AspenPlus在化工过程模拟中的应用

AspenPlus在化工过程模拟中的应用
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
AspenPlus在化工过程模拟中的应用
第1章化工过程模拟概述—
第2章AspenPlus模拟基础
第3章流股的混合与分割过程模拟第4章压力变送过程模拟
第5章分离设备模拟
第6章传热设备模拟
第7章塔设备模拟
第8章反应器模拟
第9章固体操作设备模拟
第三章流股的混合与分割过程模拟
学习目的:
1、练习用Aspen Plus 进行流程仿真的基本步骤；
2、掌握物流混合模块Mixers/Splitters的用法。

内容：
课堂练习：建立以下过程的Aspen Plus 仿真模型（exercise—3。

1)：已知：将100m3/hr 的低浓酒精（乙醇20%w，水80%w，400C,1 atm)与200m3/hr 的高浓酒精（乙醇90%w,水10%w，300C,2atm)混合，混合后物流平均分为三股,一股直接输出,第二股与100 kg/hr 的甲醇水溶液混合后（甲醇95％w，水5％w，450C,1.5 bar）输出，第三股与80 kg/hr 的乙酸水溶液混合后(乙酸90%w，水10%w，350C,1。

2 bar）输出.
求：三股输出物流的组成(摩尔分率与质量分率）和流量(摩尔流量及体积流量）分别是多少？
课后练习：建立以下过程的Aspen Plus 仿真模型（exercise—3。

2)：1）将4000C，3 bar 下的1000m3/hr 水蒸气、1000 m3/hr 二氧化碳和1000 m3/hr 甲醇等压混合，求混合气体的温度和体积流量。

2）将4000C,30 bar 下的1000 m3/hr水蒸气、1000 m3/hr二氧化碳和1000 m3/hr 甲醇等压混合，求混合气体的温度和体积流量。

3)将4000C,300 bar 下的1000 m3/hr水蒸气、1000 m3/hr二氧化碳和1000 m3/hr 甲醇等压混合，求混合气体的温度和体积流量。

在物性方法及模型（Property methods & models）设定中分别选用理想气体状态方程（Ideal)、Benedict-Webb—Rubin—Lee—Starling 状态方程（BWR-LS）、Peng-Robinson状态方程(Peng—Rob)、Redlik—Kwong—Soave 状态方程
（RK-Soave）作为基本方法（Basemethod）进行以上计算，比较各方法所得的结果有何不同，将结果汇总编辑为MS—Word 文档。

第四章压力变送过程模拟
学习目的：
掌握各压力变送模块的用法,包括压缩机、泵、阀门、管道等。

内容:
课堂练习：建立以下过程的Aspen Plus 仿真模型：
1、将100m3/hr 的水（250C，1.5 atm）用泵进行输送。

分别在如下情况下进
行模拟.
a).泵效为0。

68，轴效率为0.96，要求泵出口压力为6bar。

(exercise—4。

1—a）
b).已知所用离心泵的特性参数如下表：（exercise—4.1-b）
扬程(m）59 54.2 47。

8 43
流量（m3/h）70 90 109 120
泵效0。

645 0.69 0。

69 0。

66 允许吸上真空度(m） 5.0 4。

5 3.8 3。

5
2、计算5000kg/hr 的饱和水蒸汽（7 atm）经过管线（绝热，长20m，内径
100mm,粗糙度0。

05mm)输送到5m高处后的压力降和温度降。

(exercise—4.2)
3、计算100m3/hr 的水（500C，5bar）经过如下管线后(从A点到G点）的出
口压力。

各点坐标为：A（0,0,0），B(5，0,0），C(5，5,0），D（15，5,0），E(15,0，0）,F（15,0,10),G（20,0，10)。

管线直径均为0.1m，粗糙度为0。

00005m.(exercise—4.3）
课后练习:建立以下系统的Aspen Plus 仿真模型。

(exercise—4.4）
1、已知：将20°C 的水从蓄水池输送到高位水池，环境地理位置如下图所示。

管道采用φ133×4 的无缝碳钢管。

所用离心泵的特性参数在课堂练习1中给出。

泵出口安装一只V500 系列的等百分比流量截止阀（Globe Valve）调节流量。

不同阀门开度下阀的流通系数Cv, 压降比例因子Xt和压力补偿因子FI如下表所示。

开度(％）10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cv14 46 72 102 126 147 168 186 202 212 Xt 0.97 0.97 0。

