ASPEN_PLUS_学习经验

ASPEN PLUS学习经验

1 .概述

入门是初学aspen plus软件最重要也是最难的一关。读过手册的人都知道，

Aspen plus的手册和资料有很多，初学者面对如此之多的资料可能不知如何开

始，我认为其中比较重要而且必读的是《用户指南》（《ur guide》）、《单元操

作模型》（《Unit Operation Models》）、《物性方法和模型》（《Physical Property

Methods and Models》）、《物性数据》等，如果有一定的英文基础，最好是读

英文的，这些在帮助文件中都有。

其实一旦入了门，流程模拟软件学习起来就很简单了，很多功能触类旁通，

很容易就懂了，比如说，如果知道了nsitivity, 那么optimizaiton、desian

spec就很容易了。 大体来说，初学aspen plus 需要掌握如下三个方面：

1） aspen plus能做什么？

2）Aspen plus需要什么？

3）aspen plus的界面及功能。

2. aspen plus的界面及功能

和学习所有软件一样，首先需要了解软件的环境，也就是界面。我个人认为

界面基本上可以分为两种：一是流程图窗口(process flowsheet window),另外

是数据浏览窗口（data browr window)。

实际上还应该再加一个控制面板（control panel)窗口，这个窗口也很重要，

但这个窗口只是在流程调试使用，并且涉及的内容初级入门者也不必花太多时间

去看，先忽略。

流程图窗口很简单，只要你在工厂干过，看过PFD流程图并且是windows

的用户，就没有什么难得地方，读一下《ur guide》知道各菜单及快捷键的功

能，很快就能搞定。

数据浏览窗口是aspen plus最重要的部分。这也是aspen plus区别于画

图软件的地方。你需要在这个窗口中输入所有的已知条件，并且运行后观看运行

结果。其中如下信息是所有的模拟都需要有输入的：

1）组分（components)

2）属性(properties)

3）物流(streams)

4）单元操作(blocks)

