煤气化模拟.ppt

1,AspenPlus培训讲义,马后炮化工技术论坛,主要内容,,,,,ASPENPLUS简介,ASPENPLUS安装方法及界面介绍,通过实例介绍如何建立模拟模型,模型分析工具使用的基础,ASPENPLUS简介,AdvancedSystemforProcessEngineering（ASPEN）19761981年由MIT主持、能源部资助、55个高校和公司参与开发。1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为AspenPlus。,经过20多年不断地改进、扩充和提高,已先后推出了十多个版本,成为举世公认的标准大型流程模拟软件。,基于序贯模块法的大型通用稳态过程模拟软件。,流程模拟使用计算机程序定量模拟一个化学过程的特性方程。,Aspentech系列软件,,计划/研发,概念设计,工艺设计,详细设计,施工/开车,操作/资产管理,经济评价/投资估算/进度管理,热交换器设计,稳态、动态模拟和优化,物性数据和模型,在线应用,工艺知识和数据管理,COMThermo/AspenProperties/AspenOLI/DETHERM,Hysys/AspenPlus/Optimizer/Dynamics/CustomModeler/AspenWebModels,Hetran/Aerotran,HTFS/AspenHetran/Aerotran/Teams,RTOOption/AspenOnLine,ConceptDISTIL/HX-Net/AspenSplit/Pinch/Water/Utilities,Pinch/Water/Utilities,AspenICARUS,Axsys/AspenZyqad,AspenFCC/CatRef/Hydrocracker/Hydrotreater/Traflow/FlareNet,PolymersPlus/AspenPlus/Dynamics/CustomModeler,BaSYSBDK/ProcessManuals/ProcessTools/AspenPlus/BatchPlus/Chromatography/AspenADSIM,医药/精细化工,石油精制/管道,聚合物,工艺合成和分析,,,,按功能分类,生命周期,ASPENPLUS能做什么,,功能,帮助改进当前工艺,,,,回答“如果那会怎么样”的问题,在给定的限制内优化工艺条件,辅助确定一个工艺约束部位,流程图（Flowsheet）,,,ASPENPLUS基本概念,模型库（ModelLibrary）,数据浏览器（DataBrowser）,流股（Stream）,单元操作模型（Block）,物性方法（Property）,直观形象地表示所模拟系统的流程,存放可用单元操作模型的库,页面和表页查看图。具有已经定义的可用的模拟输入、结果和对象的树状层次视图,表示模拟中所用的物质流、热量流或功流,表示实际装置所用的各个设备,一批方法和模型。用来计算热力学性质和迁移性质，决定模拟精确性的关键,单元操作模型及其主要功能,MIXER通用混合SPLIT分流FSPLIT子物流分流,SEP组分分割SEP2两产品分离FLASH2两相闪蒸FLASH3三相闪蒸DECANTER液－液倾析器,单元操作模型及其主要功能,RADFRAC严格法精馏MULTILFRAC严格法多塔精馏EXTRAC严格法萃取DSTWU简算法精馏，设计型DISTL简算法精馏，核算型SCFRAC简算法多塔精馏PETROFRAC石油炼制分馏塔,单元操作模型及其主要功能,,,物性方法和模型描述,热力学性质,传递性质,方法分类,理想物性方法,状态方程物性方法,逸度系数物性方法,专用系统物性方法,常用推荐方法,用户可以修改现有的物性方法或建立新的物性方法,物性方法选择指南,建立模型,,已知条件,求解方程组,,建立流程图,组分数据,物性方法,物流数据,单元操作模型数据,其它数据,,ASPENPLUS模拟的流程,三类方程,ASPENPLUS的优势,具有最完备的物性系统,一套完整的基于状态方程和活度系数方法的物性模型共105种包括5000多种纯组分的物性数据AspenPlus是唯一获准与DECHEMA数据库接口的软件。该数据库收集了世界上最完备的气液平衡和液液平衡数据，共计二十五万多套数据。用户也可以把自己的物性数据与AspenPlus系统连接。高度灵活的数据回归系统（DRS）此系统可使用实验数据求取物性参数，可以回归实际应用中任何类型的数据，计算任何模型参数，包括用户自编的模型。可以使用面积式或点测试方法自动检查汽液平衡数据的热力学一致性。