浅议AspenPlus在化工设计物料衡算中的应用

浅议AspenPlus在化工设计物料衡算中的应用

胡中

胡中

（联化科技股份有限公司，浙江台州318000）

摘要：化工领域中最关键的基础内容就是化工设计，随着社会的进步和科学技术的发展，传统的化工设计方式逐渐被AspenPlus软件所替代，在化工设计领域中发挥着重要作用。本文主要阐述了AspenPlus的概念，并对其在化工设计发挥的作用进行探究，分析了AspenPlus在化工设计物料衡算中的应用，以期更加透彻的分析化工过程连续生产时的物料衡算，进一步提高化工设计效果。

关键词：AspenPlus；化工设计；物料衡算

前言

化工设计是化工类专业的一门重要专业课，具有综合性、实用性和工程性等特点。进入21世纪，我国化工工艺设计行业进入新的发展阶段，国内大量的化工设计院所，通过引进、消化和吸收国外先进的大型辅助设计软件，其开发和设计水平日益提高，计算机辅助化工设计应用愈发广泛和深入。然而，高校的化工设计教育显露出与工程实践脱节的问题，教学思想和教学内容比较陈旧，计算机辅助软件没有应有的跟进，学生也不能得到相应的训练和培养，无法满足社会对合格工程技术人员的要求。现在，各高校对化工设计的教学越来越重视，针对存在的问题进行了相应的教学改革。物料衡算是化工设计中重要章节之一，课本里的例题都是通过手算解得，公式太多，计算过程复杂，老师讲得煞费苦心，学生学得一知半解。AspenPlus作为目前通用的大型化工流程模拟软件，具有强大的工艺计算能力，因此，很有必要将其应用于物料衡算。

近年来，随着计算机技术在化工生产及过程设计应用上的快速发展，掌握先进的计算机控制与设计技术，以适应行业的发展，显得尤为重要。AspenPlus是一种适应化工工程日益综合化、大型化、复杂化趋势，已全方位应用于化工过程研究、开发、设计、仿真、生产过程控制、优化及技术改造等的大型软件，具有最适用于工业、且最完备的物性系统。它计算精准，是目前国内外化工设计院使用的主流软件。

1AspenPlus概述及其在化工设计中发挥的作用

MIT最早于1970年后期研发了AspenPlus系统（AdvancedSystemforProcessEngineering），之后经过不断的发展日益完善，在软件供应商艾斯本技术有限公司推动下，将其作为一种产品投入市场。作为一种大型流程模拟软件，其功能非常强大，应用范围极广，具有多方面功能，不仅可以进行诊断工艺、工艺计算和化工设计工作，还能发挥化工模拟及管控经济效益的作用，在两大适用性极强的数据库的支持下，能够对多种技术进行整合，是当前世界范围内地位较高的一种流程模拟软件，发展前景十分广阔。AspenPlus软件系统在多个化工设计领域中均占据极高的比重，利用该软件进行化工分离工程、化工反应原理及热力学等计算分析时，大大改善了设计质量。现代化工领域需求专业工程设计能力高的综合性素质人才，在化工设计过程中，必须要利用AspenPlus软件系统，将理论知识同实践应用结合起来，在充分理解化工设计基础知识的前提下，通过模拟软件来提升设计能力。

在化工设计方面，进行物料衡算时需要借助AspenPlus软件，依托建立在计算机技术基础上的流程模拟方式，便于设计人员理解，为设计人员调整化工设计方案提供了坚实的技术基础，优化化工设计方案，更好的指导化工生产的进行。

2AspenPlus在化工设计物料衡算中的应用

如果应用传统的手工方式完成化工设计物料衡算，计算过程繁琐，同时还涉及到电力反应的发生，增大了计算难度，在进行过程物料衡算时，可以采取混合过程的方式，使过程更加简化。在研究AspenPlus软件系统在化工设计物料衡算的应用过程中，应将盐工段模拟工艺设计同设计概算、施工图预算、施工预算这三项基础内容结合起来，进行AspenPlus软件实战练习，依据计算电解质的方式衡算化盐工序，使化工设计人员充分的掌握物料衡算知识和实践化工设计技术。

