ASPEN+

Indice

Aspen Plus è un software di simulazione di processi chimici e di ingegneria che consente di modellare, ottimizzare e analizzare processi complessi in vari settori industriali, come l'energia, i prodotti chimici, il petrolio e il gas, l'industria alimentare e farmaceutica, solo per citarne alcuni.

Il programma permette di costruire modelli di processo che descrivono la struttura e il funzionamento di un impianto, attraverso l'utilizzo di un'ampia gamma di unità di processo, come reattori, colonne di distillazione, scambiatori di calore, pompe e valvole. Inoltre, Aspen Plus integra una vasta libreria di proprietà termodinamiche e cinetiche, permettendo di simulare in modo accurato le reazioni chimiche e i fenomeni di trasporto.

Una volta creato il modello, Aspen Plus permette di eseguire simulazioni avanzate, come la simulazione di regolazione automatica, la simulazione di sensitività e la simulazione di ottimizzazione, al fine di identificare le migliori soluzioni per il processo. In questa guira verranno spiegate le basi del programma tramite esempi e procedure.

SCHEMI DI PROCESSO:

1. Block flow diagram BFD: illustrativo e generale

2. Process flow diagram PFD: tecnico

   • semplificato: riporta le operazioni

   • quantitativo: con bilanci di materia ed energia

PROCEDURA

1. PROPERTIES

COMPONENTS

METHODS

1. Specifications

2. Parameters

Guarda termodinamica e banche dati

2. SIMULATION --> Main Flowsheet

Inserimento componenti, flussi, rinominarli e inserire gli ulteriori parametri dei vari apparecchi (tasto destro del mouse sopra l'oggetto di interesse inserito).

Completato l'inserimento premere su run e poi visualizzare i risultati.

Salvare sia in Aspen Plus Document, sia in Backup

1.Properties

Come stabilire le proprietà fisiche? Con metodi differenti ottengo proprietà differenti.

La pressione di vapore è il parametro più importante

Le EOS (Equazioni di Stato) semplici non utilizzano le costanti di Antoine, non manipolare il parametro w (l'entalpia è influenzata...). Le EOS più complesse possono o meno utilizzare la pressione di vapore, quindi verificala.

Punti di attenzione nell'uso dei simulatori di processo

1. Estensione e documentazione: i modelli di simulazione tendono a durare più a lungo dei loro creatori

2. I simulatori di processo sono precisi, ma potrebbero NON essere accurati

3. La legge di Henry viene utilizzata per determinare la quantità di un componente supercritico o di un gas leggero in fase liquida

4. Dichiara qualsiasi componente supercritico o gas leggero (CO2, N2, ecc.) come componente di Henry nell'ambiente delle proprietà.

REGOLE

1. Controllare la pressione di vapore, tensione superficiale, le densità di componenti puri e di miscela - per le miscele acquose i volumi in eccesso sono importanti

2. Controllare l'entalpia e le capacità termiche di componenti puri e di miscela

3. Controllare le proprietà di trasporto (per scambiatori di calore e piatti)

4. Azeotropi se presenti

5. Controllare il comportamento dei componenti di traccia rispetto alla diluizione infinita e ai coefficienti di attività

6. Parlare con le persone, interagire con i chimici (nuovi processi), parlare con i fornitori di simulatori di processo

7. Verificare i risultati della simulazione rispetto alla realtà, parlare con il personale dell'impianto, considerare la realtà (perdite d'aria, ...)

Analisi delle proprietà

Utilizzata per generare diagrammi di proprietà semplici per validare modelli e dati di proprietà fisiche. Tipi di diagrammi:

• • Componente puro, ad esempio pressione di vapore vs temperatura

  • Binario, Txy, Pxy, xy

  • Diagrammi di fase ternari

  • Envelope PT 

Questa è una lista di passaggi generali che possono essere seguiti per scegliere un metodo di proprietà adeguato in Aspen Plus:

1. Scegliere il metodo di proprietà in base ai componenti e alle condizioni operative nella simulazione

2. Verificare i parametri: Determinare la disponibilità dei parametri nei databank di Aspen Plus

3. Confermare i risultati: Verificare la scelta del metodo di proprietà e dei dati di proprietà fisiche utilizzando lo strumento di analisi delle proprietà.

2. Distillazione - RADFRAC

Il metodo può essere utilizzato per simulare la distillazione ordinaria, l'assorbimento, la stripping, la distillazione azeotropica e la distillazione reattiva. Il programma consente di inserire un numero qualsiasi di alimentazioni, prelievi laterali, pompe di circolazione, riscaldatori e decanter. L'obiettivo del metodo è quello di progettare una colonna di distillazione rigorosa partendo da metodi shortcut.

