Aspen Plus模擬軟件在化工中的應(yīng)用

姚衛(wèi)國，鄭瑞朋，胡凱瑞，高鵬飛，鄭 剛，劉勇營

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

流程模擬技術(shù)的發(fā)展為化工過程帶來了很大的改變。利用計算機的強大計算能力，解算化工過程的數(shù)學(xué)模型，用來模擬化工過程系統(tǒng)的性能。流程模擬技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于化工過程的研究開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)過程的控制與優(yōu)化、新員工的培訓(xùn)和老廠的技術(shù)改造[1-3]。

相比于實際的生產(chǎn)過程的高成本，化工過程模擬有其更大的優(yōu)勢，主要包括以下幾點[4-6]：

（1）經(jīng)濟性。運用計算機模擬實際化工過程，可以大量地節(jié)約生產(chǎn)成本，并且過程的再現(xiàn)性好，比實際過程更加的快速、經(jīng)濟。

（2）加大了放大倍數(shù)，降低了實驗數(shù)據(jù)向?qū)嶋H化工生產(chǎn)過程的轉(zhuǎn)化時間，縮短了新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)難度。

（3）穩(wěn)定性與變工況。利用數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，為模擬提供可靠性；而且可根據(jù)不同的參數(shù)變化確定合適的操作參數(shù)。

（4）為控制提供良好的基礎(chǔ)，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，利用軟件研究過程的動態(tài)方程已經(jīng)成為可能。

Aspen Plus是美國能源局在20世紀(jì)70年代后期在麻省理工學(xué)院組織的會戰(zhàn)，開發(fā)的流程模擬軟件，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，該軟件日臻成熟，經(jīng)過十幾個版本的發(fā)展，現(xiàn)在Aspen Plus的最高版本為10。Aspen Plus是最完善的商業(yè)化流程模擬軟件，國內(nèi)外的大型工程公司、科研院所和高校都是其用戶。下面介紹Aspen Plus模擬軟件在化工中的幾個實例應(yīng)用。

1 常溫常壓下為氣體類的物質(zhì)設(shè)置高低限

常溫常壓下為氣體類的物質(zhì)，在儲罐中存儲，需要預(yù)留一定的質(zhì)量，尤其是涉及易燃易爆類物質(zhì)時，保持正壓，防止空氣進入有一定的作用。以NH3為例，計算10℃和50℃下的氣相密度和飽和蒸汽壓[8]。

經(jīng)計算，10℃下的氣相密度為4.688 kg/m3，飽和蒸汽壓6.088 bar；50℃下氣相密度為15.067 kg/m3，壓力20.22 bar。因此若以1 m3的儲槽計算，在通入小流量冷凍鹽水的情況下，可以設(shè)置低限為8 kg；飽和蒸汽壓可以應(yīng)用于安全閥設(shè)計，例如50℃下，飽合蒸汽壓20.22 bar，設(shè)備設(shè)計壓力和安全閥設(shè)計起跳壓力可以按照20.22 bar為參考。如圖1所示。表1是常見幾種物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)。

圖1 氨氣的相關(guān)性質(zhì)

表1 其他物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)

2 壓縮因子

Z是同樣條件下真實氣體摩爾體積與理想氣體摩爾體積的比值，它的大小反映出真實氣體偏離理想氣體的程度。理想氣體的Z值在任何條件下恒為1。Z小于1說明真實氣體的摩爾體積比同樣條件下理想氣體的為小，真實氣體比理想氣體更易壓縮。Z大于1則相反。由于它反映出真實氣體的壓縮難易程度，所以稱為壓縮因子。壓縮因子的量綱為1[9-10]。

2.1 純物質(zhì)

純物質(zhì)直接在數(shù)據(jù)庫里面就可以查找到壓縮因子，如圖2所示。

圖2 純物質(zhì)的壓縮因子

2.2 混合物質(zhì)

在Report Options/Property sets/VLE選入，如圖3所示。

圖3 混合物質(zhì)計算因子

下面以VDF和氟甲烷的各0.5摩爾分數(shù)，經(jīng)計算得到ZMX為0.585，說明該混合物容易壓縮。如圖4所示。

圖4 混合物壓縮因子

3 密度隨溫度的變化

乙腈密度的測定，由于原有的乙腈密度使用密度計測量，溫度為常溫下測量結(jié)果，對于目前的乙腈收料管在高溫下的結(jié)果差距較大。采用量體積的方法，得到結(jié)果。與其他結(jié)果進行對比的數(shù)據(jù)在表2中[12]。

4 不同壓力下的沸點

以乙腈為例，計算不同壓力下沸點，流程圖如圖5所示，設(shè)置如圖6所示，模擬的結(jié)果如表3所示。

表2 乙腈密度隨溫度的變化

圖5 模擬流程圖

圖6 模擬設(shè)置

表3 模擬結(jié)果

計算出不同壓力下的沸點，可以提供減壓精餾的數(shù)據(jù)。1.0 bar以下的數(shù)據(jù)為減壓精餾數(shù)據(jù)。

5 估算物質(zhì)性質(zhì)

以估算物質(zhì)的蒸汽壓為例，以三氟乙胺為例。

對于數(shù)據(jù)庫中有的物質(zhì)按照第三點操作即可，數(shù)據(jù)庫中不存在的物質(zhì)，此時使用Aspen的估算功能[13-14]。步驟如下：

（1）先建立估算流程，運算模式從Flowsheet更改到Property Estimation，如圖7所示。

圖7 建立估算流程

（2）將Components里輸入物質(zhì)代碼，本例以CAS號為例，如圖8所示。

圖8 輸入物質(zhì)

（3）然后進入User Defined里面，選擇Draw/import/Edit structure，得到圖9所示。

圖9 分子式繪制

（4）進入 molecular Structure 里，選擇 Draw/import/Edit，將上面的分子式輸入進去，在選擇Calculate Bonds，得到化學(xué)鍵的連接方式。如圖10所示。

圖10 分子式估算

（5）進入Estimation里，對性質(zhì)進行估算，如圖11所示。

圖11 估算設(shè)置

（6）得到結(jié)果如圖12所示。

6 查詢物質(zhì)的二元交互參數(shù)

以乙腈和水、甲醇和水為例。得到的結(jié)果如圖13所示。

圖12 估算結(jié)果

圖13 T-xy圖

從圖13左圖可以看出乙腈和水存在共沸現(xiàn)象，用普通分離的方法不能得到兩個的純組分化合物。圖13右圖，可以看出，甲醇和水之間不存在共沸。

7 變壓精餾是否可行

以乙腈和水為例，變壓精餾是分離共沸物的一種手段，因不加入第三者物質(zhì)，有一定優(yōu)勢。要進行變壓精餾，需共沸點隨壓力變化大于5%，圖14是1.0 bar和3.5 bar下共沸點變化情況，經(jīng)計算，共沸點變化大于5%。

圖14 不同壓力下的共沸組成

8 總結(jié)

本文闡述了Aspen Plus模擬軟件在化工中的實例應(yīng)用，主要包括氣相密度計算，壓縮因子的計算，密度隨溫度的變化，不同壓力下的沸點，物質(zhì)性質(zhì)的估算，二元交互參數(shù)的應(yīng)用，變壓精的可行性等。