aspen 高级培训班 讲义第一部分.docx
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aspen高级培训班讲义第一部分
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Aspen高级班培训讲义
1 aspen软件版本从10.2升级到12.1,讲解aspen12.1新增功能
2复习初级班的内容
以作练习的形式帮助大家复习aspen初级班的内容
练习1:
甲醇-水精馏塔
已知条件:
●进料物流:
进料量:
1200001b/hr;质量分率:
甲醇36.8wt%,水63.2wt%;
进料压力P=18.5psi;饱和液体进料;
●塔的规定:
实际塔板数:
N=20,进料板:
NF=12;
塔顶为全凝器,塔顶压力为16.1psi,每板压力降为0.1psi,塔顶采出量为D=12451bmol/hr,
摩尔回流比为RR=1.3
●计算方法:
NRTL
要求:
1.计算出塔顶甲醇的质量纯度:
;
塔底再沸器的热负荷:
。
2.对塔进行设计(Sizing),计算出塔经:
D=(塔板类型选用筛板塔)。
3.建立塔内的设计规定要求塔顶蒸出物甲醇含量为99.9wt%,改变塔顶回流比范围为(0.8-3),记录算出的回流比:
RR=。
练习2:
模拟二氯二甲烷催化裂解制氯乙烯的反应工艺,流程图如下
已知条件:
反应式为CH2CL-CH2CL——HCL+CHCL=CH2计算方法:
RK-SOAVE
(DEC)(VCM)CH2CL-CH2CL转化率=0.55
原料二氯二甲烷的进料量、温度和压力以及反应器、冷凝器、泵的操作条件在流程图中已给出,下面给出精流塔COL1、COL2的操作条件
COL1:
塔板数15stages、回流比RR=1.082、D:
F=0.354、进料板:
tray7、压力为367psi
COL2:
塔板数10stages、回流比RR=0.969、D:
F=0.550、进料板:
tray6、压力为115psi
要求:
1.由上述已知条件建立一个流程模块并给出下列结果:
反应器(REACTER)热负荷:
冷却器(QUENCH)热负荷:
冷却器(QUENCH)出口温度:
COL2塔顶冷凝器和塔底再沸器热负荷:
在产品中VCM的浓度:
2.在反应器中DEC的转化率在0.50-0.55之间变化,做一个灵敏度分析,被调节变量为反应器的热负荷和冷却器的热负荷。
(保存为aspen2b.bkp)
3.在计算的最后执行一个FORTRAN模块,编辑两个塔塔底再沸器热负荷之和,并调节这个变量,针对2.中DEC转化率的变化作灵敏度分析。
练习3:
建立一个流程模拟,分离出1-CL(1位氯代异戊烯)、3-CL(3位氯代异戊烯)、IP(异戊二烯)、CH4O(甲醇)混合物中的1-CL和3-CL。
要求:
1-CL的质量含量为97%以上,3-CL的质量含量为80%以上,并计算出两个它的塔径(采用筛板塔)
混合物的进料量为100kg/hr,温度:
20℃,压力:
1atm
质量组成:
IP:
0.1,1-CL:
0.6,3-CL:
0.25,CH4O:
0.05
1-CL:
C5H9CL结构式:
沸点:
TB=104℃
3-CL:
C5H9CL结构式:
沸点:
TB=87℃
IP:
C5H8-6
提示:
采用两个塔分离,脱轻塔塔顶压力为19Kpa,全塔压降为3Kpa,物性方法采用NRTL-RK;1-CL、3-CL精馏塔塔顶压力为10Kpa,全塔压降为4Kpa物性方法采用PEN-ROB。
3电解质
3.1电解质举例
含有酸、碱或盐的水溶液,
酸性或碱性水溶液,气体净化时的含水胺或热碳酸盐。
3.2电解质系统的特征
Ø电解质分子形式在液体溶剂中部分电离成离子或完全电离成离子。
Ø液相反应总能达到化学平衡状态。
Ø液相中有离子存在要求用非理想溶液热力学方法。
Ø可能有盐析出。
3.3电解质组分的类型
Ø溶剂:
标准的分子形式,如:
水(water)、甲醇(methanol)、醋酸(aceticacid)。
Ø离子:
带电荷的形式,如:
H3O+、OH-、Na+、Cl-、Fe(CN)63-
Ø盐:
每种被析出的盐都是一个新的纯组分,如:
NaCl(s)、CaCO3(s)、CaSO4•2H2O(石膏)、Na2CO3、NaHCO3、2H2O(天然碱)。
3.4表观组分和真实组分
3.4.1真实组分
在溶液中组分实际存在的形式
