ASPEN-PLUS-反應(yīng)器模擬教程

1、簡介什么是 Process FlowsheetProcess Flowsheet流程圖可以簡單理解為設(shè)備或其一局部的藍(lán)圖 它確定了所有的給料流， 單元操作 ,連接單元操作的流動以及產(chǎn)物流 .其包含的操作條件和技術(shù)細(xì)節(jié)取決于 Flowsheet 的細(xì)節(jié)級別 這個級別可從粗糙的草圖到非常精細(xì)的復(fù)雜裝置的設(shè)計細(xì)節(jié) 對于穩(wěn)態(tài)操作 ，任何流程圖都會產(chǎn)生有限個代數(shù)方程。例如，只有一個反響器和適當(dāng)?shù)慕o料 和產(chǎn)物， 方程數(shù)量可通過手工計算或者簡單的電腦應(yīng)用來控制。 但是，當(dāng)流程圖復(fù)雜程度提 高，且?guī)в泻芏嗲逑戳骱脱h(huán)流的蒸餾塔、換熱器、吸收器等參加流程圖時，方程數(shù)量很容 易就成千上萬了。這種情況下， 解這一系

2、列代數(shù)方程就成為一個挑戰(zhàn)。 然而，叫做流程圖模 擬的電腦應(yīng)用專門解決這種大的方程組，Aspen PlusTM, ChemCadTM, PRO/IITM。這些產(chǎn)品高度精煉了用戶界面和網(wǎng)上組分?jǐn)?shù)據(jù)庫。 他們被用于在真是世界應(yīng)用中， 從實驗室數(shù)據(jù)到大 型工廠設(shè)備。流程模擬的優(yōu)點在設(shè)備的三個階段都很有用：研究 &開展，設(shè)計，生產(chǎn)。在研究 &開展階段，可用來節(jié)省實 驗室實驗和設(shè)備試運行； 設(shè)計階段可通過與不同方案的比照加速開展； 生產(chǎn)階段可用來對各 種假設(shè)情況做無風(fēng)險分析。流程模擬缺點人工解決問題通常會讓人對問題思考的更深， 找到新穎的解決方式， 對假設(shè)的評估和重新評 估更深入。 流程模

3、擬的缺點就是缺乏與問題詳細(xì)的交互作用。 這是一把雙刃劍， 一方面可以 隱藏問題的復(fù)雜性使你專注于手邊的真正問題， 另一方面隱藏的問題可能使你失去對問題的 深度理解。歷史AspenPlusTM 在密西根大學(xué)界面根底啟動 AspenPlus, 個新的 AspenPlus 對象有三個選項，可以O(shè)pen an Existing Simulation，從Template 開始，或者用 BlankSimulation 創(chuàng)立你的工作表。這里選擇 blank simulation 。Aspen PlusTm的模擬引擎獨立于它的圖形用戶界面GUI。你可以在一個電腦上使用GUI創(chuàng)立你的模擬，然后運行連接到另一個電

4、腦的模擬引擎。這里我們使用Local PC模擬引擎。缺省值不變。點擊 0K。下一步就是Aspen PlusTM主應(yīng)用窗口一一空白的流程圖窗口。先熟悉下界面。狀態(tài)信息Flowsheet Not Complete 一直持續(xù)到完整的流程描述進(jìn)入窗口，完成后狀態(tài)信息會變?yōu)镽equired In put In complete 所需輸入未完成。一個模擬只有在狀態(tài)信息顯示RequiredIn put Complete所需輸入完成時才能運行。對于最簡單的流程圖，必須有兩股物流，一個FEED 一個PRODUCT連接到單元操作設(shè)備，叫做REACTOR模型庫工具條Model Library Toolbar丨：這個