96 0。

94 0.93 0。

92 0.92 0。

9 0。

9 0。

9 FI 0.79 0.79 0.77 0。

75 0.73 0。

71 0。

71 0。

69 0.68 0.68 求:
1、最大输送流量（m3/hr）及相应的轴功率。

（此时阀全开)
2、阀门开度为20%时的流量及相应的轴功率。

2、某吸收塔用293。

15 K的清水作为吸收剂,正常用量为50 m3/hr。

清水贮槽液面至吸收塔顶加料口的垂直高度为40m。

清水贮槽内压力为0.1013MPa，吸收塔内压力为0.3 MPa。

初步设计方案如下（参见下图)：
使用φ108×4 的无缝钢管作为输水管，进水管道长10m，需要安装1个90°弯头（Elbow）和2只闸阀（Gate Valve）；出水管道长55 m，需要安装6个90°弯头，2 只闸阀;离心泵入口的安装高度比清水贮槽液面低0。

5 m。

为降低能耗，采用变频电动机改变离心泵转速来调节输送流量,转速变化范围为1500～2800 rpm。

离心泵的特性曲线如下表。

求：
1）最大输水量；(exercise-4。

5—a）
2) 输水量为正常用量时离心泵所需的转速、轴功率和泵出口压力;（exercise—4。

5-b)
3）输水量为50%正常用量时离心泵所需的转速、轴功率和泵出口
压力。

(exercise-4.5—c）
第五章分离设备模拟
学习目的：
掌握各分离设备模块的用法，包括闪蒸、蒸发、萃取和简单分离设备。

内容：
课堂练习:建立以下系统的Aspen Plus 仿真模型
1、流量为1000 kg/hr、压力为0。

11 MPa、含乙醇70％w、水30%w的饱和蒸汽在
蒸汽冷凝器中部分冷凝,冷凝物流的汽/液比（摩尔）=1/3。

求离开冷凝器的汽、液两相的温度和组成。

(Exercise—5。

1）
2、流量为1000kg/hr、压力为0.5MPa 温度为120℃、含乙醇70%w、水30%w的物
料绝热闪蒸到0。

15MPa.求离开闪蒸器的汽、液两相的温度、流量和组成。

(Exercise-5.2）
3、流量为1000kg/hr、压力为0.2MPa 温度为20℃、含丙酮30％w、水70 %w的物
料进行部分蒸发回收丙酮，求丙酮回收率为90%时的蒸发器温度和热负荷以及汽、液两相的流量和组成。

(Exercise-5.3）
4、流量为1000kg/hr、压力为0.2MPa 温度为20℃、含丙酮30%w、水70%w的物
料进行部分蒸发回收丙酮,蒸发器热负荷为250kW。

分析液沫夹带对汽相丙酮分率和丙酮回收率的影响.（Exercise-5.4）
5、流量为1000kg/hr、压力为0.11MPa、含乙醇30%w、正己烷30％、水40%w的
饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比(摩尔)=1/9。

求离开冷凝器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。

（Exercise—5。

5）
6、F=500kg/hr、P=0。

8MPa、T=100℃含乙醇70％w、水30%w的物流与F=500
kg/hr、P=0.8MPa、T=70℃含正己烷60%、乙醇40 %w的物流在闪蒸器中混合并绝热闪蒸到P=0。

