化工流程模拟软件Aspen Plus实例详解

钟立梅；王英龙；仇汝臣；齐建光；孟凡庆；李鑫

目录

  • 1 初步认识Aspen Plus软件
    • 1.1 化工流程模拟简介
    • 1.2 Aspen Tech系列产品
    • 1.3 Aspen Plus软件主要功能特点简介
    • 1.4 本章练习
  • 2 Aspen Plus模拟入门
    • 2.1 模拟案例
    • 2.2 模拟操作过程
      • 2.2.1 丙烷液化未加循环
      • 2.2.2 丙烷液化循环
    • 2.3 Aspen Plus功能详解
      • 2.3.1 模板
      • 2.3.2 用户界面
      • 2.3.3 检索组分
      • 2.3.4 物性方法的选择
      • 2.3.5 全局设定
      • 2.3.6 编辑流程图
      • 2.3.7 模型库
      • 2.3.8 Mixers/Splitters模型
        • 2.3.8.1 Mixer模型功能详解
        • 2.3.8.2 FSplit模型功能详解
        • 2.3.8.3 SSplit模型功能详解
    • 2.4 本章练习
  • 3 简单模型
    • 3.1 简单分离器
      • 3.1.1 模拟案例
      • 3.1.2 乙二醇水糠醛简单分离流程模拟
      • 3.1.3 Aspen Plus功能详解
        • 3.1.3.1 Flash2模型功能详解
        • 3.1.3.2 Flash3模型功能详解
        • 3.1.3.3 Decanter模型功能详解
        • 3.1.3.4 Sep模型功能详解
        • 3.1.3.5 Sep2模型功能详解
    • 3.2 压力改变模型
      • 3.2.1 模拟案例
      • 3.2.2 流程模拟
        • 3.2.2.1 流体输送
        • 3.2.2.2 流体输送校核
      • 3.2.3 Aspen Plus功能详解
        • 3.2.3.1 Pump模型功能详解
        • 3.2.3.2 Compr模型功能详解
        • 3.2.3.3 MCompr模型功能详解
        • 3.2.3.4 Valve模型功能详解
        • 3.2.3.5 Pipe模型功能详解
        • 3.2.3.6 Pipeline模型功能详解
    • 3.3 传热设备
      • 3.3.1 模拟案例
      • 3.3.2 流程模拟
        • 3.3.2.1 换热-Heater
        • 3.3.2.2 换热-HeatX
        • 3.3.2.3 换热-HeatX-Detailed Rating
        • 3.3.2.4 换热-HeatX-Detailed Simulation
        • 3.3.2.5 换热-HeatX-Rigorous Rating
        • 3.3.2.6 换热-HeatX-Design Spec
        • 3.3.2.7 换热-HeatX-Sensitivity
          • 3.3.2.7.1 换热-MHeatX
          • 3.3.2.7.2 换热-HXFlux
          • 3.3.2.7.3 换热-Mult
      • 3.3.3 Aspen Plus功能详解
        • 3.3.3.1 Heater模型功能详解
        • 3.3.3.2 HeatX模型功能详解
        • 3.3.3.3 MHeatX模型功能详解
        • 3.3.3.4 HXFlux模型功能详解
        • 3.3.3.5 Mult模型功能详解
        • 3.3.3.6 Dupl模型功能详解
        • 3.3.3.7 Design-Spec功能详解
        • 3.3.3.8 Sensitivity功能详解
    • 3.4 本章练习
  • 4 反应器
    • 4.1 模拟案例
    • 4.2 质量守恒反应器模型—RStoic和RYield
      • 4.2.1 RStoic和RYield流程模拟
      • 4.2.2 Aspen Plus功能详解
        • 4.2.2.1 RStoic模型功能详解
        • 4.2.2.2 RYield模型功能详解
    • 4.3 平衡反应器模型—REquil和RGibbs
      • 4.3.1 反应器-REquil&RGibbs流程模拟
      • 4.3.2 Aspen Plus功能详解
        • 4.3.2.1 REquil模型功能详解
        • 4.3.2.2 RGibbs模型功能详解
    • 4.4 严格动力学反应器模型—RCSTR、RPlug和RBatch
      • 4.4.1 RCSTR、RPlug和RBatch流程模拟
      • 4.4.2 Aspen Plus功能详解
