ASPEN-PLUS-反应器模拟教程

1、简介什么是 Process FlowsheetProcess Flowsheet流程图可以简单理解为设备或其一局部的蓝图 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，只有一个反响器和适当的给料 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、吸收器等参加流程图时，方程数量很容 易就成千上万了。这种情况下， 解这一系

2、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 &开展，设计，生产。在研究 &开展阶段，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开展； 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

3、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 在密西根大学界面根底启动 AspenPlus, 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 创立你的工作表。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创立你的模拟，然后运行连接到另一个电

4、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 0K。下一步就是Aspen PlusTM主应用窗口一一空白的流程图窗口。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 In put In complete 所需输入未完成。一个模拟只有在状态信息显示RequiredIn put 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丨：这个

5、工具条包含 Aspen Plus不同操作单元的内置模 型。lljF Aspen P|u& - Siniulaticm 2Mixcrt/S piittn*ScpaatvrHe* EnchangcMCd junrHi植型库T具栏Rcattcn召 | Piawc CIkcqcie |* *F步按辺流稈图设计区域Fls Edit flew Data Tods Run "owsbeet librAty Wrdo*rnigisi gg 巒曲齐创加皿卜lkl|数据浏览按filC:iEMPRum ZFtowfht FJot CcffipfetfrX,：民态信息Al -QMaterialSTR

6、EAMSwmjT| uMi>!fiFSpll SSpIt文件有三种保存模式：Aspen Plus文件，Aspen Plus备份文件和模板。Save A$?|x|File name:| diphenyl, apwSaveSave as 如m: I Aspen Plus Docunients (" apwCancelAASCIIAspen Plus文件可保存结果和运行信息，但这是个二进制文件；备份文件那么是标准的文本文件。如果你是 Aspe n 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。

7、最后，工程和被保存为模板作为另一个模拟的起点。如果你正在一个工程上工作，那么应该保存为Aspen Plus文件，备份格式的文件将自动建立。反响器模型有7个内置的反响器模型，RSTOIC化学计量反响器、RYIELD产率反响器、REQUIL平衡反响器、RGIBB Gibbs反响器、RPLU平推流反响器、RCSTR全混釜反响器、RBATCH间歇釜反响器。RPLUG RCSTR RBSTCH是严格对应平推流、 全混釜反响和间歇反响的。 RSTOIC用于化学计量数但反响动力学未知活可忽略的情况。如果反响动力学和化学计 量数都未知，那么应用RYIELD对单相化学平衡或均相和化学平衡计算，应用REQUIL或

8、 RGIBBSREQUIL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幕次定律或Lan gmuir-Hi nschelwood-Houge n-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Table 1 Summary of reactor models in Aspen PlusModelStoichiometryKineticsRigorousFeedRSTOICYesNoNoAnyRYI

9、ELDNoNoNoAnyREQUILNoNoNoAnyRGIBBSNoNoNoAnyRBATCHYesYesYes1RCSTRYesYesYesAnyRPLUGYesYesYes1例题:苯的高温分解本教程将介绍苯高温分解反响用于Aspen Plus中RPLUG.Diphe ny l(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，二级反响还生成了 triphenylC18H14三苯。反响如下：C6 H 6 C12 H 10Ci8 H 14 H 2ABCDMurhpy,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，

10、液态苯蒸发，加热到反响温度，进入平推流反响器，产物流冷凝，分析组分。结果如下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反响器尺寸：L=37.5in, D=0.5in速率方程：2r1A «a(PapB pD )K1ABk2B ( pA pBpC pD )K2B速率常数:k1AA| exp(k2BA exp(平衡常数:ln K1AA'B'In K2bA''T

12、B''C'l n(T) D'T E'T2C''l n(T) D''T E''T2参数值：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rie Ecit View D自怙 Tools Run Flowsheet library Window Help型罗1副 副Bi|列龜|看|圈吋念|切吨|釧刪|园 卜|卜|创國圍|團我们从添加反响器开始。For Help, press FIGTEMPrl1It Complete /H1JLSTREAMS '

14、FiEtoic R¥iekl FlEHI R§ibbg FlC§TFl RPlug|R Balch选中反响器，插入流程图窗口，这时，窗口上有代表平推流反响器的图片出现，Aspen术语叫做Block块，默认名字为B1.ll|ll Aspen PJus - Simulation 1File Edit Vtew Data Tools Run FlowshMt Library Window Help启旧 a|a|电|雀|團 创吋念|卯吨 釧判 唾»|hJ團刨| Ml厂也历创久|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

16、给料流。口启旧副Bj电|回到 圈吋|鈿卯吨Q创 3|For Helpj press FlC:TEMPNUM物流的默认名称为 S1同样的，连接产品流。完成后，流程图如以下图所示。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 In put In complete，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。匚阁画 俸囤 T科 皤|国吋

17、|鑫|崛吨|釧jg|园 丄I?ll»tl躍I刨|鼻1|For Helpj press FlC:TEMPNUMlured Input IncompleteRen ame Block。可以重命名流程图中的图标。选中图标，右击出现菜单，选择重新命名为 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匚阁画 俸囤 T科 皤|国吋|鑫|崛吨|釧jg|园 丄I?ll»tl躍I刨|鼻1Process Flowsheet Window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 Butt on。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0K,进入组分局部，数据浏览器。按图中所示，输入数据。Component ID就是组分的