11MPa，求离开闪蒸器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。

(Exercise—5。

6)
7、在课堂练习6中分别设置乙醇和己烷为关键组份，观察输出结果有什么变化.
8、用水(P= 0。

2 MPa、T=20℃、F=500 kg/hr）从含乙醇40 %w、正己烷60%w
的混合液（F=500 kg/hr、P= 0.2 MPa、T=20 ℃）中萃取乙醇,求:乙醇的萃取率，以及萃取相和萃余相的组成.(Exercise-5。

8）
9、第8例中乙醇的萃取效率为90%时的需要的水流量，以及萃取相和萃余相的组
成。

（Exercise—5。

9)
10、 把F=500 kg/hr 、P= 0。

15 MPa 、T=20 ℃含乙醇30 ％w 、正丙醇20%w 、
正丁醇10％w 、水40 ％w 的物流分成四股输出物流，各组份在输出物流中的分配比例为：（Exercise —5.10）
乙醇 0。

96 ： 0.02 ： 0.01 ： 0。

01 正丙醇 0.01 ： 0。

95 : 0。

02 : 0.02 正丁醇 0。

01 : 0.05 : 0。

92 ： 0.02 水 0。

01 ： 0.02 ： 0.03 ： 0。

94
求输出物流组成。

11、
从F=500kg/hr 、P= 0.15MPa 、T=20℃、含乙醇60%w 、正丙醇25%w 、正
丁醇15％w 的物流中回收乙醇，要求：1).乙醇浓度达到98％w 、正丁醇含量不大于1%w ；2）.乙醇回收率达到95％。

求输出物流的组成和流量。

（Exercise-5.11） 12、
同课堂练习11，如果分离过程是在精馏塔中实现，塔顶出料是0。

11 MPa
的饱和蒸汽，塔底出料是0.13 MPa 的饱和液体，求输出物流的温度和体积流量.（Exercise —5。

12) 13、
采用膜分离装置制取富氧空气。

原料空气T=30℃、P=1.013bar 、F=500
kmol/hr ，经压缩机加压到4。

5bar 后进入膜分离组件，出口压强1.1bar 。

已知膜分离组件的性能与进、出口压差及进口流量的关系由下式描述：
22220.50.35
0.11() 1.1()()rich feed O N rich rich feed O N poor
F F P y y F F y y -==∆
求富氧空气的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。

(Exercise —5。

13) 课后练习：建立以下系统的Aspen Plus 仿真模型
1、F=1000kg/hr 、P=0.8MPa 、T=100℃含乙醇70%w 、水30%w 的物流与F=500 kg/hr 、P=0.6MPa 、T=70℃含正己烷60%、乙醇40%w 的物流在闪蒸器中绝热闪蒸到P= 0.11MPa .轻液相在汽相中的液沫夹带率为5%，重液相在汽相中的液沫夹带率为1%。

求：离开闪蒸器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成.（Exercise-5。

14）
2、用水（P=0。

15 MPa 、T=25℃)从含乙醇40%w 、正己烷60％w 的混合液（F=1000 kg/hr 、P=0.15MPa 、T=25℃）中萃取乙醇,要求乙醇的萃取率达到97％.求:
1）需要的水流量，以及萃取相和萃余相的组成;(Exercise-5。

15)
2)乙醇分离效率对需要的水流量和萃取相组成的影响。

3、用精馏塔从F=1000kg/hr 、P=0.14MPa 、T=25℃、含乙醇60％w 、正丙醇25%w 、正丁醇15%w 的物流中回收乙醇，要求:1) 回收物流的乙醇浓度达到 98％w 、正丁醇含量不大于0.5%w ； 2) 乙醇回收率达到 97％.塔顶出料是 0.12 MPa 的饱和蒸汽,塔底出料是0.14 MPa 的饱和液体。

求：输出物流的组成、温度和体积流量。

（Exercise —5。

16）
4、渗透汽化膜分离装置被用于制取高浓度乙醇。

原料乙醇（P=0。

15MPa T=25℃） 含水5%w ，产品乙醇含水(0。

050。

01)%w.渗透膜的分离面积为100m 2，汽化侧的压强为0.2 bar 。

装置内的加热系统使料液始终维持在泡点温度。

料液侧的流动压降为0。

5 bar, 膜的平均渗透速率为：
0.56520.02 (kg/m hr)Q P =⋅∆
式中为料液侧进口压强（〈6bar)与汽化侧压强之差.表观分离因子为：
/1000/w w e e
P x P x α== 式中P w 和P e 是汽化侧的水和乙醇分压,x w 和x e 是料液侧进口的水和乙醇摩尔分率。