3.4.2表观组分
组分在形成离子之前的形式
3.4.3举例
NaCl水溶液
所涉及到的离子反应:
NaCl-->Na++Cl-,Na++Cl-<-->NaCl(s)
表观组分:
H2O,NaCl,
真实组分:
H2O,Na+,Cl-,NaCl(s)
3.5定义电解质的步骤
Ø确定产生新的组分(离子和固体盐)。
Ø修正纯组分数据库的搜索顺序以便第一个收索的数据库是ASPENPCD。
Ø规定组分之间发生反应
Ø设定Property(物性)方法,用ELECNRTL。
Ø创建一个Henry’sComponent(亨利组分)列表。
Ø检索下列参数
反应平衡常数值
盐的溶解度参数
ELECNRTL交互作用参数
亨利常数的关联式参数
Ø生成的化学组成可以被修改。
简化该Chemistry(化学组成)。
3.6电解质的局限性
Ø不能计算液-液平衡。
Ø在某些情况下不能使用下列模型:
平衡反应器:
RGibbs和REquil
动力学反应器:
Rplug、RCSTR和RBatch
简捷法蒸馏:
Distl、Dstwu和SCFrac
严格蒸馏:
MultiFrac和PetroFrac
Ø反应式右边的化学组成中可能不包含任何挥发性种类。
Ø液-液平衡的化学过程可能不包含分裂反应。
Ø输入规定不能按照离子或固体盐来规定。
3.7电解质示例
3.8练习
目的:
用电解质创建一个流程。
一个简单的流程,模拟用石灰(氢氧化钙)处理硫酸废水的过程。
利用ElectrolyteWizard(电解质向导)生成其Chemistry(化学过程)。
使用真组分法。
注释:
从化学组成中删除:
CaSO4(s)、CaSO4•1:
2W:
A(s)
4固体处理
目的:
概要介绍固体处理能力
4.1组分类别
Ø常规组分:
气体和液体组分、溶液中的固体盐。
Ø常规惰性固体(CI固体):
对相平衡不起作用的固体以及盐的析出/溶解。
Ø非常规组分(NC固体):
不能用分子结构表示并且对相平衡、盐溶解平衡和化学平衡来说是惰性非均匀物质。
4.2规定组分类型
在ComponentsSpecificationsSelection页上规定组分时,在Type列中选择适当的组分类型。
Conventional-常规组分
Solid-常规惰性组分
Nonconventional-非常规固体
4.2.1常规组分
Ø这类组分参与气液平衡以及盐和化学平衡。
Ø这类组分有分子量。
例如:
水、氮、氧、氯化钠、钠离子、氯化物离子
位于MIXED子物流中
4.2.2常规惰性固体
Ø组分对相平衡和盐的析出/溶解是惰性。
Ø可能与常规组分存在化学平衡并发生反应。
Ø组分有分子量。
例如:
碳、硫
位于CISOLID子物流中
4.2.3非常规固体
Ø组分对相平衡、盐或化学平衡不起作用。
Ø可能与常规组分和CI(常规惰性)固体组分发生化学反应。
Ø组分是不均匀物质并且没有分子量。
例如:
煤、焦碳、灰、木质纸浆
位于NCSolid(非常规固体)子物流中
4.3组分属性
Ø组分属性是用一些可识别的构成有代表性地表示组分的组成
Ø对组分属性可进行下列操作:
由用户分配
在物流中初始化
在单元操作模型中修改
Ø组分属性在物流中携带。
Ø非常规组分的性质由物性系统用组分属性来计算。
Ø组分属性的描述
属性类型
元素
描述
PROXANAL
1.湿气2.固定碳
3.挥发性物质4.灰
近似分析,
wt%(干基)
ULTANAL
1.灰5.氯
2.碳6.硫
3.氢7.氧
4.氮
元素分析,
wt%(干基)
SULFANAL
1.硫化铁矿的
2.硫酸盐
3.有机的
硫分析形式,
原煤的wt%(干基)
GENANAL
1.成分1
2.成分2
20.成分20
一般成分分析,
wt%或vl%
4.4固体性质
1)对于常规组分和常规固体
Ø计算焓、熵、自由能和摩尔体积。
Ø使用在PropertiesSpecificationGlobal页上所规定的PropertyMethod(物性方法)中的物性模型。
2)对于非常规固体
Ø计算焓和摩尔体积。
Ø使用在PropertiesAdvancedNC-Props窗口上规定的物性模型。
4.4.1常规固体
对于焓、自由能、熵和热容
1)Barin方程
Ø对所有性质只用一套参数
Ø对所选的温度范围可能用到多套参数
Ø在SOLIDS之前列出INORGANIC数据库
2)常规方程
Ø用热容模型将生成热和生成的自由能合并
ØAspenPlus和DIPPR模型参数
