第5讲 ASPEN PLUS 反应器的模拟与优化
甲烷化反应器的Aspen Plus模拟与优化
２０ 期 第
Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ拟 与 优 化
１２７· ·
甲 烷 化 反 应 器 的 拟 与 优 化 Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ 模
彭 淑 静 ， 周 艳 军 ， 娄 玉 爽
㊀ １２１００１ ） （ 辽 宁 工 业 大 学 化 学 与 环 境 工 程 学 院 ， 辽 宁 锦 州
摘 要 ： Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ 化 利 用 工 流 程 模 拟 软 件 ， 分 别 选 择 平 衡 反 应 器 和 平 推 流 反 应 器 模 型 ， 对 锦 西 天 然 气 化 工 有 限 公 司 甲 烷 化 反 应 器 进 行 了 模 拟 ， 并 将 模 拟 结 果 与 工 厂 的 实 际 数 据 进 行 了 比 较 与 分 析 。通 过 考 察 温 度 和 压 力 对 甲 烷 等 组 分 含 量 的 影 响 ， 确 定 了 适 宜 的 温 度 和 压 力 ， 实 现 了 对 甲 烷 化 反 应 器 优 化 的 目 的 。 Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ； 关 键 词 ： 甲 烷 化 反 应 器 ； 模 拟 ； 优 化 ＴＱ２２３． １２㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ 文 Ａ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ 文 １００８ － ０２１Ｘ（ ２０１７ ） ２０ － ０１２７ － ０２ 中 图 分 类 号 ： 献 标 识 码 ： 章 编 号 ：
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
Ｐｅｎｇ Ｓｈｕｊｉｎｇ Ｚｈｏｕ Ｙａｎｊｕｎ Ｌｏｕ Ｙｕｓｈｕａｎｇ
Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ㊀ １２１００１ ，Ｃｈｉｎａ） （ Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｊｉｎｘｉ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ． ，Ｌｔｄ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｉｔｈ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ａｎｄ ｐｌｕｇ ｆｌｏｗ ｍｏｄｅｌ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｄａｔａ ｏｆ ｆａｃｔｏｒｙ ａｓ ｗｅｌｌ． Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｏｒ ｗａｓ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｏｒ Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
AspenPlus培训讲义(完整版)解析
Slide 16 Li Kuiwu © 2002 Aspentech Beijing Office
第16页
Aspen Plus具有最先进的计算方法
Aspen Plus具有最先进的流程收敛方法 Aspen Plus具有最先进的数值计算方法，能使循环物流和设计规定迅 速而准确地收敛。这些方法包括直接迭代法(Wegstein)、正割法(Secant) 、拟牛顿法、Broyden法等。这些方法均经AspenTech进行了修正。例如 ，修正后Secant法可以处理非单调的设计规定。Aspen Plus可以同时收敛 多股撕裂（Tear）物流、多个设计规定，甚至收敛有设计规定的撕裂物 流。这些特点对解决高度交互影响的问题时特别重要。
在已知反应动力学的情况下，可以用更精确的模型，如连续搅拌釜式反 应模型（RCSTR）或活塞流反应模型（RPLUG）。 RBATCH反应模型可处理单相或两相的动态反应，可选用连续进料和出 料。 RGIBBS是根据GIBBS自由能极小的基本原理，它能描述单相化学平衡 、相平衡，也能同时描述化学平衡和相平衡，可以处理固、液多相系统 。RGIBBS能自动决定实际存在的相数。
Aspen Plus的多级严格分离模型是基于内外两层结构（双层）、结合最 新的联立方程和求解法编制而成。双层法是由AspenTech总裁 J. Boston 博士首创的。他自1981年起一直担任本公司总裁。此法必须提供初值， 在大范围内应用十分可靠。 RADFRAC模型能严格地模拟多级气液平衡操作，包括吸收、汽提、有 再沸器的吸收和汽提、萃取和共沸蒸馏，以及高度非理想体系的分馏过 程。RADFRAC能严格计算任一塔板上两个液相的存在，也可以简单地 假设第二液相为纯水。MULTIFRAC可以有效地计算互连的多塔分馏系 统，如原油蒸馏、减压塔、催化裂化分馏塔、吸收塔、解吸塔 、空气 分馏塔以及有热交换的塔系统。 Aspen Plus还有经过工业考验的能处理反应的分离模型，该模型可在塔 的任意塔板处或所有塔板上处理速率控制反应、化学平衡反应，以及气 、液相反应。反应速率可由置入内部的幂律表示式或由用户提供的反应 动力学程序来计算 。Aspen Plus的简捷算法蒸馏模型需要输入的数据较 少，也具有设计和核算两种型式。在不需要高度精确计算的情况下可以 使用这些模型。
[工学]AspenPlus应用基础-反应器
![[工学]AspenPlus应用基础-反应器](https://img.taocdn.com/s3/m/3b6687a018e8b8f67c1cfad6195f312b3069eb7a.png)
以上两个反应的反应热各是多少？
RYield——产率反应器
性质：根据每一种产与输入物流间的产 率关系进行反应,只考虑总质量平 衡,不考虑元素平衡.