1. Configurazione delle opzioni di progettazione, tra cui il numero di alimentazioni, il numero di estrazioni laterali, il numero di pompe e il numero di decanter

2. Simulazione di distillazione ordinaria, assorbimento, stripping, distillazione azeotropica e distillazione reattiva

3. Connessione del flusso di processo attraverso il diagramma di flusso RadFrac

4. Implementazione delle specifiche di progettazione

5. Introduzione all'efficienza della colonna e ai calcoli idraulici

6. Visualizzazione dei risultati della simulazione attraverso grafici. 

Confronto Flash e radfrac:

Distillazione Multicomponente- RADFRAC 

Analoga, ma vengono specificate più componenti in ingesso.

Metodi Shortcut: DSTWU e DISTL 

DSTWU:

• DSTWU esegue calcoli di progettazione shortcut per colonne di distillazione a singolo alimentazione e due prodotti con un condensatore parziale o totale.

• Si assume un flusso costante di massa e volatilità relativa costante. Si basa sulle equazioni di: Winn per il numero minimo di stadi, Underwood per il rapporto di reflux minimo, Gilliland per il calcolo del rapporto di reflux per un numero specificato di stadi o il numero di stadi richiesto per un rapporto di reflux specificato

• Per il recupero specificato dei componenti chiave (key) leggeri e pesanti, DSTWU stima: Rapporto di reflux minimo e Numero minimo di stadi teorici

• DSTWU stima quindi uno dei seguenti: Rapporto di reflux richiesto per il numero specificato di stadi teorici o Numero di stadi teorici richiesti per il rapporto di reflux specificato

• DSTWU stima anche la posizione ottimale dell'alimentazione e i carichi del condensatore e del reboiler. 

DISTL:

• Distl simula colonne multistadio a più componenti con un flusso di alimentazione e due flussi di prodotto.

• Distl esegue calcoli di verifica e di valutazione shortcut della distillazione utilizzando l'approccio di Edmister: si assume un flusso costante di massa e volatilità relativa costante. 

Imposto i dati in entrambi, impostando quelli del DISTIL verosimili, ma non importa che siano corretti. Faccio run e poi modifico i dati del DISTIL con quelli del DSTWU. Ripeto il run e solo qui sono in verifica. Oppure posso abbinare il DSTWU ad un RADFRAC.

Distillazione Discontinua - BATCH

• Avvio da totale riflusso, colonna vuota o carica iniziale

• Calcolo a 2 o 3 fasi in qualsiasi punto della colonna

• Alimentazione alla colonna in qualsiasi momento, in qualsiasi stadio, compresi pentola e tamburo di riflusso

• Cambio del distillato o prelievi laterali in uno qualsiasi dei ricevitori in qualsiasi momento durante la simulazione

• Simulazione di più lotti con riciclo del materiale al lotto successivo

• Distillazione reattiva mediante reazioni basate sul tasso o sull'equilibrio

• Vari metodi per la stima della caduta di pressione e del contenuto in ogni stadio di piatti o di imballaggi

• Modellizzazione realistica del trasferimento di calore nella pentola e nel condensatore

• Riscaldatori e raffreddatori interstadio

• Perdita di calore all'ambiente

• Effetto dinamico della capacità termica dei materiali della colonna

• Capacità di includere e configurare i controller per manipolare le condizioni operative.

Definite:

• Setup

• Heat transefer

• Initial condition

• Operating step

1. Setup

2. Heat transefer

3.  Initial condition

4. Operating 

Imposto il riflusso iniziale ad un valore molto alto, approssimativamente tendente a infinito. Si impostano anche il tempo di utilizzo.

3. Progettazione interna colonne a piatti e riempimento

4. Absorbimento e strippaggio

5. Analisi sensibilità 

Disponibile nel Pannello di Navigazione → Strumenti di Analisi Modello → Sensitivity.
Permette di studiare l’effetto delle variazioni delle variabili di input sugli output di processo.
I risultati sono visualizzabili nel modulo "Results" nella cartella del blocco "Sensitivity".
È possibile tracciare grafici per visualizzare facilmente le relazioni tra le variabili.

Procedura per l’Analisi di Sensitività

1. Specificare le variabili manipolate (variate):  Variabili del flowsheet da modificare (foglio "Vary")

2. Definire gli intervalli di variazione:  I valori possono essere specificati come punti equidistanti in un intervallo o come elenco. Si può attivare o disattivare una variabile con la casella "Active".

3. Definire le variabili misurate (campioni):  Quantità calcolate durante la simulazione, usate al punto 4 (foglio "Define").

4. Specificare le quantità da calcolare e tabulare: Le variabili possono essere espressioni Fortran valide contenenti le variabili del punto 1 (foglio "Tabulate"). Il pulsante "Fill variables" popola automaticamente le variabili definite.
   
