1、第五章 ASPEN工藝核算及優(yōu)化25.1 引言25.2 Aspen Plus軟件介紹25.3 基于Aspen Plus穩(wěn)態(tài)模擬的甲醇三塔模型搭建45.3.1 甲醇三塔穩(wěn)態(tài)模擬基本步驟45.3.2 甲醇三塔初始模擬搭建6第五章 ASPEN工藝核算及優(yōu)化5.1 引言在前三章內(nèi)容中,已經(jīng)分別介紹了關(guān)于甲醇精餾三塔現(xiàn)有的工藝流程、影響效率的操作參數(shù)以及對于甲醇精塔的具體控制方案設(shè)計。在此基礎(chǔ)上,本章主要根據(jù)所設(shè)計的控制方案,以工藝流程為依據(jù)搭建精餾裝置模型,以此對控制方案的可操作性進(jìn)行檢驗,同時也對在精館塔控制方面的仿真研究有一個全面的認(rèn)識。化工過程的模擬通常由兩大塊組成,分別為穩(wěn)態(tài)以及動態(tài)仿真,精餾

2、塔工藝流程的模型搭建屬于穩(wěn)態(tài)模擬,控制方案的實施則屬于動態(tài)模擬62。5.2 Aspen Plus軟件介紹化工流程模擬需選用適宜的軟件,通過相關(guān)軟件的操作運(yùn)行,在計算機(jī)上就可對實際的工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行全面的了解與檢測,是連接理論研究及落實應(yīng)用于實際的橋梁。在計算機(jī)上通過軟件的操作避免了對具體工藝生產(chǎn)中的設(shè)備、管線的變動,可以較為自由地對不同的控制方案及工藝流程進(jìn)行研究探討分析。流程模擬可以用于對新工藝技術(shù)的研究與開發(fā)、新流程裝置的設(shè)計調(diào)節(jié)、舊有設(shè)備的改造、生產(chǎn)流程優(yōu)化及操作故障診斷等,同時還可以減少大量時間及資金費(fèi)用地投入。根據(jù)化工過程模擬對生產(chǎn)過程、環(huán)境評價及經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行綜合的評估分析,其所得

3、數(shù)據(jù),對生產(chǎn)裝置管理投資提供了有力的依據(jù)。在理論研究方面,化工過程模擬是相關(guān)研究發(fā)設(shè)計的有力保障,在具體生產(chǎn)過程中,化工過程模擬是使其從經(jīng)驗型向科技型轉(zhuǎn)變的有效手段。Aspen Plus是在化工模擬中較常被使用的軟件工具,也是本文用于驗證方案可操作性的軟件平臺。它的出現(xiàn)得益于一項名為“Advanced System for Process Engineering”(先進(jìn)過程工程系統(tǒng))的項目63。這一項目直到1981年末得以全部完成,其后不久Aspen Tech公司正式成立,而Aspen Plus作為商業(yè)化軟件得到發(fā)行。Aspen Plus經(jīng)過多次的改進(jìn)、升級與擴(kuò)充,現(xiàn)下己成為業(yè)界公認(rèn)的大型化工

4、模擬軟件。化工過程的模擬不明思議需要根據(jù)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塊供用戶進(jìn)行選擇,使得模型的搭建更具合理性及適用性這些操作模塊不僅能夠應(yīng)付單個生產(chǎn)單元的模擬,同時對完整的工藝流程都能夠勝任。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的組成部分大致可分為三類,物性數(shù)據(jù)庫、單元操作模塊及系統(tǒng)實現(xiàn)策略。 物性數(shù)據(jù)庫化工過程是千差萬別的,不同的反應(yīng)原理不同的反應(yīng)式,各種物質(zhì)對應(yīng)的特性本就不同進(jìn)行反應(yīng)后又有所差別,因此化工流程模擬軟件就需要一個盡量完善的數(shù)據(jù)庫,而Aspen Plus在這一點(diǎn)上是相對出色的。它包含有兩個大型數(shù)