包含两种反应器.
1、化学计量反应器〔RStoic〕 Stoichiometric Reactor
2、产率反应器〔RYield〕 Yield Reactor
RStoic — 化学计量反应器
性质：按照化学反应方程式中的计量关 系进行反应,有并行反应和串联反 应两种方式,分别指定每一反应的 转化率或产量.
Aspen Plus 使用方法
Models for Reactors 反应器模块 <I>
反应器模块的类别
分为三大类七种反应器：
1. 生产能力类反应器〔2种〕 2. 热力学平衡类反应器〔2种〕 3. 化学动力学类反应器〔3种〕
生产能力类反应器
由用户指定生产能力,不考虑热力学 可能性和动力学可行性.
RYield —— 模型设定
模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：
1、操作条件 <Operation Conditions> <1> 压力； <2> 温度/热负荷
2、有效相态 <Valid Phases> 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水
RYield —— 产率
定义RStoic中进行的每一个化学反应 的编号、化学计量关系、产物生成速率 或反应物转化率.并指明计算多个反应的 转化率时是否按照串联反应方式计算.
AspenPlus应用基础反应器教学教材
2、计算选项 (Calculation Options)
仅计算相平衡/同时计算化学平衡和相平衡/是否限 制化学平衡
3、相态 (Phases)
输入存在的相态数。
RGibbs —— 产物
有三种选择：
1、系统中的所有组分都可以是产物； 2、指定可能的产物组分； 3、定义产物存在的相态。
REquil — 示例（2）
分析示例（1）中反应温度 在300~1000 ℃范围变化时对反 应器出口物流CH4质量分率的 影响。
REquil — 示例（3）
将示例(1)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 CH4质量分率和CO/CO2摩尔比的 影响。
Aspen Plus 使用方法
Reactor Models
反应器模块
反应器模块的类别
分为三大类七种反应器：
1. 生产能力类反应器（2种） 2. 热力学平衡类反应器（2种） 3. 化学动力学类反应器（3种）
生产能力类反应器
由用户指定生产能力，不考虑热力 学可能性和动力学可行性。
包含两种反应器。
1、化学计量反应器（RStoic） Stoichiometric Reactor
每一个化学反应对象可以包含多个化 学反应，每个反应都要设定计量学参 数和动力学参数/平衡参数。 1、计量学参数(Stoichiometry) 2、动力学参数 (Kinetic) 3、平衡参数 (Equilibrium)
1、操作条件 (Operation Conditions)
(1) 压力； (2) 温度/热负荷
2、有效相态 (Valid Phases)
ASPENPLUS反应器模拟教程
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
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Aspen Plus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
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•
界面基础
启动AspenPlus,—个新的AspenPlus对象有三个选项，可以Open an Existing Simulation，从Template开始，或者用BlankSimulation创建你的工作表。这里选择blank simulation。
Aspen PlusTm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
P=14.69595psi
R=1.987cal/mol/K
ASPEN Plus在化工过程优化中的应用研究
ASPEN Plus在化工过程优化中的应用研究ASPEN Plus是目前最为常用的化工过程模拟软件之一。
该软件通过建立化工装置的模型，运用热力学计算方法，模拟不同操作条件下的工艺流程，实现多种化工计算，优化和设计。
ASPEN Plus在化工工艺的优化过程中起着至关重要的作用。
化工过程模拟的主要目的是为了优化和改进现有的生产工艺。
通过模拟计算，可以得到不同工艺参数之间的关系，从而找到最优工艺参数，提高生产效率，降低生产成本。
而ASPEN Plus则是目前用于化工过程模拟和优化的最常用软件之一。
作为工业中经典化工软件，ASPEN Plus可以对化工流程进行详细的分析和确定。
它不仅可以模拟在不同工艺条件下的化工过程，还可以进行优化和设计。
因为它能够模拟多种化学反应，包括催化反应、裂解、聚合、氧化、加氢、脱氢等等。
其热力学计算功能可以模拟化学反应的放热与吸热，计算化学反应的平衡和转化率，同时还能模拟化学反应产物的物性参数。
