Aspen Plus--化工流程计算软件

一、Aspen Plus 软件概况

      Aspen Plus 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”（Advanced System for Process Engineering，简称 ASPEN），并于 1981 年底完成，该软件经过近 20 年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十几个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，用户上千个。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 Aspen Plus的用户。不仅如此，以 Aspen Plus 的严格机理模型为基础，还逐步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：

• Polymers Plus：

在 Aspen Plus 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。

• Aspen Dynamics：

在使用 Aspen Plus 计算稳态过程的基础上，转入此软件可接着计算动态过程。

• Batch Frac：

专门模拟间歇精确过程。

• Rate Frac：

基于传质速率相平衡分离过程的真实塔板逐板计算模型。可直接计算实际塔板          及填料高度，避免采用理论板及板效率计算。

• Petro Frac：

专门用于炼油厂的模拟软件。

 

Aspen Plus 也是其它一些工程应用或先进控制应用的基础。它提供接口与以下一些应用软件联接：

• Aspen Pinch：

Aspen Plus 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。

• l B-JAC：

这是一个换热器详细设计（包括机械计算）的软件包，Aspen Plus 可以在流程模拟工艺计算之后直接转入设备设计计算。

• l RT-OPT：

这是一个实时闭环优化软件。Aspen Plus 有接口可提供实时在线使用。例如一个乙烯工厂的实时优化控制就是用 SPYRO 模拟裂解炉。 Aspen Plus 模拟其余流用程与 RT－OPT 联接进行寻优计算，找到最优化操作给定值，然后再下载到 DCS上去。

• Aspen Zyqad：

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。Aspen Plus 有接口可与之自动集成。

 

      Aspen Plus 还可以和用户（第二方）及外部大型工业化程序（第三方）直接接口。

      用户自编模型（USER MODEL）功能：如单元操作、物性、反应动力学等。Aspen Plus的物性数据库均可为这些用户模型服务。

      第三方应用程序：如 Intergraph 公司的工厂设计系统 PDS 及 Smart Plant 和快速报价系统ICARUS 等。

 

二、Aspen Plus 具有最完备的物性系统

      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 Aspen Plus 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 Aspen Plus的物性系统，并与其自身的工程计算软件相结合。

 

2.1  一套完整的基于状态方程和活度系数方法的物性模型

用户可在流程的不同部分任意选用不同的物性模型。兹将 Aspen Plus 中的物性模型列举如下：

 