5、據(jù)庫,一個是由其發(fā)行公司自主研發(fā)而成,另一個則是化工行業(yè)中極具權(quán)威性的數(shù)據(jù)庫(DIRR)66,67。以此為后盾,Aspen Plus可以輕松地應(yīng)對客戶的多種要求。或許在常見的領(lǐng)域其優(yōu)勢尚未明顯,但在特殊領(lǐng)域如固體加工等,其數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢是顯而易見的。為了更合理逼真地接近具體的工況,在選定合適的流程模型后還需要進(jìn)一步對模型進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置,參數(shù)的設(shè)置包括有對流股、模型裝置、全局設(shè)定及特殊環(huán)境設(shè)定等。參數(shù)的設(shè)定可以由物性輸入界面鍵入,也可由軟件對整個流程裝置進(jìn)行評估后計算得到。同時Aspen Plus軟件本身就為用戶提供了各種物質(zhì)的特性參數(shù)供選擇。 單元操作模塊Aspen Plus軟件所擁有的單元操作

6、模塊數(shù)量多達(dá)50多種。這些模塊的不同組合可以滿足不同工藝流程的需求。此外,多種貼心的工具可用于模型分析,用戶可自行選擇。工況分析及靈敏度分析模塊是較常被用的兩種工具68。工況分析模塊的功能可以得到同一個工藝流程在不同的操作工況下運(yùn)行所得數(shù)據(jù),對工藝流程投入至實際生產(chǎn)過程中具有指導(dǎo)性作用,也是研究工藝流程合理性的重要助。通過靈敏度分析模塊的相關(guān)設(shè)置,可以選定某一變量成為特定變量69。通過改變這一變量的數(shù)值時,軟件運(yùn)行結(jié)果也隨之變化。 系統(tǒng)實現(xiàn)策略Aspen Plus作為一個成熟的商業(yè)軟件,它的功能是較為完善的,因此除了基本的配備即完備的數(shù)據(jù)庫與多種不同的單元模塊外,一些輔助功能也被軟件所收納,其

7、中較為突出的是數(shù)據(jù)輸入、計算策略及結(jié)果輸出。 數(shù)據(jù)輸入Aspen Plus的輸入可以通過兩種方式來完成,在建立好相關(guān)模型后,點(diǎn)擊Next便可通過彈出的窗口鍵入相關(guān)的數(shù)據(jù)完備模型裝置的參數(shù)使得模型更趨近于真實的工況。除此之外軟件也支持由命令輸入的方式,在數(shù)據(jù)輸入的文件中用于注釋的語句能夠通過轉(zhuǎn)化變成利于仿真的相關(guān)信息。此種形式對軟件用戶較大程度地帶來了便捷。 計算策略Aspen Plus仿真結(jié)果是通過提供的模型參數(shù)設(shè)定值進(jìn)行相關(guān)的計算而得,其計算方式主要有兩種,分別為聯(lián)立方程及序貫?zāi)K。計算順序由軟件根據(jù)模型搭建方式自動進(jìn)行,若有特殊的需要用戶也可以通過定義參數(shù)來進(jìn)行調(diào)整在工業(yè)生產(chǎn)中往往存在循環(huán)

8、回路,而在軟件模型過程中需對這一部分査看其收斂結(jié)果。 結(jié)果輸出計算之后的結(jié)果輸出有多種方式,可以以圖表查看,也可生成報告文件査看。報告文件可以包含各種輸入的數(shù)據(jù)及運(yùn)行模擬的結(jié)果,可通過相關(guān)命令控制報告文件的輸出形式及相關(guān)內(nèi)容。結(jié)果輸出有多種方式,可以以圖表查看,也可生成報告文件査看。報告文件可以包含各種輸入的數(shù)據(jù)及運(yùn)行模擬的結(jié)果,可通過相關(guān)命令控制報告文件的輸出形式及相關(guān)內(nèi)容。5.3 基于Aspen Plus穩(wěn)態(tài)模擬的甲醇三塔模型搭建5.3.1 甲醇三塔穩(wěn)態(tài)模擬基本步驟 用戶界面啟動及方式選擇本仿真釆用的是Aspen Plus軟件,Aspen Plus軟件的模擬無需配備網(wǎng)絡(luò)只在本地計算機(jī)就可完