   

Dimostrazione – Analisi di Sensitività

Componenti: Benzene, Propilene, Cumene
Modello Termodinamico: RK-SOAVE
Feed: 100 °C, 2.5 bar, Benzene 20 kmol/h, Propilene 20 kmol/h
Scambiatore (Cool): 50 °C, ΔP = 0.007 bar
Reattore: Adiabatico, nessuna perdita di pressione, conversione del 90% del propilene
Separatore (Sep): Adiabatico, 1 atm

Obiettivo della sensibilità:
Determinare l’effetto della temperatura in uscita dal raffreddatore sulla purezza del prodotto.

• Variabile manipolata: Temperatura in uscita da COOL

• Variabile misurata: Frazione molare di cumene nello stream PRODUCT
  
  

Foglio Vary
Attiva/disattiva l’analisi di sensitività e le variabili manipolate.

Foglio Define
Aggiunta di variabili tramite copia/incolla o trascinamento da moduli input e output.
Si possono filtrare le variabili per categoria.

Foglio Tabulate
Crea una colonna per ogni variabile definita e formula desiderata. Personalizzabile nei titoli.

Note sull'accesso alle variabili

• Solo gli stream di alimentazione vanno modificati direttamente.

• Non variare Mass-Frac, Mole-Frac o StdVol-Frac nei feed: modificare invece Mass-Flow, Mole-Flow o StdVol-Flow.

• Se un blocco ha DUTY specificato, leggere/scrivere con la variabile DUTY; se DUTY è calcolato, usare QCALC.

• PRES è la pressione impostata, PDROP è quella usata nei calcoli.

• Le variabili di risultato del flowsheet non devono essere sovrascritte o variate.
  
  

Visualizzazione dei Risultati
Mostra le variabili manipolate e quelle calcolate.

Grafici Sensitivity Analysis
Usare il tool "Plot" nel Ribbon Home quando la tabella dei risultati è aperta.
È possibile selezionare una seconda variabile paramétrica per l'asse delle ascisse.

Grafico personalizzato
Quando non ci sono opzioni predefinite, usare "Add Curve" per aggiungere una variabile al grafico.
Usare "Merge Plot" per unire due grafici.

Case Studies
Permettono di eseguire una serie di simulazioni con diverse combinazioni di variabili manipolate.
Si inseriscono i dati nel foglio Case Studies.

Note sull'Analisi di Sensitività

• Solo le quantità in input al flowsheet devono essere variate.

• È possibile variare più input.

• La simulazione è eseguita per ogni combinazione a meno che non si usino i "Cases".

• Si può disattivare lo studio di sensitività e conservarlo per analisi future

6. Design specification0

Simili a un controllore in retroazione.  Permette di impostare un valore desiderato per una quantità calcolata, variando un input specifico.
Disponibile nel Pannello di Navigazione → Flowsheeting Options → Design Specs o nella scheda Manipulators.
Le specifiche di progetto modificano i risultati della simulazione, l’analisi di sensitività no.

Procedura per le Specifiche di Progetto

1. Definire le variabili misurate: Quantità calcolate del flowsheet (foglio Define).

2. Specificare la funzione obiettivo e il valore target: Equazione da soddisfare (foglio Spec).

3. Impostare la tolleranza: L’obiettivo è raggiunto se l’equazione è soddisfatta entro la tolleranza.

4. Specificare la variabile manipolata: Input da variare per soddisfare l’obiettivo (foglio Vary).

5. Definire l’intervallo di variazione: Estremi inferiore e superiore (foglio Vary).
   
   

Note sulle Specifiche di Progetto

• Solo le variabili in input possono essere manipolate.

• Fornire una buona stima iniziale accelera la convergenza.

• I risultati si visualizzano in:

  • Design-Spec Results

  • Results Summary → Convergence → DesignSpec Summary

  • Stream o Block Results
    
    

Convergenza delle Specifiche di Progetto

Se non converge:

1. Controllare che la variabile non sia ai limiti.

2. Verificare l’esistenza di una soluzione (magari con sensibilità).

3. Assicurarsi che la variabile influisca sull’obiettivo.

4. Fornire una stima migliore.

5. Ridurre l’intervallo o allentare la tolleranza.

6. Evitare regioni piatte della funzione obiettivo.

7. Modificare i parametri del blocco di convergenza (passo, algoritmo, iterazioni).
   
   

Metodo di Convergenza

Utilizza il Metodo delle Secanti con supporti (brackets), utile per funzioni non monotone.
Si basa su un polinomio quadratico a tre punti.
È possibile limitare la dimensione massima del passo.

Esempio - Specifica di Progetto

Determinare la temperatura in uscita dal raffreddatore necessaria per ottenere una purezza del cumene pari al 98% molare.

• Variabile manipolata: Temperatura in uscita da COOL

• Variabile misurata: Purezza (frazione molare) del cumene nel prodotto

Progetto finale

Estrazione + distillazione

Acqua - acido acetico - MTBE

Altro: Al-Malah, K.I.M. (2016). Introducing Aspen Plus. In Aspen Plus®, K.I.M. Al-Malah (Ed.). https://doi.org/10.1002/9781119293644.ch1