Aspen-plus-的发展及应用

Aspenplus的简介及应用摘要：本文介绍了Aspenplus软件的发展，功能及产品性能，并简介了Aspenplus在国内的应用情况；Aspenplus在工程模拟中给企业带来的收益及在国内的应用方向；据此，作者对Aspenplus在国内的应用前景提出了自己的看法。关键词：Aspenplus功能应用前景一、前言流程模拟就是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，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果如操作条件等。这一方法是计算机技术在化工方面的最重要的应用之一。用计算机作化工过程模拟始于50年代，到现在它已成为一种普遍采用的常规手段而广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产过程的控制，优化及技术改造等方面。随着计算机技术的发展及应用软件技术的开发，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，其主要的代表是ASPENPLUS系统。二、Aspenplus简介AspenPlus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”（AdvancedSystemforProcessEngineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为AspenPlus。该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是AspenPlus的用户。1、产品特点1）产品具有完备的物性数据库物性模型和数据是得到精确可靠的模拟结果的关键。人们普遍认为AspenPlus具有最适用于工业、且最完备的物性系统。许多公司为了使其物性计算方法标准化而采用AspenPlus的物性系统，并与其自身的工程计算软件相结合。AspenPlus数据库包括将近6000种纯组分的物性数据，纯组分数据库，包括将近6000种化合物的参数。电解质水溶液数据库，包括约900种离子和分子溶质估算电解质物性所需的参数。固体数据库，包括约3314种固体的固体模型参数。Henry常数库，包括水溶液中61种化合物的Henry常数参数。二元交互作用参数库，包括Ridlich－KwongSoave、PengRobinson、LeeKeslerPlocker、BWRLeeStarling，以及HaydenO’Connell状态方程的二元交互作用参数约40,000多个，涉及5,000种双元混合物。PURE10数据库，包括1727种纯化物的物性数据，这是基于美国化工学会开发的DIPPR物性数据库的比较完整的数据库。无机物数据库，包括2450种组分（大部分是无机化合物）的热化学参数。燃烧数据库，包括燃烧产物中常见的59种组分和自由基的参数。固体数据库，包括3314种组分，主要用于固体和电解质的应用。水溶液数据库，包括900种离子，主要用于电解质的应用。AspenPlus是唯一获准与DECHEMA数据库接口的软件。该数据库收集了世界上最完备的气液平衡和液液平衡数据，共计二十五万多套数据。用户也可以把自己的物性数据与AspenPlus系统连接。2）产品线比较长，集成能力很强。AspenPlus是Aspen工程套件（AES）的一个组份。AES是集成的工程产品套件，有几十种产品。以AspenPlus的严格机理模型为基础，形成了针对不同用途、不同层次的AspenTech家族软件产品，并为这些软件提供一致的物性支持。如：PolymersPlus，在AspenPlus基础上专门为模拟高分子聚合过程而开发的层次产品，已成功地用于聚烯烃、聚酯等过程。AspenDynamics：在使用AspenPlus计算稳态过程的基础上，转入此软件可接着计算动态过程。