而且，ASPEN Plus还有着优秀的流程计算功能。
它可以模拟化工装置的各种操作，如稳态、动态、可逆、不可逆、均相、异相等等，并能对装置进行热力学和物理学计算。
ASPEN Plus模拟优化的策略是通过改变优化变量，去寻找化工过程的最大化利润或最小化成本。
可以通过设置它的参数，如反应器类型、反应器进料比、反应温度、反应时间、反应物浓度，来寻求最优工艺方案。
经过多次模拟计算，确定最优方案后，可以进一步进行实验验证，以此来验证模拟计算的准确性和可行性。
ASPEN Plus还可以进行装置设计与模拟。
通过建立化工装置的模型，可以预测关键物理变量的行为、设施性能和输出结果。
在装置设计和模拟中，可以通过优化变量，如进料物料、反应条件等，找到最佳的装置配置方案。
可以通过ASPEN Plus进行分析的工艺，包括化学反应器、精馏塔、黏附塔、萃取塔、气体吸收塔和热交换器等。
最后，ASPEN Plus的应用领域相当广泛。
ASPENPLUS反应器的模拟与优化解读
ASPENPLUS反应器的模拟与优化解读ASPEN Plus是一种流程模拟软件，广泛应用于化工工程、能源工程等领域。
它可以帮助工程师通过建立模型和进行仿真，预测和优化化工流程。
在化工生产过程中，反应器是一个重要的组件，ASPEN Plus能够进行反应器的模拟和优化解读，从而帮助工程师改进反应器的设计和操作条件，提高生产效率和产品质量。
首先，ASPEN Plus可以帮助工程师建立反应器的模型。
在ASPENPlus中，用户可以选择适当的反应器模型，如气相反应器、液相反应器、固相反应器等。
然后，用户可以输入反应器的物理和化学性质的数据，如反应器中的反应物浓度、反应速率常数、活化能等。
根据这些数据，ASPEN Plus可以进行数值求解，得到反应器中物质的浓度、温度、压力等参数的变化情况。
接下来，ASPEN Plus可以进行反应器的仿真。
在仿真过程中，ASPEN Plus可以帮助工程师分析反应物的转化率、选择性和产率等重要指标。
通过改变反应器的操作条件，如温度、压力、进料流量等，工程师可以观察到这些指标的变化情况。
如果仿真结果与实际情况相符，工程师可以进一步进行优化解读。
最后，ASPEN Plus可以进行反应器的优化解读。
优化是指通过改变操作变量，使得一些目标函数达到最优的过程。
在反应器中，可以将产物收率、能耗、废料生成量等作为目标函数，通过改变反应器的操作变量，如反应温度、催化剂用量等，使目标函数最优化。
ASPEN Plus提供了多种优化算法，如遗传算法、模拟退火算法等，可以自动最优解。
通过ASPEN Plus的模拟与优化解读，工程师可以获得以下信息和结果：1. 反应器的性能评估：ASPEN Plus可以帮助工程师评估反应器的表现，如转化率、选择性和产率等。
这些信息对于确定反应器的效果并进行性能改进至关重要。
2. 最优操作条件：通过优化解读，ASPEN Plus可以帮助工程师确定反应器的最佳操作条件，如温度、压力、进料流量等。
ASPENPLUS介绍及模拟实例
ASPENPLUS介绍及模拟实例ASPENPLUS具有广泛的应用领域，包括石化、炼油、化肥、热力、制药、生化工程等。
它可以用于模拟各种化工过程，例如分离、混合、反应、蒸馏、液-液/气-液萃取、吸收、脱吸附、干燥等。
ASPENPLUS使用了一套成熟的计算方法和数学模型，可以准确地预测化工过程的性能指标，为工程师提供决策支持。
ASPENPLUS的建模过程包括定义组分、定义装置流程、定义物理特性、定义热力学模型、定义操作条件、定义单元操作、定义修正参数等。
用户可以根据具体的工艺流程需求，选择不同的模拟单元进行组合，以实现整个过程的模拟。
在模拟过程中，用户可以通过调整操作条件和设备参数，进行优化设计，以实现最佳的性能。
下面以丙烯酸酯生产过程为例，介绍ASPENPLUS的模拟实例。
丙烯酸酯是一种重要的化工原料，广泛应用于合成高分子材料、油墨、粘合剂等。
其主要生产过程是通过异丁烯与甲基丙烯酸酯在催化剂存在下进行反应生成。
为了实现丙烯酸酯的高选择性产率，需要优化反应过程的操作条件和装置结构。
首先，在ASPENPLUS中定义组分，包括异丁烯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯和副产物。
然后，定义装置流程，包括进料反应器、分离塔和产品收集器。
接下来，定义物理特性，如温度、压力、流量等。
充分考虑物料的热力学性质，确保模拟过程的准确性。
在物理特性定义完成后，需要定义热力学模型。
根据反应过程的实际情况，选择适当的热力学模型，并确定模型参数。
在反应过程中，可以设置反应器的温度、压力和催化剂的用量，以及反应物的摩尔比例。
定义好热力学模型后，需要定义操作条件。
根据实际工艺需求，设置反应器的温度和压力，以及进料和产物的流量。
可以使用ASPENPLUS提供的优化算法，通过调整操作条件，实现产物选择性的优化。
最后，定义单元操作，包括进料反应器、分离塔和产品收集器的模型和参数。
分离塔的模型可以选择蒸馏、吸收或萃取等。
