ASPENPLUS反应器模拟教程.docx

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ASPENPLUS反应器模拟教程

简介

什么是ProcessFlowsheet

ProcessFlowsheet〔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电脑应用来控制。

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，AspenPlusTM，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比照加速发展；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OpenanExistingSimulation，从Template开始，或者用BlankSimulation创建你的工作表。

这里选择blanksimulation。

AspenPlusTm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LocalPC模拟引擎。

缺省值不变。

点击OK。

下一步就是AspenPlusTM主应用窗口——空白的流程图窗口。

先熟悉下界面。

状态信息FlowsheetNotComplete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RequiredInputIncomplete〔所需输入未完成〕。

一个模拟只有在状态信息显示RequiredInputComplete〔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〔ModelLibraryToolbar〕：

这个工具条包含AspenPlus不同操作单元的内置模型。

文件有三种保存模式：

AspenPlus文件，AspenPlus备份文件和模板。

AspenPlus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AspenPlus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AspenPlus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AspenPlus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：

Murhpy,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：

速率常数：

平衡常数：

参数值：

E1=30190cal/mol；E2=30190cal/mol

A1=7.4652E6lbmole/h/ft3/atm2；A2=8.6630E6lbmole/h/ft3/atm2

A’=-19.76；B’=-1692；C’=3.13；D’=-1.63E-3；E’=1.96E-7

A’’=-28.74；B’’=742；C’’=4.32；D’’=-3.15E-3；E’’=5.08E-7

P=14.69595psi

R=1.987cal/mol/K

练习：

根据实验课指示，在AspenPlus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，流程图如下列图所示。

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FlowsheetNotComplete变为RequiredInputIncomplete，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AlignBlocks。

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RenameBlock。

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NextButton。

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。

ComponentID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到达了。

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ReportOptions中有一个有用的自定义，如下列图所示

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菜单项选择择what’sthis？

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kineticscoefficients在下面详细介绍，这和动力系数kineticfactor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：