选取化工过程中物料衡算中的例子，以此为依据说明在物料衡算中AspenPlus软件的实际应用。如：反应的条件为足量空气、催化剂（银）；反应原料为乙烯，生成物为环氧乙烷；反映类型为氧化反应；化学反应原理可以通过以下两种公式体现出来：C2H4+3O2→2CO2+2H2O及2C2H4+O2→2C2H4O，其中前者为部分副反应，大部分为生成环氧乙烷的反应。参考以上反应状况，将反应原料的流量设置成1000mol/h，乙烯物质的量与化学容器内总物质的量比为10%，以乙烯为标准下的反映转化率是25%，选择性是80%，应用AspenPlus过程模拟软件，分析和算出反应完全后的生成物的构成及流量大小。

基于以上分析，进行化工过程设计物料衡算计算时，首先要完成反应物料的编号工作，确定计算总体框架，写出物料平衡的平衡关系式，标明每种反应物料的组分摩尔分数之和必须等于1，结合实际反应工艺设备特点，应用变量的方法对反应中所有物料组分进行分析，对可变量进行相应的设定，计算方程可得最终生成物的流量。物料衡算的计算步骤较多，涵盖许多数学计算方法。具体应用到AspenPlus过程模拟软件中时，在进入操作界面后，选取反应器单元的仿真设计，模拟反应器中发生的化学反应，结合已知反应条件，对反应物料的种类、流量进行设置，完成进料组分定义操作，并分别设定操作条件及反应方程式。软件工作后得出的生成物的构成及流量大小同传统计算方法相同，表明AspenPlus软件具有较高的准确性。

3实例分析

以精馏模拟为例，模拟对象是乙苯—苯乙烯系统一级精馏塔，进料条件为：乙苯28.4%（质量分数），苯乙烯71.6%（质量分数），流率1000kg/h，压力0.12MPa，温度30℃；精馏塔塔压0.02MPa；要求99.8%的乙苯从塔顶排出，99.9%的苯乙烯从塔底排出，确定精馏塔的理论板数、回流比和最佳进料板位置。首先用DSTWU模块进行精馏塔的简捷计算，确定出回流比、理论板数等基本参数，模拟流程图见图1。

图1精馏分离乙苯-苯乙烯模拟流程图（DSTWU）

添加完物流后即完成了基本的流程输入；从数据库中添加本模型所需的乙苯和苯乙烯组分；物性方法选择NRTL模型；定义进料物料流股，操作单元模块定义时初选回流比为最小回流比的1.5倍，输入流出物和塔釜液的产品回收率，即可完成数据的输入，进行模拟。计算的物流结果见表1，最小回流比为12.13，最小理论板数为55块，进料板为第48块。

表1塔计算结果（DSTWU）

将计算选项中选择“生成回流比—理论板数关系表”，此结果对选取合理的理论板数很有参考价值；然后通过“plo”进行绘图，见图2，合理的理论板数可在图中曲线斜率绝对值较小的区域（80～0之间）选择，回流比选择为25，理论板数选为85。

图2精馏塔理论板数和回流比关系曲线

然后，用RadFrac模块进行严格计算，物料组分信息都不变，流程图中只需将DSTWU模块换成RadFrac模块，重新连接流股，根据DSTWU简捷计算的结果设定模块参数。通过浓度分布剖形结果可知，在16块板处的组分质量分数与进料组成较为接近，把进料板数设为16重新运行，进行校核计算。还可以通过灵敏度分析工具选择最佳进料板位置，进行优化设计。

3结语

由于化工行业的特殊性，其对设计人员的实践能力有着严格的要求，设计人员必须要具备良好的工程设计能力。在化工工程设计过程中，要充分发挥现代先进软件技术的优势，应用AspenPlus系统来提高设计人员的工程实践水平。通过分析AspenPlus在化工设计物料衡算中的应用，发现该软件大大简化了计算过程，运行速度极快，化工设计效果明显改善，可以取得良好的物料衡算效率，成为设计人员的首选的化工设计软件。

参考文献：

[1]汪斌，舒莉，朱炳龙．Aspenplus在化工设计教学中应用[J]．化工时刊，2010（09）

[2]路华清．Aspenonev7在分离工程教学中的应用[J］．广州化工，2011（11）

[3]韦晓燕，谭军，胡万鹏．AspenPlus软件在化工原理教学中的应用探索[J]．化工时刊，2012（06）