通过定义修正参数，可以对模拟过程进行细致的调整和修改，以实现更准确的模拟结果。
AspenPlus应用基础反应器课件
(Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)
2、幂律型 (Power Law) 3、反应精馏型 (Reac-Dist)
AspenPlus应用基础反应器 课件
Reactions —— 反应设定
Aspen Plus 使用方法
Reactor Models
反应器模块 (II)
AspenPlus应用基础反应器 课件
反应器模块的类别
分为三大类七种反应器：
1. 生产能力类反应器（2种） 2. 热力学平衡类反应器（2种） 3. 化学动力学类反应器（3种）
AspenPlus应用基础反应器 课件
化学动力学类反应器
根据化学动力学计算反应结果。 包含三种反应器。
1、全混釜反应器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor
2、平推流反应器（RPlug） Plug Flow Reactor
3、间歇釜反应器（RBatch) Batch Reactor
AspenPlus应用基础反应器 课件
2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式s应用基础反应器 课件
RCSTR —— 设定方式
设定方式有 7 个可选项：
1、反应器体积 (Reactor Volume) 只需输入反应器的体积。
2、停留时间 (Residence Time) 只需输入物料在反应器中的平均停
AspenPlus应用基础反应器 课件
RPlug — 模型设定(1)
设定反应器类型，共有五种类型：
1、指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度：
Aspen_plus_热过程单元的仿真设计(一)(5讲)
HeatX—计算类型（2）
HeatX—简捷计算
简捷计算只能与设计或模拟选项配合。 简捷计算不考虑换热器几何结构对传热和压 降的影响，人为给定传热系数和压降的数值。 使用设计选项时，需设定热(冷)物流的 出口状态或换热负荷，模块计算达到指定换 热要求所需的换热面积。 使用模拟选项时，需设定换热面积，模 块计算两股物流的出口状态。
Heater — 应用示例 (4)
流量为 100 kg/hr、压力为 0.2 MPa、温度为20 ℃的丙酮通 过一电加热器。当加热功率分别 为 2 kW、5 kW、10 kW 和 20 kW 时，求出口物流的状态。
Heater — 物性计算
利用Heater模块可以很方便地计算混 合物在给定热力学状态下的各种物性数据， 如泡点、露点、饱和蒸汽压、密度、粘度、 热容、导热系数等等：只需将给定组成的 物流导入Heater模块，根据给定的热力学 状态设定Heater的模型参数，并在总Setup 的Report Options中设定相应的输出参数选 项即可。
Heater 加热器模型（2）
Heater —— 连接
Heater 模型的连接图如下：
Heater — 模型参数
Heater模型有两组模型设定参数：
从 中 任 选 两 项
1、闪蒸规定 ( Flash specifications) （1）温度 Temperature （2） 压力 Pressure （3）温度改变 Temperature change （4）蒸汽分率 Vapor fraction （5）过热度 Degrees of superheating （6）过冷度 Degrees of subcooling （7）热负荷 Heat duty
CAPD基础 第五讲
基于Aspen_Plus_的无水氟化氢生产工艺模拟优化
0引言近年来，随着氟化工产品在汽车、制冷、半导体等应用领域的不断拓展，无水氟化氢（HF ）作为氟化工业的基础性原料，需求量逐年提高。
目前工业上生产HF 的途径有两种：萤石路线和氟硅酸路线。
萤石路线包括回转炉工艺和气固流化床工艺，而气固流化床工艺因萤石细粉易聚团成块还未实现工业化［1-10］。
氟硅酸路线包括ICM 法、BUSS 法以及浓硫酸法［2］。
据统计，截至2019年，国内HF 生产线共103条，这些生产线除了瓮福集团于2008年自主掌握浓硫酸分解氟硅酸工艺并工业化生产HF 外，其余均为萤石—硫酸回转炉工艺生产HF ［3］。
回转炉工艺作为生产HF 的主流工艺，在我国已经有近50年的历史［4］，该工艺以萤石、液态硫酸为原料，在回转炉内反应后，经洗涤、冷凝、精馏、脱气得到HF 产品。
严建中［5］研究萤石硫酸反应动力学，得出加强物料混合有利于扩散从而加快反应速率的结论。
陈祥衡［6］将发烟硫酸应用于HF 生产，发现发烟硫酸可以提高氟化氢质量并降低物料对炉体的腐蚀。
缪明基［7］研究水对氟化氢生产的影响，得出的结论为：当萤石杂质中碳酸钙≤0.8%、二氧化硅≤0.8％，可大大减少生产过程中杂质产生的水分。
回转炉工艺经过多年的理论研究和工程实践，生产技术已趋成熟，产品质量稳定，但仍存在设备笨重、腐蚀严重以及反应速率低等诸多问题。