性质常数估算系统（PCES）能够通过输入分子结构和易测性质（例如沸点）来估算短缺的物性参数Redlich-Kwong-UNIFAC状态方程可用于非极性、极性和缔合组分体系,ASPENPLUS的优势,可以模拟固体系统,AspenPlus在煤的气化和液化、流化床燃烧、高温冶金和湿法冶金，以及固体废物、聚合物、生物和食品加工业中都得到了应用。AspenPlus中固体性质数据有两个来源一是Solid数据库，它广泛收集了约3314种纯无机和有机物质的热化学数据；二是和CSIRO数据库的接口。还具有一套通用的处理固体的单元操作模型，包括破碎机、旋风分离器、筛分、文杜里洗涤器、静电沉淀器、过滤洗涤机和倾析器。此外，AspenPlus中所有的单元操作都适合于处理固体，例如闪蒸和加热器模型能计算固体的能量平衡，而反应器模型RGIBBS可用最小GIBBS自由能来判断在平衡状态下是否有固相存在。,ASPENPLUS的优势,可以模拟电解质系统,许多公司已经用AspenPlus模拟电解质过程，如酸水汽提、苛性盐水结晶与蒸发、硝酸生产、湿法冶金、胺净化气体和盐酸回收等。AspenPlus提供Pitzer活度系数模型和陈氏模型计算物质的活度系数，包括强弱电解质、盐类和含有机化合物的电解质系统。这些模型已广泛地在工业中应用，计算结果准确可靠。电解质系统有三个电解质物性参数数据库水数据库包括纯物质的各种离子和分子溶质的性质；固体和Barin数据库包括盐类组分性质；模拟电解质过程的功能在整套AspenPlus都可以应用。用户可以用数据回归系统（DRS）确定电解质物性模型参数。所有AspenPlus的单元操作模型均可处理电解质系统。例如，AspenPlus闪蒸和分馏模型可以处理有化学反应过程的电解质系统。,ASPENPLUS的优势,具有完整的单元操作模型库,AspenPlus有一套完整的单元操作模型，可以模拟各种操作过程,由单个原油蒸馏塔的计算到整个合成氨厂的模拟。由于AspenPlus系统采用了先进的PLEX数据结构，对于组分数、进出口物流数、塔的理论板数以及反应数目均无限制，这是AspenPlus的一项独特优点，非其它过程模拟软件所能比拟。此外，所有模型都可以处理固体和电解质。单元操作模型库约由50种单元操作模型构成。用户可将自身的专用单元操作模型以用户模型（USERMODEL）加入到AspenPlus系统之中，这为用户提供了极大的方便性和灵活性。,ASPENPLUS的优势,具有快速可靠的流程模拟功能,AspenPlus提供流程模拟所需的多种功能，可帮助用户方便地编写输入文件，快速而可靠地收敛流程，以及进行流程优化计算。这些功能包括可按流程模拟需要使用在线FORTRAN语句和子程序。可以使用AspenPlus的插入模块（Insert）功能，重复使用流程模型的某一部分，例如一个酸性气体净化模型，一组物性输入数据。也可以建立用户自已的Inserts，并存入用户插入模块库（Library）来应用。可以利用设计规定（DesignSpecification）来达到对任何模块计算的参数所规定的目标值。,ASPENPLUS的优势,具有最先进的计算方法,AspenPlus具有最先进的流程收敛方法AspenPlus具有最先进的数值计算方法，能使循环物流和设计规定迅速而准确地收敛。这些方法包括直接迭代法Wegstein、正割法Secant、拟牛顿法、Broyden法等。这些方法均经AspenTech进行了修正。例如，修正后Secant法可以处理非单调的设计规定。AspenPlus可以同时收敛多股撕裂（Tear）物流、多个设计规定，甚至收敛有设计规定的撕裂物流。这些特点对解决高度交互影响的问题时特别重要。AspenPlus可以进行过程优化计算应用AspenPlus的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值，以达到任何目标函数的最大值。对约束条件和可变参数的数目没有限制，可以将任意工程或技术经济变量作为目标函数，如利润和生产率。用户在选取操作参数限制范围时，具有很大的灵活性。AspenPlus的一大特点是能将流程模拟和优化同时收敛，这样使得收敛更加迅速而可靠。,主要内容,,,,,ASPENPLUS简介,ASPENPLUS安装方法及界面介绍,通过实例介绍如何建立模拟模型,模型分析工具的使用,ASPENPLUS2006安装方法,运行虚拟光驱DAEMONTOOLS，载入ASPEN2006的ISO文件（2.61G那个）运行虚拟盘上的Setup，到添加license这一步将文件夹“[化工流程模拟系统]TLF-SOFT-ASPENTECHASPENPIMSFAMILYV2006-MAGNiTUDE”下的文件夹中的licensegenerator和那个数据库dat文件，一起拷到软件将要安装的目的文件夹下运行licensegenerator，出现一DOS窗口，耐心再耐心，直到窗口提示Pressanykey，产生lic文件；回到安装程序，选locallicense，选中产生的lic文件安装选择installbyProduct，选AspenEngineer，选择所需组件进行安装（一般选组件AspenPlus和Properties）重启电脑，运行userinterface即可。