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)備或其一部分的藍圖.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)細節(jié)取決于Flowsheet的細節(jié)級別.這個級別可從粗糙的草圖到非常精細的復(fù)雜裝置的設(shè)計細節(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，只有一個反應(yīng)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計算機應(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、吸收器等加入流程圖時，方程數(shù)量很容易就成千上萬了。這種情況下，解這一系列代數(shù)方程就成為一個

2、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)上組分數(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&發(fā)展，設(shè)計，生產(chǎn)。在研究&發(fā)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對比加速發(fā)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。流程模擬的缺點就是缺乏與問題詳細的交互作用。這是一把雙刃劍，一方面可以隱藏問

3、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)界面基礎(chǔ)啟動AspenPlus，一個新的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)建你的工作表。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)建你的模擬，然后運行連接到另一個電腦的模擬引擎。這里我們使用Local PC模擬引擎。缺省值不變。點擊OK。下一步就是Aspen

4、 PlusTM主應(yīng)用窗口空白的流程圖窗口。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入窗口，完成后狀態(tài)信息會變?yōu)镽equired Input Incomplete（所需輸入未完成）。一個模擬只有在狀態(tài)信息顯示Required Input 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）：這個工具條包含Aspen Plus不同操作單元的內(nèi)置模型。文件有三種保存模式：Aspen Plus

5、文件，Aspen Plus備份文件和模板。Aspen Plus文件可保存結(jié)果和運行信息，但這是個二進制文件；備份文件則是標(biāo)準(zhǔn)的ASCII文本文件。如果你是Aspen 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。最后，項目和被保存為模板作為另一個模擬的起點。如果你正在一個項目上工作，則應(yīng)該保存為Aspen Plus文件，備份格式的文件將自動建立。反應(yīng)器模型有7個內(nèi)置的反應(yīng)器模型，RSTOIC（化學(xué)計量反應(yīng)器）、RYIELD（產(chǎn)率反應(yīng)器）、REQUIL（平衡反應(yīng)器）、RGIBBS（Gibbs反應(yīng)器）、RP

6、LUG（平推流反應(yīng)器）、RCSTR（全混釜反應(yīng)器）、RBATCH（間歇釜反應(yīng)器）。RPLUG，RCSTR，RBSTCH是嚴格對應(yīng)平推流、全混釜反應(yīng)和間歇反應(yīng)的。RSTOIC用于化學(xué)計量數(shù)已知但反應(yīng)動力學(xué)未知活可忽略的情況。如果反應(yīng)動力學(xué)和化學(xué)計量數(shù)都未知，則應(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RGIBBS。REQUIL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.嚴密的模型可包括內(nèi)置的冪次定律或Langmuir-Hinschelwood-

7、Hougen-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.例題:苯的高溫分解本教程將介紹苯高溫分解反應(yīng)用于Aspen Plus中RPLUG.Diphenyl(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,二級反應(yīng)還生成了triphenyl（C18H14）三苯。反應(yīng)如下： Murhpy,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，液態(tài)苯蒸發(fā)，加熱到反應(yīng)溫度，進入平推流反應(yīng)器，產(chǎn)物流冷凝，分析組分。結(jié)果如下反應(yīng)器尺寸：L=37.5in，D=0.5in

8、速率方程：速率常數(shù)：平衡常數(shù)：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=4.32；D=-3.15E-3；E=5.08E-7P=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？教程流程圖我們從添加

9、反應(yīng)器開始。選中反應(yīng)器，插入流程圖窗口，這時，窗口上有代表平推流反應(yīng)器的圖片出現(xiàn)，Aspen術(shù)語叫做Block（塊），默認名字為B1.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)流為默認圖標(biāo)。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，藍線是可選的加熱或冷卻流體的入口。選擇紅線連接給料流。物流的默認名稱為S1.同樣的，連接產(chǎn)品流。完成后，流程圖如下圖所示。仍有兩個亮的藍色箭頭表示所需熱負荷。這是可選的，我們繼續(xù)下一步?？吹綘顟B(tài)欄從Flowsheet Not Complete變?yōu)镽equired

10、Input Incomplete，點擊流圖標(biāo)上的箭頭，隱藏藍色箭頭，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。可以重命名流程圖中的圖標(biāo)。選中圖標(biāo)，右擊出現(xiàn)菜單，選擇Rename Block。重新命名為FEED、PRODUCT、REACTOR。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 Button。這個按鈕會帶你進入下一步，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

11、組分輸入表格點擊上圖中的OK，進入組分部分，數(shù)據(jù)瀏覽器。按圖中所示，輸入數(shù)據(jù)。Component ID就是組分的身份。這里組分比較簡單，使用化學(xué)式作為身份。從身份，Aspen可以調(diào)出名字和化學(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)選擇M-terphenyl，點擊Add。到下一步藍色的核對標(biāo)記表示這部分的最低要求達到了。這是點擊下一步將進入下一個輸入表格。這里先來修改Setup部分的默認值。Setup 輸入表格在Report Options中有一個有用的自定義，如下圖所示雖然是可選項，但是輸入一個標(biāo)題來描述你的項

12、目還是一個很好的主意。下面兩頁提出兩個建議。下一步，進入Properties輸入表格。Properties輸入表格在這一部分設(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菜單選擇whats 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。Streams輸入表格假設(shè)給料是大氣壓下的純苯。Blocks輸入表格現(xiàn)在輸入反應(yīng)器參數(shù)。首先假設(shè)入口條件為等溫。然后進入反應(yīng)器尺寸，輸入多管反應(yīng)器參數(shù)最后，定義反應(yīng)方程這里設(shè)為冪次定律動力學(xué)Reactions輸入表格這些表格中，首先要輸入每個反應(yīng)所有組分的化學(xué)計量系數(shù)和冪次定律系數(shù)，然后進入kinetics標(biāo)簽。在Aspen中，我們將2個可逆反應(yīng)描述為4個獨立的反應(yīng)，每個都有自己的動力學(xué)表達式。選擇New繼續(xù)，按照建議的參數(shù)填寫。下一步輸入第一個反應(yīng)的逆反應(yīng)。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)果如下動力學(xué)系數(shù)kinetics coefficients在下面詳細介紹，這和動力系數(shù)kinetic factor的表達不同。這是對反應(yīng)速率常數(shù)的更普遍的定義。當(dāng)T0忽略時Aspen默認返回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。所有需要的