组分没什么好说的，流程用到什么成分你就输什么成份，aspen plus内置

的数据库包括了1600多种常用物质（如果需要的组分aspen plus中没有用户

可以自己扩充，这部份内容不适合在初级，再后面介绍）。

属性是一个难点，高难点，我认为这是考察技术人员模拟水平高低的一个重

要点。此内容与化工热力学关系十分紧密，如果你忘了，那么赶紧去研究化工热

力学吧，怎么研究？快捷的方法是去读《aspen plus的物性模型和方法〉手册。

3. aspen plus能做什么？

Aspen plus能做什么？（以下是个人观点而非aspentech公司官方的解释，

也许有误，欢迎指正）

aspen plus是用来计算平衡态体系数据的软件，这句话的意思有以下几点：

（1）aspen plus首先是计算软件。这一点上和其他计算软件（包括我们自

己开发的计算程序）没有区别。比如我们自己搞一个srk方程的计算程序，其核

心与aspen plus没有什么不同，都只是根据化工热力学，化工原理等公式，输

入一些已知条件，然后运行得到结果而已。

这么说好像aspen plus也不过如此而已，其实aspen plus是一个功能十

分强大的过程模拟软件。aspen plus的强大之处在于：

1）它几乎内建了所有化工过程所涉及的原理公式，也就是说化工专业的课

程他全部都包括了；

2)它附带了完善的数据库，囊括了所有你需要去化工手册上查找的数据；

3)强大的分析工具，比如改变输入会怎样影响输出? aspen plus已经自带了

此类工具，你可以直接使用。正因为如此, aspen plus可以很方便的计算出大的

复杂的流程，这也是它称之为模拟软件的原因。

（2）其次aspen plus是平衡态体系的软件。它不是仿真机，所以不是动

态模拟软件，并且所计算的体系都是假设已经达到平衡态，即不考虑时间的作用。

比如相平衡计算，只能计算达到平衡时体系是什么组成，温度压力等是多少，不

能处理非平衡的问题。

（3）aspen plus还有一个十分有用的功能，就是根据实验数据回归出一些

常数供其它地方使用。aspen plus的数据库功能十分强大：

1）aspen plus由于已经自带了大量的数据库，并且你可以得到这些数据，

那么你就不需要再去查化工手册了。比如，纯物质的比热，临界点温度，压力等

等常数你都可以得到。

2)aspen plus可以计算得到任意计算物流的几乎所有的物理性质，比如：

密度，比热，湿度等等工艺工程师所关心的数据。

但当你的需要的数据在aspen plus的数据库中没有时可以根据实验数据回

归出得到。举个常见的例子，如果你在实验室中，测量了水-乙醇体系在不同压

力温度下，汽液平衡时的汽液平衡组成，现在想根据该实验结果得到wilson方

程的水-乙醇参数（虽然这组参数aspen数据库中已经有），那么就可以使用

aspen plus的数据回归功能(data regress)。该功能的用处在于，如果你的工艺

是比较特殊的，aspen plus的数据库内没有内置你所研究的体系，那么你就可

以先用数据回归功能得到相应的参数，再做模拟。该功能的具体用法以后再说。

4. aspen plus需要什么？

前面说过，aspen plus是一个根据方程计算的软件，那么很明显，是方程

必然需要已知条件才能解出未知数，所以aspen plus需要的是方程的已知数（或

已知条件），已知数可以多，却不能少，否则方程无解。

4.1 aspen plus的方程

首先来了解一下aspen plus的方程，aspen plus的方程可以分为三大类：

1）热力学方程，这是与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。

2）单元操作方程，如换热器，精馏塔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。

3）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，与

我们工程技术人员关系不大。

我认为第一类方程即热力学方程是aspen plus的基础，建议在aspen plus

入门以后要好好的重点的学习一下，精读一遍《aspen plus物性方法和模型手

册》。第二类方程相对而言不是太难，而且我个人认为初学者没有必要去精读，

只要熟悉其原理即可。实际上aspen plus在其单元操作手册上也并没有写明单

元操作模型的方程。也就是说aspen plus的计算模型是“黑箱”的，这就使很

多应用aspen plus求解问题的人可以得到问题的解，有时计算解和实际有很好

的吻合，但却不知道其机理，这有利也有弊。好处是我们可以不必关心过程的机

理模型，便可以求解问题；缺点是想有更深研究的人，无从知道过程的机理。我

想这也正是aspen plus的商业秘密所在。对于aspen plus的流程计算模式（还

有其他模式如数据回归模式此处不讨论）。

这些方程计算你需要输入以下数据：

1）流程图

2）组分

3）物性方法

4）起始物流数据：组分、温度、压力（其他物流数据aspen plus可以计

算出来）。

5）所有单元操作模型数据（操作条件）

6）其他非必要数据，这主要是指如果你使用其他的功能，如设计规定，灵

敏度分析等。

4.2 单元操作模型

对于流程图，需要特别指出的是单元操作模型。

单元操作模型是一种抽象的过程，选择哪一个模型，取决于你有的条件和你

所想要求的结果。

单元操作的模型由两个因素决定：

1）你有什么已知条件（操作条件）；

2）你想得到什么结果。不同的单元操作模型所能计算的和所需要的条件是

不同的，具体请参考单元操作模型手册或者联机帮助。这句话需要灵活运用，我

想再深入的讲一点。

aspen plus的单元操作模型虽然与生产实际的设备相对应，但是，操作模

型不等具体设备，它是过程的一种抽象。你想解决的过程是怎样的才能决定你所

选择的模型，而不是由具体的设备决定的。举个比较典型的例子：aspen plus

中有radfrac模型是个典型的精馏塔详细计算模型，基本上可以等同于现实操作

的精馏塔设备，模型有冷凝器和再沸器。曾有人问我，他想计算冷凝器的详细结

构该怎么办？因为radfrac本身没有关于冷凝器的结构的计算啊。解决的办法很

简单，你将radfrac的冷凝器设为无，然后在塔顶汽相添加一个heatx或者

hetran（换热器）就可以了。而且还有人问精馏塔怎么不能设置全回流呢？说实

话，我并不明白有什么精馏塔在正常状态下是全回流操作的，但如果你非要设成

全回流也不是没有可能，用我前面讲的方法，将换热器的出口再返回精馏塔就可

以了。

4.3 物性方法的选择

对于初学者而言，除非他十分熟悉热力学的内容，否则物性方法的选择确实

是个难点，在你还没有学习过热力学或者精读过《aspen plus物性方法和模型》

手册之前，在这里简要讲一下物性方法。

首先要明白什么是物性方法？比如我们做一个很简单的化工过程计算：

一股100℃, 1bar的水-乙醇(50：50摩尔比，100kmol/h）的物料经过一个换

热器后冷却到了80℃, 0.9bar, 问下面值分别是多少？

·入口物料的密度，汽相分率。

·换热器的负荷。

·出口物料的汽相分率，汽相密度，液相密度。

复杂一点，我还可以问物料的粘度，逸度，活度，熵等等。以上的值怎么计

算出来？

好，我们来假设进出口物料全是理想气体，完全符合理想气体的行为，则其

密度可以使用pv=nRT计算出来。并且汽相分率全为1，即该物料是完全气体。

由于理想气体的焓与压力无关，则换热器的负荷可以根据水和乙醇的定压热熔计

算出来。

在此例当中，描述理想气体行为的若干方程，就是一种物性方法（aspen plus

中称为ideal property method)。简单的说，物性方法就是计算物流物理性质

的一套方程，一种物性方法包含了若干的物理化学计算公式。对于本例而言至少

包含了如下两个方程：

pv=nRT

dH=CpdT.