5、工具條包含 Aspen Plus不同操作單元的內(nèi)置模 型。lljF Aspen P|u& - Siniulaticm 2Mixcrt/S piittn*ScpaatvrHe* EnchangcMCd junrHi植型庫T具欄Rcattcn召 | Piawc CIkcqcie |* *F步按辺流稈圖設(shè)計區(qū)域Fls Edit flew Data Tods Run "owsbeet librAty Wrdo*rnigisi gg 巒曲齊創(chuàng)加皿卜lkl|數(shù)據(jù)瀏覽按filC:iEMPRum ZFtowfht FJot CcffipfetfrX,：民態(tài)信息Al -QMaterialSTR

6、EAMSwmjT| uMi>!fiFSpll SSpIt文件有三種保存模式：Aspen Plus文件，Aspen Plus備份文件和模板。Save A$?|x|File name:| diphenyl, apwSaveSave as 如m: I Aspen Plus Docunients (" apwCancelAASCIIAspen Plus文件可保存結(jié)果和運行信息，但這是個二進(jìn)制文件；備份文件那么是標(biāo)準(zhǔn)的文本文件。如果你是 Aspe n Plus專家，你可以直接在文件中更改，并作為輸入從命令行發(fā)送到模擬器，把文件從一臺機(jī)器傳送到另一臺很容易，但是里邊不再含有結(jié)果和運行信息。

7、最后，工程和被保存為模板作為另一個模擬的起點。如果你正在一個工程上工作，那么應(yīng)該保存為Aspen Plus文件，備份格式的文件將自動建立。反響器模型有7個內(nèi)置的反響器模型，RSTOIC化學(xué)計量反響器、RYIELD產(chǎn)率反響器、REQUIL平衡反響器、RGIBB Gibbs反響器、RPLU平推流反響器、RCSTR全混釜反響器、RBATCH間歇釜反響器。RPLUG RCSTR RBSTCH是嚴(yán)格對應(yīng)平推流、 全混釜反響和間歇反響的。 RSTOIC用于化學(xué)計量數(shù)但反響動力學(xué)未知活可忽略的情況。如果反響動力學(xué)和化學(xué)計 量數(shù)都未知，那么應(yīng)用RYIELD對單相化學(xué)平衡或均相和化學(xué)平衡計算，應(yīng)用REQUIL或

8、 RGIBBSREQUIL計算基于同時解決化學(xué)計量數(shù)和相平衡計算，RGIBBS通過Gibbs自由能最小化解決模型。除了 RPLUG和RBATCH所有模型可有任意數(shù)量的物料流這些物料流內(nèi)部混合嚴(yán)密的模型可包括內(nèi)置的幕次定律或Lan gmuir-Hi nschelwood-Houge n-Watson 動力學(xué)或用戶自定義的動力學(xué)自定義的動力學(xué)可以用Fortran子程序或者excel工作表格定義Table 1 Summary of reactor models in Aspen PlusModelStoichiometryKineticsRigorousFeedRSTOICYesNoNoAnyRYI

9、ELDNoNoNoAnyREQUILNoNoNoAnyRGIBBSNoNoNoAnyRBATCHYesYesYes1RCSTRYesYesYesAnyRPLUGYesYesYes1例題:苯的高溫分解本教程將介紹苯高溫分解反響用于Aspen Plus中RPLUG.Diphe ny l(C12H10)聯(lián)苯是很重要的工業(yè)媒介，其一種生產(chǎn)方案為苯(C6H6)的高溫分解脫氫，過程中，二級反響還生成了 triphenylC18H14三苯。反響如下：C6 H 6 C12 H 10Ci8 H 14 H 2ABCDMurhpy,Lamb和Watson對最初由Kassell實施的這個實驗得到一些實驗數(shù)據(jù).試驗中，

10、液態(tài)苯蒸發(fā)，加熱到反響溫度，進(jìn)入平推流反響器，產(chǎn)物流冷凝，分析組分。結(jié)果如下Table 2 Laboratory data forP = 1 atm,Temperature CF)Flow rate(Ibmole/hr)*yb咒14000.06820.84100,06950,008800.083012650 02100 82800.07370.008120090012650.0105070400J13O0,022970.159012650.00700.62200.13220,038150.208512650 00530 56500.14000.051900.24 斗 D12650.00350.