PetroFrac：专门用于炼油厂的模拟软件。AspenHX-NET：AspenPlus可以为夹点技术软件直接提供其所需要的各流段的热焓、温度和压力等参数。B-JAC/HTFS：换热器详细设计（包括机械计算）的软件包，AspenPlus可以在流程模拟工艺计算之后直接无缝集成，转入设备设计计算。AspenZyqad：这是一个工程设计工作流集成平台，可以供多种用户环境下将概念设计、初步设计、工程设计直到设备采购、工厂操作全过程生命周期的各项工作数据、报表及知识集成共享。AspenPlus有接口可与之自动集成。AspenOnline：在线工具，将AspenPlus离线模型与DCS或装置数据库管理系统联结，用实际装置的数据，自动校核模型，并利用模型的计算结果指导生产。3）唯一将序贯（SM）模块和联立方程（EO）两种算法同时包含在一个模拟工具中。序贯算法提供了流程收敛计算的初值，采用联立方程算法，大大提高了大型流程计算的收敛速度，同时，让以往收敛困难的流程计算成为可能。节省了工程师计算的时间。4）结构完整，除组分、物性、状态方程之外，还包含以下单元操作模块：对于气/液系统，AspenPlus包含：通用混合、物流分流、子物流分流和组分分割模块。如：闪蒸模块、物流放大、拷贝、选择和传递模块、精馏模型；对于固体系统，AspenPlus包含：文丘里涤气器、静电除尘器、纤维过滤器、筛选器、旋风分离器、水力旋风分离器、离心过滤器、转鼓过滤器、固体洗涤器、逆流倾析器、连续结晶器等。5）模型/流程分析功能AspenPlus提供一套功能强大的模型分析工具，最大化工艺模型的效益。其分析工具主要如下：I、收敛分析：自动分析和建议优化的撕裂物流、流程收敛方法和计算顺序，即使是巨大的具有多个物流和信息循环的流程，收敛分析非常方便。II、calculatormodels计算模式：包含在线FORTRAN和Excel模型界面。III、灵敏度分析：非常方便地用表格和图形表示工艺参数随设备规定和操作条件的变化而变化。IV、案例研究：用不同的输入进行多个计算，比较和分析。V、设计规定能力:自动计算操作条件或设备参数，满足规定的性能目标。VI、数据拟合：将工艺模型与真实的装置数据进行拟合，确保精确的和有效的真实装置模型。VII、优化功能：确定装置操作条件，最大化任何规定的目标，如收率、能耗、物流纯度和工艺经济条件。2、产品功能I、工程工作流：AspenPlus在整个工艺生命周期，优化工程工作流，回归实验数据，用简单的设备模型，初步设计流程；用详细的设备模型，严格地计算物料和能量平衡；确定主要设备的大小；在线优化完整的工艺装置。AspenPlus根据模型的复杂程度，支持规模工作流。可以从简单的、单一的装置流程到巨大的、多个工程师开发和维护的整厂流程。分级模块和模板功能是模型的开发和维护非常简单。II、工程能力：AspenPlus提供了单元操作模型到装置流程模拟。这些模型的可靠性和增强功能已经经过20多年经验的验证和数以百万计例子的证实。AspenPlus在整个工艺装置的从研发、工程到生产生命周期中，提供了经过验证的巨大的经济效益。它将稳态模型的功能带到工程桌面，传递着无与伦比的模型功能和方便使用的组合。利用AspenPlus，公司可以设计、模拟、瓶颈诊断和管理有效益的生产装置。三、Aspenplus的应用1、Aspenplus化工模拟系统在精馏过程中的应用Aspenplus精馏模块中的RateFrac是一个基于流率的非平衡的模型，用于模拟各种类型的多级气一液精馏操作，可用于一般精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馏。适用于两相系统、窄沸程和宽沸程系统以及液相具有强的非理想程度系统。其构成包括任意组输入、任意组侧线、任意组加热器(或热流)和任意组倾析器。大庆石化分公司炼油厂Ⅱ套重油催化裂化二重催车间的气体分馏装置，主要产品为丙烯、丙烷、轻重碳四馏分等，要求生产的精丙烯纯度不小于99．5％(too1)。