艾斯本(AspenTech)技术有限公司

  行业白皮书
     Jennifer Dyment，艾斯本产品营销部
     Claus Reimers，艾斯本产品管理部
     Ron Beck，艾斯本产品营销部
     王志方，艾斯本技术顾问

    摘要
    本文介绍了一种包含粒状固体与相应固体处理步骤的化工过程建模新方法。固体过程建模对于很多常见过程都是非常重要的，包括特种化学品、农用化学品、金属和 矿业、制药、生物燃料等等。优化或检修固体过程面临的主要挑战包括流体和固体部分单独建模引起的低效率设计、设备过度设计、高能耗需求、产量降低和质量变 化。

     引言
     很多工业生产过程除了流体之外，也包括固体处理工序，固体工序往往极大地影响整体过程性能、产品质量或能源需求。一般而言，工业生产过程的固体部分需要 完成一个或多个任务：制成微粒（如粒化、结晶），调节含水率（如干燥），通过化学反应改变成分（如流化床反应器），调节粒度分布（压碎/研磨、分类、压 塑）以及从流体中分离固体（如旋风分离、离心分离）。在开发含有上述一个或多个任务的固体过程时，通常会出现四个主要相互关联的难题：

    流体和固体部分的单独设计
     固体部分对整个过程性能的影响往往被忽视，被描述成简单的分流器模型、电子制表工具或内部代码。工艺工程师在模拟器内（如Aspen Plus）进行过程流体部分建模，而同一公司的微粒技术人员则采用电子制表工具（如Microsoft Excel®）进行过程固体部分建模。一般而言，由于数据传送、不同的物流结构或物性不一致，该方法会出现错误和效率低下。因此，采用本工作流程不太可能 优化整个过程。

    设备过度设计导致的资本成本
     为了降低遇到瓶颈的风险，设备通常设计过度，从而导致大量资本成本。严格建模可以设计出适合大小的固体过程设备，减少再循环物流，从而尽量降低设备负荷。经常设计过度的固体过程设备包括粉碎机、压实机和烘干机。

    高能需求导致的操作成本
     在大多数应用情况下，中间或最终产品的含水率必须严格符合规范要求，以便满足后续过程步骤或作为最终产品进行售卖。为了确保微粒充分干燥，保持足够低含 水率，以及通过液流分离大量的固体产品或中间产品，通常会消耗过多的能量。通过严格按照上述步骤建模，可节省大量能源（有报告称，在干燥时可节省多达 30%的能源）。

    产品产量和质量的降低
     一个工艺设计是否盈利取决于最终产品的产量和质量。微粒制剂是一个既能提升质量又能提高产量的例子。为了生产无尘、流动性和一定属性的粉末，从溶液或浆 液开始按配方调配微粒。大部分情况下可通过结晶、粒化/团聚或喷雾干燥实现。这些单元的设计和操作条件可以决定产品的粒度分布和含水率。

    在大多数情况下，固体部分虽然仅是整个生产过程中的一部分，但是对整个过程性能和最终产品质量会产生较大的影响。

    新工作流程：同一模拟环境下的流体和固体一体化模型
     为了解决工业过程缺少固体严格建模工具的问题，21世纪初期到2010年期间，德国固体专家和业内人士开发了独立的固体模拟器——SolidSim。SolidSim引进一种通用流程模拟系统，准确描述微粒固体以及微粒技术机械和设备3。

    2012年2月，艾斯本收购了开发和销售SolidSim的SolidSim 工程有限公司。2012年12月Aspen Plus V8正式发布，新版Aspen Plus与SolidSim技术单元操作模型结合增强了模型库，，这些模型包括干燥模型、结晶模型、粒化和团聚模型、破碎研磨模型、分类模型、气/固和固 液分离模型等。此外，还引进了易用的粒度分布定义工作流程，强化了结果显示，仅需点击按钮即可查看粒度分布（如累积值、密度或RRSB）以及设备特定结 果。同时，Aspen Plus物流结果还显示了特征直径，如d25、d50或索特尔平均直径（SMD）。

    这种增强技术可使Aspen Plus用户在同一模拟环境下，采用相同的物性，实现流体和固体过程的建模而无需任何额外软件使用费用，从而避免数据从一个模拟系统传送至另一个模拟系统 时发生错误和低效率。由于考虑了整个过程，而非只有小部分，，用户可以避免局部优化的次优设计。通过克服这一难题以及引入具体的固体建模，用户可解决过度 设计产生的资本成本、能源和其他操作成本以及产品质量或产量降低问题。

