Aspen Plus 模擬軟件在化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

白健(神華準(zhǔn)能資源綜合開發(fā)有限公司研發(fā)中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

0 引言

近些年，隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，化工產(chǎn)品的需求量和種類不斷增加，促使我國化工企業(yè)不斷提高工藝技術(shù)水平。新的技術(shù)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、實(shí)施需要投入大量的經(jīng)費(fèi)和人力資源，目前化工領(lǐng)域采用Aspen Plus 模擬軟件進(jìn)行工藝模擬，既節(jié)省了企業(yè)研發(fā)經(jīng)費(fèi)，降低了投資的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)；又節(jié)約了工程化時(shí)間，加快項(xiàng)目實(shí)施建設(shè)。

Aspen Plus 模擬軟件是一款集物料物理化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)庫、工藝流程模擬、經(jīng)濟(jì)性分析于一體，包含多種工藝模型的非常實(shí)用的一款模擬軟件。在物料數(shù)據(jù)查詢、工藝流程模擬優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)性評估方面發(fā)揮著重要的作用，現(xiàn)在中石油、中石化、國家能源集團(tuán)等大型煉油化工企業(yè)都在廣泛的應(yīng)用，為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 Aspen Plus的模擬方法

Aspen Plus 軟件可以對單個(gè)設(shè)備進(jìn)行模擬，比如換熱器、反應(yīng)釜等設(shè)備，也可以對一整套工藝流程進(jìn)行模擬計(jì)算。開展流程模擬的方法是輸入物料組分、搭建工藝流程模型、選擇合適的物性方程、模擬流程計(jì)算、模擬錯(cuò)誤修復(fù)、結(jié)果查詢等一系列操作。具體來講：輸入物料組分包括參加反應(yīng)的所有物質(zhì)，以及其參與反應(yīng)的溫度、壓力、含量、流量等參數(shù)；搭建工藝流程模型主要包括選擇設(shè)備并按照工藝流程進(jìn)行連接，形成一整套工藝流程。Aspen Plus 模擬軟件中含有多種設(shè)備模型，例如分離器包含氣液分離器、固液分離器、氣固分離器。在模擬計(jì)算中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要搭建恰當(dāng)?shù)哪Ｐ汀＿x擇物性方程非常重要，電解質(zhì)物料可以用ELENRTL 狀態(tài)方程。其中，(1)ENRTL-RK 和ELECNRTL 一樣，它運(yùn)用了不對稱的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)。(2)ENRTL-SR 和ENRTL-RK 類似，可用于含水的或不含水的電解質(zhì)體系。(3)PITZER 適用含水的電解質(zhì)系統(tǒng)。(4)濕法冶金用ELECNRTL或ENRTL-RK物性方法。

模擬錯(cuò)誤修復(fù)：在模擬計(jì)算中有一類重要的錯(cuò)誤是難收斂，處理這類問題有以下幾種方法：改用波義耳登收斂方法，可以快速收斂；修改默認(rèn)計(jì)算次數(shù)；對于特定的模塊，比如塔器，修改默認(rèn)的高精度，可以完成收斂計(jì)算，除此之外，還有很多其他的收斂方法。

2 Aspen Plus的技術(shù)特點(diǎn)

(1)具有豐富的物性數(shù)據(jù)庫。其中包括純物質(zhì)數(shù)據(jù)庫、電解質(zhì)水溶液數(shù)據(jù)庫、Henry 常數(shù)庫、固體數(shù)據(jù)庫等十幾種物性數(shù)據(jù)庫，并且可以與DECHEMA 數(shù)據(jù)庫連接。

(2)在實(shí)際應(yīng)用中，Aspen Plus 模擬軟件可以完成結(jié)晶計(jì)算、設(shè)計(jì)新的工藝流程、完成一個(gè)運(yùn)行化工裝置物料平衡計(jì)算、優(yōu)化一個(gè)化工全裝置的操作工程，查閱和模擬計(jì)算物料的物理化學(xué)性質(zhì)[1]。

(3)擁有不同類型多種單元操作模型，用于模擬計(jì)算。主要的單元操作模塊包括:反應(yīng)器(產(chǎn)率反應(yīng)器、化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器、攪拌反應(yīng)器等)；換熱器(通用換熱器、熱交換器、管殼換熱器)；分離器(組分分割器、兩項(xiàng)閃蒸器、三項(xiàng)閃蒸器等)等等，也包括用于流程模擬的泵、壓縮機(jī)、控制器、管線閥門，可用于全流程模擬計(jì)算。

