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苯高温分解
P9
应用举例―――苯的高温分解
本教程介绍以苯在活塞流反应器中的高温裂解反应为例,对AspenPlus进行了介绍。
以下的三页将对该过程和相关数据进行详细说明。
联苯(C12H10)是工业生产中一种重要中间体,它的一种生产方法是由苯(C6H6)经高温裂解脱氢制得[1]。
在该过程中,还可能经过第2个反应式得到三联苯。
具体反应式如下:
以符号表示上式中各项:
A=C6H6,B=C12H10,C=C18H14,D=H2
Murhpy,LambandWatson对这些最初由Kassell提出的相关反应进行了实验并对数据进行了报导[2]。
在这些实验中,液相苯蒸发,加热到到反应温度然后进到活塞流反应器(PFR)。
产品物流经浓缩后分析检测其中的不同组分,实验结果在表2中列出。
表2P=1atm下的实验数据
温度(°F)
流速(lbmole/hr)
yA
yB
yC
yD
1400
0.0682
0.8410
0.0695
0.00680
0.0830
1265
0.0210
0.8280
0.0737
0.00812
0.0900
1265
0.0105
0.7040
0.1130
0.02297
0.1590
1265
0.0070
0.6220
0.1322
0.03815
0.2085
1265
0.0053
0.5650
0.1400
0.05190
0.2440
1265
0.0035
0.4990
0.1468
0.06910
0.2847
1265
0.0030
0.4820
0.1477
0.07400
0.2960
1265
0.0026
0.4700
0.1477
0.07810
0.3040
1265
0.0007
0.4430
0.1476
0.08700
0.3220
1265
0.0003
0.4430
0.1476
0.08700
0.3220
补充数据:
A=C6H6B=C12H10C=C18H14D=H2
反应管直径:
L=37.5in,D=0.5in
速率方程:
具体反应速率常数:
平衡常数:
参数值:
E1=30190cal/molA1=7.4652E6lbmole/h/ft3/atm2
E2=30190cal/molA2=8.6630E6lbmole/h/ft3/atm2
A’=-19.76A’’=-28.74
B’=-1692B’’=742
C’=3.13C’’=4.32
D’=-1.63E-3D’’=-3.15E-3
E’=1.96E-7E’’=5.08E-7
P=14.69595psiR=1.987cal/mol/K
练习:
下面的AspenPlus应用指南中使用的是表1中的T=1400°F,P=1atm的实验数据,在实验和模拟用的摩尔分率的百分数上由什么区别?
[1]H.S.Fogler,ElementsofChemicalReactionEngineering,3rded.,p.77-79,PrenticeHall,NewJersey,1999.
[2]G.B.Murphy,G.G.Lamb,andK.M.Watson,Trans.Am.Inst.Chem.Engrs.,
(34)429,1938.
指南
流程图
我们开始创建流程图,从模型库(ModelLibrary)工具条的反应器模块(Reactorstab)中选择一个反应器,加到流程窗口(ProcessFlowsheetWindow)。
内置的反应器模型有RSTOICH,RYIELD,REQUIL,RGIBBS,RCSTR,RPLUG和RBATCH。
点击相应模型右边的箭头,会出现不同的符号供用户选择添加到流程中。
在展开的RPLUG模型符号中选择左下的符号,在流程窗口中所需的地方加入绘制一个矩形符号的反应器。
现在流程窗口将会有一个表示你的活塞流反应器的图标,如下图所示。
在AspenPlus的术语中称为块(Block),因此,这里默认的命名为B1.。
现在在模型库工具条的流(STREAMS)这个模块中选择,它有三种,物流(Material)、热流(Heat)和功(Work),如下图所示。
默认的图标是物流
选择了物流后,在流程图上从B1的左边的一点向B1画一条线。
当你靠近块时,你会发现有两个亮显的箭头,红色的表示必须连接到反应器(RPLUG)的进料(FEED)。
蓝色的表示可以选择的加热或冷却的流体进口。
选择红色箭头与你的进料流体连接。
物流默认命名为S1。
同样的将你的产品物流与块连接。
连接后,流程图将如下图所示。
注意,表示完成热量衡算所需物流的两个兰色箭头依然会显示。
因为这些物流是可选择的,所以我们可以继续进行以下的操作。
注意,状态信息已经从FlowsheetNotComplete转变成了RequiredInputIncomplete。
点击物流上的箭头图标可以将兰色箭头隐藏,而且可以根据用户的喜好在流程上移动和排列这些图标。
将物流和块排列成一行是有用的。
