化工设计之过程模拟

前言

工艺流程的模拟在工艺流程已经确定的条件下可以说是整个作品的灵魂，打不通流程，则满盘皆输。就目前而言，化工设计大赛规定使用的过程模拟软件为Aspen Plus，而本篇推送的目的主要是给大家讲一讲化工过程模拟的一些基础概念并且结合Aspen Plus流程模拟软件以及目前大家学过的（或者还未来得及学的）相关课程从全局的角度了解化工过程模拟。

化工过程模拟技术

简介

化工过程模拟技术主要是建立在更方便的研究和探讨化工工艺过程的基础上发展的，其主要根据化工过程的数据，采用适当的模拟软件，将由多个单元操作组成的化工流程用数学模型描述，模拟实际的生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果。

化工过程模拟的实质是：使用计算机程序定量计算一个化学过程中的特性方程。

 功能

化工过程模拟技术可以让我们从全局的角度对工艺过程中的问题进行分析甚至预测，根据其模拟计算的结果，可以让我们从经济以及环保的角度更好的调优流程，并且可以以此为依据进行新装置的设计以及旧装置的改造，从而实现资源环境友好、节能降耗的绿色工艺。

过程模拟与专业课的有机结合

想必大家看了之前的内容，应该对过程模拟有了一个初步的了解。但是大家目前关心的问题应该是如何将目前所学的专业课知识运用到过程模拟的实战当中，在此我给大家大概梳理一下过程模拟所需要的专业课知识以及其在Aspen中对应的模块。

热力学模型

根据工艺流程中的物性选择合适的热力学模型作为整套工艺流程的模拟方法，这其中就涉及到《化工热力学》中所学的状态方程法以及活度系数法，只有对热力学模型有足够的了解，才够快速准确地选择合适的热力学模型，实现整个工艺流程的精确模拟。热力学物性选择在Aspen Plus V8.4中对应界面如下：

反应过程

反应为工艺过程的核心，而无论你在模拟过程中使用的是基于物料平衡的反应器，还是基于化学平衡的反应器，抑或是动力学反应器，你都需要《化学反应工程》的知识作为支撑。值得注意的是，在Aspen Plus中反应器模拟主要得到的是经过反应器单元的物料平衡以及热量平衡，而不能得到反应器的结构、反应器内部的流动以及反应器内催化剂装填等信息，这是流程模拟初学者所普遍存在的一个误区。

在Aspen中各反应器模块对应的功能以及适用情况如下表所示：

输送、换热过程

过程模拟过程还需要对流体输送过程、换热过程、分离过程进行模拟，而这部分的知识就涉及到《化工原理》上下册的内容，虽说反应是工艺过程的核心，而流体输送、换热以及分离也是过程模拟不可或缺的重要一环，熟练掌握化工原理的相关知识可协助你完成这部分的模拟。

在使用Aspen进行流体输送过程的模拟时是不需要考虑管道输送过程的，仅仅需要考虑的是流体的变压的一个过程，其中使用泵来完成液体增压过程的模拟，使用压缩机来完成气体增压过程的模拟，使用阀门完成流体减压过程的模拟。其中pump，compr，value模块分别对应的是泵、压缩机以及阀门。

在进行流体换热过程的模拟时首先是不需要考虑流体与哪股物流或者与什么公用工程进行换热，也不需要考虑换热器的压降，只需要考虑物流升温或者降温的温度是多少，即在Aspen中仅仅需要使用Heater模块进行模拟。

分离过程

在进行分离过程模拟时，当物质沸点相差较大如（氢气和水），或者物质间存在明显的分相如（苯和水），前者可以使用两相闪蒸进行分离，在Aspen中对应Flash模块，后者可以使用分相器进行分离，在Aspen中对应Decanter模块。Sep为强制分离模块，可以将物料分离成你所需要的任何比例和组成，但是使用该模块需要其他的文献数据或者软件模拟结果来支撑你所设置的分离结果，一般可用于分子筛脱水等，不建议使用。

当分离过程体系逐渐复杂之后，则需要考虑使用精馏、吸收、萃取进行物质的分离。精馏过程在Aspen中分别对应DSTWU（简捷法）以及Radfrac（严格法）模块，作为在化工设计中使用较多的分离方法，精馏模拟的一般步骤大致为DSTWU简捷塔模拟、Radfrac严格塔模拟以及塔设备的优化。进行吸收过程的模拟时，直接使用Radfrac模块进行模拟。进行萃取过程模拟时，使用Extract模块进行模拟。而之后的模块分别可以模拟隔壁塔、侧线抽出等复杂精馏和石油蒸馏等。

过程模拟与专业课的有机结合框图如下：

结语

本篇推送也只是让大家了解化工过程模拟以及软件的各个模块，软件的具体操作还是需要下载软件同时使用相关的教程进行学习，过程模拟高手都是在实战中得到锻炼和提高的，文末给大家提供部分学习资源。

建议：由于Aspen plus软件为全英文软件，学习也有一定的难度，所以购买纸质版图书进行学习是最好的选择！

包宗宏.化工技术与软件应用pdf

链接：https://pan.baidu.com/s/1nwueL4H 密码：dk6h

孙兰义.化工过程模拟实训——Aspen Plus教程第二版pdf及例题演示视频

链接：https://pan.baidu.com/s/1jJWK8p4 密码：q7wz（pdf来源：马后炮化工网）

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本期编辑：刘彦聪