    这种更全面的工作流的一个例子是整个尿素生产工艺的过程建模。由于该模型描述了上游尿素合成（流体部分）和下游尿素造粒（固体部分），严格考虑了各部分的 影响。例如，如果需要提高尿素工艺造粒部分流体化床冷却器的空气流速，则冷却器将夹带大量细料雾末。被夹带的颗粒经文丘里洗涤器从气流中脱离出来，溶解在 洗液里，随后循环至合成部分。因此，冷却器空气流速的变化将影响上游尿素合成以及下游固体处理部分。

    固体建模单元库
     全新固体建模库结合了Aspen Plus V7已有的固体建模单元操作和从SolidSim中新引入的模型。目前，可提供十七个新的或改进的固体单元操作，如图2所示，包括70多个不同的设备模 型。V8.2引入了输送和流化床模型，V8.4增加了喷雾干燥器以及流化床模型内的反应建模。

                            图2 Aspen Plus V8.4可用固体单元操作

     从概念模型到严格模型
     为了进一步简化工作流，Aspen Plus V8.4引进了新的概念模型。概念模型增强了Aspen Plus原有固体模块，允许用户在不改变过程流程结构的前提下，建立从概念到严格的不同保真度的固体模型。有了概念模型，不擅长固体建模的工艺工程师就能 轻松学会如何使用这些功能。

    另一个好处是概念模型还能够促进工艺工程师和微粒技术人员更加紧密的合作。建立流体和固体综合过程模型时，工艺工程师能够使用概念模型描述固体部分。第一 次模拟结果得出之后，工艺工程师可以确定哪一部分固体操作需要进行严格建模。如有必要，可寻求微粒技术人员帮助选择并确定严格模型的参数。

    例如，概念模型可用来描述沉降离心机。在这种情况下，用户可定义固体和流体分离以及分离锐度（分离曲线斜率）。随后根据微粒沉降速度和用户输入量计算模型 分离曲线，这就是说，概念模型可充分考虑到主要分类特征。如果用户决定更详细地描述离心机，则可在不更改流程结构的前提下，切换到严格的设备模型。用户可 规定离心机的几何结构，并选择不同的分类和离心机脱液。基于更严格的模型，可以计算出离心机模型的分离效率曲线。概念模型和严格模型分离效率曲线的对比如 图3所示。图中显示，概念模型预测离心机的分类精度可以满足不同的使用情况。

                     图3 离心机概念模型（红色曲线）和沉降离心机严格模型（蓝色曲线）分离效率曲线对比图

    从逐步到同步概念设计
     Aspen Plus是aspenONE工程集成产品套件的一部分。Aspen Plus支持集成工作流程，包括激活的经济分析（用于估算资本和操作成本）、能源分析（用于夹点分析）以及换热器设计与核算（用于设计和核算换热器）。用 户使用Aspen Plus进行固体建模时，可使用这些功能。

    行业用途
     虽然Aspen Plus V8固体建模自2012年12月才面世，但是Aspen Plus固体建模的用户正在以惊人的速度增长。已有100多个企业开始使用Aspen Plus固体建模，包括陶氏化学公司5。

    参考文献
     1 J.Y. Zhu, X.J. Pan, 进行纤维素乙醇生产的木质生物原料预处理：生物资源技术——技术与能源消耗评价，第13期第101卷，2010年7月，4992-5002页，国际标准刊号 0960-8524
http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2009.11.007.

    2 J.Y. Zhu, X.J. Pan, 进行纤维素乙醇生产的木质生物原料预处理：生物资源技术——技术与能源消耗评价，第13期第101卷，2010年7月，4992-5002页，国际标准刊号 0960-8524
http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2009.11.007.

    3 艾斯本。“艾斯本收购 SolidSim Engineering GmbH. 新闻稿发布. , 2012年2月29日
(http://www.aspentech.com/news/solidsim/press-release/)

    4 Werther, J., Poggoda, M., Reimers C., Lakshmanan, A., Beck, R. 使用流程模拟器进行固液过程整体优化，位于摘要与会议记录：WCPT6 ，第六届世界颗粒技术大会，纽伦堡，德国，2013
(http://reg.mcon-mannheim.de/onlineprogramm-mmv/render.aspx?kongressID=53&t=a&n=26775&speach=ENG)

    5 Dow, David Vickory，2013年优化大会，马萨诸塞州，波士顿,
白皮书完整版本
(www.aspentech.com/Solids_Modeling_Chemical_Processes.pdf)