如果要达到100 kg/hr 的高浓乙醇产量，试求渗透膜料液侧的进口压强进口温度和出口温度。

（Exercise —5.17）
第六章传热设备模拟
学习目的：
掌握各传热换热设备模块的用法，包括加热器、冷凝器、换热器.
内容：
课堂练习:建立以下系统的Aspen Plus 仿真模型
1、20℃、0.41 MPa、4000 kg/hr 流量的软水在锅炉中加热成为0。

39MPa的饱和
水蒸气进入生蒸汽总管。

求所需的锅炉供热量。

(Exercise-6.1)
2、1000 kg/hr（0。

4MPa）的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热到过热度100℃(0.39
MPa），求过热蒸汽温度和所需供热量。

（Exercise—6.2）
3、流量为1000 kg/hr、压力为0.11 MPa、含乙醇70 ％w、水30 %w的饱和蒸汽
在蒸汽冷凝器中部分冷凝,冷凝物流的汽/液比(摩尔）=1/3.求冷凝器热负荷.
（Exercise—6。

3）
4、流量为100 kg/hr、压力为0.2MPa、温度为20℃的丙酮通过一电加热器。

当加
热功率分别为2、5、10和20kW时,求出口物流的状态。

(Exercise-6。

4)
5、求压力为0。

2 MPa，含甲醇30 %w 、乙醇20 ％w、正丙醇20 %w、水30 ％
w的混合物的泡点和露点。

（Exercise-6。

5）
6、用1200 kg/hr饱和水蒸汽(0。

3MPa）逆流加热2000 kg/hr甲醇（20℃、0.3MPa）。

离开换热器的蒸汽冷凝水压力为0。

28MPa、过冷度为2℃。

换热器传热系数根据相态选择，对数平均温差校正因子取常数0。

95。

求甲醇出口温度、相态、需要的换热面积.换热系数指定值如下表所示，其中L表示Liquid，B表示
Boling，C表示Condensing，V表示Vapor。

(Exercise-6.6）
热侧相态L L L C C C V V V 冷测L B V L B V L B V
U（W/m2）1200 2000 100 2000 3000 150 100 150 70
7、对课堂练习6选用下述换热器进行详细核算:外壳直径：325 mm，公称面积：
10m2，管长:3m ，管径:φ19⨯2 mm，管数：76，排列方式:正三角，管程数：2,壳程数:1，折流板间距:150mm ，折流板缺口高度：79mm。

（Exercise-6.7)
课后练习：建立以下流程系统的Aspen Plus 仿真模型（Exercise-6。

8)
已知：
1、20℃、0.1013MPa、2000kg/hr流量的软水用冷水泵（1)加压到0。

41MPa后与
同样压力的循环冷凝水混合后进入锅炉（2），加热成为0。

4MPa的饱和水蒸气进入生蒸汽总管；
2、生蒸汽的10％被分流送到空气加热器（3）加热空气。

冷空气参数为10℃、
0.11MPa、5000m2/hr.离开空气加热器的蒸汽冷凝水压力为0.38MPa、过冷度
为2℃.换热器传热系数为50W/m2.K。

3、剩余生蒸汽的10％被分流送到乙醇加热器（4）加热乙醇水溶液。

冷乙醇水溶
液参数为20℃、0.11MPa、乙醇含量70%W，流量1000kg/hr。

离开乙醇加热器的蒸汽冷凝水压力为0。

38MPa、过冷度为2℃。

换热器传热系数为1250W/m2.K。

4、1000kg/hr生蒸汽被送到蒸汽过热器（5）加热到过热度100℃（压力0。

38MPa）。

5、空气加热器和乙醇加热器排出的冷凝水混合后用热水泵（6）加压到0。

41Mpa
循环到锅炉供水系统。

求:
1、热空气的温度，空气加热器的传热面积和热负荷;
2、热乙醇的温度和蒸汽分率，乙醇加热器的传热面积和热负荷；
3、过热蒸汽的温度，蒸汽过热器的热负荷；
4、锅炉热负荷和富余蒸汽流量；
5、如果要求将乙醇刚好加热到泡点温度,则乙醇加热器的传热面积及加热蒸汽流
量应为多少？(Exercise-6。

