ASPEN-PLUS-反应器模拟教程

简介什么是ProcessFlowsheetProcessFlowsheet（流程图）可以简单理解为设备或其一部分的蓝图.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，只有一个反应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计算机应用来控制。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、吸收器等加入流程图时，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，AspenPlusTM，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&发展，设计，生产。在研究&发展阶段，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对比加速发展；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在密西根大学界面基础启动AspenPlus，一个新的AspenPlus对象有三个选项，可以OpenanExistingSimulation，从Template开始，或者用BlankSimulation创建你的工作表。这里选择blanksimulation。AspenPlusTm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创建你的模拟，然后运行连接到另一个电脑的模拟引擎。这里我们使用LocalPC模拟引擎。缺省值不变。点击OK。下一步就是AspenPlusTM主应用窗口——空白的流程图窗口。先熟悉下界面。状态信息FlowsheetNotComplete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RequiredInputIncomplete（所需输入未完成）。一个模拟只有在状态信息显示RequiredInputComplete（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（ModelLibraryToolbar）：这个工具条包含AspenPlus不同操作单元的内置模型。文件有三种保存模式：AspenPlus文件，AspenPlus备份文件和模板。AspenPlus文件可保存结果和运行信息，但这是个二进制文件；备份文件则是标准的ASCII文本文件。如果你是AspenPlus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。最后，项目和被保存为模板作为另一个模拟的起点。如果你正在一个项目上工作，则应该保存为AspenPlus文件，备份格式的文件将自动建立。反应器模型有7个内置的反应器模型，RSTOIC（化学计量反应器）、RYIELD（产率反应器）、REQUIL（平衡反应器）、RGIBBS（Gibbs反应器）、RPLUG（平推流反应器）、RCSTR（全混釜反应器）、RBATCH（间歇釜反应器）。RPLUG，RCSTR，RBSTCH是严格对应平推流、全混釜反应和间歇反应的。RSTOIC用于化学计量数已知但反应动力学未知活可忽略的情况。如果反应动力学和化学计量数都未知，则应用RYIELD。对单相化学平衡或均相和化学平衡计算，应用REQUIL或RGIBBS。REQUIL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幂次定律或Langmuir-Hinschelwood-Hougen-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.例题:苯的高温分解本教程将介绍苯高温分解反应用于AspenPlus中RPLUG.Diphenyl(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,二级反应还生成了triphenyl（C18H14）三苯。反应如下：66121022CHCHHƒ(1)66121018142DABCCHCHCHHƒ(2)Murhpy,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，液态苯蒸发，加热到反应温度，进入平推流反应器，产物流冷凝，分析组分。结果如下反应器尺寸：L=37.5in，D=0.5in速率方程：2111222()()BDAAAACDBBABBpprkpKpprkppK速率常数：111222exp()exp()ABEkARTEkART平衡常数：2122'ln''ln()''''ln''''ln()''''ABBKACTDTETTBKACTDTETT参数值：E1=30190cal/mol；E2=30190cal/molA1=7.4652E6lbmole/h/ft3/atm2；A2=8.6630E6lbmole/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练习：根据实验课指示，在AspenPlus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？教程流程图我们从添加反应器开始。选中反应器，插入流程图窗口，这时，窗口上有代表平推流反应器的图片出现，Aspen术语叫做Block（块），默认名字为B1.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。物质流为默认图标。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。选择红线连接给料流。物流的默认名称为S1.同样的，连接产品流。完成后，流程图如下图所示。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FlowsheetNotComplete变为RequiredInputIncomplete，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AlignBlocks。如果只是选中一个图标，出现的菜单将不同。可以重命名流程图中的图标。选中图标，右击出现菜单，选择RenameBlock。重新命名为FEED、PRODUCT、REACTOR。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NextButton。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OK，进入组分部分，数据浏览器。按图中所示，输入数据。ComponentID就是组分的身份。这里组分比较简单，使用化学式作为身份。从身份，Aspen可以调出名字和化学式。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，会出现选择M-terphenyl，点击Add。到下一步蓝色的核对标记表示这部分的最低要求达到了。这是点击下一步将进入下一个输入表格。这里先来修改Setup部分的默认值。Setup输入表格在ReportOptions中有一个有用的自定义，如下图所示虽然是可选项，但是输入一个标题来描述你的项目还是一个很好的主意。下面两页提出两个建议。下一步，进入Properties输入表格。Properties输入表格在这一部分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菜单选择what’sthis？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。Streams输入表格假设给料是大气压下的纯苯。Blocks输入表格现在输入反应器参数。首先假设入口条件为等温。然后进入反应器尺寸，输入多管反应器参数最后，定义反应方程这里设为幂次定律动力学Reactions输入表格这些表格中，首先要输入每个反应所有组分的化学计量系数和幂次定律系数，然后进入kinetics标签。在Aspen中，我们将2个可逆反应描述为4个独立的反应，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。下一步输入第一个反应的逆反应。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，结果如下动力学系数kineticscoefficients在下面详细介绍，这和动力系数kineticfactor的表达不同。这是对反应速率常数的更普遍的定义。当T0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。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。结果结果总结是默认显示的。第一页是运行状态Streams显示所有流的结果，可以与初始参数比较摩尔分率Profiles里面可以找到浓度、温度等沿反应器的分布。结果可以在Plot菜单分析。画摩尔浓度曲线可以根据下面三步：