2.1.1 状态方程（共有 20 多种模型）

ASME 水蒸汽表关联式

理想气体模型

BWR－Lee－Starling 模型

Hayden－O’Connell 模型（具有气相缔合）

HF 模型（气相水理想性）

Lee Kesler 模型

Lee Kesler Plocker 模型（具有气相缔合）

MHV2 混合规则

NBS/NRC 蒸汽表

Nothnagel 模型

Peng Robinson 模型

Peng Robinson Boston Math 水－碳氢物体系模型

Peng Robinson MHV2 模型

Peng Robinson Wong－Sandler 模型

Predictive SRK 模型

PSRK 混合规则

Redlich Kwong 模型

Redlich Kwong ASPEN 模型

Redlich Kwong Soave 模型

Redlich Kwong Soave Wong Sandler 模型

Redlich Kwong Soave MHV2 模型

RK-Sovae Alpha 函数

Schwartzentruber-Renon 模型

Helgeson 状态方程（电解质比热及焓计算）

Schwartzentruber Renon 模型

Huron-Vidal 混合规则

Wang-Sandler 混合规则

2.1.2 活度系数模型

扩展的 Scatchard Hildebrand 方程

NRTL 局部组成电解质方程

MSA 电解质方程 NRTL 方程

Pitzer 电解质方程

Chien Null 模型

Redlich－Kister 模型

三后缀 Margules 模型

VanLaar 方程

Wilson 方程

UNIFAC 方法

Dortmund 改进 UNIFAC

Lyngby 改进 UNIQUAC 方法

Brornley Pitzer 活及系数模型

多项式活度系数模型

理想流体模型

2.1.3 摩尔体积模型

用于石油馏分的 API 液体体积模型

Brelvi O’Connell 偏摩尔液体体积模型

Campbell Thodos 液体体积模型

Cavett 饱和液体体积模型

Cheuh Prausnitz/Rackett 压缩液体体积模型

Clark 电解质液体体积模型

COSTALD 饱和和压缩液体体积模型

Debye Huckel 电解质液体体积模型

多项式固体体积模型

Rackett 饱和液体体积模型表数据输入

2.1.4 蒸发潜热模型

DIPPR/Watson/IK-CAPE 方程

Clausius Clapeyron 方程

2.1.5 焓、自由能、熵模型

Cavett 饱和液体和水蒸汽表液体模型

Criss Cobble 电解质液体焓模型

综合固体升华模型

多项式固体升华模型

多项式固体模型

改进的多项式固体模型

改进的 Watson 方程，

汽化热模型

多项式固体熔化热模型

Yen Alexander 液体和气体模型

Yen Alexander 水蒸汽表气体模型

表数据输入

DIPPR 比热模型 BARIN 方程

2.1.6 蒸汽压模型

Antoine 固体模型

Cavett 液体模型

扩展的 Antoine 液体模型

改进的多项式模型表数据输入

2.1.7 气液平衡比模型

API SOUR 模型

Kent Eisenberg 模型

改进的多项式模型表数据输入

2.1.8 Henry 常数模型

改进的多项式模型表数据输入

2.1.9 复合固体密度模型

综合广义的密度模型

IGT 干燥固体模型

2.1.10 复合固体焓模型

Boie 关联式

Chang Jirapongphan Boston 关联式

温度的三次方程 Dulong 关联式

综合焓模型 Grummel 和 Davis 关联式

基于燃烧热的关联式 Kirov 关联式

2.1.11 热导率模型

Chung Lee Starling 液体和气体模型

IAPS 水的液体和气体模型

多项式固体模型 Sato Riedel 液体模型

Stiel Thodos 高压气体模型

TRAPP 液体和气体模型

Wassiljewa Mason Saxena 低压气体模型表数据输入

2.1.12 表面张力模型

石油馏分的 API 模型

Hakim Steinberg Stiel 模型

水的 IAPS 模型

表数据输入 Onsager Samaras 模型

2.1.13 粘度模型

Chapman Enskog Brokaw 低压气体模型

Chung Lee Starling 液体和气体模型

Dean Stiel 高压气体模型

水的 IAPS 液体和气体模型

API 液体粘度模型

Letsou Stiel 高温液体模型

Lucas 气体模型

改进的 Andrade 液体模型

TRAPP 液体和气体模型

表数据输入 Andrade/DIPPR 模型

2.1.14 扩散系数模型

Chapman Enskog/Wilke Lee 低压气体模型

Dawson Khoury Kobayashi 高压气体模型

Wilke Chang 表数据输入

 

2. 2  Aspen Plus 数据库包括 15000 多种纯组分的物性数据及下列数据库

1、纯组分数据库，包括 5000 种化合物的参数。

2、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。

3、固体数据库，包括约 3314 种固体的固体模型参数。

4、Henry 常数库，包括水溶液中 61 种化合物的 Henry 常数参数。

5、二元交互作用参数库，包括 Ridlich－Kwong Soave、Peng Robinson、Lee KeslerPlocker、BWR Lee Starling，以及 Hayden O’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。

6、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。这比第九版的 1550 种组分的数据库，不仅扩大了许多，而且参数也更加准确可靠。

7、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。

8、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。

9、固体数据库，包括 3314 种组分，主要用于固体和电解质的应用。

10、水溶液数据库，包括 900 种离子，主要用于电解质的应用。

2.3  与 DECHEMA DETHERM 等物性数据接口

Aspen Plus 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。

2.4  高度灵活的数据回归系统（DRS）

此系统可使用实验数据求取物性参数，可以回归实际应用中任何类型的数据，计算任何模型参数，包括用户自编的模型。可以使用面积式或点测试方法自动检查汽液平衡数据的热力学一致性。DRS 以最大似然估算方法给出目标函数，其它如通常的最小平方法、Barker 方法、Gamma 方法和 K 值法也可使用。