本文通过Aspen Plus 软件模拟回转炉工艺反应过程，描述回转炉工艺中原料配比、反应温度、物料反应停留时间对反应效率的影响，通过灵敏度分析对操作参数进一步优化，提高萤石和硫酸反应生成氟化氢的反应速率。
1工艺流程系统无水氟化氢的生产主要以萤石、98酸、105酸为原料，无水氟化氢生产工艺主要分为5个部分，分别为上料系统，反应、热风及排渣系统，洗涤、冷凝、精馏系统，硫酸吸收、氟硅酸吸收和中央吸收系统，尾气综合治理系统。
萤石—硫酸法生产HF 工艺流程如图1所示。
图1萤石—硫酸法生产HF 工艺流程1.1给料系统萤石进入给料系统的流程：湿粉萤石经过烘干炉烘干后由斗提机、刮板机送入萤石高位仓—通过*2019年（第二批）中央引导地方科技发展专项资金支持项目“无水氟化铝绿色生产工程化技术研究平台”（2019-0101-GXC-0037）。
化学反应器模拟与优化的常用工具与方法
化学反应器模拟与优化的常用工具与方法化学反应器模拟与优化是现代化学工程领域的重要研究方向。
通过模拟和优化化学反应器的运行过程，可以提高反应的效率、选择合适的操作条件，并减少生产成本。
本文将介绍一些常用的工具和方法，用于化学反应器模拟与优化。
1. 流程模拟软件在化学反应器模拟与优化过程中，流程模拟软件是不可或缺的工具。
目前市场上存在许多强大的流程模拟软件，如Aspen Plus、HYSYS、COMSOL Multiphysics等。
这些软件具有强大的计算和模拟功能，可以对复杂的化学反应过程进行仿真和优化。
通过输入反应物料的性质、反应条件、反应机理等参数，流程模拟软件可以预测反应器的性能指标，并帮助工程师选择最佳的操作条件。
2. 反应动力学模型反应动力学模型是化学反应器模拟与优化的关键。
基于反应机理和实验数据，可以建立数学模型来描述反应的速率和转化率。
常用的反应动力学模型包括平衡反应模型、经验动力学模型和基于反应机理的模型。
平衡反应模型假设反应达到平衡，速率与反应物浓度成正比。
经验动力学模型根据实验数据拟合得到，适用于缺乏反应机理的情况。
基于反应机理的模型则基于反应物质的元素平衡和反应步骤，可以精确地预测反应过程。
根据具体反应的要求，选择适合的动力学模型非常重要。
3. 多目标优化算法化学反应器的优化往往涉及多个目标函数，例如最大化产率、最小化副产物生成等。
为了解决这类多目标优化问题，常用的工具是多目标优化算法。
多目标优化算法可以在不同的操作条件下生成一系列的解，形成一个Pareto前沿。
这些解对应了不同的操作方式，工程师可以根据具体需求选择最合适的解。
常见的多目标优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法和模拟退火算法等。
这些算法采用不同的数学模型和搜索策略，可以帮助工程师寻找到全局最优解或近似最优解。
4. 可视化工具化学反应器模拟与优化通常涉及大量的数据和信息。
为了更好地理解和分析模拟结果，可视化工具起着重要的作用。
ASPEN-PLUS-反应器模拟教程
ASPEN-PLUS-反应器模拟教程简介什么是Process FlowsheetProcess Flowsheet（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，Aspen PlusTM，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。
建你的工作表。
这里选择blank simulation。
Aspen PlusTm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Local PC模拟引擎。
缺省值不变。
点击OK。
下一步就是Aspen PlusTM主应用窗口——空白的流程图窗口。
先熟悉下界面。
状态信息Flowsheet Not Complete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Required Input Incomplete（所需输入未完成）。
一个模拟只有在状态信息显示Required Input Complete（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（Model Library Toolbar）：这个工具条包含Aspen Plus不同操作单元的内置模型。
第5讲ASPENPLUS反应器模拟与优化
CSTR
CSTR
PFR
PFR
第5讲ASPENPLUS反应器模拟与优化
5
本讲目的
▪ 熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型 以及它们在过程模拟中的应用；
▪ 了解特定的反应过程的特点，选择相适应 的反应器类型或反应器网络，保证所需产 品组分足够的产率和选择性。
第5讲ASPENPLUS反应器模拟与优化
6
（一）生产能力类反应器
1、模型设定 (Specifications) 2、产率 (Yield) 3、闪蒸选项 (Flash Options) 4、粒度分布 (PSD) 5、组分属性 (Component Attr.)