实际上，以上是一种最简单的计算方法，但结果误差是很大的。这是因为对

于“水-乙醇”体系在此两种温度压力下，如果当作理想气体来处理，其误差是

比较大的，尤其对于液相。按照理想气体处理的话，冷却后仍然为气体，不应当

有液相出现。

那么应该如何计算呢？主要涉及以下过程：

1）对于汽相pvt计算，可以使用srk方程，从而可以得到密度。液相也可

以使用状态方程计算密度，但此处不推荐使用，可以使用Rackett模型计算液相

密度。

2）至于物流的相态，则首先需要做汽液平衡计算。

3）在进行汽液平衡计算时，液相应用活度系数方程计算组分的逸度系数，

并且还需要使用拓展antoine方程计算蒸汽压力。

4）换热器负荷的计算比较复杂，可以使用进出口物流焓差来计算，那么需

要计算出进出口物流的焓。

5）焓的计算有多种途径，对于液相比较常用的方法是计算理想液体混合物

焓，然后再加上过剩焓计算出来。要计算非理想液体混合物过剩焓，则可通过混

合物质汽相焓与蒸发焓差来计算，非理想性比较强是还要考虑混合焓差。

由此可见，实际过程至少包含如下公式方程：

1）状态方程srk,

2）液相密度方程rackett.

3）拓展antoine方程.

4）汽，液相逸度系数方程

5）液相活度系数方程

6）汽相焓方程，通过srk方程导出，需要设计纯气体Cp=f(p,t)方程。

7）液相焓方程，相当复杂，此处不再重复。

8）其他方程，包括数学方程，比如以上计算时涉及到了微积分运算，汽液

平衡的回归运算等。

以上方程，如果需要我们用户去一个个选择出来，则是一件相当麻烦的工作，

并且很容易出错。好在模拟软件已经帮我做了这一步，这就是物性方法。

对于本例，我们对汽相用了状态方程，srk；液相用了活度系数方程

(nrtl,wilson,等），在aspen plus中将此中方法叫做活度系数法，如果你选择nrtl

方程，就称为nrtl方法，wilson方程就成为wilson物性方法(wilson property

method)。这种物性方法中已经囊括了所有我上面提到的方程公式。

在aspen plus中（或者应该说在化工热力学中）有两大类十分重要的物性

方法，对于初学者而言，了解到此两类物性方法，基本上就可以开始着手模拟工

作了。

大体而言，根据液相混合物逸度的计算方法的不同，物性方法可以分为两大

类：状态方程法和活度系数法。状态方程法使用状态方程来计算汽相及液相的逸

度，而活度系数法使用状态方程计算汽相逸度，但是通过活度系数来计算液相的

逸度。

常见的状态方程有ideal、srk、pr、lk方程以及他们的一些改进方程。状态

方程法就是基于此类状态方程来计算逸度，压缩因子，焓等等的物性方法。

常见的活度系数方程有nrtl、wilson、uniquac等。活度系数法就是基于此

类活度系数方程来计算液相逸度，液相焓等的物性方法。

一般而言，对于常见的烃类如烷，烯，芳香族，无机气体如O2、N2等非

（弱）极性的化合物，选用状态方程法；对于极性强的化合物，如水-醇，有机

酸体系选用活度系数法。另外对于汽相聚合的物质，应选用特别的活度系数法，

可以计算汽相聚合效应。对于无机电解质体系，选用elecnrtl物性方法。

关于更多更详细的物性方法选择请参考物性方法与模型手册。

5. 学好aspen Plus应具备的先导知识

首先要学好《化工热力学》、《化工原理》、《分离过程》、《过程系统工程》这

几课，这些基础知识学好后再看Aspen的学习资料会比较轻松。

另外，学习一点数学方面的知识，在《过程系统工程》这样的书里是有详细

介绍的。

不管学什么，先把基础打好，这是最重要的。

关于Aspen帮助文档，有三个是必看的，《ur guide》《Physical Property ，

Methods and Models》，《Unit Operation Models》。前面已经强调了热力学

模型在过程模拟中的重要性了，所以务必要掌握好各种物性模型和如何选择。

6 推荐学习资料

下面两个资料建议初学者看一下，对于学学习apn plus会事半功倍的，

一个是大庆金桥aspen教学，“aspen金桥演示教程”，另一个是《Aspen plus

塔设计案例》。前者可以使初学者快速熟悉和掌握Aspen plus的界面与基本操

作方法，后者通过一个精馏塔的案例，一步一步引导你学习Aspen plus做过程

模拟的各种功能。