2.5  性质常数估算系统（PCES）能够通过输入分子结构和易测性质（例如沸点）来估算短缺的物性参数

例如，可估算活度系数模型中的二元参数。当模拟流程中含有缺少实验数据的新化学品时，PCES 特别有用。

2.6  Redlich-Kwong-UNIFAC 状态方程可用于非极性、极性和缔合组分体系

这个方程是法国巴黎 EcolesDesMines 的 HenriRenon 教授专为 AspenTech 开发的。它提供了十分灵活的混合规则以及利用 UNIFAC 基团贡献值于状态方程参数的新颖体系。

 

三、Aspen Plus 模拟固体系统

在煤的净化和液化、流化床燃烧、高温冶金和湿法冶金，以及固体废物、聚合物、生物和食品加工业中都有固体应用的问题。

Aspen Plus 中固体性质数据有两个来源：一是 Solid 数据库，它广泛收集了约 3314 种纯无机和有机物质的热化学数据；二是和 CSIRO 数据库的接口。第 10 版已合并成新的 SOLIDS数据库，这些数据在模拟冶金、陶瓷矿产业及其它含有固体处理的过程时是必不可少的。还具有一套通用的处理固体的单元操作模型，包括破碎机、旋风分离器、筛分、文杜里洗涤器、静电沉淀器、过滤洗涤机和倾析器。此外，Aspen Plus 中所有的单元操作都适合于处理固体，例如闪蒸和加热器模型能计算固体的能量平衡，而反应器模型 RGIBBS 可用最小 GIBBS 自由能来判断在平衡状态下是否有固相存在。

四、Aspen Plus 模拟电解质系统

      许多公司已经用 Aspen Plus 模拟电解质过程，如酸水汽提、苛性盐水结晶与蒸发、硝酸生产、湿法冶金、胺净化气体和盐酸回收等。

Aspen Plus 提供 Pitzer 活度系数模型和陈氏模型（由本公司的陈超群博士开发)计算物质的活度系数，包括强弱电解质、盐类和含有机化合物的电解质系统。这些模型已广泛地在工业中应用，证明是准确、可靠的。

      电解质系统有三个电解质物性参数数据库：水数据库包括纯物质的各种离子和分子溶质的性质；固体和 Barin 数据库包括盐类组分性质；一些特殊的电解质系统和应用于酸性气体交互过程的数据包是由本公司应用部门和用户一起开发的。

      模拟电解质过程的功能在整套 Aspen Plus 都可以应用。用户可以用数据回归系统（DRS）确定电解质物性模型参数。所有 Aspen Plus 的单元操作模型均可处理电解质系统 。例如， Aspen Plus 闪蒸和分馏模型可以处理有化学反应过程的电解质系统。

 

五、Aspen Plus 具有完整的单元操作模型库

      Aspen Plus 有一套完整的单元操作模型，可以模拟各种操作过程，由单个原油蒸馏塔的计算到整个合成氨厂的模拟。由于 Aspen Plus 系统采用了先进的 PLEX 数据结构，对于组分数、进出口物流数、塔的理论板数以及反应数目均无限制，这是 Aspen Plus 的一项独特优点，非其它过程模拟软件所能比拟。此外，所有模型都可以处理固体和电解质。单元操作模型库约由 50 种单元操作模型构成。用户可将自身的专用单元操作模型以用户模型（USERMODEL）加入到 Aspen Plus 系统之中，这为用户提供了极大的方便性和灵活性。

      Aspen Plus 的分馏与反应模型是最常用的两类单元操作模型。

5.1  分馏模型  

      Aspen Plus 的多级严格分离模型是基于内外两层结构（双层）、结合最新的联立方程和求解法编制而成。双层法是由 AspenTech 总裁 J. Boston 博士首创的。他自 1981 年起一直担任本公司总裁。此法必须提供初值，在大范围内应用十分可靠。

