Aspen Plus模拟软件在化工中的应用

姚卫国，郑瑞朋，胡凯瑞，高鹏飞，郑 刚，刘勇营

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

流程模拟技术的发展为化工过程带来了很大的改变。利用计算机的强大计算能力，解算化工过程的数学模型，用来模拟化工过程系统的性能。流程模拟技术经过几十年的发展，现在被广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产过程的控制与优化、新员工的培训和老厂的技术改造[1-3]。

相比于实际的生产过程的高成本，化工过程模拟有其更大的优势，主要包括以下几点[4-6]：

（1）经济性。运用计算机模拟实际化工过程，可以大量地节约生产成本，并且过程的再现性好，比实际过程更加的快速、经济。

（2）加大了放大倍数，降低了实验数据向实际化工生产过程的转化时间，缩短了新产品、新工艺的开发难度。

（3）稳定性与变工况。利用数学模型的准确性，为模拟提供可靠性；而且可根据不同的参数变化确定合适的操作参数。

（4）为控制提供良好的基础，随着技术的进一步发展，利用软件研究过程的动态方程已经成为可能。

Aspen Plus是美国能源局在20世纪70年代后期在麻省理工学院组织的会战，开发的流程模拟软件，经过三十多年的发展，该软件日臻成熟，经过十几个版本的发展，现在Aspen Plus的最高版本为10。Aspen Plus是最完善的商业化流程模拟软件，国内外的大型工程公司、科研院所和高校都是其用户。下面介绍Aspen Plus模拟软件在化工中的几个实例应用。

1 常温常压下为气体类的物质设置高低限

常温常压下为气体类的物质，在储罐中存储，需要预留一定的质量，尤其是涉及易燃易爆类物质时，保持正压，防止空气进入有一定的作用。以NH3为例，计算10℃和50℃下的气相密度和饱和蒸汽压[8]。

经计算，10℃下的气相密度为4.688 kg/m3，饱和蒸汽压6.088 bar；50℃下气相密度为15.067 kg/m3，压力20.22 bar。因此若以1 m3的储槽计算，在通入小流量冷冻盐水的情况下，可以设置低限为8 kg；饱和蒸汽压可以应用于安全阀设计，例如50℃下，饱合蒸汽压20.22 bar，设备设计压力和安全阀设计起跳压力可以按照20.22 bar为参考。如图1所示。表1是常见几种物质的相关性质。

图1 氨气的相关性质

表1 其他物质的相关性质

2 压缩因子

Z是同样条件下真实气体摩尔体积与理想气体摩尔体积的比值，它的大小反映出真实气体偏离理想气体的程度。理想气体的Z值在任何条件下恒为1。Z小于1说明真实气体的摩尔体积比同样条件下理想气体的为小，真实气体比理想气体更易压缩。Z大于1则相反。由于它反映出真实气体的压缩难易程度，所以称为压缩因子。压缩因子的量纲为1[9-10]。

2.1 纯物质

纯物质直接在数据库里面就可以查找到压缩因子，如图2所示。

图2 纯物质的压缩因子

2.2 混合物质

在Report Options/Property sets/VLE选入，如图3所示。

图3 混合物质计算因子

下面以VDF和氟甲烷的各0.5摩尔分数，经计算得到ZMX为0.585，说明该混合物容易压缩。如图4所示。

图4 混合物压缩因子

3 密度随温度的变化

乙腈密度的测定，由于原有的乙腈密度使用密度计测量，温度为常温下测量结果，对于目前的乙腈收料管在高温下的结果差距较大。采用量体积的方法，得到结果。与其他结果进行对比的数据在表2中[12]。

4 不同压力下的沸点

以乙腈为例，计算不同压力下沸点，流程图如图5所示，设置如图6所示，模拟的结果如表3所示。

表2 乙腈密度随温度的变化

图5 模拟流程图

图6 模拟设置

表3 模拟结果

计算出不同压力下的沸点，可以提供减压精馏的数据。1.0 bar以下的数据为减压精馏数据。

5 估算物质性质

以估算物质的蒸汽压为例，以三氟乙胺为例。

对于数据库中有的物质按照第三点操作即可，数据库中不存在的物质，此时使用Aspen的估算功能[13-14]。步骤如下：

（1）先建立估算流程，运算模式从Flowsheet更改到Property Estimation，如图7所示。

图7 建立估算流程

（2）将Components里输入物质代码，本例以CAS号为例，如图8所示。

图8 输入物质

（3）然后进入User Defined里面，选择Draw/import/Edit structure，得到图9所示。

图9 分子式绘制

（4）进入 molecular Structure 里，选择 Draw/import/Edit，将上面的分子式输入进去，在选择Calculate Bonds，得到化学键的连接方式。如图10所示。

图10 分子式估算

（5）进入Estimation里，对性质进行估算，如图11所示。

图11 估算设置

（6）得到结果如图12所示。

6 查询物质的二元交互参数

以乙腈和水、甲醇和水为例。得到的结果如图13所示。

图12 估算结果

图13 T-xy图

从图13左图可以看出乙腈和水存在共沸现象，用普通分离的方法不能得到两个的纯组分化合物。图13右图，可以看出，甲醇和水之间不存在共沸。

7 变压精馏是否可行

以乙腈和水为例，变压精馏是分离共沸物的一种手段，因不加入第三者物质，有一定优势。要进行变压精馏，需共沸点随压力变化大于5%，图14是1.0 bar和3.5 bar下共沸点变化情况，经计算，共沸点变化大于5%。

图14 不同压力下的共沸组成

8 总结

本文阐述了Aspen Plus模拟软件在化工中的实例应用，主要包括气相密度计算，压缩因子的计算，密度随温度的变化，不同压力下的沸点，物质性质的估算，二元交互参数的应用，变压精的可行性等。