11、49900.16B0.069100.204712650.00300.43200J4770.074000.296012650.0026047000.14770.078100.304012650,00070.44300.14760.087000.322012650.00030.44300.14760,087000.3220反響器尺寸：L=37.5in, D=0.5in速率方程：2r1A «a(PapB pD )K1ABk2B ( pA pBpC pD )K2B速率常數(shù):k1AA| exp(k2BA exp(平衡常數(shù):ln K1AA'B'In K2bA''T

12、B''C'l n(T) D'T E'T2C''l n(T) D''T E''T2參數(shù)值：E1=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'='.32

13、； D'=-3.15E-3 ； E'='.08E-7 P=14.69595psiR=1.987cal/mol/K練習(xí)：根據(jù)實驗課指示，在Aspen Plus中使用手冊復(fù)制 T=1400F和p=1atm時表1的數(shù)據(jù)。實驗和模擬的摩爾分率誤差是多少？教程流程圖rie Ecit View D自怙 Tools Run Flowsheet library Window Help型羅1副 副Bi|列龜|看|圈吋念|切噸|釧刪|園 卜|卜|創(chuàng)國圍|團(tuán)我們從添加反響器開始。For Help, press FIGTEMPrl1It Complete /H1JLSTREAMS '

14、FiEtoic R¥iekl FlEHI R§ibbg FlC§TFl RPlug|R Balch選中反響器，插入流程圖窗口，這時，窗口上有代表平推流反響器的圖片出現(xiàn)，Aspen術(shù)語叫做Block塊，默認(rèn)名字為B1.ll|ll Aspen PJus - Simulation 1File Edit Vtew Data Tools Run FlowshMt Library Window Help啟舊 a|a|電|雀|團(tuán) 創(chuàng)吋念|卯噸 釧判 唾»|hJ團(tuán)刨|(zhì) Ml廠也歷創(chuàng)久|五卜|叮| 3i Process Flowsheet Window-Ini x|Miw

15、ers/SpStters Separators Heat EMchangers | 匚olumrtsAlMaterialSTREAMSFor Helpj press FlC:TEMP NUM|Fkjwstieet Mot CompleteReactorsPressure 匚hangersRPlugRStQicHYieMRGibbsRBatchHmHRCSTR選擇工具條上Streams選項。Aspen有三種不同的物流種類：物質(zhì)流，熱流和功流。物質(zhì)流選擇物流圖標(biāo)后在流程圖 B1左邊向B1畫一道線。當(dāng)接近塊時，會看到兩個亮起來的箭頭。 紅線是必須的給料，藍(lán)線是可選的加熱或冷卻流體的入口。選擇紅線連接

16、給料流?？趩⑴f副Bj電|回到 圈吋|鈿卯噸Q創(chuàng) 3|For Helpj press FlC:TEMPNUM物流的默認(rèn)名稱為 S1同樣的，連接產(chǎn)品流。完成后，流程圖如以下圖所示。仍有兩個亮的 藍(lán)色箭頭表示所需熱負(fù)荷。這是可選的，我們繼續(xù)下一步?？吹綘顟B(tài)欄從Flowsheet NotComplete變?yōu)镽equired In put In complete，點擊流圖標(biāo)上的箭頭，隱藏藍(lán)色箭頭，此時可以自由移動流程圖上的圖標(biāo)，從而安排連接。需要注意的是：將流和塊對齊。選中流程圖上的所有圖標(biāo)，右擊出現(xiàn)菜單，選中Align Blocks。如果只是選中一個圖標(biāo)，出現(xiàn)的菜單將不同。匚閣畫 俸囤 T科 皤|國吋

17、|鑫|崛噸|釧jg|園 丄I?ll»tl躍I刨|(zhì)鼻1|For Helpj press FlC:TEMPNUMlured Input IncompleteRen ame Block?？梢灾孛鞒虉D中的圖標(biāo)。選中圖標(biāo)，右擊出現(xiàn)菜單，選擇重新命名為 FEED PRODUCT REACTOR-!FEED REA匚TOR»lEXIPRODUCTblReactors Pressure ChangersRStoicHT1BLDRYiHd-mMaterialSTREAMRGibbsRCSTRMiwers/SpStters Separators Heat EMchangers | 匚olu

