通用化工模拟系统--ASPEN（转）
本帖最后由 ktcontrol 于 2014-1-8 10:51 编辑文章地址：http://www.365chem.com/news/201209/28/fil_8951.html 作者 杨友麒
公司的IpES和日本千代田公司的CAPES等。这些模拟系统的共同特点是:有大型物性数据库,有较多的单元操作模型块,而且使用者可以增加新的单元操作子模块,能实现设计问题的模拟计算;采用较高级的循环流收敛方法。开发工作约为20-60人-年工作量,投资超过100万美元。
七十年代中期,这种模拟系统已商品化。从Monsanto公司即可买到FLOWTRAN模拟系统,还出现了一些化工模拟软件公司,专门出租或出售自己编制的化工模拟系统,如。公司和ChemShare公司。
第三代模拟系统。二十年代出现能源危机之后,美国政府及各大石油-化工公司都以大量投资来开发新能源,其中主要是以煤为原料加工成合成燃料油或气。围绕这种开发工作,提出了各种各样的流程方案。这些方案的选取抉择,要求进行电子计算机模拟计算,并对各种不同流程方案进行经济核算及比较。
而第二代模拟系统满足不了八十年代化工及邻近工业发展的这种要求。第二代模拟系统的缺点是:①只能处理有限的过程类型,如石油化工流程;②只能处理汽-液相平衡计算问题,无法处理固-液和固-汽平衡问题,以及.固体颗粒大小l分布的问题;③缺乏重要的处理固体物料的单元操作模型(旋风除尘器,离心机、过沪机、粉碎机、结晶器等);①物性数据库只有有机化合物的数据,缺乏重要的无机化合物的数据;⑤温度和压力范l国不够宽。因而,从1976年开始,美国进行第三代化工模拟系统的开发工作,历时五年,耗资约600万美元,81年10月完成。
这一最新的化工模拟系统定名为:先进化工模拟系统。
到目前为止,已向30多个公司提供了ASPEN的源程序,ASPEN已被安装到。等计算机上使用。二、ASPEN开发的指导思想针对第二代存在的问题,艾文斯。教授等人提出开发第三代模拟系统的指导思想。
1.应当具有全面流程模拟与分析的能力。包括稳态物料及能量衡算,设备尺寸计算,经济评价(投资、制造、操作成本及利润分析)和热力学有用功衡算等。2.应当可以分析具有不同类型物料流的流程。
包括通常汽-液流,含固体颗粒的汽-液流,能量流及讯息流等。而且应当允许使用者方便地创出新的物料流类型。3.应当是文件式的系统。
在计算过程中产生的有用数据全部形成问题数据文件,使得前一种分析结果可以做为后一种的输入数据而保存下来。刁.流程的描述应当独立于分析程序,也独立于收敛程序。可以用一次描述完成不同的分析,如稳态模拟、设备尺寸及经济评价等。
5.这一系统必须便于应用推广。既能在大型快速的计算机上体现高效率,也能在较小的计算机上进行;既可以联入计算机网络,也可以适合室内单独计算机上使用。
6.应当没有任何空间维数的限制。即组份数、物料流数及模块数均无任何限制。7.输入语言必须是使用者易于掌握的。
输出应当易于阅读,输入及输出的单位制应当可以由使用者任意选择;应当有计算过程的历史记录文件,以便检索及诊断问题所在。8.计算机时成本应当合理,不应当超过第二代模拟系统的计算成本。9.应当有更广泛的数据库系统,特另IJ;是煤的物性数据应当包括在内。
三、ASPEN模拟系统的特点及性能ASpEN是由25万条FORTRAN语句,约1291个子程序及两个数据库组成的世界上最一大的模拟系统。为便于讨论,可把它分为以、下几个部分。输人语言翻译系统:包括系统定义表。
数据库:包括ASPEN的468种元素及化合物的数据及并人的FLOWTRAN模拟系统.的183种化合物的数据。单元操作模拟系统:有37个单元操作模型。成本核算及经济评价系统:有22个成本核算模型。
物性系统:有122个物理性质估算关联模型。制表输出系统:将有用结果打印制表。数据回归系统:由分散的原始数据回归出关联式。