第5讲ASPENPLUS反应器模拟与优化
13
RYield —— 产率
指定相对于每一单位质量非惰性进料而言 ，RYield出口物流中各种组分间的相对产 率。并设定进料中的惰性组分。
1、模型设定(Specification) 2、化学反应 (Reactions) 3、燃烧 （Combustion） 4、Selectivity) 6、粒度分布 (PSD) 7、组分属性 （Components Attri.) 8、热力学模型 (Thermodynamics)
第5讲 ASPEN PLUS反应器的 模拟与优化
第5讲ASPENPLUS反应器模拟与优化
目录
1. 生成能力类反应器
化学计量反应器 (RStoic) 产率反应器 (RYield)
2. 平衡类反应器
平衡反应器 (REquil) 吉布斯反应器 (RGibbs)
3. 动力学类反应器
全混流反应器 (RCSTR) 平推流反应器 (RPlug) 间歇式反应器 (Rbatch)
根据热力学平衡条件计算反应结果， 不考虑动力学可行性。
ASPENLUS反应器模拟教程
ASPENLUS反应器模拟教程第一步是创建一个新的ASPEN Plus工程。
打开软件后，选择“File”，然后选择“New”创建一个新的工程。
在弹出的对话框中，输入工程的名称和路径，并选择一个空白模板。
点击“OK”创建工程。
第三步是定义反应器。
选择“Reactor”选项卡，然后点击“Add”添加反应器。
在弹出的对话框中，选择反应器类型，例如理想反应器、柱塞反应器、流动床反应器等。
根据需要，设置反应器的相关参数，例如容积、温度、压力等。
点击“OK”添加反应器到工程中。
第四步是定义反应。
选择“Reactions”选项卡，然后点击“Add”添加反应。
在弹出的对话框中，选择反应类型，例如气液相反应、液体相反应等。
根据反应方程式，输入反应的化学方程式，并设置反应的参数，例如反应速率常数。
点击“OK”添加反应到工程中。
第五步是设定约束条件。
选择“Specifications”选项卡，然后点击“Add”添加约束条件。
在弹出的对话框中，选择需要约束的参数，例如物质转化率、温度、压力等。
根据需要，设置参数的取值范围或固定值。
点击“OK”添加约束条件到工程中。
第六步是运行模拟。
点击工具栏上的“Run”按钮开始模拟过程。
ASPEN Plus将根据设定的反应器和反应条件进行仿真计算，并输出结果。
在仿真过程中，可以监视反应器内物质转化率、温度、压力等参数的变化情况。
第七步是分析结果。
在模拟结束后，可以查看和分析模拟结果。
选择“Results”选项卡，然后点击不同的结果子选项卡，例如“Conversion”，“Temperature”，“Pressure”等。
在结果窗口中，可以查看各个参数的变化曲线图，并对结果进行进一步分析。
除了上述基本步骤之外，ASPEN Plus还提供了许多高级功能和工具，例如灵敏度分析、优化设计等。
可以根据具体的需求和应用场景，进一步探索和应用这些功能。
总结起来，ASPEN Plus反应器模拟教程包括创建工程、添加组件、定义反应器和反应、设定约束条件、运行模拟和分析结果等步骤。
Aspen-Plus介绍
Aspen Plus介绍 (物性数据库)Aspen Plus ---生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。
该项目称为“过程工程的先进系统”(Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN）,并于1981年底完成。
1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。
该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。
全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是Aspen Plus的用户。
它以严格的机理模型和先进的技术赢得广大用户的信赖，它具有以下特性：ASPEN PLUS有一个公认的跟踪记录，在一个工艺过程的制造的整个生命周期中提供巨大的经济效益，制造生命周期包括从研究与开发经过工程到生产。
ASPEN PLUS使用最新的软件工程技术通过它的Microsoft Windows图形界面和交互式客户-服务器模拟结构使得工程生产力最大。
ASPEN PLUS拥有精确模拟范围广泛的实际应用所需的工程能力，这些实际应用包括从炼油到非理想化学系统到含电解质和固体的工艺过程。
ASPEN PLUS是AspenTech的集成聪明制造系统技术的一个核心部分，该技术能在你公司的整个过程工程基本设施范围内捕获过程专业知识并充分利用。
在实际应用中，ASPEN PLUS可以帮助工程师解决快速闪蒸计算、设计一个新的工艺过程、查找一个原油加工装置的故障或者优化一个乙烯全装置的操作等工程和操作的关键问。
Aspen Plus功能Aspen Plus AspenTech工程套装软件(AES)的一个成员，它是一套非常完整产品，特别对整个工厂、企业工程流程工程实践和优化和自动化有着非常重要的促进作用。
ASPENPLUS反应器模拟教程
速率方程：
速率常ห้องสมุดไป่ตู้：
平衡常数：
参数值：
E1=30190cal/mol；E2=30190cal/mol
A1=7.4652E6lbmole/h/ft3/atm2；A2=8.6630E6 lbmole/h/ft3/atm2
A’=-19.76；B’=-1692；C’=3.13；D’=-1.63E-3；E’=1.96E-7
假设给料是大气压下的纯苯。
Blocks
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
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。
什么是
ProcessFlowsheet（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，Aspen PlusTM，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。
第5讲 ASPEN PLUS 换热器的模拟
TEMA壳体类型
壳体尺寸
Geometry Shell页也包含了两个重要的壳 体尺寸：
壳体内径 壳体到管束的最大直径的环形面积
Outer Tube Limit 管束外层的最大直径 Shell Diameter 壳体直径 Shell to Bundle Clearance 壳层到管束的环形面积
折流挡板的几何尺寸
HeatX—计算类型
2、详细计算(detailed) 详细计算只能与核算或模拟选项配合。详细 计算可根据给定的换热器几何结构和流动情况计 算实际的换热面积、传热系数、对数平均温度校 正因子和压降。 使用核算(rating)选项时，模块根据设定的 换热要求计算需要的换热面积。 使用模拟(simulation)选项时，模块根据实 际的换热面积计算两股物流的出口状态。