18、mrtsRBtchFor Helppress FlRPlugC:TEMPNUM|Requred Input Incomplete匚閣畫 俸囤 T科 皤|國吋|鑫|崛噸|釧jg|園 丄I?ll»tl躍I刨|(zhì)鼻1Process Flowsheet Window到此，流程圖繪制完畢，剩下的參數(shù)在輸入表格中完成。當(dāng)不知道下一步該做什么，最簡單的做法是點擊 Next Butt on。這個按鈕會帶你進(jìn)入下一步,或告訴你還缺少什么。此時，流程圖完成了，但是還缺少必須的輸入?yún)?shù)。點擊將顯示組分輸入表格點擊上圖中的0K,進(jìn)入組分局部，數(shù)據(jù)瀏覽器。按圖中所示，輸入數(shù)據(jù)。Component ID就是組分的

19、身份。這里組分比擬簡單，使用化學(xué)式作為身份。從身份，Aspen可以調(diào)知名字和化學(xué)式。第四種沒有調(diào)出，是因為這個化學(xué)式有 三種同分異構(gòu)體：間三聯(lián)苯，對三聯(lián)苯，鄰三聯(lián)苯。在名稱欄輸入Terphenyl,會出現(xiàn)Databank廠 Double click on component tc> add bo listAddMabches found : 3選擇M-terphenyl，點擊Add。到下一步FindName or Formula | AdvancedComponent name or formula : |TERPHENYLMatch only components beginning

20、with this string'll|ll> Aspen Plus - diphenyLapwFile Edit View Data Tools Run Plot Library Window He|p衛(wèi)0舊|魚囤會|團(tuán)壁|匸|吋|釦如|釧階|圍 卜|町國團(tuán)|劃 門審訐血他|處怕I*AJMaterialSTREAMSFor Helpj press FlICit-nliMy DocumentsmydipbenylNUMiRequred Input incomplete藍(lán)色的核對標(biāo)記表示這局部的最低要求到達(dá)了。這是點擊下一步將進(jìn)入下一個輸入表格。這里先來修改Setup局部的默認(rèn)值。

21、Setup輸入表格在Report Options中有一個有用的自定義，如以下圖所示File Edit View Data Tools Run Plot Library Window He|p衛(wèi)0舊|勇|固電隱|皤|必2|釦如|釧階|圍?|ljj國團(tuán)|劃AJMaterialSTREAMSFor Helppress Fl匚:V .nMy Docimentsmyc|phenylNUM(Required Input CompleteF面兩頁提出兩個雖然是可選項，但是輸入一個標(biāo)題來描述你的工程還是一個很好的主意。 建議。File Edit View Data Tools Run Plot Library

22、 Window He|p衛(wèi)0舊|魚囤會|團(tuán)壁|匸|吋|釦如|釧階|圍 卜|町國團(tuán)|劃 門審訐血他|處怕I*AJMaterialSTREAMSFor Helpj press FlICit-nliMy DocumentsmydipbenylNUMiRequred Input incomplete下一步，進(jìn)入Properties輸入表格。Properties輸入表格在這一局部設(shè)置不同組分的物性。因為壓力夠低，這里選擇理想條件。SYSOP0是 Aspen中液相和氣相理想特性的物性方法。從Help菜單項選擇擇 what 'this ?可以得到對象的特性。大多數(shù)時候一個黃色的提示框會給出合理的描述

23、。Streams輸入表格假設(shè)給料是大氣壓下的純苯。File Edit View Data Toots Run Plot Library Window Hd00舊I副住|電i劃特11j±ll 卜I m|h|園圏I置迪訐業(yè)業(yè)血1川丘 Stream FEED (MATERIAL) Input - Data Browser|© InpuT也R5 |ENG 弓"I «|AH F口| 堂| N»|SetupComponents Properties Streams 豈 FEED® InputI | ResultsS 仁| PRODUCT* 血 B