      RADFRAC 模型能严格地模拟多级气液平衡操作，包括吸收、汽提、有再沸器的吸收和汽提、萃取和共沸蒸馏，以及高度非理想体系的分馏过程。RADFRAC 能严格计算任一塔板上两个液相的存在，也可以简单地假设第二液相为纯水。MULTIFRAC 可以有效地计算互连的多塔分馏系统，如原油蒸馏、减压塔、催化裂化分馏塔、吸收塔、解吸塔 、空气分馏塔以及有热交换的塔系统。Aspen Plus 还有经过工业考验的能处理反应的分离模型，该模型可在塔的任意塔板处或所有塔板上处理速率控制反应、化学平衡反应，以及气、液相反应。反应速率可由置入内部的幂律表示式或由用户提供的反应动力学程序来计算 。Aspen Plus 的简捷算法蒸馏模型需要输入的数据较少，也具有设计和核算两种型式。在不需要高度精确计算的情况下可以使用这些模型。

5.2  反应器模型

      Aspen Plus 的反应器模型可应用于很广泛的范围。简单的化学计量模型（RSTOIC）只需要规定化学计量或反应中一个关键组分的转化率即可应用。在已知反应动力学的情况下，可以用更精确的模型，如连续搅拌釜式反应模型（RCSTR）或活塞流反应模型（RPLUG）。RBATCH 反应模型可处理单相或两相的动态反应，可选用连续进料和出料。RGIBBS 是根据GIBBS 自由能极小的基本原理，它能描述单相化学平衡、相平衡，也能同时描述化学平衡和相平衡，可以处理固、液多相系统。RGIBBS 能自动决定实际存在的相数。

5.3  Aspen Plus 的单元操作模型及其主要功能

 

5.3.1  混合器和分流器

1、MIXER  通用混合

2、FSPLIT  分流

3、SSPLIT  子物流分流

5.3.2  分离器

1、SEP  组分分割

2、SEP2  两产品分离

3、FLASH2  两相闪蒸

4、FLASH3  三相闪蒸

5、DECANTER  液－液倾析器

5.3.3  加热器和热交换器

1、HEATER  通用加热器

2、HEATX  热交换器

3、MHEATX  多股物流的热交换器

4、HETRAN  管壳式换热器

5、HxFlux  热传递计算

6、HTRIIST  与HTRI的接口

7、AEROTRAN  空冷式换热器

5.3.4 多级分离

1、RADFRAC  严格法精馏

2、MULTIFRAC  严格法多塔精馏

3、EXTRACT  严格法萃取

4、DSTWU  简算法精馏，设计型

5、DISTL  简算法精馏，核算型

6、SCFRAC  简算法多塔精馏

7、PETROFRAC  石油炼制分馏塔

5.3.5 反应器

1、PYIELD  产率反应器

2、RSTOIC  化学计量反应器

3、RCSTR  连续搅拌釜式反应器

4、RPLUG  活塞流反应器

5、REQUIL  两相化学平衡反应器

6、RGIBBS  通用相平衡和化学平衡反应器

7、RBATCH  间歇式反应器

5.3.6  泵和压缩机

1、PUMP  泵/料浆泵

2、COMPR  单级压缩/膨胀机

3、MCOMPR  多级压缩/膨胀机

5.3.7  固体处理

1、CYCLONE  旋风分离器

2、ESP  静电除尘器

3、FABFL  纤维过滤器

4、VSCRUB  文丘里涤气器

5、CRUSH  破碎机

6、SCREEN  筛选器

7、HYCYC  水力旋风分离器

8、FILTER  转鼓过滤器

9、CFUGE  离心过滤器

10、SWASH  固体洗涤器

11、CCD  逆流倾析器

12、CRYSTALLIZER  结晶器

5.3.8 流控制器

1、MULT  乘法器

2、DUPL  复制器

3、CLCHNG  流股复类器

4、SELECT  物流选择器

5.3.9 管线与阀门

1、PIPELINE  多段管线压降

2、PIPE  单段管线压降

3、VALVE  阀压降

5.3.10 用户模型

1、USER  有限进出流股

2、USER2  无限进出流股

3、Hierarchy  分层结构

5.3.11  压力释放

1、支持 Pres Relief  压力释放系统

 