        • 4.4.2.1 Reactions反应集功能详解
        • 4.4.2.2 RCSTR模型功能详解
        • 4.4.2.3 RPlug模型功能详解
        • 4.4.2.4 RBatch模型功能详解
        • 4.4.2.5 Calculator功能详解
    • 4.5 本章练习
  • 5 塔
    • 5.1 普通精馏
      • 5.1.1 模拟案例
      • 5.1.2 精馏塔简捷设计模型—DSTWU
        • 5.1.2.1 DSTWU流程模拟
        • 5.1.2.2 DSTWU模型功能详解
      • 5.1.3 精馏塔简捷校核模型—Distl
        • 5.1.3.1 Distl流程模拟
        • 5.1.3.2 Transfer模型功能详解
      • 5.1.4 多级汽-液分离塔严格计算模型—RadFrac
        • 5.1.4.1 核算模式
          • 5.1.4.1.1 RadFrac流程模拟
            • 5.1.4.1.1.1 RadFrac模型功能详解—模型规定
        • 5.1.4.2 设计模式
          • 5.1.4.2.1 Design Specifications流程模拟
          • 5.1.4.2.2 RadFrac模型功能详解—DesignSpecifications
        • 5.1.4.3 塔板/填料的设计/校核计算
          • 5.1.4.3.1 塔板设计
          • 5.1.4.3.2 塔板校核
          • 5.1.4.3.3 填料设计
          • 5.1.4.3.4 填料校核
          • 5.1.4.3.5 RadFrac模型功能详解—TraySizing/Rating
          • 5.1.4.3.6 RadFrac模型功能详解—Packing Sizing/Rating
          • 5.1.4.3.7 RadFrac模型功能详解—Efficiency
        • 5.1.4.4 塔分析
          • 5.1.4.4.1 塔分析流程模拟
          • 5.1.4.4.2 RadFrac模型功能详解—Analysis
    • 5.2 特殊精馏
      • 5.2.1 共沸精馏
        • 5.2.1.1 模拟案例
        • 5.2.1.2 共沸精馏流程模拟
        • 5.2.1.3 ConSep模型功能详解
        • 5.2.1.4 Distillation Synthesis功能详解
      • 5.2.2 三相反应精馏
        • 5.2.2.1 模拟案例
        • 5.2.2.2 三相反应精馏流程模拟
        • 5.2.2.3 RadFrac模型功能详解—反应精馏
        • 5.2.2.4 RadFrac模型功能详解—三相精馏
        • 5.2.2.5 RadFrac模型功能详解—固体处理
    • 5.3 速率吸收/精馏
      • 5.3.1 模拟案例
      • 5.3.2 速率吸收流程模拟
        • 5.3.2.1 速率吸收
        • 5.3.2.2 改变塔经
        • 5.3.2.3 筛板塔
      • 5.3.3 RadFrac模型功能详解—Rate-Based模式
    • 5.4 萃取塔—Extract
      • 5.4.1 模拟案例
      • 5.4.2 萃取塔流程模拟
      • 5.4.3 Extract模型功能详解
    • 5.5 本章练习
  • 6 石油精馏塔
    • 6.1 常减压装置简介
    • 6.2 模拟案例
    • 6.3 初馏塔模拟
    • 6.4 常压塔模拟
    • 6.5 PetroFrac模型功能详解
      • 6.5.1 流程连接
      • 6.5.2 计算模式
    • 6.6 本章练习
  • 7 Aspen间歇模块
    • 7.1 简介
    • 7.2 间歇精馏
    • 7.3 间歇反应器
    • 7.4 本章练习
  • 8 固体模拟
    • 8.1 煤的干燥
    • 8.2 煤的燃烧
    • 8.3 气固分离器
    • 8.4 本章练习
  • 9 AspenPlus软件在物性中的应用
    • 9.1 本章练习
    • 9.2 物性数据查询与分析
      • 9.2.1 模拟案例
      • 9.2.2 查询纯组分标量物性
      • 9.2.3 交互式物性分析
      • 9.2.4 表格式物性分析
    • 9.3 物性估算
      • 9.3.1 模拟案例
      • 9.3.2 物性估算模拟
    • 9.4 物性数据回归
      • 9.4.1 模拟案例
      • 9.4.2 物性数据回归模拟
    • 9.5 电解质溶液计算
      • 9.5.1 模拟案例
      • 9.5.2 流程模拟
模拟案例