9、成相關(guān)操作模擬在計算機(jī)上啟動用戶界面后,與其它軟件相似的是可以對新文件選擇其打開方式。本文主要是通過建立甲醇精饋三塔的模型從而進(jìn)行模擬仿真,在此選用系統(tǒng)模塊模擬方式打開新文件。選定后,系統(tǒng)會進(jìn)一步彈出仿真選擇窗口,主要是針對模擬過程中所涉及的單位等。在運(yùn)行類型的選擇方面,選擇流程圖方式,因為本仿真的建立是在工藝流程圖基礎(chǔ)上進(jìn)行的。對選型選定后正式進(jìn)入到軟件界面。 裝置模塊選定Aspen Plus軟件的界面簡潔方便,界面上方是菜單欄及一些快捷操作按鈕,界面下方就是模型庫。軟件具備有強(qiáng)大的模型庫,提供有各種裝置模塊供流程模型搭建。考慮到實際的甲醇精饋過程裝置包含精餾塔、冷凝器、再沸器等主要設(shè)備,輔

10、助設(shè)備包含有閥門、泵等,選用精傾塔Rad Frac模塊,并選擇菜及閥門模塊72。同一模塊軟件提供不同圖例選擇供用戶選擇,可以根據(jù)流程的需要及圖面情況選擇合適的模塊,模塊的名稱也可以進(jìn)行相關(guān)設(shè)置修改。在選定好模塊后只要將鼠標(biāo)點(diǎn)住后拖至操作區(qū)域內(nèi)即可,模塊大小也可通過鼠標(biāo)拖拽進(jìn)行調(diào)節(jié)。 各模塊連接在實際工況中,各路管線用于輸送流體至設(shè)備即是各裝置設(shè)備間聯(lián)系的橋梁,在模擬軟件中并不存在管道模塊,用于連接裝置模塊的是流股。何謂流股,就是在模型間用于連接的線段,這只是其在仿真界面上的具象顯示,在工業(yè)上表現(xiàn)為管線,而在模型過程中另有不同的深意,通過流股的參數(shù)設(shè)置可以定義模型的進(jìn)料。在選定流股后,軟件會根據(jù)

11、模塊特性自動對模塊的進(jìn)出口以髙亮方式顯示,一般以兩種顏色標(biāo)注,方便于用戶進(jìn)行連接,亮紅為該裝置的必連口,即此端口若未被連入模型,則無法正常運(yùn)行仿真。亮藍(lán)則是選接口,可以根據(jù)需要連入模型,不做強(qiáng)行規(guī)定。當(dāng)模塊及相關(guān)流股選定后界面上所呈現(xiàn)的模型如圖5.1所示。 工藝參數(shù)設(shè)置模型的建立只是第一步,之后更為重要的是對該模型參數(shù)的設(shè)置。參數(shù)的設(shè)置主要有全局特性設(shè)定、組分信息設(shè)定、物性計算方法設(shè)定、流股設(shè)定及模塊參數(shù)設(shè)定。在具體的工程生產(chǎn)過程中往往要考慮其所處環(huán)境的狀況,南方或北方環(huán)境溫度的差別,氣壓差別這些對于裝置都存在不同程度的影響,而全局設(shè)定就是針對這一差別可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整使模型更近于實際工況。組

12、分信息主要是用于設(shè)定整套模型裝置運(yùn)行過程中所涉及的物料成分信息。每個成分都有唯一的名稱綁定,可以通過該物質(zhì)的英文名稱進(jìn)行搜索或使用其分子式進(jìn)行檢索,值得一提的是其分子式與一般意義上的分子式有所區(qū)別,其構(gòu)成是碳原子總數(shù)、氫原子總數(shù)最后是其他原子,與帶有結(jié)構(gòu)形式的普通分子式不同。物性計算是對仿真運(yùn)行時所套用的計算方式進(jìn)行選擇,選擇不同的計算方式對仿真結(jié)果產(chǎn)生不同的影響也可能造成模擬結(jié)果的偏失。根據(jù)工藝流程的分析以及反應(yīng)物物性分析進(jìn)行選擇,對于某些特殊物質(zhì)可利用亨利組分進(jìn)行推斷73。本文主要研究對象是甲醇精餾裝置，考慮到其混合溶液中包含甲醇、水及甲酸甲酯，因此選用的物性方法為NRTL-RK，對于甲醇

