行業白皮書
     Jennifer Dyment，艾斯本產品營銷部
     Claus Reimers，艾斯本產品管理部
     Ron Beck，艾斯本產品營銷部
     王志方，艾斯本技術顧問

    摘要
    本文介紹了一種包含粒狀固體與相應固體處理步驟的化工過程建模新方法。固體過程建模對于很多常見過程都是非常重要的，包括特種化學品、農用化學品、金屬和 礦業、制藥、生物燃料等等。優化或檢修固體過程面臨的主要挑戰包括流體和固體部分單獨建模引起的低效率設計、設備過度設計、高能耗需求、產量降低和質量變 化。

     引言
     很多工業生產過程除了流體之外，也包括固體處理工序，固體工序往往極大地影響整體過程性能、產品質量或能源需求。一般而言，工業生產過程的固體部分需要 完成一個或多個任務：制成微粒（如粒化、結晶），調節含水率（如干燥），通過化學反應改變成分（如流化床反應器），調節粒度分布（壓碎/研磨、分類、壓 塑）以及從流體中分離固體（如旋風分離、離心分離）。在開發含有上述一個或多個任務的固體過程時，通常會出現四個主要相互關聯的難題：

    流體和固體部分的單獨設計
     固體部分對整個過程性能的影響往往被忽視，被描述成簡單的分流器模型、電子制表工具或內部代碼。工藝工程師在模擬器內（如Aspen Plus）進行過程流體部分建模，而同一公司的微粒技術人員則采用電子制表工具（如Microsoft Excel®）進行過程固體部分建模。一般而言，由于數據傳送、不同的物流結構或物性不一致，該方法會出現錯誤和效率低下。因此，采用本工作流程不太可能 優化整個過程。

    設備過度設計導致的資本成本
     為了降低遇到瓶頸的風險，設備通常設計過度，從而導致大量資本成本。嚴格建模可以設計出適合大小的固體過程設備，減少再循環物流，從而盡量降低設備負荷。經常設計過度的固體過程設備包括粉碎機、壓實機和烘干機。

    高能需求導致的操作成本
     在大多數應用情況下，中間或最終產品的含水率必須嚴格符合規范要求，以便滿足后續過程步驟或作為最終產品進行售賣。為了確保微粒充分干燥，保持足夠低含 水率，以及通過液流分離大量的固體產品或中間產品，通常會消耗過多的能量。通過嚴格按照上述步驟建模，可節省大量能源（有報告稱，在干燥時可節省多達 30%的能源）。

    產品產量和質量的降低
     一個工藝設計是否盈利取決于最終產品的產量和質量。微粒制劑是一個既能提升質量又能提高產量的例子。為了生產無塵、流動性和一定屬性的粉末，從溶液或漿 液開始按配方調配微粒。大部分情況下可通過結晶、粒化/團聚或噴霧干燥實現。這些單元的設計和操作條件可以決定產品的粒度分布和含水率。

    在大多數情況下，固體部分雖然僅是整個生產過程中的一部分，但是對整個過程性能和最終產品質量會產生較大的影響。

    新工作流程：同一模擬環境下的流體和固體一體化模型
     為了解決工業過程缺少固體嚴格建模工具的問題，21世紀初期到2010年期間，德國固體專家和業內人士開發了獨立的固體模擬器——SolidSim。SolidSim引進一種通用流程模擬系統，準確描述微粒固體以及微粒技術機械和設備3。

    2012年2月，艾斯本收購了開發和銷售SolidSim的SolidSim 工程有限公司。2012年12月Aspen Plus V8正式發布，新版Aspen Plus與SolidSim技術單元操作模型結合增強了模型庫，，這些模型包括干燥模型、結晶模型、粒化和團聚模型、破碎研磨模型、分類模型、氣/固和固 液分離模型等。此外，還引進了易用的粒度分布定義工作流程，強化了結果顯示，僅需點擊按鈕即可查看粒度分布（如累積值、密度或RRSB）以及設備特定結 果。同時，Aspen Plus物流結果還顯示了特征直徑，如d25、d50或索特爾平均直徑（SMD）。

    這種增強技術可使Aspen Plus用戶在同一模擬環境下，采用相同的物性，實現流體和固體過程的建模而無需任何額外軟件使用費用，從而避免數據從一個模擬系統傳送至另一個模擬系統 時發生錯誤和低效率。由于考慮了整個過程，而非只有小部分，，用戶可以避免局部優化的次優設計。通過克服這一難題以及引入具體的固體建模，用戶可解決過度 設計產生的資本成本、能源和其他操作成本以及產品質量或產量降低問題。