本章将以乙醇和甲醇与乙酸的酯化反应为例，介绍AspenPlus中反应器模型的应用。根据不同的反应器形式，AspenPlus中提供了RStoic、RYield、REquil、RGibbs、RCSTR、RPlug和RBatch七种不同的反应器模型（图4-1）。


图4-1

各模型的简介，可参考下表。

 

模型

 		 

说明

 		 

目的

 		 

用于

 
 

RStoic

 		 

化学计量反应器

 		 

模拟规定反应程度和转化率的化学计量反应器

 		 

反应动力学数据未知或不重要，但已知化学计量关系和反应程度的反应器

 
 

RYield

 		 

产量反应器

 		 

模拟规定产量的反应器

 		 

化学计量系数和反应动力学数据未知或不重要，但已知产物分布的反应器

 
 

REquil

 		 

平衡反应器

 		 

通过化学计量关系计算化学平衡和相平衡

 		 

化学平衡和相平衡同时发生的反应器

 
 

RGibbs

 		 

吉布斯自由能最小的平衡反应器

 		 

通过吉布斯自由能最小化计算化学平衡和相平衡

 		 

相平衡或化学平衡和相平衡同时发生的反应器，对固体溶液和汽-液-固系统计算相平衡

 
 

RCSTR

 		 

连续搅拌釜式反应器

 		 

模拟连续搅拌釜式反应器

 		 

单相、两相或三相搅拌釜式反应器，反应可发生在任一相，为速率控制或平衡，已知化学计量关系和动力学数据

 
 

RPlug

 		 

平推流反应器

 		 

模拟平推流反应器

 		 

单相、两相或三相平推流反应器，反应可发生在任一相，为速率控制，已知化学计量关系和动力学数据

 
 

RBatch

 		 

间歇式反应器

 		 

模拟间歇式或半间歇式反应器

 		 

单相、两相或三相间歇或半间歇反应器，反应可发生在任一相，为速率控制，已知化学计量关系和动力学数据

 

这七个反应器模型按严格计算级别和预测功能不同，可分为以下三类：

  1. 1.        质量守恒反应器模型

RStoic和RYield模型，根据用户规定的进料流量和反应程度计算出口流量，是最少预测性模型。若反应中有聚合物组分，则需规定产品物流中相关聚合物组分的属性。此类模型用于计算物料和能量平衡，但不进行严格动力学计算。

  1. 2.        平衡反应器模型

REquil和RGibbs模型，假设化学平衡和相平衡，根据平衡关系计算反应程度。若反应中有聚合物组分，则规定的化学计量关系需与聚合物组分的参考分子量相符，此外需规定聚合物产品的组分属性。此类模型的溶液算法未考虑聚合物中片段组成的影响，因此不能用于共聚物。

  1. 3.        严格动力学反应器模型

RCSTR、RPlug和RBatch模型，利用动力学模型计算反应速率，从而预测产物组成和流量。该类模型需要用外部Reactions表格定义化学反应计量关系和数据，可处理单相、两相或三相反应。

以下将通过例4.1演示三类反应器模型的基本用法，各模型功能详细介绍可参阅本章相应内容。

4.1模拟案例

例4.1

乙醇、甲醇和乙酸混合物，反应后生成乙酸乙酯、乙酸甲酯和水。已知进料为100℃、3.5bar，乙醇、甲醇和乙酸流量分别为50kmol/h、50kmol/h和200kmol/h。反应条件为100℃、3bar，反应方程式和速率方程分别为：

                         C2H6O+C2H4O2㈠H2O+C4H8O2                CH4O+C2H4O2 ㈠H2O+C3H6O2

  r1=7.93x10-6（C1C2-0.3425C3C4）           r2=6x10-6（C1C2-0.1353C3C4）

其中速率方程中C为以体积为基准的摩尔浓度。

分别用RStoic、RYield、REquil、RGibbs、RCSTR、RPlug和RBatch七个模型模拟该反应过程，确定反应产物状态，并比较各反应器模型的设定方法、适用条件及结果的可靠性。

各模型相关参数如下：

RStoic：   乙醇转化率为0.5，甲醇转化率为0.3。

RYield：   产物中C2H6O、C2H4O2、C4H8O2、H2O、CH4O、C3H6O2的摩尔含量比为1：6：1：2：1：1。

RCSTR：  反应体积10m3；

RPlug：   长2m、直径0.3m；

RBatch：  操作周期1h，反应10h后停止，计算20h，间隔0.03h。

工艺流程可参考图4-2。


图4-2