,标题栏,菜单栏,NEXT按钮,工具栏,工艺流程窗口,模型选择按钮,模型库,状态栏,ASPENPLUS的用户界面介绍,初始化按钮,数据浏览器按钮,ASPENPLUS的用户界面介绍,提示域,菜单树,文件夹列表－显示或隐藏菜单树,向后按钮,向前按钮,前一个表页按钮,后一个表页按钮,注释按钮,状态指示器,建立模拟模型的基本步骤,启动UserInterface选用Template选用单元操作模块ModelBlocks连结流股Streams设定全局特性SetupGlobalSpecification输入化学组分信息Components选用物性计算方法和模PropertysModels,输入外部流股信息ExternalSteam输入单元模块参数BlockSpecifications运行模拟过程RunProject查看结果ViewofResults输出报告文件ExportReport保存模拟项目SaveProject退出Exit,建立模拟模型的基本步骤,T25℃P1atmFeed1kg/hr,T25℃P1atmFeed0.02cum/hr,T1000℃P1atm,T1000℃P1atm,实例粉煤炉的煤粉燃烧,假定煤粉燃烧分为三个步骤热解、燃烧和烟气除尘,,1.启动UserInterface2.选用Template和运行型类型RunType,,,,建立模拟模型的基本步骤,我们采用公制单位,设置运行类型,单元操作模型选择依据-反应器,,,,3.选用单元操作模块ModelBlocks,单元操作模型选择依据-分离和分流,,采用RYIELD模型代表煤中挥发分的分解过程,采用RGIBBS模型代表煤的燃烧过程,采用SSPLIT模型代表除尘过程,常用快捷键“CTRLK”改变模块图标的形式“CTRLM”修改模块或流股的名称“CTRL↑/↓”改变模块/流程图标的大小方向键移动模块图标的位置,,在该模型库中选择所需模块,,4.连接流股Streams,常用快捷键“CTRLB”两相邻模块对齐“CTRLHOME”中心显示“CTRLH”隐藏/显示物流或模块“DEL”删除物流或模块,,物流COAL表示煤,物流ASH表示飞灰,物流FLUE表示烟气,物流AIR表示空气,,5.设定全局特性SetupGlobalSpecification,,,因为含有常规固体和非常规固体，选用MIXCINC,,单击NEXT按钮,出现提示框，选择确定，便出现右边所示页面也可以单击数据浏览器按钮,,在Description页中，可以输入一些说明性文字，这些文字将出现在结果报告的开头,,这两项必须输入，可随便输入值,通常情况下，Setup表页下的其它地方采用默认值，也可根据需要修改输入完毕后Setup标签变成对号，说明此页已经完成输入单击NEXT按钮,6.输入化学组分信息Components,,输入组分数据。在ComponentID下输入组分代号并按回车键，对于常规组分，则该组分的其它信息会自动显示在后面。对于像COAL和ASH等非常规组分，在Type下选择Nonconventional输入完毕后单击NEXT按钮,利用该按钮可根据组分名、分子式、组分类别、分子量、沸点、或CAS号查找组分。,7.选用物性计算方法Propertys,,,物性方法的选择对于模拟的准确性来说至关重要，是模拟的一个关键步骤本例选择状态方程方法PR-BM输入完毕后单击NEXT按钮,,此页是对非常规组分（COAL和ASH）选择物性方法两者的焓模型都选择HCOALGEN,密度模型选择DCOALIGT焓模型后面的选项代码值依次表示燃烧热、生成热、热容和焓基准，选项代码值代表了不同的计算方法,,组分COAL焓模型的选项代码值选择“6111”，ASH选择“1111”,此页是对非常规组分（COAL）选择物性参数，本例是输入COAL的发热量单击NEW按钮，在弹出的页面中，类型选择Nonconventional，名称命名为HEAT,,Parameter选择HCOMB，单位选择MJ/kg,根据前面的煤常规分析输入发热量的值为27.21注意HCOMB是以无矿物质基为基准的输入完毕后单击NEXT按钮,8.输入外部流股信息ExternalSteam,通常只对进料物流输入流股信息输入物流AIR的流股信息对于所有外部物流，物流数据只需输入温度、压力及气体分率中的任意两项就可以了输入完毕后单击NEXT按钮,,,,输入物流COAL的流股信息Substreamname下拉框选择NCComposition下拉框下选择Mass-frac，并在组分COAL后输入值1，此时激活ComponentAttr.