用aspenplus模擬反應精餾[4頁]

1、 用aspen plus模擬反應精餾 杜建軍 梁云峰 樊希山 （大連理工大學化工系統(tǒng)工程研究所） 摘要：aspen plus是一款優(yōu)秀的化工過程穩(wěn)態(tài)模擬軟件，在這款軟件中集成了用于模擬反應精餾的模塊。本文基于aspen plus10.1版，首先介紹了aspen plus中反應精餾模塊的算法；然后以反應精餾制乙二醇為例，詳細介紹了如何在aspen plus的窗口模式下模擬反應精餾。關(guān)鍵詞：aspen plus 反應精餾 乙二醇 模擬中圖分類號：TQ028; TQ031 文獻標志碼：AAbstract:aspen plus is a powerful chemical steady simulat

2、ion software.A new,robust,efficient algorithm for solving reactive distillation problems is incorporated in a general-purpose flowsheeting environment.The algorithm is introduced in this article;In the end,reactive distillation producing EG is illumilated.Keyword: aspen plus reactive distillation EG

3、 simulation 反應精餾最初用于化學工業(yè)和石化工業(yè)的酯化過程,使反應產(chǎn)物從反應物中分離以提高產(chǎn)率。近來，反應精餾應用于酸氣的清洗操作中以提高分離效果。如氨處理過程就是一個很好的例子。同時，研究表明該技術(shù)也是分離異構(gòu)體的一種方法，如對二甲苯和間二甲苯的分離。在有副反應發(fā)生的情況下，反應精餾可以提高主反應的選擇性，有時甚至可以使主反應的選擇性達到100%。近十年來，人們注意到了反應精餾的經(jīng)濟性，從而使反應精餾成了工藝改進的一個研究熱點。美國過程模擬軟件公司aspentech在他們開發(fā)的化工過程穩(wěn)態(tài)模擬軟件aspen plus中集成了反應精餾模擬模塊。 Othmer和Leyes(1945)以

4、及Belek(1955)最早提出了設計和分析反應精餾問題的理論。由于反應精餾模型的復雜性，需要簡化模型以便使計算能進行。上世紀七十年代，報道了一系列解決反應精餾質(zhì)量平衡和能量平衡方程的計算機算法（Nelson,1971年；Saito等人,1971年；Suzuki等人,1971年）。像用于非反應精餾的程序一樣，這些算法能被分成三類：方程分割法，松弛法，牛頓法方程分割法的優(yōu)點是存儲快而高效，但是不同的方程和變量組合要求混合物對應不同的沸點范圍。另外，當物系的非理想性非常強時，這類算法非常難收斂。松弛法計算穩(wěn)定，但得到結(jié)果特別慢。直到現(xiàn)在，用于反應精餾模擬的牛頓類算法是完全基于純的牛頓法的。它是二次

5、方收斂的，而且它能很好的處理設計問題。但是它需要組分物性數(shù)據(jù)的導數(shù)，這些數(shù)據(jù)對理想物系是可以忽略的，但對非理想物系卻是非常重要的。因此，在一個多功能的流程模擬軟件中應用這類方法是不方便的，因為在軟件中提供多種復雜的物性數(shù)據(jù)計算模型供用戶選擇，組分物性數(shù)據(jù)的導數(shù)是很難計算的。原則上來說，類牛頓法能解決這個矛盾；但是，文獻中沒有報道。Boston研究了一種新的算法，這種算法是“內(nèi)-外”算法的擴展，它有效聯(lián)合了牛頓法的優(yōu)點和“內(nèi)-外”算法的優(yōu)點。這種新的算法，我們姑且稱之為“內(nèi)-外”法，是ASPEN PLUS中所有嚴格塔模型的基礎。該模型已經(jīng)成功應用于各種精餾塔和吸收/解吸塔，包括窄/寬沸程，高度非

