Aspen Plus 模擬軟件在化工領域的應用研究進展

白健(神華準能資源綜合開發有限公司研發中心，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

0 引言

近些年，隨著我國經濟不斷發展，化工產品的需求量和種類不斷增加，促使我國化工企業不斷提高工藝技術水平。新的技術的研發、設計、實施需要投入大量的經費和人力資源，目前化工領域采用Aspen Plus 模擬軟件進行工藝模擬，既節省了企業研發經費，降低了投資的經濟風險；又節約了工程化時間，加快項目實施建設。

Aspen Plus 模擬軟件是一款集物料物理化學性質數據庫、工藝流程模擬、經濟性分析于一體，包含多種工藝模型的非常實用的一款模擬軟件。在物料數據查詢、工藝流程模擬優化、經濟性評估方面發揮著重要的作用，現在中石油、中石化、國家能源集團等大型煉油化工企業都在廣泛的應用，為企業帶來了巨大的經濟效益。

1 Aspen Plus的模擬方法

Aspen Plus 軟件可以對單個設備進行模擬，比如換熱器、反應釜等設備，也可以對一整套工藝流程進行模擬計算。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、模擬流程計算、模擬錯誤修復、結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的所有物質，以及其參與反應的溫度、壓力、含量、流量等參數；搭建工藝流程模型主要包括選擇設備并按照工藝流程進行連接，形成一整套工藝流程。Aspen Plus 模擬軟件中含有多種設備模型，例如分離器包含氣液分離器、固液分離器、氣固分離器。在模擬計算中應根據實際需要搭建恰當的模型。選擇物性方程非常重要，電解質物料可以用ELENRTL 狀態方程。其中，(1)ENRTL-RK 和ELECNRTL 一樣，它運用了不對稱的標準態。(2)ENRTL-SR 和ENRTL-RK 類似，可用于含水的或不含水的電解質體系。(3)PITZER 適用含水的電解質系統。(4)濕法冶金用ELECNRTL或ENRTL-RK物性方法。

模擬錯誤修復：在模擬計算中有一類重要的錯誤是難收斂，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；修改默認計算次數；對于特定的模塊，比如塔器，修改默認的高精度，可以完成收斂計算，除此之外，還有很多其他的收斂方法。

2 Aspen Plus的技術特點

(1)具有豐富的物性數據庫。其中包括純物質數據庫、電解質水溶液數據庫、Henry 常數庫、固體數據庫等十幾種物性數據庫，并且可以與DECHEMA 數據庫連接。

(2)在實際應用中，Aspen Plus 模擬軟件可以完成結晶計算、設計新的工藝流程、完成一個運行化工裝置物料平衡計算、優化一個化工全裝置的操作工程，查閱和模擬計算物料的物理化學性質[1]。

(3)擁有不同類型多種單元操作模型，用于模擬計算。主要的單元操作模塊包括:反應器(產率反應器、化學計量反應器、攪拌反應器等)；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、兩項閃蒸器、三項閃蒸器等)等等，也包括用于流程模擬的泵、壓縮機、控制器、管線閥門，可用于全流程模擬計算。

3 Aspen Plus模擬軟件在化工行業的應用

Aspen Plus 模擬軟件可用于工藝技術研發、設計、運行裝置工藝優化等過程。能夠完成工藝流程模擬，進行嚴格的質量和能量平衡計算，計算物流流量、組成、性質，完成PFD 圖。也可用于工藝流程設計，比選各種工藝技術方案，預測設備尺寸和操作條件，還可用于估算基建費用和操作費用，進行工藝過程的技術經濟性評價。

采用Aspen Plus 化工流程模擬軟件，可以進行物性參數計算，包括溶解度、熱力學等參數。文獻報道[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備，通過改變溫度模擬出不同溫度下固體物質硝酸鉀的溶解度。溫度從0℃～100℃，模擬計算值與文獻值非常接近，50℃是模擬溶解度值為84.82g，而文獻值85.5g，偏差0.8%；100℃時模擬溶解度值為244.4g，而文獻值246g，偏差0.65%。研究結果表明，利用Aspen Plus 軟件建立模擬流程計算物性參數的方法是可行的，可計算和預測出物料的物理化學性質。

旋風分離器是化工行業常用的設備之一，其設計主要依靠大量的試驗數據完成。如果采用Aspen Plus 流程模擬軟件進行模擬計算，再結合試驗數據，有些數據直接可以模擬完成，可大大增加設計的效率和準確性。文獻[3]報道采用Aspen Plus 流程模擬軟件進行分離效率和允許壓降計算。并模擬出旋風筒數量、旋風筒直徑、分離器筒體高度等參數，可實現旋風分離器的高效設計，同時降低設計成本。

中石化天津分公司利用Aspen Plus 模擬軟件對200 萬噸/年柴油加氫裝置進行模擬計算，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算，模擬所得塔頂溫度、塔底溫度、酸性氣體流量、輕烴產量與實際裝置狀態誤差較小，模擬結果對現有裝置有一定的優化和指導作用，可以降低能耗，提高企業生產經濟效益[4]。

文獻[5]報道一套液氨合成裝置的化工項目，采用Aspen Plus 模擬軟件進行模擬計算，搭建了以換熱器和分離器為主設備的工藝流程，對產品組成、物料流量、壓力、氣相分率、液相分率進行模擬計算，模擬結果與實際運行結果偏差非常小，組分偏差0.06%，流量偏差0.37%。換熱器計算熱負荷與實際運行結果的對比偏差≤3%。模擬結果說明，采用Aspen Plus 軟件模擬工藝流程模擬結果準確性高。

采用Aspen Plus 還可以用于經濟性分析研究[6]。利用Aspen Plus 對碳捕捉過程進行經濟性分析，模型由煙氣預熱器、碳化器、旋風分離器、換熱器主要設備組成，通過改變碳化器溫度、二氧化碳捕捉率、循環碳鈣比等參數，優化出最佳回收熱量，回收熱量可用于加熱蒸汽。增加碳捕捉裝置后，設備總成本有所增加，但是增加的發電量會給企業帶來收益。通過模擬計算二氧化碳捕捉系統經濟性，得到碳捕系統的發電成本為，二氧化碳回避成本等重要數據，可為企業的創效增收提供重要依據。

4 結語

Aspen Plus 模擬計算在國內應用的比較廣泛，幫助設計和工程人員解決了許多實際問題，為企業提高了設計和生產的效率，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際生產的裝置不能完全一致，導致有些模擬數據出現一定偏差，在今后的模擬中可以根據實際需要建立模型，提高模擬結果準確性。其次，在數據庫方面，目前還不夠非常完善，可以根據實際工藝流程所涉及的物料，通過實驗或者文獻及時補充相應數據，以滿足實際模擬需要。