Ø在INORGANIC之前列出SOLIDS数据库
3)固体的热容
Ø热容的多项式模型
Ø用于计算焓、熵和自由能
Ø参数名:
CPSP01
4)固体的摩尔体积
Ø体积多项式模型
Ø用于计算密度
Ø参数名:
VSPOLY
4.4.2非常规固体
1)焓
Ø通用热容多项式模型:
ENTHGEN
Ø用质量分率的加权平均数
Ø基于GENANAL属性
Ø参数名:
HCGEN
2)密度
Ø通用的密度多项式模型:
DNSTYGEN
Ø用质量分率的加权平均数
Ø基于GENANAL属性
Ø参数名:
DENGEN
4.4.3煤的专用模型
1)焓
Ø煤的焓模型:
HCOALGEN
Ø基于ULTANAL,PROXANAL和SULFANAL属性
2)密度
Ø煤的密度模型:
DCOALIGT
Ø基于ULTANAL,PROXANAL和SULFANAL属性
4.5单元操作模型
通用原则:
Ø接受任意类别的物流。
Ø对入口物流和出口物流应该使用同样的物流类别(Mixer和ClChng除外)。
Ø不可识别的属性(组分或子物流)通过该模块后保持不变。
Ø有些模型允许对每个出现的子物流做规定(例如:
Sep、RStoic)
Ø在气-液分离中,固体留在液体中。
Ø除非另有规定,否则出口固体子物流与MIXED子物流是处于热平衡状态的。
4.6例题
目的:
模拟一个常规固体干燥器。
用空气将SiO2水含量从0.5%降到0.1%。
注释:
将物流类别的类型改为:
MIXCISLD。
将SiO2放入CISOLID子物流中。
一个物流的全部子物流的压力和温度必须都是一样的。
4.7练习
目的:
用固体单元操作模拟从气化器尾气进料中除去微粒。
含有少量原料微粒的气体的处理是很困难的,因为这些微粒有可能干扰大部分操作(例如:
孔板和填料的表面腐蚀、结垢、堵塞)。
因此有必要从气态物流中除去大部分原料微粒。
可用于这一用途的选项有很多(旋风分离器、袋式过滤器、文丘里涤气器以及静电除尘器),并且可以通过变更它们的设计和操作条件改变它们的微粒分离效率。
最终选择哪种设备要权衡技术性能和与使用特定单元相关的费用。
在这个练习中,对从煤汽化所得的合成气中除去微粒所采用的各种选项进行比较。
注:
Ø煤灰主要是粘土和重金属氧化物,并且可看作是非常规组分。
ØHCOALGEN和DCOALIGT可用于计算用元素分析、近似分析和硫分析(ULTANAL,PROXANAL,SULFANAL)得出的灰的焓和物料密度。
这些可在PropertiesAdvancedNC-Props窗体上进行规定。
ØPSD限制可在SetupSubstreamsPSD窗体上加以改变。
Ø使用物性方法IDEAL。
5物性分析
当完成物性规定后,应该分析通过模型预测的物性,以确保结果正确可以使用ASPENPLUSPropertyAnalysis物性分析来实现,PropertyAnalysis可产生物性数值表,并可根据这些数值作图,以更好地理解通过物性。
规定预测的物性通过下列方法可进入PropertyAnalysis物性分析。
●通过访问工具菜单的交互方法可以快速容易地生成许多图表。
●另一种方法是从DataBrowser数据浏览菜单中的PropertyAnalysis物性分析文件夹生成PropertyAnalysis,这种方法最灵活。
本章讨论了使用PropertyAnalysis物性分析特性的每种方法并包含几个示例
主题包括
●关于物性分析
●交互生成物性分析
●纯组分物性
●二元系统物性
●三元共沸曲线图
●物流物性
●使用窗口生成物性分析
●纯组分
●通用
●二元系统
●PT封闭曲线
●三元共沸曲线
●用于物性分析的方法规定
●检验分析结果
5.1关于物性分析
PropertyAnalysis物性分析可生成与下列变量有关的物性窗口
●温度
●压力
●气相分率
●热负荷
●组成
该表包括的物性值是由PropertySet物性集定义的,由热力学物性、传递物性和其它导出的物性组成。
关于PropertySet及包含的物性更详细资料见第七章和第二十八章。
可以通过下列方法使用PropertyAnalysis物性分析:
●单独运行
●在Flowsheet流程图中运行
●在DataRegression数据回归中运行
可在Setup(设定)中的Global(全局)窗口中RunType(运行类型)列表中规定Property,Analysis(物性分析),或者如果创建一个新的运行可,在New(新建)对话框中RunType,列表中规定PropertyAnalysis。