6、理想性，三相，和組合塔，以及間歇精餾問題。反應精餾在ASPEN PLUS中被包括在塔模型內(nèi)，它能處理動力學反應，平衡反應以及電化學反應。反應可以發(fā)生在液相和（或）汽相。反應可以限制在塔的一段，不同的反應可以發(fā)生在塔的不同部分。對于動力學控制的反應，動力學數(shù)據(jù)可以以ASPEN PLUS給定的冪函數(shù)形式給出，或以用戶自定義方程給出。對于平衡反應，平衡常數(shù)可以從Gibbs自由能計算得到，或者從ASPEN PLUS一個內(nèi)建的二次方表達式計算得到。數(shù)學模型精餾模型一般以組分摩爾數(shù)來列方程。精餾塔假定每塊塔板都達到平衡，一塊平衡的塔板稱 為一個平衡級，圖1是一個平衡級示意圖。與平衡級相關(guān)的基本變量是汽，液

7、相流率，平衡反應限度，級溫，以及側(cè)線流率。假定汽液相混合均勻，汽液相焓，相平衡常數(shù)都是在這個假定基礎上計算得到的。如果是動力學反應，反應速率也是在這個假定基礎上計算得到的。平衡級序號是從塔頂?shù)剿滓来卧黾拥?。與第j塊平衡級相關(guān)的方程如下所示：質(zhì)量平衡： (1)相平衡： (2)化學反應平衡： (3)能量平衡：(4)必須要提到的是混合焓是由基礎參考態(tài)計算得到，因此，反應熱數(shù)據(jù)對于模型不是必要的。方程3中的平衡常數(shù)是溫度的函數(shù)，它能從參考態(tài)Gibbs自由能計算得到。通常平衡常數(shù)是由實驗得到，然后與方程3（或類似的方程）相關(guān)聯(lián)。方程3中的活度系數(shù)可以用一個合適的近似值代替，如摩爾分數(shù)，逸度，分壓。AS

8、PEN PLUS中有一個內(nèi)建的以溫度為變量的二次方表達式來計算平衡常數(shù)，它可以處理方程3的幾種不同形式。與冷凝器和再沸器相關(guān)的能量平衡方程被塔的特定方程代替。為了固定塔的操作條件，需要兩個獨立的參數(shù)，它們能從下列參數(shù)選擇：塔底流率，塔頂流率，回流比，蒸出率，液相回流率，汽相流率，冷凝器負荷，再沸器負荷。每一個平衡級方程是逐級列出的，中間的平衡級有側(cè)線出料。對于任何一個中間平衡級j，這些方程如下所示： （5） （6）如果沒有特別說明，一個中間級的熱負荷為，下面的方程定義了蒸發(fā)的汽相分率。 （7）如果是動力學反應，反應速率可由下式，ASPEN PLUS內(nèi)建的冪函數(shù)表達式給出： （8）一般來說，方程

9、中的各項參數(shù)是由實驗獲得的。當然，對于許多常見的反應，動力學方程可以從各種文獻中查到。使用方程計算反應速率時，每塊塔板的容液量(liquid hold up)或停留時間(residence time)需要給定。如果反應動力學不滿足冪函數(shù)形式，ASPEN PLUS也允許用戶自行設定動力學方程。上述方程組對于塔的模擬具有一般性，它既可以處理反應精餾模型，也可以處理非反應精餾模型。每一塊塔板上可以有多個反應發(fā)生；反應既可以是平衡反應，也可以是動力學反應，或是電化學反應；而且反應可以發(fā)生在任何相中。計算實例本文以反應精餾制乙二醇為例，基于ASPEN PLUS10.1版，詳細介紹ASPEN PLUS中模

10、擬反應精餾過程的方法。基本原理：乙二醇由環(huán)氧乙烷與水反應制得，其反應式為： C2H4O + H2OC2H6O2 （方程1） 在反應過程中，環(huán)氧乙烷和反應生成的乙二醇繼續(xù)反應生成副產(chǎn)物二甘醇（DEG）。其反應式如下： C2H4O + C2H6O2C4H10O3 （方程2）使用反應精餾工藝生產(chǎn)乙二醇有如下理由。1 在環(huán)氧乙烷水合反應體系中，產(chǎn)物乙二醇和反應物環(huán)氧乙烷揮發(fā)度相差很大，極易分離，所以在反應精餾塔中兩者可以迅速分離，提高反應的選擇性。2 反應精餾直接吸收反應熱供給分離所需要的熱量，無需任何輔助設備就達到熱集成，顯著的節(jié)省投資費和操作費。3 當前的生產(chǎn)工藝為了提高反應的選擇性，使水大大過量