一个流程中,从原料输人到形成中间产物,直到最后制成产品秸秆压块机,物料流的组份在发生不断的变化。在ASPEN中有常规组份和非常规组份两类。常规组份是指元素或纯化合物以及可以用标准纯物性描述的虚拟化合物,这些化合物的基本物性常数(如分子量、临界温度、临界压力、蒸汽压常数、比热常数等)已存放在数据库中或可以由使用者输入。
1非常规组份是指煤、灰分、炭黑、炉渣及惰性固体等,它们无法用常规物性来描述,而必须采用j常规属性来描述。如煤可以用最终分析(给出碳、氢、氧,氮、硫、氯及灰分百分含量)及粗略分析(湿份、挥发份及不挥发组份含量)来描述。
2。流股:一个ASPEN流股代表-股物料或能量、讯息流,从一个单元设备通向另-设备。过去-流股被视为一个矢量,只能进行统-的计算处理。但ASPEN模拟系统考虑到一个工艺物料流股可能包含一个汽-液混合物及一个惰性固体,这两种类型的组份应该受到分别的计算处理,而不应受到统-的计算处理。
因而,ASPEN流股包含三种子流股:常规子流股,:常规子流股及信J急子流股。这种流股结构如图2所示。流股类级抬的是,根据流股组份复杂程度所分的类型:纯常规流,常规汽-液混合物及常规固体物流,常规汽-液混合物及非常规固体物流,纯非常规物流等。
每种类级由不同的子流股所组成。每-子流股又可由几种属性来描述。最常用的属性是固体颗粒度分布的描述。3。单元操作模块:ASPEN是采用序列模块法组合而成的。每一个模块代表一个单元设备模型程序,它根据输人数据及指定的物性计算关联式计算输出数据,包括输出流股的各项变量参数(温度、压力、组成、热焙、流量等)及相应的设备设计叁数(如设备尺寸、塔板数或回流l七……等)。
然后,下一个模块则接受上-模块的偷出数据为输人数据,再进一步计算。图3表示每一个模块的计算功能。输入流股模模块数据据据物理性质的选选选选徉说明明.彩塑熟甄非罕见红显丝-诵百台息汀流股图2流股结构示意图图3单元操柞模望的有关信.色流AsPEN在这方面的特点是:①增加以前没有的固体物料处理单元操作模块(如旋风分离器、电除尘器、文氏管、过沪器、离心机等11个),②增加了一系列的反应器模块,有的计算理论平衡反应结果,有的可以根据使用者送人的反应动力学数据计算活塞流反应器或全混合式反应器;③具有先迸的分离级操作计算程序(R点OFRAC),其收敛速度比过去加快几倍。
4.成本核算及经济评价系统:这一系统的目的是根据单元澡作模块计算的结果来进一步计算各个设备的投资及年操作成本,从而最后确定所模拟的流程的利润率。ASPEN只能提供初步预算结果,每个模型的误差约士30%,因而是方案设计及各种方案对比研究的好工具。如果使用者提供了所有的设备尺寸及工艺参数的话,这一系统也可以被独立用于成本估算。
5.物性系统:ASPEN具有-套综合物性系统,它可以为单元操作模型及设备尺寸模型乃至其它程序提供以下一些物性。如,热焙,嫡,自由能,分子容积,平衡比,逸度系数,传递物性(包括粘度、导热系数、扩散系数、特定相条件下的导热系数以及表面张力等)。对每一种物性,ASPEN都有好几套关联式模型,以针对不同的温度、压力条件和不同的物料系统选择最合适的关联式来计算。 例如,对活度系数而言,ASPEN有以下几种模型:扩展的。AsPEN物性系统具有极大的灵活性来根据不同情况选择不同的方法计算物性,按其复杂性及高级程度,可以分为以下四种水平:第一级水平:使用者不必管物性计算,系统自动按预设的组合方式,提供所有物性计算,第二级水平:使用者从1.2种标准组合方式中,选择-套或数套标准组合,第三级水平:仍然用已有的关联公式模型,但自己定义新的组合方式;第四级水平:使用者自行创造一个新的主要物性程序,可以利用已有的模型来计算其次级物性,以便提供物性的计算用。6.流程计算的收敛及控制:由于ASPEN采用先进的序列模块法来使流程计算收敛,因而在设计计算顺序时的第一步就是将整个流程分割为最大循环子系统,然后找到适宜的切断流股来把再循环圈分解开,最后方能确定整个流程的计算顺序及迭代收敛的部位。
