Aspen Plus 模拟软件在化工领域的应用研究进展

白健(神华准能资源综合开发有限公司研发中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

0 引言

近些年，随着我国经济不断发展，化工产品的需求量和种类不断增加，促使我国化工企业不断提高工艺技术水平。新的技术的研发、设计、实施需要投入大量的经费和人力资源，目前化工领域采用Aspen Plus 模拟软件进行工艺模拟，既节省了企业研发经费，降低了投资的经济风险；又节约了工程化时间，加快项目实施建设。

Aspen Plus 模拟软件是一款集物料物理化学性质数据库、工艺流程模拟、经济性分析于一体，包含多种工艺模型的非常实用的一款模拟软件。在物料数据查询、工艺流程模拟优化、经济性评估方面发挥着重要的作用，现在中石油、中石化、国家能源集团等大型炼油化工企业都在广泛的应用，为企业带来了巨大的经济效益。

1 Aspen Plus的模拟方法

Aspen Plus 软件可以对单个设备进行模拟，比如换热器、反应釜等设备，也可以对一整套工艺流程进行模拟计算。开展流程模拟的方法是输入物料组分、搭建工艺流程模型、选择合适的物性方程、模拟流程计算、模拟错误修复、结果查询等一系列操作。具体来讲：输入物料组分包括参加反应的所有物质，以及其参与反应的温度、压力、含量、流量等参数；搭建工艺流程模型主要包括选择设备并按照工艺流程进行连接，形成一整套工艺流程。Aspen Plus 模拟软件中含有多种设备模型，例如分离器包含气液分离器、固液分离器、气固分离器。在模拟计算中应根据实际需要搭建恰当的模型。选择物性方程非常重要，电解质物料可以用ELENRTL 状态方程。其中，(1)ENRTL-RK 和ELECNRTL 一样，它运用了不对称的标准态。(2)ENRTL-SR 和ENRTL-RK 类似，可用于含水的或不含水的电解质体系。(3)PITZER 适用含水的电解质系统。(4)湿法冶金用ELECNRTL或ENRTL-RK物性方法。

模拟错误修复：在模拟计算中有一类重要的错误是难收敛，处理这类问题有以下几种方法：改用波义耳登收敛方法，可以快速收敛；修改默认计算次数；对于特定的模块，比如塔器，修改默认的高精度，可以完成收敛计算，除此之外，还有很多其他的收敛方法。

2 Aspen Plus的技术特点

(1)具有丰富的物性数据库。其中包括纯物质数据库、电解质水溶液数据库、Henry 常数库、固体数据库等十几种物性数据库，并且可以与DECHEMA 数据库连接。

(2)在实际应用中，Aspen Plus 模拟软件可以完成结晶计算、设计新的工艺流程、完成一个运行化工装置物料平衡计算、优化一个化工全装置的操作工程，查阅和模拟计算物料的物理化学性质[1]。

(3)拥有不同类型多种单元操作模型，用于模拟计算。主要的单元操作模块包括:反应器(产率反应器、化学计量反应器、搅拌反应器等)；换热器(通用换热器、热交换器、管壳换热器)；分离器(组分分割器、两项闪蒸器、三项闪蒸器等)等等，也包括用于流程模拟的泵、压缩机、控制器、管线阀门，可用于全流程模拟计算。

3 Aspen Plus模拟软件在化工行业的应用

Aspen Plus 模拟软件可用于工艺技术研发、设计、运行装置工艺优化等过程。能够完成工艺流程模拟，进行严格的质量和能量平衡计算，计算物流流量、组成、性质，完成PFD 图。也可用于工艺流程设计，比选各种工艺技术方案，预测设备尺寸和操作条件，还可用于估算基建费用和操作费用，进行工艺过程的技术经济性评价。

采用Aspen Plus 化工流程模拟软件，可以进行物性参数计算，包括溶解度、热力学等参数。文献报道[2]在Aspen Plus 软件中选择混合器和换热器作为溶解度模拟主要设备，通过改变温度模拟出不同温度下固体物质硝酸钾的溶解度。温度从0℃～100℃，模拟计算值与文献值非常接近，50℃是模拟溶解度值为84.82g，而文献值85.5g，偏差0.8%；100℃时模拟溶解度值为244.4g，而文献值246g，偏差0.65%。研究结果表明，利用Aspen Plus 软件建立模拟流程计算物性参数的方法是可行的，可计算和预测出物料的物理化学性质。

旋风分离器是化工行业常用的设备之一，其设计主要依靠大量的试验数据完成。如果采用Aspen Plus 流程模拟软件进行模拟计算，再结合试验数据，有些数据直接可以模拟完成，可大大增加设计的效率和准确性。文献[3]报道采用Aspen Plus 流程模拟软件进行分离效率和允许压降计算。并模拟出旋风筒数量、旋风筒直径、分离器筒体高度等参数，可实现旋风分离器的高效设计，同时降低设计成本。

中石化天津分公司利用Aspen Plus 模拟软件对200 万吨/年柴油加氢装置进行模拟计算，建立了柴油蒸馏装置模型，对物料平衡、能量平衡、相对平衡开展了模拟计算，模拟所得塔顶温度、塔底温度、酸性气体流量、轻烃产量与实际装置状态误差较小，模拟结果对现有装置有一定的优化和指导作用，可以降低能耗，提高企业生产经济效益[4]。

文献[5]报道一套液氨合成装置的化工项目，采用Aspen Plus 模拟软件进行模拟计算，搭建了以换热器和分离器为主设备的工艺流程，对产品组成、物料流量、压力、气相分率、液相分率进行模拟计算，模拟结果与实际运行结果偏差非常小，组分偏差0.06%，流量偏差0.37%。换热器计算热负荷与实际运行结果的对比偏差≤3%。模拟结果说明，采用Aspen Plus 软件模拟工艺流程模拟结果准确性高。

采用Aspen Plus 还可以用于经济性分析研究[6]。利用Aspen Plus 对碳捕捉过程进行经济性分析，模型由烟气预热器、碳化器、旋风分离器、换热器主要设备组成，通过改变碳化器温度、二氧化碳捕捉率、循环碳钙比等参数，优化出最佳回收热量，回收热量可用于加热蒸汽。增加碳捕捉装置后，设备总成本有所增加，但是增加的发电量会给企业带来收益。通过模拟计算二氧化碳捕捉系统经济性，得到碳捕系统的发电成本为，二氧化碳回避成本等重要数据，可为企业的创效增收提供重要依据。

4 结语

Aspen Plus 模拟计算在国内应用的比较广泛，帮助设计和工程人员解决了许多实际问题，为企业提高了设计和生产的效率，但该软件使用过程中仍存在一些问题。首先，在开展模拟过程中，模型的选择往往和实际生产的装置不能完全一致，导致有些模拟数据出现一定偏差，在今后的模拟中可以根据实际需要建立模型，提高模拟结果准确性。其次，在数据库方面，目前还不够非常完善，可以根据实际工艺流程所涉及的物料，通过实验或者文献及时补充相应数据，以满足实际模拟需要。