六、Aspen Plus 具有快速可靠的流程模拟功能

      Aspen Plus 提供流程模拟所需的多种功能，可帮助用户方便地编写输入文件，快速而可靠地收敛流程，以及进行流程优化计算。这些功能包括：

      可按流程模拟需要使用在线 FORTRAN 语句和子程序。

      1. 可以使用 Aspen Plus 的插入模块（Insert）功能，重复使用流程模型的某一部分，例如一个酸性气体净化模型，一组物性输入数据。也可以建立用户自已的   Inserts， 并存入用户插入模块库（Library）来应用。

      2. 可以利用设计规定（Design Specification）来达到对任何模块计算的参数所规定的目标值。

 

七、Aspen Plus 具有最先进的流程收敛方法

      Aspen Plus 具有最先进的数值计算方法，能使笔直环物流和设计规定迅速而准确地收敛。这些方法包括直接迭代法（Wegstein）、正割法（Secant）、拟牛顿法、Broyden 法等。这些方法均经 AspenTech 进行了修正。例如，修正后 Secant 法可以处理非单调的设计规定。Aspen Plus 可以同时收敛多股撕裂（Tear）物流、多个设计规定，甚至收敛有设计规定的撕裂物流。这些特点对解决高度交互影响的问题时特别重要。

 

      八、Aspen Plus 可以进行过程优化计算

应用 Aspen Plus 的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值，以达到任何目标函数的最大值。对约束条件和可变参数的数目没有限制，可以将任意工程或技术经济变量作为目标函数，如利润和生产率。用户在选取操作参数限制范围时，具有很大的灵活性。 Aspen Plus 的一大特点是能将流程模拟和优化同时收敛，这样使得收敛更加迅速而可靠。

 

九、标准化的 Windows 用户界面

      根据 Microsoft Windows 设计标准采用了 Microsoft 工具包及 Windows Help 系统，使得Aspen Plus  对用户来说，外观及感觉和用户熟悉的其它 Windows 程序十分相似。输入系统采用了 NEXT EXPERT 专家系统。使用户不必费心检查输入是否有遗漏或语句错误。专家系统会自动指引你下一步应当输入什么数据，并显示每一步骤是否已正确地完成。

      通过 Windows 交互操作功能，最大的好处是可使 Aspen Plus 和其它应用程序交互作用：使用者可以迅速而容易地在Aspen Plus 和其它应用程序之间传送模拟数据。在三个不同层次上支持这种交互操作性：

• 模拟数据的拷贝/粘贴/链接

• 对模拟对象和数据的目标链接嵌入 OLE 自动界面

• OLE 目标的嵌入

      这些功能可以把过程模拟的效益大大扩展到工程工作的其它阶段中去。

      例如，通过拷贝/粘贴/链接功能可以把一个塔的剖面和进出口流股模拟结果粘贴到一个Excel 报表中去，以便进一步分析。这就免去了手工抄写产生错误。

      例如，通过 OLE 自动界面可以用 Visual Basic 程序去控制你的模拟。可以用 Visual Basic或 C＋＋程序编一个文档化的界面来存取和控制过程模型。

      例如，用 Visual Basic for Applications（VBA）宏语言编一个工厂操作工用的界面来联接Aspen Plus 的模型，使模型的某些计算结果直接显示在屏幕界面上来指导操作工操作。

 

十、新的模拟引擎结构

      从第 10 版开始的模拟引擎改为共享库结构（Shared Library Architecture），这种结构大大改进了组态性能：

• 组元可选择，很容易装入或移出

• 内部改进，可以与 Aspen Plus 系统程序隔离开（不必重新联接 Aspen Plus 执行系统）

• 独立模型局部可以由 Internet 网上存取

• 层次产品（例如 Polymers Plus）可以增加上去并更新

   

十一、应用咨询

      我公司同客户合作开发了许多专用的工艺过程模型，并以这些模型解决迫切的工程技术和经济评价问题。许多公司为了迅速应用模拟技术和开发十分复杂的过程模型，也要求本公司的应用部门为之工作。