8b)
BOIL
第七章塔设备模拟
学习目的:
掌握各种以下塔设备的模拟方法：气液吸收塔、解吸塔、精馏塔、萃取塔。

内容:
课堂练习：建立以下系统的Aspen Plus 仿真模型
1、含乙苯30%w、苯乙烯70％w的混合物(F=1000kg/hr、P=0。

12MPa、T=30 ︒C）
用精馏塔（塔压0。

02MPa )分离,要求99。

8%的乙苯从塔顶排出，99。

9％的苯乙烯从塔底排出,采用全凝器。

求:Rmin,NTmin，R=1。

5 Rmin 时的R、NT 和NF.（Exercise-7。

1）
2、绘制课堂练习1的NT~R关系图,根据该图选取合理的R值，求取相应的NT、
NF、冷凝器和再沸器的温度和热负荷。

(Exercise—7.2）
3、根据课堂练习2的结果，选取R=25、NT=61、NF =36 用Distl进行核算。

再
选取NF =20进行核算.(Exercise—7。

3)
4、根据课堂练习2的结果,选取R=2
5、NT=61、NF =36用RadFrac进行核算。

再选取最佳进料板位置进行核算.（Exercise—7。

4)
5、如将课堂练习1的塔压调到0。

01 MPa,全塔压降0.005 MPa，试求满足分离
要求所需的回流比和馏出物流量。

(Exercise—7。

5)
6、如果课堂练习5中的精馏段的墨弗里效率为0.45，提馏段的墨弗里效率为0。

55，试求满足分离要求所需的塔板数和加料板位置。

(Exercise—7。

6）
7、在课堂练习6的基础上选定性质选项中的包括水力学参数，计算后查看结果。

(Exercise—7.7）
8、在课堂练习6的基础上进行塔板设计和塔板核算，分别选用浮阀塔板和弹性
浮阀塔板计算后对比结果。

（Exercise—7.8)
9、在课堂练习5的基础上进行填料设计和填料核算，分别选用MELLPAK和
RALU-PAK计算后对比结果。

(Exercise—7。

9）
10、摩尔组成为CO2 (12％）、N2 (23％）和H2 (65％）的混合气体（F=1000kg/hr、
P=2。

9MPa、T=20︒C)用甲醇(F=60t/hr、P=2。

9MPa、T=-40︒C）吸收脱除CO2。

吸收塔有30块理论板，在2.8 MPa 下操作，每块塔板上的压降0.0015Pa。

求出塔气体中的CO2浓度。

（Exercise—7.10）
11、在课堂练习10的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到1.0％所需的吸
收剂（甲醇)用量.（Exercise—7.11)
12、在课堂练习11的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到1。

0%所需的
吸收剂（甲醇）用量与理论板数的关系。

（Exercise—7.12）
13、对课堂练习10所示的混合气体的吸附过程,选用10块理论板，求使出塔
气体中的CO2浓度达到1。

0%所需的吸收剂（甲醇）用量以及采用典型塔板和填料时的塔径。

(Exercise—7。

13）
14、将课堂练习13所得到的吸收富液减压到0。

15 MPa进行闪蒸，低压液
体再进入脱吸塔在0.12 MPa下用氮气进行气提脱吸，要求出塔贫液中的CO2浓度达到0。

1%。

求合理的理论板数、所需氮气流量、采用不同塔板和填料时的脱吸塔尺寸、压降和负荷情况。

(Exercise—7.14a～d）
15、用甲基异丁基甲酮(CH3COC4H9)从含丙酮45％w 的水溶液中萃取回收
丙酮，处理量500 kg/hr。

采用逆流连续萃取塔，在0.12 MPa下操作。

求萃取塔理论板数和萃取剂用量对萃余相中丙酮浓度的影响。

（Exercise-7.15）
课后练习:
1、根据以下条件设计一座分离甲醇、水、正丙醇混合物的连续操作常压精馏塔.
生产能力：4000 吨精甲醇/年；
原料组成：甲醇70％，水28.5%，丙醇1.5％;
产品组成：甲醇≥ 99.9％；
废水组成：水≥ 99。