24、locky± 二| Reactions 宜二| Convergence + _j Flwmtinr門廠討尺 +' 二| Model Analysis Tools 莊仁_ Resufcs Summary/Specificatians| Flash OptionsSutnstream name: |yMIXEDI emparatuie|j|1I4COIFdRessure巴|14.B3595|psi2Jr Sidle variablesPSDComponent Attr.zJComposition| Mole-Fr« T |Totat |iLets you type th

25、e component Blow, fraction or concentration. S比 Help.Input CompleteaJMaterialSTREAMSMixers/Sp litters|For Helpj press FlSeparators Heat Exdhangeirs Columns | Reactors |MixetPressure ChangersI AbdC：V-nMy DocuimentsmydiphenylNUM|Requred Input IncompleteBlocks輸入表格現(xiàn)在輸入反響器參數(shù)。首先假設(shè)入口條件為等溫。File Edit View Da

26、ta Toots Run Plot Library Window Hd0p |h a|a|電|龜|皤|圈吋|細(xì)削|釧 刮|國上Mixers/Splitters Separators Heat Exdhangers Columns | Reactors | Pressure Changers | 娟 I *AJMaterialSTREAMSMixeiFSpMSSplitFor Helppress FlC：V-nMy DocuimentsmydiphenylNUM|Requred Input Incomplete然后進(jìn)入反響器尺寸，輸入多管反響器參數(shù)File Edit View Data Toot

27、s Run Plot Library Window Hd0p |h a|a|電|龜|皤|圈吋|細(xì)削|釧 刮|國上Mixers/SplittersSeparators Heat Exchangers | Columns (| Reactors Pressure ChangersAJMaterialSTREAMSMixeiFSpMSSplitFor Helppress FlC：V-nMy DocuimentsmydiphenylNUM|Requred Input Incomplete最后，定義反響方程File Edit View Data Toots Run Plot Library Window

28、 Hd0p |h a|a|電|龜|皤|圈吋|細(xì)削|釧 刮|國上Separators Heat Exdhangeirs Columns | Reactors | Pressure ChangersAJMaterialSTREAMSMixers/Sp littersMixetFSpftSSplit|For Helpj press FlC：V-nMy DocuimentsmydiphenylNUM|Requred Input Incomplete這里設(shè)為幕次定律動力學(xué)File Edit View Data Tools Run Plot Library Window He|p衛(wèi)0舊|魚囤會|團(tuán)壁|匸|

29、吋|釦如|釧階|圍 卜|町國團(tuán)|劃 門審訐血他|處怕I*Mixers/Splitters | Separators Heat Exdhangeirs Colunms | Reactors | ftessure Changers | 娟 I *Ml fit曰I已I1 MJflH| FTOLIFT | HUT |S T REAM S' Mbw F5p& SSplitFor Helpj press FlICit-nliMy DocumentsmydipbenylNUMiRequred Input incompleteReactions 輸入表格這些表格中，首先要輸入每個反響所有組分的

30、化學(xué)計量系數(shù)和幕次定律系數(shù)，然后進(jìn)入kinetics標(biāo)簽。在Aspen中，我們將2個可逆反響描述為 4個獨立的反響，每個都有自己的 動力學(xué)表達(dá)式。選擇 New繼續(xù)，按照建議的參數(shù)填寫。File Edit View Data Toots Run Plot Library Window Hd0 |國舊I魚| 電|龜|冒|圈吋剣曲|釧凹|國丄丘 Reactions Reactions R-l (POWERLAW) - Data Browser刁也ns |eng<h*i «ii| Setup Components| Properties| Streams Blocks| Reactio

31、nsJj| Chemistry ttionsR-l二 Convergence二| Flowsheeting Options 口 Model Analysis Took' Results Summaryv StoichiometryKinetic | EquilibriumRxnNcnReactian 舸托StoichiometryEdit IDdete IMaterialSTREAMSMixers/Splitters | Separators Heat Exdhangeirs Colunms | Reactors | ftessure Changers | 娟 I *|For Help