5.2交互生成物性分析
本节讲述了如何使用Tool(工具)菜单中的Analysis(分析)命令来交互生成许多常用的物性分析。
这种方法可以自动地进行生成PropertyAnalysis(性质分析)所需的许多步骤,并定义一个内置的图形可快速容易地查看常用信息。
如果需要的信息可从交互Analysis(分析)命令生成,则通常比用窗口创建Analysis更快速、更容易。
如果所需要的物性信息不是由交互Analysis(分析)命令得到的,则可使用窗口手动创建Analysis。
本节下面几节将详细讲述使用窗口手动创建Analysis。
可以在完成物性规定后的任何时候使用交互Analysis分析命令。
交互Analysis分析命令可产生:
●纯组分物性
●二元系统物性
●三元系统的三元共沸曲线图
●物流物性为生成物流物性必须定义至少一个物流
5.3纯组分物性
使用交互AnalysisPure分析纯组分命令并显示作为温度函数的组分物性:
●检查纯组分数据和参数值
●比较同族的组分物性同族的组分物性图可揭示不正确的趋势
●当温度超过关联式限制时确定物性是否外推正确
为产生作为温度函数的纯组分物性可使用交互AnalysisPureAnalysisPure(分析纯组分)命令:
1.确认Setup设定Components组分和Properties性质规定已完成。
2.在Tools工具菜单中单击Analysis分析然后选Property性质再选Pure纯组分。
3.从Property性质列表框中选择表中物性。
4.择所需物性的相态,单击一个或多个Phase(相)选择框:
Vapor(气相),Liqui(液相)或Solid(固态)。
Liquid是缺省,不是所有相态对所有物性都有效。
5.AvailableComponents(可用组分)列表中选择一个或多个组分,并单击右边箭头按钮将这些组分移到SelectedComponents(选择组分)列表中。
6.完成后单击Go进行产生结果。
5.4二元系统物性
可以生成二元系统的常用相图用于
●检测数据和参数值的有效性
●估计非理想程度
●检测共沸物存在
●检测两液相存在
●检测模型外推质量
使用AnalysisBinary(分析二元系统)命令生成二元系统的一般物性。
做法如下:
1确认Setup(设置),Components(组分)和Properties(性质)规定已完成。
2在Tools(工具)菜单中单击Analysis(分析),然后选Property(性质),再选Binary(二元系统)。
3在BinaryAnalysis(二元分析)对话框中,选择AnalysisType(分析类型)列表框中的Analysis(分析)类型。
使用的分析类型
列表
Txy
给定压力下温度T对液相x和气相y组成列表
Pxy
给定温度下压力P对液相x和气相y组成列表
混合吉布斯能
在给定温度和压力下混合吉布斯能相对于液相组成的列表此表用来检测两液相的形成
5.5三元共沸曲线图
三元共沸曲线可以绘制三元混合物在全回流蒸馏下的组成曲线。
通过该曲线可观察到存在的共沸物并限制共沸物影响分离度。
使用三元共沸曲线可以预测可能的分离、选择夹带剂和分析塔的潜在操作问题。
三元共沸曲线可用于非理想的化学体系以及代表这种体系的物性方法。
例如活度系数基准的物性方法如NRTL、Wilson、UNIQUAC和UNIFAC。
不能使用电解质物性方法。
使用交互AnalysisResidue(分析三元共沸物)命令生成三元共沸曲线:
1.确认已完成Setup(设置)、Components(组成)和Properties(性质)规定。
2.在Tools(工具)菜单中选择Analysis(分析),然后选择Property(性质),选择Residue(共沸物)。
3.在ResidueCurves(共沸曲线)对话框中,ASPENPLUS对所有需要的信息都设置了缺省值。
5.6应用举例
例1:
检测组分气体压力的示例
计算并显示CCL4、CH2CL2和CHCL3,温度50到200oF。
例2:
生成Txy曲线的示例
HNO3和水的混合物在压力1atm和2atm下,生成Txy曲线图,ELECNRTL(电解质)物性方法和GLOBAL(全局)求解化学方程。
生成混合Gibbs自由能的示例
在温度25℃下生成甲醇-环己烷的混合Gibbs能图。
使用UNIF-LL物性方法。
6流程收敛
目的:
介绍收敛模块、撕裂流以及流程顺序的概念。
(1)收敛模块
●每个设计规定和撕裂流都有一个相关联的收敛模块
●收敛模块确定撕裂流或设计规定的操作变量的推测值在迭代过程中的更新方法
●AspenPlus定义的收敛模块的名字以字符“$.”开头
Ø用户定义的收敛模块的名字一定不要用字符“$.”开头
●要确定由AspenPlus定义的收敛模块,请看ControlPanel(控制面板)信息中的“FlowsheetAnalysis(流程分析)”部分
●用户收敛模块可在Data/Convergence/Convergence...下进行规定
(2)收敛模块的类型
不同类型的收敛模块是用于下列不同用途的:
●要收敛撕裂流,请用:
ØWEGSTEIN
ØDIRECT
ØBROYDEN
ØNEWTON
●要收敛设计规定,请用:
ØSECANT
ØBROYDEN
ØNEWTON
●要收敛设计规定和撕裂流,请用:
ØBROYDEN
ØNEWTON
●对于优化,请用:
ØSQP
ØCOMPLEX
在Convergence/ConvOptions/Defaults窗体上可以规定全局的收敛选项
(3)流程顺序
●要确定AspenPlus进行流程计算的流程顺序,请看ControlPanel(控制面板)中或者ControlPanel(控制面板)左窗格中的“COMPUTATIONORDERFORTHEFLOWSHEET”部分
●用户确定的顺序可在Convergence/Sequence窗体上进行规定
●用户规定的顺序即可以是全部的计算顺序也可以是局部的顺序
(4)撕裂流
●撕裂流是AspenPlus给出其初始估值的一股物流,并且该估值在迭代过程中逐次更新,直到连续的两个估值在规定的容差范围内为止
●撕裂流与循环物流是相关的,但又与循环物流不一样
●要确定由AspenPlus选择的撕裂流,请看ControlPanel(控制面板)中的“FlowsheetAnalysis(流程分析)”部分
●用户确定的撕裂流可在Convergence/Tear窗体上进行规定
●为撕裂流提供估计值可以促进或者加快流程收敛(极力推荐,否则缺省值为零)
●如果你输入了“回路”中的某个物流的信息,AspenPlus会自动设法把该物流选为撕裂流
(5)撕裂流举例
见下图所示的流程图。
●哪个是循环物流?
ØS7
ØS6
●哪个可能是撕裂流?
ØS7和S6
ØS2和S4
ØS3
●哪个是最好的撕裂流选择?
ØS3(只需要一个撕裂流,而其它选择都是两个)
(6)练习:
收敛
目的:
收敛这个流程。
DP(压降)=0
DUTY=0
使用NRTL-RK物性方法
NSTAGES=10
Mole-RR=5
D:
F=0.2
P=1atm
进料:
Above-Stage5
全凝器
关于收敛练习的提示:
●需要自己回答的问题:
Ø在控制面板上显示哪些信息?
Ø为什么有些模块显示出的流量为零?
ØAspenPlus生成的流程执行顺序是什么?
ØAspenPlus选择哪股物流做撕裂流?
Ø还有哪些其它的可能撕裂流?
●建议:
给出撕裂流的初始估值
Ø你可以选择的三种可能的撕裂流中,你最了解哪一种?
●注释:
如果你输入了“回路”中的某个物流的信息,AspenPlus会自动选择该物流为撕裂流,并为之建立收敛模块
●需要自己回答的问题:
Ø输入撕裂流的初始估值后,流程会收敛吗?
Ø如果没收敛,为什么?
(参见控制面板)
Ø误差/容差值是如何起作用的?
在运行结束时其值是多少?
Ø增加收敛迭代次数有帮助吗?
Ø还有其它方法可以改进这个收敛吗?
●建议:
试一下不同的收敛算法(例如:
Direct、Broyden或Newton)
●注释:
你可以手动创建一个收敛模块来收敛你所选择的撕裂流,也可以在Convergence/ConvOptions/DefaultsDefaultMethods页上改变所有撕裂流的缺省收敛方法
7RadFrac的收敛
目的:
介绍在RadFrac模型中可用的收敛算法和初始化策略。
(1)RadFrac的收敛方法
RadFrac模型为求解分离问题提供了多种收敛方法。
每个收敛方法代表一种收敛算法和一个初始化方法。
可用的收敛方法如下:
●Standard(标准的,缺省的)
●Petroleum/Wide-Boiling(石油/宽沸程)
●Stronglynon-idea
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