13、精餾裝置系統(tǒng)具有較好的效果。流股參數(shù)的設(shè)定主要是用于確定各裝置的進(jìn)料組分情況，參數(shù)可以分為兩部分：一是，狀態(tài)變量以及組分變量,狀態(tài)變量的信息包括流體溫度、壓力、流率等情況，組分變量主要用于輸入流休主要成分。二是，需對整個模擬裝置所涉及的模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。較常用的參數(shù)設(shè)置有壓降、進(jìn)出口溫度等變量。針對不同的模塊所需要設(shè)置的參數(shù)一般不同。根據(jù)實際情況及工藝要求選擇合適的參數(shù)輸入將有助于整個模擬仿真的順利進(jìn)行。 仿真運(yùn)行及結(jié)果顯示當(dāng)一切參數(shù)輸入完畢，就可以點(diǎn)擊軟件控制面板上的“Next”按鈕（快捷鍵F4）對整個模型裝置進(jìn)行仿真。若仿真結(jié)果出現(xiàn)報錯，可以在仿真結(jié)果窗口清晰的看到是哪個裝置（或流程連接方

14、面）出現(xiàn)問題。當(dāng)然，由于軟件的強(qiáng)大集成功能，我們還可以看到每一個設(shè)備運(yùn)行輸出數(shù)據(jù)，以便對整個工藝流程進(jìn)行評估。同時，在文件存儲方面，Aspen軟件支持多達(dá)4種格式存儲方式。bkp文件所需存儲空間較小，方便查看。當(dāng)然，在磁盤空間充裕的前提下，可以選擇apw格式進(jìn)行存儲，因為以該格式儲存的文件可以保存模擬運(yùn)行過程中的所有運(yùn)行信息74。5.3.2 甲醇三塔初始模擬搭建在進(jìn)行動態(tài)仿真模擬之前，需要搭建精餾過程模型。Aspen Plus軟件所提供的相關(guān)模塊主要有Rad Frac、DSTWU、Distl等，但是只有Rad Frac模塊可以完成涉及共沸、萃取、吸收及精餾等方面需求的問題。另外幾種模塊只能進(jìn)行

15、簡單的精餾塔設(shè)計和核算型計算。同時，為構(gòu)造完整流程還須使用如表5.1所示的模塊。圖5.1為甲醇三塔的初始模型，之后進(jìn)一步的控制仿真這是在該流程基礎(chǔ)上建立起來的。參考文獻(xiàn)66 Rakesh Agrawal.Muhieffect Distillation for Thennally Coupled ConfigurationsJ.AIChE Journal,2000,46(11):2211-2224.67 Ligang Zheng,Edward Furimsky.ASPEN simulation of cogeneration plantsJ.Energy C-onversion and Mana

16、gement.2003,44:1845-1851.68 宋昭崢,徐焱明,蔣慶哲.甲醇精餾系統(tǒng)的模擬研究J.現(xiàn)代化工.2010,30 (5):85-89.69 朱建寧,陸文斌.基于AspenPlus用戶模型的甲醇精餾模擬與分析J.上海化工.2012,37(8):13-16.70 宋維仁,漆志文,朱建寧,孟慶軍.大型煤化工甲醇精餾過程仿真系統(tǒng)的研究J.計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué).2011,28(11):1416-1418.71 孔祥冰,岳金彩,譚心舜,焦魏.AspenPlus服務(wù)器在軟件集成中的應(yīng)用J.計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué).2007,24(2):255-258.72 Shen-Xue Cao,Shuai Shao,Su-Ling Liu,et al.Aspen Plus-based simulation of a cement calciner and optimization analysis of air pollutants emissionJ.Clean Technologies and Environmental Policy.2