“白皮书”系列NO.19——科研小工具之Aspen plus

亲爱的小伙伴们，“白皮书”系列又和大家如期见面，上一期我们为大家介绍了3D打印技术，带大家了解了它的原理、发展历史和应用前景，相信大家都会有所收获吧~本期我们将带您学习一款科研软件Aspen plus，这个软件对我们能源与动力工程专业的学子来说非常有用，你是否掌握了它？相信很多小伙伴都只是略有耳闻，然而对这个软件却不太熟悉，本期小编将带您了解学习其相关知识！

Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院(MIT)组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为"过程工程的先进系统"(Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN)，并于1981年底完成。1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。该软件经过20多年来不断地改进、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，应用案例数以百万计。

那么如何学好Aspen plus呢？小编痛定思痛，经过多方渠道搜索，终于整理了一些小资料，来和你分享，下面就带你来揭开Aspen plus的面纱~

一．Aspen plus基础知识

Aspen Plus（Advanced System For Process Engineering）是集稳态化工模拟、工艺优化、经济评价和灵敏度分析为一体的大型化工流程软件，可模拟从单个操作单元到整个工艺的流程。它只用来计算平衡态体系的数据，不能处理非平衡的问题。

1.Aspen Plus用户界面

Aspen Plus模拟软件的用户界面如下图所示，其主要分为三类，即Properties（物性界面）、Simulation（流程界面）和Energy Analysis（能量分析界面）（不常用，这里不多加赘述）。

●Properties：即所说的物性界面，是完成流程模拟设计的基础，主要包括物质输入、物性方法选择等方面

●Simulation：模拟界面建立在已有的物质以及已经选择好的物性方法的基础上，建立流程模拟图，并设定相应的模块参数，运行模拟，得到相应的数据。

2. Aspen Plus 组成部分

⑴物性数据库。Aspen Plus 具有化工上最适用最完备的物性系统，包括多种有机物、无机物、固体、水溶电解质的基本物性参数。

⑵单元操作模块。Aspen Plus 中有50多种单元操作模块，通过这些模块和模型的组合，可以模拟用户所需要的流程。它还有多种的模型分析工具，比如灵敏度分析和工况分析模块。

⑶系统实现策略。①数据输入：Aspen Plus 的数据输入是由命令方式进行的，即通过三级命令关键字书写的语段、语句及输入数据对各种流程数据进行输入。②解算策略：Aspen Plus所用的解算方法是序贯模块法以及联立方程法，流程计算可由程序自动产生，也可由用户自己定义。对于有循环回路或设计规定的流程必须迭代收敛。③结果输出：可以以表格结果显示，也可以对结果进行作图，以图表的形式显示。

3．Aspen plus方程

●热力学方程。这是不具体的工艺流程无关的方程，如理想气体方程，nrtl方程，非理想溶液焓模型方程等等。该类方程为单元操作过程计算提供必要的数据基础。

●单元操作方程。如换热器，精馏塔等等单元操作过程的计算，涉及到三传一反，这部分主要是和化工原理有关。

●数学方程。这部分主要是用来解方程时涉及到的一些数学计算方法。

4．Aspen Plus输入

Aspen Plus中绘制流程图采用模块式组合方式，输入数据采用表格形式，数据分为必要数据和可选数据，其中必要数据是运行一个模拟计算的最低要求，可选数据则是为了实现特殊要求的数据。总结Aspen plus流程计算模式中，需要输入的数据主要有：

●流程图

●物性方法

●起始物流数据，其组分、温度、压力，其他物流数据Aspen plus可以计算出来。

●所有单元操作模型数据

●其他非必要数据，这主要是指如果你使用其他的功能，如灵敏度分析等。

在数据输入全部完成之后，便可以进行模拟运算，通过结果按钮显示来查看模拟结果。

5．物性方法的选择

物性方法是指用于计算物性的模型和方法的集合。物性方法对计算结果的影响非常大，精确、可靠的模拟依赖于正确的物性方法和可靠的物性参数。

物性模型分为理想模型、状态方程模型、活度系数模型和特殊模型等，模型类型的选择取决于非理想程度和操作条件。

下图指出了选择物性方法的过程。

6．单元操作模型

我们在做化工流程的时候，会用到各种的反应器、分离器、换热器、以及各种塔器等等，这里系统介绍一下六种最为常用的模块，方便大家对模块的选择。

Mixers/Splitter(混合器/分离器)

闪蒸器

Exchangers（换热器）

Columns（塔）

1.简洁塔

2.严格塔

Reactors（反应器）

Pressure Changers（压力变换器）

二．Aspen plus模拟流程

1．建立流程模拟的步骤如下：

（1）、输入化学组分信息

每个组分必须有唯一的ID

组分可用英文名称或分子式输入

利用弹出对话框区别同分异构体

（2）、选用物性计算方法和模型

过程类型 Process type

基础方法 Base method

亨利组分 Henry components

（3）、选用单元操作模块 ModelBlocks

选类别：共有“混合器/分割器、分离器、换热器、塔器、反应器、压力改变器、调节器、固体、用户模块”九大类别。

根据单元操作模块的归属选择所需的类别。

选单元操作模块：每个类别都包括几种单元操作模块，将鼠标移到某个单元模块上时，窗口底部的说明栏中给出了该模块的简要说明。同一种单元操作过程可能有不同特性的模块，要注意选用合适的模块。