这一切,在ASPEN中都是自动完成的。但是使用者可以指定局部的计算顺序,或给定某些限制(如指定切断流股的位置),乃至自行设计整个计算顺序。在ASPEN中,设计条件的达到是通过下列迭代计算来完成的:使某个模块的设备特性参数或输人流股变数自由浮动,通过每一次迭代调整一个数量,以便逐步使设备特性参数或输出流股变量达到设计要求。
在ASPEN中,再循环流股的收敛和满足设计条件要求的收敛是统-处理的。在处理再循环流股问题时,其目的是调节再循环流的参数值以驱使这些参数的假设值和算出值之间的差为零。在设计问题中,处理的目的是调节某些参数值,以驱使要求值和计算值之间的差为零。
所以,收敛模块与控制模块之间就没有差别了。在ASPEN中有直接迭代法、韦格斯坦(Wegstein)法和布劳伊登(Broyden)法等七种收敛迭代算法可供自由选择。系统结构特点:有三个:①预处理器类型的结构方式;②Plex数据结构方式;③文件形式的存贮管理系统。
所谓预处理器就是由输入语言翻译器产生一个主调用程序。用这一程序来实现一个特定的模拟计算。这种方式比过去模拟系统用的单一大型现成的执行程序有一系列优点:①系直接产生一个为特定模拟过程剪裁过的执行程序,避免了使用页面覆盖等复杂的节省内存的技术。②可以比较方便地把使用者自己写的FORTRAN指定或提供的程序合并到模拟执行程序中去。③可以使模拟计算中用的数据矢量正确地确定其长度,而避免使用过分大的内存空间。所谓Plex数据结构方式就是把各种整数、实数或特征符号等信息都存贮成数串(Bead),这种数串的长度是由执行程序动态确定的。不同长度的数串由一个自由内存场中分割自己的占用内存。而各个数串之间是靠指针(Pointer)来联系,以指示出各自的位置。这种结构方式使得系统有可能排除任何事先确定的空间限制,也就是没有最大流股数、最大组份数、模块数、塔的理论级数等限制。所谓文件式的存贮管理,就是指对一个特定的模拟计算,从头到尾所产生的所有信息,包括输入翻译器结果、中间结果、各种程序及结果报告,都按不同的文件形式存贮在磁盘上。所产生的文件如表1所示。表1ASPEN中的数据文件文件类型…内容系统定义文件输入数据文件程序文件装载控制文件问题数据文件问题历史文件报告文件物性数据文件成本及尺寸计算数据文件包含输入翻译器表格文件,以Plex数据结构形式存贮。每个表均由数串的联系目录来组成.使用者输入的数据.输入翻译器产生的FORTRAN程序由输入翻译器产生的控制指令,其中包含联接编辑器或装载器。是最大的文件,包含整个计算过程所有有用信息.是描述计算过程的数据结构的整个复制件.包括计算过程中产生的所有中间信息及中间结果。包括系统产生的所有报告.包括用到的所有化合物的物性常数.包含设备尺寸和成本计算的全部常数。用文件形式存贮中间结果使得整个系统可以被分解为较小的次级系统,这样就可以简化系统的编码、调试和维护。同时,因为中间结果被贮存,也使得模拟计算过程中途停止时易于重新开始模拟计算,而且在反复计算和灵敏度研究计算中节省大量时间。四、ASPEN的应用目前,在国外已经没有哪一个大型化工项目的研究、开发及设计不是在化工模拟系统的计算指导下进行的。在研究阶段,ASPEN可用来进行预设计(概念设计),论证研究项目的可行性,在.中试阶段,可以用于计算机进行模拟试验,减少中试工作员,在放大设计阶段,可以用来进行基础设计的物料衡算、热量衡算以及.成本估算,为筛选多方案提供依据;在生产操作阶段,可以用来查找卡脖子的关锨,以选定优化操作条件,强化生产或降低能耗,在消化引进项目的技术方面,也是必不可少的重要手段。ASPEN已被应用于石油化工、无机化学工业、湿法冶金工业、煤的气化和液化、造纸工业、油页岩炼油、原子能废料处理等工业部门。ASPEN可以用来模拟全流程或一个装置。下面用简单的例子,说明如何用ASPEN来模拟一个复杂的煤气北反应器。