32、j press FlC：V-nMy DocuimentsmydiphenylNUM|Requred Input IncompleteRequired Inpot ncomplete下一步輸入第一個反響的逆反響。這里所有的化學(xué)計量數(shù)都以“ 1摩爾苯為基準(zhǔn)，這一點很重要。以此類推，寫完4個方程，結(jié)果如下'll|ll'Aspen Plus - diphenyldpwFile Edit View Data Toots Run Plot Library Window Hd0Q|H|遭|囲 電|龜|卷11國吋念|卯甸釧 申|園 卜I ：Iwl圍圜|笑| 門#際心他|處怕|kMaterial

33、STREAMSC：V-nMy DocumentsmydiphenylNUM|For Helppress Fl動力學(xué)系數(shù)kinetics coefficients在下面詳細(xì)介紹，這和動力系數(shù) kinetic factor的表達(dá)不同。 這是對反響速率常數(shù)的更普遍的定義。當(dāng)TO忽略時Aspen默認(rèn)返回Arrhenius方程。這里的k必須是SI單位制，不管其他地方用的什么單位。p |h a|a|電|龜|皤|圈吋|細(xì)削|釧 刮|國丄丘 Reactions Reactions R-l (POWERLAW) - Data Browser3 sRb |eng 73«|Aii 2d 窗附 I3 a s

34、 曰 3SetupComponentsProperties Streams創(chuàng) locksReactions：Jj| ChemistryReactions©R-l匸Convergen匚已_| Flowsheeting Options二j Modtel Analysis Tools “ Results Summary/Stoichiometry14) C18H14+ H2-> CSHE* C12H10Rwcting phasr |Vapor T |Rower Law knetic expressionKhetic factoi=kT/Tone忙陽門T-VTok7.9544E-OBm

35、eE:30190MmolTo:F：Ci| basis:Partial pressureEdit reactionszJLets you type refeience temperature in Kelvin , Celsius. Fahrenheit or Rankine.InpMt 匚口 mpleteAJMaterialSTREAMSMixers/Sp littersSeparators Heat Exdhangeirs Columns | Reactors | Pressure Changers 3|For Helpj press Fl|C：V-riMy Docunentsmydphen

36、yl|numR已quiired Input Complete所有需要的輸入都完成了，準(zhǔn)備好運行模擬。點擊下一步出現(xiàn)下面的對話框Required Input Complete2dAll retjulred input Is complete. You wn run ths 引mutation now, or you cari 亡nt料 more input. To writer more input, select Cancel then select the options you 円ant frofn the Data pulldown meniLRun the sipnultior row

37、?QK | Cancel I控制面板控制面板會顯示模擬過程。所有的警告，錯誤和狀態(tài)信息都會顯示。模擬成功完成后，我們可以按下控制面板工具條上的藍(lán)色的文件夾圖標(biāo)分析。二團(tuán)| |圈團(tuán)| fJlYl鋼那么噸|“|空1|屈丄|卜|訶園圏|創(chuàng)Separators Heat Exdhangeirs Columns | Reactors | Pressure Changers I jd_LMaterialSTREAMSMixers/Sp littersSimiiation run completed!MixetC：t .nMy DocumeritsmydiphenylNUMResults Available結(jié)果結(jié)果總結(jié)是默認(rèn)顯示的。第一頁是運行狀態(tài)d |q|a|電|團(tuán) 皤|百|(zhì)創(chuàng)鈿卯甸釧 申| pi|For Helpj press FlC:.nMy DocummtsmydipheriylF'esults AvailableNUMStreams顯示所有流的結(jié)果，可以與初始參數(shù)比擬摩爾分率llllb Aspen Plus - diphenyLapwFile Edit View Data Toots Run Plot Library Window Hd0國舊團(tuán) 電|龜|冒|罰吋|鑫|崛噸QI申|屈 丄