ASPENPLUS反应器模拟教程.docx

.简介什么是 Process FlowsheetProcess Flowsheet（流程图） 可以简单理解为设备或其一部分的蓝图.它确定了所有的给料流 ,单元操作 ,连接单元操作的流动以及产物流. 其包含的操作条件和技术细节取决于Flowsheet的细节级别 .这个级别可从粗糙的草图到非常精细的复杂装置的设计细节.对于稳态操作 ,任何流程图都会产生有限个代数方程。例如，只有一个反应器和适当的给料和产物， 方程数量可通过手工计算或者简单的计算机应用来控制。但是， 当流程图复杂程度提高， 且带有很多清洗流和循环流的蒸馏塔、换热器、吸收器等加入流程图时，方程数量很容易就成千上万了。 这种情况下，解这一系列代数方程就成为一个挑战。然而，叫做流程图模拟的电脑应用专门解决这种大的方程组，Aspen PlusTM，ChemCadTM，PRO/IITM。这些产品高度精炼了用户界面和网上组分数据库。他们被用于在真是世界应用中， 从实验室数据到大型工厂设备。流程模拟的优点在设备的三个阶段都很有用：研究&发展，设计，生产。在研究& 发展阶段，可用来节省实验室实验和设备试运行； 设计阶段可通过与不同方案的对比加速发展； 生产阶段可用来对各种假设情况做无风险分析。流程模拟缺点人工解决问题通常会让人对问题思考的更深，找到新颖的解决方式，对假设的评估和重新评估更深入。 流程模拟的缺点就是缺乏与问题详细的交互作用。这是一把双刃剑，一方面可以隐藏问题的复杂性使你专注于手边的真正问题，另一方面隐藏的问题可能使你失去对问题的深度理解。历史AspenPlusTM 在密西根大学界面基础启动 AspenPlus，一个新的 AspenPlus 对象有三个选项，可以 Open an Existing Simulation ，从 Template 开始，或者用 BlankSimulation 创建你的工作表。这里选择 blank simulation 。;.Aspen PlusTm 的模拟引擎独立于它的图形用户界面（GUI）。你可以在一个电脑上使用GUI创建你的模拟，然后运行连接到另一个电脑的模拟引擎。这里我们使用Local PC模拟引擎。缺省值不变。点击OK。下一步就是Aspen PlusTM 主应用窗口空白的流程图窗口。先熟悉下界面。状态信息Flowsheet Not Complete 一直持续到完整的流程描述进入窗口，完成后状态信息会变为 Required Input Incomplete （所需输入未完成） 。一个模拟只有在状态信息显示 Required Input Complete （所需输入完成）时才能运行。对于最简单的流程图，必须有两股物流，一个 FEED，一个 PRODUCT，连接到单元操作设备，叫做REACTOR。模型库工具条（ Model Library Toolbar ）：这个工具条包含 Aspen Plus 不同操作单元的内置模型。;.文件有三种保存模式：Aspen Plus 文件， Aspen Plus 备份文件和模板。Aspen Plus 文件可保存结果和运行信息，但这是个二进制文件；备份文件则是标准的ASCII;.文本文件。如果你是Aspen Plus 专家，你可以直接在文件中更改，并作为输入从命令行发送到模拟器， 把文件从一台机器传送到另一台很容易，但是里边不再含有结果和运行信息。最后，项目和被保存为模板作为另一个模拟的起点。如果你正在一个项目上工作，则应该保存为 Aspen Plus 文件，备份格式的文件将自动建立。反应器模型有 7 个内置的反应器模型， RSTOIC（化学计量反应器） 、RYIELD（产率反应器） 、REQUIL（平衡反应器）、RGIBBS（ Gibbs 反应器）、RPLUG（平推流反应器） 、RCSTR（全混釜反应器） 、RBATCH（间歇釜反应器） 。RPLUG，RCSTR， RBSTCH是严格对应平推流、全混釜反应和间歇反应的。RSTOIC用于化学计量数已知但反应动力学未知活可忽略的情况。如果反应动力学和化学计量数都未知，则应用 RYIELD。对单相化学平衡或均相和化学平衡计算，应用 REQUIL或 RGIBBS。REQUIL计算基于同时解决化学计量数和相平衡计算，RGIBBS通过 Gibbs 自由能最小化解决模型。除了 RPLUG和 RBATCH,所有模型可有任意数量的物料流 .这些物料流内部混合 .严密的模型可包括内置的幂次定律或 Langmuir-Hinschelwood-Hougen-Watson 动力学或用户自定义的动力学.自定义的动力学可以用 Fortran 子程序或者 excel 工作表格定义 .例题 :苯的高温分解本教程将介绍苯高温分解反应用于Aspen Plus 中 RPLUG.Diphenyl(C12H10) 联苯是很重要的工业媒介 ,其一种生产方案为苯 (C6H6)的高温分解脱氢 ,过程中 ,二级反应还生成了 triphenyl （C18H14）三苯。反应如下：2C6 H 6 ? C12 H 10 H 2(1);.C6 H 6C12 H 10 ? C18 H 14H 2(2)ABCDMurhpy,Lamb 和 Watson 对最初由 Kassell 实施的这个实验得到一些实验数据.试验中，液态苯蒸发，加热到反应温度，进入平推流反应器，产物流冷凝，分析组分。