Film Coefficient （膜系数）
Pressure Drop （压降）
计算对数平均温差校正因子
换热器的标准方程是： Q = U × A× LMTD 这里LMTD是对数平均温差，此方程用于纯逆流 流动的换热器。 通用方程是： Q = U × A× F × LMTD 这里F是校正因子，考虑了偏离逆流流动的程度 在Setup Specifications页上用LMTD Correction Factor区域输入LMTD校正因子。
ASPEN PLUS 与化工过程模拟
第5讲 ASPEN PLUS 换热器的模拟
5.1 ASPEN PLUS的换热器模型
模型 Heater 说明 加热器或冷却器 目的 确定出口物流的热和 相态条件 在两个物流之间换热 用于 加热器、冷却器、冷凝 器等 两股物流的换热器。当 知道几何尺寸时，核算 管壳式换热器 多股热流和冷流换热 器，两股物流的换热 器，LNG换热器 管壳式换热器，包括釜 式再沸器 错流式换热器包括空气 冷却器
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10
进料流股的温度为16℃ 压力为1.9 atm，进料组成如下表所示： 进料流股的温度为16℃，压力为1.9 atm，进料组成如下表所示： 16 组分 正丁烷（ 正丁烷（n-Butane） ） 1-丁烯（1-Butene） 丁烯（ 丁烯 ） 丁烯（ 顺-2-丁烯（Cis-2-Butene） 丁烯 ） 丁烯（ 反-2-丁烯（Trans-2-Butane） 丁烯 ） 异丁烯（ 异丁烯（Isobutene） ） 流量（ 流量（kg/hr） ） 35000 10000 4500 6800 1450
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（一）生产能力类反应器
Ryield— Ryield—产率反应器
性质：根据每一种产与输入物流间的产 率关系进行反应，只考虑总质量 平衡，不考虑元素平衡。 用途：只知化学反应式和各产物间的相 对产率，不知化学计量关系。
产率指的是某种生成物的实际产量与理论产量的比值！
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RYield 模块有五组模型参数：
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REquil —
模型参数
REquil 模块有四组模型参数： 模块有四组模型参数： 1、模型设定 (Specifications) 2、化学反应 (Reactions) 3、收敛 (Convergence) 4、液沫夹带 (Entrainment)
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模型设定包含操作条件设定和有效相态设定： 模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：
14
RYield — 示例5.2
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为： 甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
CH 4 + 2H 2O ↔ CO 2 + 4H 2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 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 kmol/hr 反应在恒压及等温条件下进行， /hr。 总压为0.1013 MPa，温度为750 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 口物流中摩尔比率CH4 : H2O : CO2 : H2等于1 : 2 : 3 : 等于1 的产量是多少？ 4时，CO2和H2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？ 荷是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元 素平衡？ 素平衡？
Equilibrium Reactor — 示例
CH4 + H2O ↔CO + 3H2
CO + H2O ↔CO2 + H2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 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 量为100 kmol/hr。 下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750 下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750 当反应器出口处达到平衡时， ℃，当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产 量是多少？反应热负荷是多少？ 量是多少？反应热负荷是多少？
26
对单相系统， 对单相系统 ， 规定 T 和 P下的总吉布斯能由下式 给出: 给出:
G = ∑Ni Gi
i=1
C
−
G 式中 Ni 和 i 分别是平衡混合物中组分 i 的摩 尔数和偏摩尔吉布斯能。 尔数和偏摩尔吉布斯能 。 组分包括进料组分及 可能由化学反应产生的组分。 可能由化学反应产生的组分 。 在受原子衡算约 最小化。 束的条件下， 束的条件下 ， 总吉布斯能对 Ni 最小化 。 这种方 法容易推广到多相系统。 法容易推广到多相系统。
1、平衡反应器（Equilibrium 平衡反应器（
平衡常数法求解产物组成
Reactor） Reactor）
2、吉布斯反应器（Gibbs Reactor） Reactor） 吉布斯反应器（
最小自由焓法求解产物组成
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REquil —平衡反应器
性质：根据化学反应方程式进行反应， 根据化学反应方程式进行反应， 根据化学反应方程式进行反应 按照化学平衡关系式达到化学平 并同时达到相平衡。 衡，并同时达到相平衡。 用途：已知反应历程和平衡反应的反应 已知反应历程和平衡反应的反应 方程式，不考虑动力学可行性， 方程式，不考虑动力学可行性， 计算同时达到化学平衡和相平衡 的结果。 的结果。
1、模型设定 (Specifications) 2、产率 (Yield) 3、闪蒸选项 (Flash Options) 4、粒度分布 (PSD) 5、组分属性 (Component Attr.)