    這種更全面的工作流的一個例子是整個尿素生產工藝的過程建模。由于該模型描述了上游尿素合成（流體部分）和下游尿素造粒（固體部分），嚴格考慮了各部分的 影響。例如，如果需要提高尿素工藝造粒部分流體化床冷卻器的空氣流速，則冷卻器將夾帶大量細料霧末。被夾帶的顆粒經文丘里洗滌器從氣流中脫離出來，溶解在 洗液里，隨后循環至合成部分。因此，冷卻器空氣流速的變化將影響上游尿素合成以及下游固體處理部分。

    固體建模單元庫
     全新固體建模庫結合了Aspen Plus V7已有的固體建模單元操作和從SolidSim中新引入的模型。目前，可提供十七個新的或改進的固體單元操作，如圖2所示，包括70多個不同的設備模 型。V8.2引入了輸送和流化床模型，V8.4增加了噴霧干燥器以及流化床模型內的反應建模。

                            圖2 Aspen Plus V8.4可用固體單元操作

     從概念模型到嚴格模型
     為了進一步簡化工作流，Aspen Plus V8.4引進了新的概念模型。概念模型增強了Aspen Plus原有固體模塊，允許用戶在不改變過程流程結構的前提下，建立從概念到嚴格的不同保真度的固體模型。有了概念模型，不擅長固體建模的工藝工程師就能 輕松學會如何使用這些功能。

    另一個好處是概念模型還能夠促進工藝工程師和微粒技術人員更加緊密的合作。建立流體和固體綜合過程模型時，工藝工程師能夠使用概念模型描述固體部分。第一 次模擬結果得出之后，工藝工程師可以確定哪一部分固體操作需要進行嚴格建模。如有必要，可尋求微粒技術人員幫助選擇并確定嚴格模型的參數。

    例如，概念模型可用來描述沉降離心機。在這種情況下，用戶可定義固體和流體分離以及分離銳度（分離曲線斜率）。隨后根據微粒沉降速度和用戶輸入量計算模型 分離曲線，這就是說，概念模型可充分考慮到主要分類特征。如果用戶決定更詳細地描述離心機，則可在不更改流程結構的前提下，切換到嚴格的設備模型。用戶可 規定離心機的幾何結構，并選擇不同的分類和離心機脫液。基于更嚴格的模型，可以計算出離心機模型的分離效率曲線。概念模型和嚴格模型分離效率曲線的對比如 圖3所示。圖中顯示，概念模型預測離心機的分類精度可以滿足不同的使用情況。

                     圖3 離心機概念模型（紅色曲線）和沉降離心機嚴格模型（藍色曲線）分離效率曲線對比圖

    從逐步到同步概念設計
     Aspen Plus是aspenONE工程集成產品套件的一部分。Aspen Plus支持集成工作流程，包括激活的經濟分析（用于估算資本和操作成本）、能源分析（用于夾點分析）以及換熱器設計與核算（用于設計和核算換熱器）。用 戶使用Aspen Plus進行固體建模時，可使用這些功能。

    行業用途
     雖然Aspen Plus V8固體建模自2012年12月才面世，但是Aspen Plus固體建模的用戶正在以驚人的速度增長。已有100多個企業開始使用Aspen Plus固體建模，包括陶氏化學公司5。

    參考文獻
     1 J.Y. Zhu, X.J. Pan, 進行纖維素乙醇生產的木質生物原料預處理：生物資源技術——技術與能源消耗評價，第13期第101卷，2010年7月，4992-5002頁，國際標準刊號 0960-8524
http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2009.11.007.

    2 J.Y. Zhu, X.J. Pan, 進行纖維素乙醇生產的木質生物原料預處理：生物資源技術——技術與能源消耗評價，第13期第101卷，2010年7月，4992-5002頁，國際標準刊號 0960-8524
http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2009.11.007.

    3 艾斯本。“艾斯本收購 SolidSim Engineering GmbH. 新聞稿發布. , 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. 使用流程模擬器進行固液過程整體優化，位于摘要與會議記錄：WCPT6 ，第六屆世界顆粒技術大會，紐倫堡，德國，2013
(http://reg.mcon-mannheim.de/onlineprogramm-mmv/render.aspx?kongressID=53&t=a&n=26775&speach=ENG)

    5 Dow, David Vickory，2013年優化大會，馬薩諸塞州，波士頓,
白皮書完整版本
(www.aspentech.com/Solids_Modeling_Chemical_Processes.pdf)