该工艺采用常规四塔气分流程，即脱丙烷塔、脱乙烷塔、丙烯塔、碳四分馏塔。由于丙烯塔板数多(200层塔板)，在实际操作中分成两个串联塔操作，模拟时，仍采用单塔模拟。根据装置的原始设计数据，使用RateFrac模型进行工艺模拟计算，其模拟结果与装置原始设计的计算结果基本吻合，RateFrac模型在该精馏过程中进行的模拟计算是可信的。根据原始计算结果，丙烯出厂纯度为99.9%，较出厂要求高了0.4%，为节约能源和质量，采用RateFrac模型改变回流比，每年可节约资金93．68万元。2、Aspenplus在燃煤发电工程中的应用煤的能量转化过程是一个相当复杂的化学反应过程，如何能做到高效洁净地利用，仍然是目前面临的重要课题。通过使用ASPENPLUS软件能促进煤高效低污染的应用。联合循环发电技术是煤洁净高效利用的一条重要途径。无论是整体煤气化联合循环(IGCC)、部分煤气化空气预热燃煤联合循环(PGACC)，还是第二代增压流化床联合循环(APFBC—cc)等新一代的高效发电技术．煤的气化技术是实现这些技术的重要基础。准确预测气化炉出口的煤气组成是发电系统优化的重要工作。徐越等人[4]利用ASPENPLUS平台对干煤粉加压气流床气化性能进行了模拟。所用的主要反应器模块是：RYIELD、RGIBBS和RSTOIC．这也是气化过程中常用的模块。模拟结果表明，用该方法能够对干煤粉气化炉的特性进行比较准确的模拟，并且为IGCC电站的热力性能分析系统的建立奠定基础。在此基础上，徐越还进行了二段式干粉气流床气化的性能模拟[5]．结果是令人满意的。ASPENPLUS在应用于PFBC燃煤过程碱金属的赋存、迁移规律的数值模拟中，也获得比较满意的效果。反应温度在1000K～1300K范围内．不同含氯量的煤燃烧后烟气中气态碱金属的含量随温度的变化关系和文献[6]中的数据规律基本吻合。３、Aspenplus在吸收稳定系统改造技术中的应用在燕化公司炼油厂第一套催化裂化装置掺炼重油技术改造中，应用AspenPlus软件对吸收稳定系统进行了全流程模拟。相对而言，该系统工艺流程较长，原料组分复杂，设计要求严格，且含有多个循环回路，模拟计算难度较大。通过吸收稳定系统的全流程模拟计算及优化设计的选用，成功地完成了该系统流程模拟，并在此基础上完成了吸收稳定系统技术改造的工艺设计。改造以前，吸收稳定系统采用的是吸收、解吸单塔流程。众所周知，吸收是气体分子被液体选择性吸收的过程，需要低温高压的工艺条件，而解吸过程则完全相反，需要高温低压的工艺条件，因此在生产过程中很难同时满足这两个过程的工艺条件，结果造成分离效果差，Ｃ３、C４组分的吸收率和C2组分的解吸率都比较低。所以在进行掺炼重油的技术改造中，同步进行了吸收稳定系统的双塔流程改造。改造后，系统操作正常，C3、C4回收率基本达到了设计要求，解决了干气带C3、C4的问题，稳定汽油和液化气质量也达到了设计要求。其结果表明，在AspenPlus工艺流程模拟软件基础上进行的吸收稳定系统工艺设计是成功的，它为工艺设计提供了可靠的基础数据，大大提高设计效率和设计水平，今后应在工艺设计中宜大力推广。同时该软件也可用于指导生产、优化操作，的确是工程技术人员进行设计和生产的有利工具。4、Aspenplus在排放气回收系统中的应用中国石化广州分公司聚乙烯(PE)装置采用美国原UCC的Unipol气相流化床工艺技术。原设计生产能力100kt／at。其中，排放气回收工段的作用是回收反应系统排出的大量烃类物质．达到降低装置物耗的目的。2003年装置扩能改造后，生产能力增至200kt／a，增加了反应器的冷冻液(异戊烷)用量，排放气回收系统冷凝液回收量随之增加，对装置物耗指标的影响更为关键，但扩能改造后的初期，因回收系统的低压回收泵运行极不稳定，导致冷凝液回收量下降．装置物耗增加。公司选用ASPEN进行模拟改造，根据ASPEN流程模拟理论计算结果．在实际生产中提高了气相出口操作温度．使得低压段不产生冷凝液．全部烃类集中在高压段冷凝。从ASPEN软件计算结果可知，只要气相出口实际操作温度高于该压力下回