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RYield —— 产率
指定相对于每一单位质量非惰性进料而言 出口物流中各种组分间的相对产 ，RYield出口物流中各种组分间的相对产 并设定进料中的惰性组分。 率。并设定进料中的惰性组分。
−
27
在恒温恒压且无非体积功的条 件下，自发过程总是向着吉布斯函 数减少的方向进行，直至系统的吉 布斯函数不再改变(dG＝0)，或者 减少到该条件下的最小值时，系统 便处于平衡态。
28
RGibbs —— 模型设定
29
RGibbs —— 产物
有三种选择： 有三种选择：
1、系统中的所有组分都可以是产物； 系统中的所有组分都可以是产物；
20
化学平衡常数
∆G = −RT ln K
吉布斯自由能的变化
Θ
(标准状态下）
d ln K ∆H = dT RT
范特霍夫方程
Θ R 2
（其它温度下）
21
REquil 由Gibbs 自由能计算平衡常数。 你能够通过下列之一限制平衡： （1）任何反应的摩尔程度 （2）化学平衡接近温度对任何反应
接近温度
9
RStoic计算－例5.1 计算－ 计算
丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含1-丁烯、正丁烷、 丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含1 丁烯、正丁烷、 丁烯、 丁烯和异丁烯，发生的反应如下所示： 顺-2-丁烯、反-2-丁烯和异丁烯，发生的反应如下所示：
序号 1 2 3 4 5 6 1-Butene → Isobutylene 4 (1-Butene) → Propylene(丙二醇 + 2-Methyl-2-Butene + 1丙二醇) 丙二醇 Octene(辛烯 辛烯) 辛烯 Cis-2-Butene → Isobutylene 4 (Cis-2-Butene) → Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1-Octene Trans-2-Butene → Isobutylene 4 (Trans-2-Butene) → Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1Octene 反应 转化率 0.36 0.04 0.36 0.04 0.36 0.04
Rstoic — 化学计量反应器
性质：按照化学反应方程式中的计量关 按照化学反应方程式中的计量关 系进行反应， 系进行反应，有并行反应和串联 反应两种方式， 反应两种方式，分别指定每一反 应的转化率或产量。 应的转化率或产量。 用途：已知化学反应方程式和每一反应 已知化学反应方程式和每一反应 的转化率，不知化学动力学关系。 的转化率，不知化学动力学关系。
15
深入讨论：
若在示例的原料气中加入 25 kmol/hr 氮气 ，其余条件不变，计算结果会发生什么变 化？ 以示例的结果为基础，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？
16
（二）热力学平衡类反应器
根据热力学平衡条件计算反应结果， 根据热力学平衡条件计算反应结果， 不ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ虑动力学可行性。 不考虑动力学可行性。
T=Treaction - ∆T T=TReaction+∆T
(吸热反应） (放热反应）
如果你规定接近温度ΔT ，则REquil 估计在T+ΔT时的化学 平衡常数。这里的 T 是反应温度（规定的或计算的）。
22
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REquil — 例5.3
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为： 甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为 （1）
PLUS反应器的 第5讲 ASPEN PLUS反应器的 模拟与优化
目录
1.
生成能力类反应器
化学计量反应器 (RStoic) 产率反应器 (RYield)
2.
平衡类反应器
平衡反应器 (REquil) 吉布斯反应器 (RGibbs)
3.
动力学类反应器
全混流反应器 (RCSTR) 平推流反应器 (RPlug) 间歇式反应器 (Rbatch)
热力学模型选择RK-Soave。 热力学模型选择RK-Soave。 RK 反应器操作条件：温度为400 400℃ 压力为1.9 atm。 反应器操作条件：温度为400℃，压力为1.9 atm。 请采用RStoic模型确定反应物料的组成、 请采用RStoic模型确定反应物料的组成、由1-丁烯转化为异 RStoic模型确定反应物料的组成 丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热。 丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热。
熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型 以及它们在过程模拟中的应用； 以及它们在过程模拟中的应用； 了解特定的反应过程的特点， 了解特定的反应过程的特点，选择相适应 的反应器类型或反应器网络， 的反应器类型或反应器网络，保证所需产 品组分足够的产率和选择性。 品组分足够的产率和选择性。
6
（一）生产能力类反应器
7
Rstoic — 化学计量反应器 — 模型参数
1、模型设定(Specification) 模型设定(Specification) 2、化学反应 (Reactions) Combustion） 3、燃烧 （Combustion） 4、反应热 (Heat of reaction) 5、选择性 （Selectivity) 6、粒度分布 (PSD) Attri.) 7、组分属性 （Components Attri.) 8、热力学模型 (Thermodynamics)