11、，這樣就使后續(xù)分離消耗大量的能量，以及夾帶乙二醇損失。而由于反應精餾使反應的選擇性大大提高，從而使反應所需水量減少。這樣就可以將多效蒸發(fā)裝置去掉，簡化工藝流程。如圖2所示，整個反應精餾塔由10塊塔板組成，水從第一塊塔板進料，流量為26.3kmol/h，環(huán)氧乙烷由第六塊板進料，流量為27.53kmol/h。反應區(qū)為第一塊塔板到第六塊塔板，第七塊塔板到第十塊踏板為精餾區(qū)，塔底使用再沸器間接加熱，塔頂冷凝器冷卻，產(chǎn)品在塔底出料，塔頂為全回流。在ASPEN PLUS中，反應精餾集成在RadFrac塔模型中。RadFrac模型是ASPEN PLUS中的嚴格計算模型，可用于精餾，閃蒸，吸收，抽提，三相精餾

12、，反應精餾等各種操作的計算。首先在窗口中設置一個RadFrac模型的實例B1，設置好塔的進料，組成等常規(guī)參數(shù)，然后在塔模型B1中加入Reaction項，這就在塔中包含了反應（如圖下所示）。在這里需要設置反應區(qū)域，本反應精餾塔的反應區(qū)域為1-6塊塔板。同時還要設置反應區(qū)域塔板上的存液量（liquid hold up）,這是反應精餾的一個重要參數(shù)，它決定了塔板上的反應量，最終影響反應精餾的效果（如上圖所示）?；蛘咴O置反應的停留時間（residence times），這是一個替代參數(shù)，aspen plus會自動在兩者之間進行換算。但必須注意的是這兩個參數(shù)只能選其一。表1 反應速率方程反應Rate(m

13、ol/cm3s)H(kJ/mol)13.15109exp-9547/T(k)xEOxH2o-8026.3109exp-9547/T(k)xEOxEG-13.1完成以上工作后，接著設置反應速率方程及其動力學參數(shù)。如下兩圖所示，由于我們知道了反應動力學控制方程，所以將反應設為動力學控制（kenitics）方式。該反應的動力學方程取自參考文獻1，如表1所示。在ASPEN PLUS10.1中內(nèi)建的動力學方程的形式與(8)式有一點差別。為，而參考文獻1（如表1）提供的是是阿倫尼烏斯方程，這時將上圖中的n和T0兩項不填，即為阿倫尼烏斯方程形式。需要強調(diào)的是反應動力學常數(shù)k的單位一定要用國際標準單位制（SI

14、）；Cibasic要和方程相對應，該方程中使用的是組分的摩爾分數(shù)，因此選擇mole fraction,即摩爾分數(shù)。全部設置完成后，運行該程序，計算出結(jié)果如表2所示。并通過ASPEN PLUS的繪圖向?qū)?plot)繪出全塔的溫度分布曲線和全塔的液相摩爾分數(shù)分布曲線。表2反應精餾塔模擬計算結(jié)果塔板氣相流率kmol/h液相流率kmol/h溫度分布oC產(chǎn)物濃度mol1773.9800.3180.52.34e-82773.9800.3180.54.05e-73773.9800.3180.67.03e-64773.9800.2180.61.22e-45773.8798.4180.62.11e-36772.

15、1734.2182.10.03477707.8732.6182.20.03708706.2712.9183.70.07009686.6609.2199.30.356710582.9558.0251.20.811811531.726.31288.20.9056Amy R.Ciric，Deyao Gu在1994年使用混合整數(shù)線性規(guī)劃法模擬了乙二醇反應精餾塔，使用ASPEN PLUS所得模擬結(jié)果與之符合得很好。4 結(jié)論 4.1 在化工穩(wěn)態(tài)模擬軟件ASPEN PLUS中集成了反應精餾模塊，該模塊使用一種新型的算法，“內(nèi)-外”法。 4.2 由于使用了windows風格的界面，因而界面友好，使得整個模擬過程變得非常簡單。 4.3 ASPEN PLUS模擬所得結(jié)果可信度很高；將模擬所得乙二醇反應精餾結(jié)果和文獻報道進行比較，兩者符合很好。參考文獻1 Amy R.Ciric，Deyao Gu. J.AIChE Journal,1994,40(9):1479-14872 S.Venkat