栏,,根据前面提供的煤的常规分析数据，输入物流COAL的相应的工业分析、元素分析和硫分析数据输入完毕后单击NEXT按钮,9.输入单元模块参数BlockSpecifications,,对于COMB模块，在Specification页输入压力和温度值计算选项选择同时计算相平衡和化学平衡输入完毕后单击NEXT按钮,,,,在Products页选择Identifypossibleproducts,并在下面输入可能的产物本例题定义的可能产物为O2、N2、SO2、SO3、H2O、NO2、NO、N2O、H2S、CO、CO2输入完毕后单击NEXT按钮,,对于DECOMP模块，在Specification页输入压力和温度值输入完毕后单击NEXT按钮,Yield页中的Yieldopition选择Componentyields假定煤热解后的产物为C、H2、O2、N2、S、H2O和ASH，其中C、H2、O2、N2、S的含量由煤的元素分析得到，H2O和ASH由工业分析得到在后面会利用FORTRAN模块来计算，在此处的初始值可随便输入,在Comp.Attr页完成ASH的组分规定,,在Flowsheeting→Calculator下建立FORTRAN模块RYIELD来计算热解产物的产率定义了9个流程变量，其中ULT为矢量，代表煤的元素分析，其它为标量，WATER代表煤的含水量，H2O、CARB、HYDRGN、NITRGN、SULF、OXYGEN、ASH代表对应的热解产物的含量,组分矢变量,组分标变量,模块标变量,在Calculator下完成FORTRAN语句的输入有两种方式可以选择Fortran或Excel此处选择Fortran方式,由矢变量自动生成的变量，表示其长度,,每行只能输入一句执行语句，且从第7列开始输入,,按照右边的输入方式完成SEP1模块的参数输入,10.运行模拟过程RunProject,从Run菜单中选择Run或按Next按钮.－当所要求的表页全部填完时执行模拟过程.－按钮Next将使你进入没有填完的表页中.,控制面板,信息窗口,通过显示来自计算的最新信息而显示模拟的进展过程,状态区域,显示所执行的模拟模块和收敛回路的层次和顺序,历史文件或控制面板信息包括任何生成的错误信息和警告在View菜单下选择History或ControlPanel,显示历史文件和控制面板物流结果包括物流条件和组成对于所有物流/Data/ResultsSummary/Streams对于单个物流在DataBrowser中打开物流文件夹选择Results表模块结果包括计算出的模块操作条件在DataBrowser中打开模块文件夹并选择Results表,11.查看结果ViewofResults,12.输出报告文件ExportReport,制定流股结果的格式表格式文件（TFF）决定了流股结果的格式（顺序、标注、精度以及其它选项）可以在下述之一的位置规定TFF1、ResultsSummarySteamsMaterial页中的at框2、SetupReportOptionsStream页中的Streamat框查看一段报告在View菜单上，单击Report选择你想要查看的报告部分输出报告文件在File菜单上单击Export在SaveAsType（保存类型）框中选择Report文件输入文件名该文件可以保存到本地计算机上的任何目录中选择Save保存报告文件,AspenPlus中的文件格式,13.保存模拟项目SaveProject,存储模拟的方法有三种,文档文件备份文件输入文件*.apw*.bkp*.inp模拟定义YesYesYes收敛信息YesNoNo结果YesYesNo图形YesYesYes/No用户可读的NoNoYes向上兼容NoYesYes打开/保存速度High高Low低Lowest最低空间需求High高Low低Lowest最低,,,主要内容,,,,,ASPENPLUS简介,ASPENPLUS安装方法及界面介绍,通过实例介绍如何建立模拟模型,模型分析工具使用的基础,设计规定,进口空气流量是多少才能时烟气中的氧气浓度为5被操纵改变的变量是什么进口空气体积流量被测量采集变量是什么出口烟气中的氧气浓度要达到的规定目标是什么出口烟气中的氧气浓度为5,设计规定,从菜单中选择---DataFlowsheetingOption---DesignSpecs在设计规定页面,单击New,输入ID号,单击New按钮，新建一个设计规定,设计规定,在Define页中定义一个采集变量,单击New,创建一个新变量,单击New按钮，创建一个新的变量，给这个变量命名，然后单击OK,设计规定,规定选择见下图,输入完毕,单击Close,设计规定,在Spec页面,为采集的变量规定一个目标值和容差,设计规定,定义操纵变量,具体规定如下,设计规定是通过改变操纵变量的值来满足目标函数方程的。