3 Aspen Plus模擬軟件在化工行業(yè)的應(yīng)用

Aspen Plus 模擬軟件可用于工藝技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)、運(yùn)行裝置工藝優(yōu)化等過程。能夠完成工藝流程模擬，進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量和能量平衡計(jì)算，計(jì)算物流流量、組成、性質(zhì)，完成PFD 圖。也可用于工藝流程設(shè)計(jì)，比選各種工藝技術(shù)方案，預(yù)測設(shè)備尺寸和操作條件，還可用于估算基建費(fèi)用和操作費(fèi)用，進(jìn)行工藝過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價(jià)。

采用Aspen Plus 化工流程模擬軟件，可以進(jìn)行物性參數(shù)計(jì)算，包括溶解度、熱力學(xué)等參數(shù)。文獻(xiàn)報(bào)道[2]在Aspen Plus 軟件中選擇混合器和換熱器作為溶解度模擬主要設(shè)備，通過改變溫度模擬出不同溫度下固體物質(zhì)硝酸鉀的溶解度。溫度從0℃～100℃，模擬計(jì)算值與文獻(xiàn)值非常接近，50℃是模擬溶解度值為84.82g，而文獻(xiàn)值85.5g，偏差0.8%；100℃時(shí)模擬溶解度值為244.4g，而文獻(xiàn)值246g，偏差0.65%。研究結(jié)果表明，利用Aspen Plus 軟件建立模擬流程計(jì)算物性參數(shù)的方法是可行的，可計(jì)算和預(yù)測出物料的物理化學(xué)性質(zhì)。

旋風(fēng)分離器是化工行業(yè)常用的設(shè)備之一，其設(shè)計(jì)主要依靠大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)完成。如果采用Aspen Plus 流程模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，再結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有些數(shù)據(jù)直接可以模擬完成，可大大增加設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[3]報(bào)道采用Aspen Plus 流程模擬軟件進(jìn)行分離效率和允許壓降計(jì)算。并模擬出旋風(fēng)筒數(shù)量、旋風(fēng)筒直徑、分離器筒體高度等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)旋風(fēng)分離器的高效設(shè)計(jì)，同時(shí)降低設(shè)計(jì)成本。

中石化天津分公司利用Aspen Plus 模擬軟件對200 萬噸/年柴油加氫裝置進(jìn)行模擬計(jì)算，建立了柴油蒸餾裝置模型，對物料平衡、能量平衡、相對平衡開展了模擬計(jì)算，模擬所得塔頂溫度、塔底溫度、酸性氣體流量、輕烴產(chǎn)量與實(shí)際裝置狀態(tài)誤差較小，模擬結(jié)果對現(xiàn)有裝置有一定的優(yōu)化和指導(dǎo)作用，可以降低能耗，提高企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益[4]。

文獻(xiàn)[5]報(bào)道一套液氨合成裝置的化工項(xiàng)目，采用Aspen Plus 模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，搭建了以換熱器和分離器為主設(shè)備的工藝流程，對產(chǎn)品組成、物料流量、壓力、氣相分率、液相分率進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果偏差非常小，組分偏差0.06%，流量偏差0.37%。換熱器計(jì)算熱負(fù)荷與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果的對比偏差≤3%。模擬結(jié)果說明，采用Aspen Plus 軟件模擬工藝流程模擬結(jié)果準(zhǔn)確性高。

采用Aspen Plus 還可以用于經(jīng)濟(jì)性分析研究[6]。利用Aspen Plus 對碳捕捉過程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，模型由煙氣預(yù)熱器、碳化器、旋風(fēng)分離器、換熱器主要設(shè)備組成，通過改變碳化器溫度、二氧化碳捕捉率、循環(huán)碳鈣比等參數(shù)，優(yōu)化出最佳回收熱量，回收熱量可用于加熱蒸汽。增加碳捕捉裝置后，設(shè)備總成本有所增加，但是增加的發(fā)電量會(huì)給企業(yè)帶來收益。通過模擬計(jì)算二氧化碳捕捉系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，得到碳捕系統(tǒng)的發(fā)電成本為，二氧化碳回避成本等重要數(shù)據(jù)，可為企業(yè)的創(chuàng)效增收提供重要依據(jù)。

4 結(jié)語

Aspen Plus 模擬計(jì)算在國內(nèi)應(yīng)用的比較廣泛，幫助設(shè)計(jì)和工程人員解決了許多實(shí)際問題，為企業(yè)提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的效率，但該軟件使用過程中仍存在一些問題。首先，在開展模擬過程中，模型的選擇往往和實(shí)際生產(chǎn)的裝置不能完全一致，導(dǎo)致有些模擬數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定偏差，在今后的模擬中可以根據(jù)實(shí)際需要建立模型，提高模擬結(jié)果準(zhǔn)確性。其次，在數(shù)據(jù)庫方面，目前還不夠非常完善，可以根據(jù)實(shí)際工藝流程所涉及的物料，通過實(shí)驗(yàn)或者文獻(xiàn)及時(shí)補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)據(jù)，以滿足實(shí)際模擬需要。