5%；
进料温度：323。

15 K；
全塔压降：0.011 MPa；
所有塔板的Murphree 效率Emv=0。

35。

(注：组成均为质量百分率）
给出下列设计结果：(Exercise-7.16）
1、进料、塔顶产物、塔底产物、侧线出料流量；
2、全塔总塔板数N；
3、最佳加料板位置NF；
4、最佳侧线出料位置NP；
5、回流比R;
6、冷凝器和再沸器温度；
7、冷凝器和再沸器热负荷；
8、使用Koch Flexitray 和Glistch Ballast 塔板时的塔径和板间距.
（Exercise—7.16)
2、用甲醇在低温和加压条件下吸收合成气里的二氧化碳。

原料合成气的温度为20°C，压力为2.9MPa，流量为1000kmol/hr,摩尔组成为CO2：12％；N2: 23％;H2: 65％。

吸收剂甲醇再生通过处理后循环使用。

已知条件:
1) 经吸收处理后的净化合成气中的CO2浓度降低到0.5%；
2）离开吸收塔的甲醇富液减压到0。

15MPa,闪蒸释放出的CO2用作生产尿素的原料，闪蒸后的液体送到解吸塔用30°C 的N2气提进行再生处理；
3) 再生后的甲醇贫液中残余CO2控制为0.1％，加压到2.9 MPa, 冷却到
—40 °C 下送入吸收塔作吸收剂。

给出下列设计结果:(Exercise—7.17）
1）构建合理的工艺流程；
2）确定吸收塔和解吸塔的理论塔板数;
3)确定进入吸收塔的吸收剂流量；
4)确定进入解吸塔的N2流量；
5）甲醇消耗量.
第八章 反应器模拟
学习目的:
掌握如下类型反应器的模拟方法：计量反应器、产率反应器、平衡反应器、Gibbs 反应器、全混流反应器、平推流反应器和间歇反应器。

内容：
课堂练习：建立以下系统的Aspen Plus 仿真模型
1、甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为:
4222CH 2H O CO 4H +↔+
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1：4，流量为100 kmol/hr.若反应
在恒压及等温条件下进行，系统总压为0。

1013 MPa ，温度为750 ℃，当反应器出口处CH 4转化率为73%时，CO 2和H 2的产量是多少?反应热负荷是多少?(计量反应器,Exercise —8.1）
2、反应和原料同课堂练习1，若反应在恒压及绝热条件下进行，系统总压为0。

1013 MPa,反应器进口温度为950 ℃，当反应器出口处CH 4转化率为73%时，反应器出口温度是多少?(计量反应器,Exercise —8。

2)
3、在课堂练习1中增加甲烷部分氧化反应如下式：
4222CH 3O 2CO+4H O +↔
并在原料气中加入15 kmol/hr 的氧气.若上述两个反应中CH 4转化率
均为43％时， 产品物流中CO 、 H 2O 、CO 2 和H 2的流量各是多少？（Exercise —8.3a ）如果将反应设为串联进行，上述流量又各是多少？（Exercise —8。

3b)以上两个反应的反应热各是多少？
4、对课堂练习1中所示的反应，原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4，流量为
100 kmol/hr.反应在恒压及等温条件下进行,系统总压为0.1013 MPa ，温度为750℃，如果反应器出口物流中摩尔比率CH 4 ： H 2O : CO 2 ： H 2等于1 : 2 : 3 : 4时，CO 2和H 2的产量是多少?需要移走的反应热负荷是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元素平衡？(产率反应器,Exercise —8.4）
5、若在课堂练习3的原料气中加入 25 kmol/hr 氮气,其余条件不变，计算结果会
发生什么变化？（产率反应器,Exercise —8。