操纵变量的上下限可以是常数或是流程变量的函数这样就完成了一个设计规定所需的各步骤,设计规定,单击Next钮,运行软件，在运行结果中查看Streams,,设计规定,,,,考察烟气中SO2浓度随煤粉炉温度的变化情况煤粉炉的温度变化范围为800℃-1000℃采集变量是什么烟气中SO2的体积浓度操纵变量是什么煤粉炉（COMB）的温度,敏感度分析,从菜单中选择---DataModelAnalysisTools---Sensitivity在敏感分析页面,单击New,输入ID号,敏感度分析,在Define页定义一个采集变量，这里是烟气中SO2浓度，ID号为FLUSO2在弹出的变量定义窗口中完成其输入，然后单击Close关闭该窗口,敏感度分析,在Vary页中，定义一个操纵变量，这里是COMB模块的温度。首先选择一个新的变量号，然后选择其变量类型、模块及变量然后输入变量的范围和步长,敏感度分析,在Tabulate页中，定义敏感度分析表格中要显示的内容在第一列中输入数字1，后面输入要列表的变量或表达式至此敏感度模块已输入完毕，单击运行按钮，运行该模型,敏感度分析,,计算结果见右边所示,敏感度分析,为了更直观的看到煤粉炉温度对烟气中SO2浓度的影响，可以用此结果表绘制一个曲线图，步骤为1、选择第二列数据最为X轴变量，打开Plot菜单，单击X-AxisVariable2、类似的选择第三列数据为Y轴变量,敏感度分析,3、单击Plot菜单下的DisplayPlot选项，便出现右边所示的曲线图，可以看到，烟气中SO2浓度随着温度的升高而升高,敏感度分析,用于最大化/最小化目标函数目标函数是用流程变量和内嵌的Fortran表示的。优化可以有零个或多个约束条件。约束条件可以是等式或不等式。优化位于/Data/ModelAnalysisTools/Optimization下约束条件的规定位于/Data/ModelAnalysisTools/Constraint下,优化,找出烟气中污染物总量（NO,NO2,SO2和SO3）最少时煤粉炉的温度和进口空气流量。烟气中O2浓度保证在5采集变量是什么烟气FLUE中NO,NO2,SO2和SO3的浓度要被最小化的目标函数是什么NONO2SO2SO3约束条件是什么烟气中O2浓度为5操纵变量是什么煤粉炉温度和进口空气流量,优化,优化,,首先在ModelAnalysisTools→Constraint下建立一个“约束”，并在约束中定义一个变量FLUEO2，用来表示烟气中O2浓度,在Spec页面指定该变量等于0.05,优化,然后在ModelAnalysisTools→Optimization下建立一个优化。在优化模块中，需要定义用于优化目标函数的变量，此处定义了四个变量，代表NO,NO2,SO2,SO3的浓度,优化,在ObjectiveConstraints页面中定义优化目标，本例为NONO2SO2SO3最小，并选择约束“FLUEO2”,优化,优化,在Vary页面中定义为满足优化目标而需调整的参数并给出其变化范围。变量号1表示的是煤粉炉温度，2表示的是空气流量,这是本例的优化结果，它给出了优化目标值,,优化,这里列出了被调整参数的最终值,优化,,工况研究,工况研究是用来对同一流程做多个工况的模拟研究。每个工况的参数可给定不同的输入值，这样，我们可以在同一次模拟计算中得到不同工况的计算结果，从而可做不同方案的比较。仍以前面的例子为例，研究不同温度下产物的分布情况,打开ModelAnalysisTools→CaseStudy文件夹，在Vary页面下定义在每个工况中被改变的参数。这里定义为COMB模块的温度,工况研究,在Specification页中，为每个工况输入被改变参数的值,工况研究,,输入完毕后，用菜单Run→Batch→来后台运行ASPENPLUS。结束后，将在你程序所在目录下生成一个扩展名为“.out”的文本结果报告，该报告包括所有工况的计算结果,工况研究,数据拟合,数据拟合功能可用来将ASPENPLUS模拟模型与装置数据或实验数据拟合。用户提供一套或多套关于一个模型的输入参数和输出结果的实测数据，数据拟合调整指定的某个或某些输入参数以便使模型与实测数据最吻合具体实例请查看ASPENPLUS10.0用户指南中第32章模拟模型的数据拟合,ASPENPLUS10.0用户指南ASPENPLUS10.0用户模型ASPENPLUS10.0物性方法和模型单元操作模型参考手册ASPENPLUS培训教程ASPENPLUS大庆金桥视频教程,推荐参考书目,谢谢,