可以在流程窗口画一个大的矩形选择所有的图标,然后点击鼠标右键激活右键菜单,在这个菜单上选择AlignBlocks即可。
如果你没有选择所有的图标而仅仅选了一个,那么激活的右键菜单是不一样。
你也可以对流程图上的对象改名。
首先选择想要改名的对象然后点击鼠标右键,激活右键菜单,选择RenameBlock。
下图就是对块B1改名的操作。
当我们将物流S1改名为FEED,S2改名为PRODUCT,块B1改名为REACTOR后,流程图窗口将如下图所示。
此时流程绘制部分已经完成,余下的输入条件将在输入表(InputForms)中完成。
不论何时,当你对下一步要做什么不确定时最好的方式就是点击Next按钮。
这个按钮会带你进行下一步操作或告诉你的输入中还缺少的数据。
到此我们已经知道,流程图已经完成,但是要求的输入条件还没有完成。
记住,如果不确定怎么做就点击Next按钮。
组分的输入
点击后会出现一个信息对话框,显示下一步输入操作,点击ok会进入数据浏览窗口(DataBrowser)的组分(Components)表页。
按要求将上图中所有的表格填满。
组分ID(ComponentID)实际上就是组分的一个别名。
在这个问题中处理的组分很简单,因此我们直接用他们的分子式做组分ID。
从这些组分ID,AspenPlus会自动填写名称(name)和分子式(formula)栏。
但是第四个组分会出现问题,因为同一个分子式有三个同分异构体:
间位(Meta-)、对位(Para-)和邻位(Ortho)三联苯。
对第四种组分选择另一种提示方式,在名称栏键入TERPHENYL,出现如下的对话框:
选择M-TERPHENYL,点击添加(Add),然后关闭对话框。
此时输入表格将会如下图所示。
兰色的检查标记表明这一表页所必须的输入条件已经完成。
现在,点击Next钮则会带用户进入下一个输入表页。
但是,让我们首先在Setup部分修改一下AspenPlus的默认选项。
因此在数据浏览窗口关闭Components表页,打开建立Setup表页。
Setup输入表页
对用户很有用的一个选项是输出选项(ReportOptions)。
下图是我的选择。
虽然是可选项,但是给你的项目一个名字和描述是一个不错的主意。
下两页的图给出这两项输入的参考。
Next按钮将会带你到性质(Properties)输入表页。
Properties输入表页
这一部分将建立不同组分的各种相关性质参数。
由于压力足够低,因此假设在理想条件下。
SYSOP0是AspenPlus内置提供的关于气相和液湘的理想状态方程。
如果想知道系统有关的信息,你可以选择帮助(Help)菜单中的What’sthis?
条,然后点击你感兴趣的内容。
大多数时候,会出现一个黄色的工具条对此进行简短的描述。
Streams输入表页
进料物流假设是在大气压力下的纯苯,其条件如例题所述。
Blocks输入表页
现在我们给定反应器的相关条件。
首先假设在反应进口温度下等温操作。
其次,我们定义反应器的物理直径。
注意关于反应器根数的选项。
最后,我们定义一个用于模拟的反应。
默认的反应名称为R-1。
该反应的动力学方程选择幂指数方程。
Reactions输入表页
在这个表页中,我们首先输入每个反应中每一组分的化学计量系数(stoichiometric)和幂指数方程的系数,然后再到动力学页(kineticstab)。
AspenPlus中,两个可逆反应要用四个单独的反应分别表示,每一个反应有自己的动力学表示。
如下图所示,选择New进行操作并填好表格。
完成了第一个反应后,在反应编号(ReactionNo.)表中选择New,然后如下图所示键入2作为下一个反应编号。
下面的图表示的是第一个反应的逆反应的系数,在AspenPlus的表示中,这个反应编号是2。
在输入中,要注意所有物质都以“每摩尔苯”作为基准。
这是一个非常重要的规则。
同样的,输入剩下的两个反应。
下页是反应的化学计量系数的结果。
下面四页给出了动力学参数输入的详细过程。
注意,动力学参数的定义是有一点区别的,常用的定义是给出反应的速率常数。
当忽略To时,AspenPlus默认返回到简化的Arrhenius方程。
要注意,不管别处的单位用什么,k的单位必须用SI制。
现在所有需要的输入已经完成,我们可以准备运行模拟了。
点击Next钮,出现以下的对话框。
控制面板
控制面板将显示我们模拟的过程。
所有的警告、出错和状态信息将会在此给出。
模拟完成后,点击控制面板(ControlPanel)上有选择标记的兰色文件夹图标可以对它们进行分析。
结果(Results)
结果摘要是默认输出的。
第一页是运行状态显示。
物流显示页给出了所有物流的结果。
可以比较一下摩尔分率的结果与开始给出的数据报告之间的差别。
在分布显示(profilesscreen)页中可以找到浓度、温度等沿反应器的分布。
这些结果可以通过作图菜单(Plotmenu)中的作图向导(PlotWizard)进行作图分析。
下面三页给出了浓度分布作图的大致步骤。
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