5)
6、以课堂练习4的结果为基础，在Ryied 模块的产率设置项中将氮气设置为惰
性组份，重新计算，结果如何？(产率反应器,Exercise —8。

6）
7、甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
422
222CH H O CO 3H CO H O CO H +↔++↔+
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1：4，流量为100 kmol/hr 。

若反
应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa ，温度为750 ℃,当反应器出口处达到热力学平衡时，CO 2和H 2的产量是多少？反应热负荷是多少？(平衡反应器，Exercise-8.7)
8、分析课堂练习6中反应温度在300~1000 ℃范围变化时对反应器出口物流CH 4
质量分率的影响。

（平衡反应器，Exercise-8.8）
9、将课堂练习6中的反应温度设为1000 ℃，分别分析反应(1)和反应（2)的趋近
平衡温度在–200～0℃范围变化时对反应器出口物流CH 4质量分率和CO/CO 2摩尔比的影响。

(平衡反应器，Exercise —8。

9)
10、 对课堂练习6中所示的反应过程，原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1：
4，流量为100 kmol/hr 。

若反应在恒压及等温条件下进行,系统总压为0。

1013 MPa,温度为750 ℃，当反应器出口处Gibbs 自由能最小而达到平衡时，CO 2和H 2的产量是多少？反应热负荷是多少?与REquil 的结果进行比较。

（Gibbs 反应器，Exercise-8.10）
11、 分析课堂练习10中反应温度在300~1000 ℃范围变化时对反应器出口物
流CH 4质量分率的影响。

（Gibbs 反应器，Exercise-8。

11)
12、 若在课堂练习9中的原料气中加入25 kmol/hr 的氮气，并考虑氮与氢结
合生成氨的副反应，求反应器出口物流中CH 4和NH 3的质量分率.如果将氮设为惰性组份,结果有什么变化?(Gibbs 反应器，Exercise —8。

12)
13、 甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品:
()324264NH 6HCHO CH N 6H O
(A)(B)(C)(D)+→+
反应速率方程式如下：
23/A A B r kC C kmol m s -=⋅
式中：
7622.57101420exp /k m kmol s RT ⎡⎤⨯=-⋅⎢⎥⎣⎦
反应器容积为5m 3，装填系数为0。

6，输入氮气作为保护气体。

为了
保证釜内的惰性环境，输入氮气量应该使出釜物料的气相分率保持在0。

001左右.加料氨水的浓度为4。

1kmol/m 3，流量为32.5m 3/hr 。

加料甲醛水溶液的浓度为6。

3 kmol/m 3，流量为32.5m 3/hr 。

求35︒C 下乌洛托品的产量和输入氮气流量，并分析反应温度在20～60︒C 范围里对甲醛转化率的影响。

(全混流反应器，Exercise —8。

13)
14、 丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：
4624610
C H C H C H (A)(B)(C)+→
反应速率方程式如下：
3/A A B r kC C kmol m s -=⋅
式中：
831.1510110.08186exp /700k m kmol s
R T ⎡⎤⨯⎛⎫=--⋅ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣
⎦ 反应器长5米、内径0.5米，压降可忽略。

加料为丁二烯和乙烯的等摩尔常压混合物，温度为440︒C 。

如果反应在绝热条件下进行，要求丁二烯的转化率达到12％，试求：(平推流反应器，Exercise-8.14）
1）。

环己烯的产量。

2）.作出温度和环己烯摩尔分率沿反应器长度的分布图.
3）。

分析反应器压力在0.1～1。

0 MPa 范围内对环己烯产量的影响。

15、 乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：
3233252CH CH OH CH COOH CH COOC H H O
(A)
(B)(C)(D)+→+
反应速率方程式如下： 31/A A B C D C r k C C C C kmol m s K ⎛⎫-=-⋅ ⎪⎝⎭
式中：
637.9310 / 2.92C k m kmol s K -=⨯⋅=
在间歇搅拌釜中等温反应，T=100︒C ，P=3bar ，操作周期 2.5hr 。