选图标：每一种单元操作模块可以用不同的图标表示。可根据流程图的需要和自己的喜好选择表示模块的图标。

绘制模块：选好图标后，在绘图区中的选定位置点击鼠标左键，即在流程图中绘出模块。可根据需要用鼠标拖放以调节图标的位置和大小，并重新设定模块名称。

（4）、连接流股 ConnectingStreams

选流股类别：共有三种流股

物流 Material Streams

热流 Heat Streams

功流 Work Streams

流股连接点：选好流股类别后，将光标 移到绘图区，单元模块上的流股连接点处出现箭头标识，红色标识表示必需连接的流股，蓝色标识表示根据需要选择连接的流股。

连接流股：用鼠标点击两个配对的流股连接点，即可完成连接。连接好流股后可根据流程图的需要给流股重新命名，挪动连接点的位置，以及调节连线的走向。

（5）、输入外部流股信息

每一股外部流股都必须输入信息

状态变量：温度、压力、流量

组成：表达基准、数值

（6）、输入单元模块参数

每一各单元模块都必须输入模型参数

模型参数的数量因模型而异，请认真理解其物理意义。

模型参数的合理选取对仿真结果的质量至关重要！

看了上面的介绍，是不是感觉自己有一点点的蒙了呢？有句话说“眼过欠扁，不如手过一遍”，所以接下来我们一起来具体操作一遍。

2．实际操作流程

双击 Aspen Plus 图标，选择 New(新建)，选择Create（创建），这下就进入了组分输入和物性选择界面Properties，在这个界面里我们要输入组分和选择物性方法，接下来，进入流程界面Simulation，绘制要模拟的流程图，接下来输入个流程中各个模块和各个流股的信息。具体过程请看下面详细步骤：

a、双击图标，如果你要创建一个新的Aspen，按New这个按钮。不过，你要是想要打开你以前做的Aspen你就可以选择你要打开的文件，然后点击Open这个按钮就可以了。

b、这一步你要做的就是选择一个空白模拟（Blank Simulation），接下来要为你的模板选择公用制单位或英制单位，有时候也可以自行设定常用的单位。一般我们选择的是公用制单位，即General with Metric Units。最后点击Create。

c、做完了上一步你就会进入这个界面。图片中的界面就是Properties（物性）界面，在这里我们就要输入组分，组分至少要输入一个，接下来你要选择一下你所要使用的物性方法。

组分输入如下图：

物性方法选择如下图：

d、组分和物性方法输入完了之后，接下来就是要进行流程图的绘制了，首先我们要点击左侧的 Simulation ，进入流程界面，最下边是单元操作模块，这里为我们提供了完备的单元模块，接下来就是进行单元模块的绘制，用物流将各个模块链接起来。绘制完要模拟的流程图，接下来输入流程中各个模块和各个流股的信息。最后运行模拟，就可以得到我们需要的数据啦。

三．Aspen plus 的优势

1．完备的物性数据库：Aspen Plus自身拥有两个通用的数据库Aspen CD和DIPPR以及多个专用的数据库，包含将近6000 多种纯组分的基本物性数据，还可以利用Aspen Plus软件中的物性常数估算系统，估算物质的物性参数。

2．全面的单元操作模块：Aspen Plus软件中提供了几十种计算传递性质和热力学性质的模型方法以及五十多种单元操作的模型，用户可以通过这些模型和模块的自由组合，模拟运算其所需要的工艺流程。

3．模型/流程分析功能：Aspen Plus软件了提供一套功能强大的模型分析工具，能够进行灵敏度分析、收敛分析，数据拟合，优化功能等，以便达到工艺效益的最大化。

4．工程能力：Aspen Plus提供了从单元操作模型到整个装置流程的模拟。

如果你不能对你的工艺进行建模，你就不能了解它。如果你不了解它，你就不能改进它。而且，如果你不能改进它，你在21世纪就不会具有竞争力。

---Aspen World 1997

最后，在这里推荐学习Aspen Plus软件的一些常用书籍，仅供参考哦~

《化工流程模拟实训---Aspen Plus教程》

注：孙兰义老师的这本书是基于Aspen Plus7.2版本，系统介绍了是基于Aspen Plus软件的操作步骤及应用技巧。此书适合对是基于Aspen Plus不太熟悉的初学者。

《化工计算与软件应用》

注：包宗宏老师的这本书以Aspen Plus及其系列软件为计算工具，以化工过程实例为线索，介绍化工计算中的基本原理、计算方法与解题技巧。此书是学习Aspen Plus的进阶之作，在各种案例分析中具有非常好的实用性。

《化工流程模拟Aspen Plus实例教程》

注：熊杰明老师的这本书是基于Aspen Plus新界面—8.4版本及之后，通过典型问题的求解方法、步骤和技巧的展示，由浅入深地介绍了Aspen Plus及其与EDR、EnergyAnalyzer、Economic Evaluation、BatchModeler、Dynamics和Excel等专业软件的连接和联合使用，解决化工过程中的模拟、设计与优化问题。此书适合有一定Aspen Plus使用经验的初学者自学以提高应用水平。

摘录来源：《化工流程模拟Aspen Plus实例教程》熊杰明

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汇总整理 / 刘海莹

责任编辑 / 归零