上规定分离效率来说明偏离平衡程度
47、。如果存在固体夹带，它们不参与相平衡计算但是参与焓平衡。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 三 Sep&Sep2（组分分离器）分离器操作单元模块 Sep 模型用来将混合物料流按照每个组分的分离规定分成两股（Sep2）或更多的物料流，当分离情况不详或不重要但知道每个组分的分离情况时，用户使用Sep 来代替严格分离可以节省计算时间。如果模拟模块的所有出口物流的组成和条件是相同的，可以使用FSplit 模块代替Sep。图2.14给出了Sep&Sep2（组分分离器）的流程连接示意图。在Sep中，对出口物流的每个子物流，除其中的一个之外，应对物流中的每个存在的组分给定下列参数之一：（1）在相应入
48、口子物流中的组分分率；（2）组分的质量流率；（3）组分的摩尔流率；（4）组分的标准液体体积流率。系统自动将剩余的流率作为未规定的出口物流相应的子物流的流率。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.14 Sep流程连接示意图22 Aspen Plus流程模拟商业软件 2.2.3.3 2.2.3.3换热器（换热器（Heat ExchangersHeat Exchangers）换热器又可以分为Heater（加热器或冷却器）、HeatX&MHeatX（两股&多股物流的换热器）、Hetran（管壳式换热器）和Aerotran（空冷换热器）几种。一一 Heater（加热器或冷却器）操作单元模块
49、Heater（加热器或冷却器）用于加热器、冷却器、阀、泵（不需要有关功的结果）压缩机（不需要有关功的结果）的模拟。其流程连接的示意图见图2.15。当规定了出口条件时，Heater模型可确定一股或多股入口物流混合物的热和相状况。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 在参数输入时应注意，露点计算气相分率为1，而泡点计算气相分率为0。需要的加热或冷却曲线也可以用Hcurves 窗口规定。Heater（加热器或冷却器）模型无动力学特性，压降固定在稳态值，出口流率由质量平衡来确定。模拟带有固体的流体相态时参数的输入与Flash（闪蒸罐）的输入类似。22 Aspen Plus流程模拟商业软件 图2.
50、15 Heater流程连接示意图22 Aspen Plus流程模拟商业软件 二 HeatX&MHeatX（两股&多股物流的换热器）操作单元模块 HeatX（两股物流的换热器）可以用于模拟各种管壳式换热器类型，完成具有单相和两相物流的传热系数和压降估算的全部区域分析，但严格的传热系数和压降计算必须提供换热器的几何尺寸。如果换热器的几何尺寸不知道或不重要时，可以使用该模型完成简单的校核，如能量和物料平衡计算。模型有估算显热核沸腾和冷凝液膜系数的关联式，但是，模型不能够进行设备的设计计算、机械振动分析和污垢系数的估算。图2.16 a给出了HeatX（两股物流的换热器）的流程连接示意图。22 Aspe