加料为水溶液,T=40︒C ，处理量1m 3/hr ，含乙醇10。

2 kmol/m 3、乙酸3。

908 kmol/m 3。

求乙酸转化率为35%的反应时间,乙酸乙酯的产量，装填率=0。

7时所需的反应釜体积.（间歇釜反应器，Exercise-8。

15)
16、 如果课堂练习14中反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：
735
193.211100.2479exp /1.39101.01910exp C k m kmol s RT K RT -⎛⎫
⨯=-⋅ ⎪
⎝⎭
⎛⎫
⨯=⨯ ⎪
⎝⎭
考虑到釜液升/降温的影响，操作周期延长到3hr ，并按以下升/降温程序操作：t=0， T=40︒C; t=15min ， T=80︒C ； t=30min, T=100︒C; t=110min, T=100︒C; t=140min, T=40︒C 。

求：乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量,装填率=0。

7时所需的反应釜体积。

(间歇釜反应器,Exercise-8.16） 17、
如果将课堂练习15的操作时间设置改为间歇加料时间2hr,停止时间1hr ，
求乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率=0.7时所需的反应釜体积。

(间歇釜反应器，Exercise —8.17) 18、
如果将课堂练习17的反应釜用100︒C 的饱和蒸汽加热，反应釜传热面积
6m 2，传热系数500W/m 2/K ，求乙酸转化率为35%的反应时间，釜液温度随时间变化的曲线。

(间歇釜反应器，Exercise —8.18） 课后练习:
1、乙苯脱氢生产苯乙烯的反应方程式为：
6525652
C H -C H C H -CH=CH H (A) (B) (C)
cat
←−→+
反应速率方程为
反应于T=898K 下在列管式反应器中等温等压进行.列管反应器由260根内径50mm 的圆管构成,管内填充的催化剂堆积密度为700kg/m 3
,管内的流动模式可视为平推流，流体流经反应器的压降为0.02MPa 。

在反应条件下的反应速率常数k=1。

68×10
—10
kmol/kg /s ，平衡常数Kp=3。

727×104
Pa 。

进料流量为128.5 kmol/hr ，压力P=0.14MP ，其中乙苯浓度为0.05（摩尔分率)，其余为水蒸汽。

求:乙苯的最终转化率为60％时所需的反应管长度。

(Exercise —8.19）
2、现有一生产能力为1000吨/日氨的四段冷激式氨合成塔（如下图所示），各催
化剂床层的进口温度和进、出口氨浓度如下：
已知原料气温度为141 °C，压力为15 MPa,组成（%mol)为
求：
1、各股冷激气量占总原料气量的分率；
2、各催化剂床层出口气体温度；
3、原料气的体积流量. (Exercise-8。

20a，Exercise—8。

20b）
3、苯氯化制造氯苯、二氯苯、三氯苯的化学反应方程式如下:
反应在液相中发生，反应动力学对于所有反应物均为 1 级。

在328K 的温度条件下，反应速率常数分别为
反应在容积为5m3的连续搅拌釜中进行,反应釜的装填系数为0。

7,操作温度为328 K。

苯的加料速率为100 kmol/hr，温度为293 K，压力为0。

2 MPa，氯气的加料温度为293 K，压力为0。

2MPa。

试：(Exercise—8。

21a～e）
1）分析加料氯气/苯比例对产品中三种氯代苯摩尔分率的影响。

2) 分析反应器体积对产品中三种氯代苯摩尔分率的影响。

3）优化加料氯气/苯比例,使产品中二氯苯摩尔分率达到最大值.
4）同时优化加料氯气/苯比例和反应器体积，使产品中二氯苯摩尔分率达到最大值，并对结果进行讨论.
5）同时优化加料氯气/苯比例和反应器体积，使单位反应器体积的二氯苯产量达到最大值。

6）在产品中二氯苯摩尔分率不低于0。

67 的约束条件下，同时优化加料氯气/苯比例和反应器体积，使单位反应器体积的二氯苯产量达到最大值。

化工优化问题实例
1.换热器系列的最优设计
单纯形法优化实例，P75（化工中的优化方法）
2.发。