C.F.布朗公司设计狗BIGAS气化反应器是直径1.6米,高40多米的流化床反应器,在反应器中,温度达。的粉煤,在吹入水蒸汽及氧气的作用下,转化为以。为主要成份的燃料气和炭黑渣。其反应为。其中是一个表示燃烧产物中Co和CoZ相对量的因子。如图4所示,反应器由燃烧带、混合及水挥发带、气化带及旋风分离器四个部分组成。ASPEN用六个模块(三个反应器、两个剖分器、一个混合器)来模拟这个装丑。燃烧带用一个全混合反应器模型RCSTR来描述,气化带系用一个活塞流反应器模型RPLUG,混合、水挥发带则用一个收率反应器程序动态确定的。不同长度的数串由一个自由内存场中分割自己的占用内存。而各个数串之间是靠指针(Pointer)来联系,以指示出各自的位置。这种结构方式使得系统有可能排除任何事先确定的空间限制,也就是没有最大流股数、最大组份数、模块数、塔的理论级数等限制。所谓文件式的存贮管理,就是指对一个特定的模拟计算,从头到尾所产生的所有信息,包括输入翻译器结果、中间结果、各种程序及结果报告,都按不同的文件形式存贮在磁盘上。数据文件文件类型…内容系统定义文件输入数据文件程序文件装载控制文件问题数据文件问题历史文件报告文件物性数据文件成本及尺寸计算数据文件包含输入翻译器表格文件,以Plex数据结构形式存贮。每个表均由数串的联系目录来组成.使用者输入的数据.输入翻译器产生的FORTRAN程序由输入翻译器产生的控制指令,其中包含联接编辑器或装载器。是最大的文件,包含整个计算过程所有有用信息.是描述计算过程的数据结构的整个复制件.包括计算过程中产生的所有中间信息及中间结果。包括系统产生的所有报告.包括用到的所有化合物的物性常数.包含设备尺寸和成本计算的全部常数。用文件形式存贮中间结果使得整个系统可以被分解为较小的次级系统,这样就可以简化系统的编码、调试和维护。同时,因为中间结果被贮存,也使得模拟计算过程中途停止时易于重新开始模拟计算,而且在反复计算和灵敏度研究计算中节省大量时间。四、ASPEN的应用目前,在国外已经没有哪一个大型化工项目的研究、开发及设计不是在化工模拟系统的计算指导下进行的。在研究阶段,ASPEN可用来进行预设计(概念设计),论证研究项目的可行性,在.中试阶段,可以用于计算机进行模拟试验,减少中试工作员,在放大设计阶段,可以用来进行基础设计的物料衡算、热量衡算以及.成本估算,为筛选多方案提供依据;在生产操作阶段,可以用来查找卡脖子的关锨,以选定优化操作条件,强化生产或降低能耗,在消化引进项目的技术方面,也是必不可少的重要手段。ASPEN已被应用于石油化工、无机化学工业、湿法冶金工业、煤的气化和液化、造纸工业、油页岩炼油、原子能废料处理等工业部门。ASPEN可以用来模拟全流程或一个装置。下面用简单的例子,说明如何用ASPEN来模拟一个复杂的煤气北反应器。C.F.布朗公司设计狗BIGAS气化反应器是直径1.6米,高40多米的流化床反应器,在反应器中,温度达。的粉煤,在吹入水蒸汽及氧气的作用下,转化为以。为主要成份的燃料气和炭黑渣。其反应为。其中是一个表示燃烧产物中Co和CoZ相对量的因子。反应器由燃烧带、混合及水挥发带、气化带及旋风分离器四个部分组成。ASPEN用六个模块(三个反应器、两个剖分器、一个混合器)来模拟这个装置。
学习了，谢谢 学习了，呵呵 感谢楼主分享！ 分享是美德，，，， 分享，发表看法得积分，{:1106_362:} 简单的介绍 学习了………………………………………………………… 大概来了解了解 我什么都不懂来学习 请您赐教 只是介绍啊 已经介绍的比较详细了。 介绍的很详细啊{:1106_362:} 谢谢介绍
{:1106_382:} 了解一些化工模拟软件的发展历程
真的感激了！！！ 第二次浏览楼主的内容 谢谢楼主分享
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