结果如下反应器尺寸： L=37.5in， D=0.5in速率方程：2pB pDr1 Ak1A ( pA)速率常数：平衡常数：ln K1 Aln K 2 B参数值：r2 Bk2 B ( pA pBpC pD )K 2Bk1 AA1 exp(E1 )RTk2BA2 exp(E2 )RTAB C ln( T )D TE T 2TAB C ln( T )D TE T2TE1=30190cal/mol ； E2=30190cal/molA1=7.4652E6lbmole/h/ft3 /atm2 ； A2=8.6630E6 lbmole/h/ft3 /atm2A=-19.76； B=-1692； C=3.13；D=-1.63E-3； E=1.96E-7A=-28.74； B=742； C=4.32； D=-3.15E-3；E=5.08E-7P=14.69595psi;.R=1.987cal/mol/K练习：根据实验课指示，在 Aspen Plus 中使用手册复制 T=1400F 和 p=1atm 时表 1 的数据。实验和模拟的摩尔分率误差是多少？教程流程图我们从添加反应器开始。选中反应器，插入流程图窗口，这时，窗口上有代表平推流反应器的图片出现，Aspen 术语叫做 Block（块），默认名字为B1.;.选择工具条上 Streams 选项。 Aspen 有三种不同的物流种类：物质流，热流和功流。物质流为默认图标。选择物流图标后在流程图B1 左边向 B1 画一道线。当接近块时，会看到两个亮起来的箭头。红线是必须的给料，蓝线是可选的加热或冷却流体的入口。选择红线连接给料流。;.物流的默认名称为S1.同样的，连接产品流。完成后，流程图如下图所示。仍有两个亮的蓝色箭头表示所需热负荷。这是可选的，我们继续下一步。看到状态栏从Flowsheet NotComplete 变为 Required Input Incomplete ，点击流图标上的箭头，隐藏蓝色箭头，此时可以自由移动流程图上的图标，从而安排连接。需要注意的是： 将流和块对齐。 选中流程图上的所有图标，右击出现菜单， 选中 Align Blocks。如果只是选中一个图标，出现的菜单将不同。;.可以重命名流程图中的图标。选中图标，右击出现菜单，选择Rename Block。;.重新命名为FEED、PRODUCT、 REACTOR。;.到此，流程图绘制完毕，剩下的参数在输入表格中完成。当不知道下一步该做什么，最简单的做法是点击 Next Button 。这个按钮会带你进入下一步，或告诉你还缺少什么。此时，流程图完成了，但是还缺少必须的输入参数。点击将显示;.组分输入表格点击上图中的OK，进入组分部分，数据浏览器。按图中所示，输入数据。 Component ID 就是组分的身份。这里组分比较简单，使用化学式作为身份。从身份， Aspen 可以调出名字和化学式。第四种没有调出，是因为这个化学式有三种同分异构体：间三联苯，对三联苯，邻三联苯。在名称栏输入Terphenyl，会出现;.选择 M-terphenyl ，点击 Add。到下一步;.蓝色的核对标记表示这部分的最低要求达到了。这是点击下一步将进入下一个输入表格。这里先来修改Setup 部分的默认值。Setup输入表格在 Report Options 中有一个有用的自定义，如下图所示;.虽然是可选项， 但是输入一个标题来描述你的项目还是一个很好的主意。下面两页提出两个建议。;.;.下一步，进入Properties 输入表格。Properties输入表格在这一部分设置不同组分的物性。因为压力够低，这里选择理想条件。SYSOP0是 Aspen 中液相和气相理想特性的物性方法。 从 Help 菜单选择 what s this？可以得到对象的特性。 大多数时候一个黄色的提示框会给出合理的描述。;.Streams 输入表格假设给料是大气压下的纯苯。;.Blocks 输入表格现在输入反应器参数。首先假设入口条件为等温。;.然后进入反应器尺寸，输入多管反应器参数;.最后，定义反应方程;.这里设为幂次定律动力学;.Reactions输入表格这些表格中，首先要输入每个反应所有组分的化学计量系数和幂次定律系数，然后进入kinetics 标签。在Aspen 中，我们将2 个可逆反应描述为4 个独立的反应，每个都有自己的动力学表达式。选择New 继续，按照建议的参数填写。;.下一步输入第一个反应的逆反应。;.这里所有的化学计量数都以“1 摩尔苯”为基准，这一点很重要。以此类推，写完4 个方程，结果如下;.动力学系数kinetics coefficients 在下面详细介绍，这和动力系数kinetic factor 的表达不同。这是对反应速率常数的更普遍的定义。 当 T0 忽略时 Aspen 默认返回 Arrhenius 方程。这里的 k 必须是 SI 单位制，不管其他地方用的什么单位。;.;.;.;.所有需要的输入都完成了，准备好运行模拟。点击下一步出现下面的对话框控制面板控制面板会显示模拟过程。所有的警告，错误和状态信息都会显示。模拟成功完成后，我们可以按下控制面板工具条上的蓝色的文件夹图标分析。;.结果结果总结是默认显示的。第一页是运行状态;.Streams 显示所有流的结果，可以与初始参数比较摩尔分率;.Profiles 里面可以找到浓度、温度等沿反应器的分布。结果可以在Plot 菜单分析。;.画摩尔浓度曲线可以根据下面三步：;.;.;.;.