19、身份。这里组分比拟简单，使用化学式作为身份。从身份，Aspen可以调知名字和化学式。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Databank厂 Double click on component tc> add bo listAddMabches found : 3选择M-terphenyl，点击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卫0旧|鱼囤会|團壁|匸|吋|釦如|釧阶|圍 卜|町國團|劃 門审讦血他|处怕I*AJMaterialSTREAMSFor Helpj press FlICit-nliMy DocumentsmydipbenylNUMiRequred Input incomplete蓝色的核对标记表示这局部的最低要求到达了。这是点击下一步将进入下一个输入表格。这里先来修改Setup局部的默认值。

21、Setup输入表格在Report Options中有一个有用的自定义，如以下图所示File Edit View Data Tools Run Plot Library Window He|p卫0旧|勇|固电隐|皤|必2|釦如|釧阶|圍?|ljj國團|劃AJMaterialSTREAMSFor Helppress Fl匚:V .nMy Docimentsmyc|phenylNUM(Required Input CompleteF面两页提出两个虽然是可选项，但是输入一个标题来描述你的工程还是一个很好的主意。 建议。File Edit View Data Tools Run Plot Library

22、 Window He|p卫0旧|鱼囤会|團壁|匸|吋|釦如|釧阶|圍 卜|町國團|劃 門审讦血他|处怕I*AJMaterialSTREAMSFor Helpj press FlICit-nliMy DocumentsmydipbenylNUMiRequred Input incomplete下一步，进入Properties输入表格。Properties输入表格在这一局部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 '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

23、。Streams输入表格假设给料是大气压下的纯苯。File Edit View Data Toots Run Plot Library Window Hd00旧I副住|电i劃特11j±ll 卜I m|h|园圏I置迪讦业业血1川丘 Stream FEED (MATERIAL) Input - Data Browser|© InpuT也R5 |ENG 弓"I «|AH F口| 堂| N»|SetupComponents Properties Streams 岂 FEED® InputI | ResultsS 仁| PRODUCT* 血 B

24、locky± 二| Reactions 宜二| Convergence + _j Flwmtinr门厂讨尺 +' 二| Model Analysis Tools 庄仁_ 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输入表格现在输入反响器参数。首先假设入口条件为等温。File Edit View Da

26、ta Toots Run Plot Library Window Hd0p |h a|a|电|龜|皤|圈吋|細削|釧 刮|國上Mixers/Splitters Separators Heat Exdhangers Columns | Reactors | Pressure Changers | 娟 I *AJMaterialSTREAMSMixeiFSpMSSplitFor Helppress FlC：V-nMy DocuimentsmydiphenylNUM|Requred Input Incomplete然后进入反响器尺寸，输入多管反响器参数File Edit View Data Toot

27、s Run Plot Library Window Hd0p |h a|a|电|龜|皤|圈吋|細削|釧 刮|國上Mixers/SplittersSeparators Heat Exchangers | Columns (| Reactors Pressure ChangersAJMaterialSTREAMSMixeiFSpMSSplitFor Helppress FlC：V-nMy DocuimentsmydiphenylNUM|Requred Input Incomplete最后，定义反响方程File Edit View Data Toots Run Plot Library Window

28、 Hd0p |h a|a|电|龜|皤|圈吋|細削|釧 刮|國上Separators Heat Exdhangeirs Columns | Reactors | Pressure ChangersAJMaterialSTREAMSMixers/Sp littersMixetFSpftSSplit|For Helpj press FlC：V-nMy DocuimentsmydiphenylNUM|Requred Input Incomplete这里设为幕次定律动力学File Edit View Data Tools Run Plot Library Window He|p卫0旧|鱼囤会|團壁|匸|

29、吋|釦如|釧阶|圍 卜|町國團|劃 門审讦血他|处怕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 输入表格这些表格中，首先要输入每个反响所有组分的

30、化学计量系数和幕次定律系数，然后进入kinetics标签。在Aspen中，我们将2个可逆反响描述为 4个独立的反响，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。File Edit View Data Toots Run Plot Library Window Hd0 |国旧I鱼| 电|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下一步输入第一个反响的逆反响。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'll|ll'Aspen Plus - diphenyldpwFile Edit View Data Toots Run Plot Library Window Hd0Q|H|遭|囲 电|龜|卷11国吋念|卯甸釧 申|园 卜I ：Iwl圍圜|笑| 門#际心他|处怕|kMaterial

33、STREAMSC：V-nMy DocumentsmydiphenylNUM|For Helppress Fl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。 这是对反响速率常数的更普遍的定义。当TO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。p |h a|a|电|龜|皤|圈吋|細削|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创 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忙阳门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。二團| |圈團| fJlYl鋼那么吨|“|空1|屈丄|卜|诃園圏|创Separators Heat Exdhangeirs Columns | Reactors | Pressure Changers I jd_LMaterialSTREAMSMixers/Sp littersSimiiation run completed!MixetC：t .nMy DocumeritsmydiphenylNUMResults Available结果结果总结是默认显示的。第一页是运行状态d |q|a|电|團 皤|百|创鈿卯甸釧 申| pi|For Helpj press FlC:.nMy DocummtsmydipheriylF'esults AvailableNUMStreams显示所有流的结果，可以与初始参数比拟摩尔分率llllb Aspen Plus - diphenyLapwFile Edit View Data Toots Run Plot Library Window Hd0国旧團 电|龜|冒|罚吋|鑫|崛吨QI申|屈 丄