ASPENPLUS反应器的模拟与优化解读
基于Aspen Plus的气体分馏装置的模拟与优化
控制与优化石 油 炼 制 与 化 工ＰＥＴＲＯＬＥＵＭＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＡＮＤＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＳ２０２０年８月 第５１卷第８期 收稿日期：２０２０ ０２ ２０；修改稿收到日期：２０２０ ０４ ３０。
作者简介：吴昊天，助理工程师，主要从事石油炼制工艺技术研究与应用工作。
通讯联系人：吴昊天，Ｅ ｍａｉｌ：ｗｕｈｔ．ｙｚｓｈ＠ｓｉｎｏｐｅｃ．ｃｏｍ。
r犃狊狆犲狀犘犾狌狊-4f]£78-¤¥¦§"吴 昊 天（中国石化扬子石油化工有限公司炼油厂，南京２１００４８）摘 要：以中国石化扬子石油化工有限公司炼油厂０．４８Ｍｔ?ａ的２号气体分馏装置为研究对象，利用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ流程模拟软件对气体分馏装置工艺流程建立稳态模型，得到的模拟结果与装置生产实际情况相符合。
在此基础上运用灵敏度分析工具，在保证各产品满足质量要求的前提下，以降低能耗、最大化增产丙烯为目标对装置精馏塔塔顶压力、回流比等重要操作参数进行分析优化。
优化结果证明，在提高精丙烯塔塔顶压力、丙烯产品质量满足要求的条件下，气体分馏装置的丙烯收率有了显著提高。
优化方案实施后，装置丙烯产品收率增加０．０８百分点，每年可增加的经济效益约为９２．０５万元，说明应用流程模拟优化增产丙烯效果显著。
关键词：流程模拟 气体分馏装置 丙烯 灵敏度 精馏塔近年来，随着市场对高纯度丙烯、丙烷的需求量日趋扩大，气体分馏装置作为国内炼油厂以催化裂化液化气和延迟焦化液化气为原料分离生产高纯度丙烯的主要装置，其生产运行优化、工艺条件优化以及节能降耗等越来越受到重视。
近年来，国内在气体分馏装置的模拟计算优化、灵敏度分析等工作已开展多年且相当成熟可靠。
在众多的优化工作中，非常重要的一项就是通过优化精馏塔操作以求实现提高丙烯的收率［１ ３］。
目前中国石化扬子石油化工有限公司（简称扬子石化）２号气体分馏装置存在丙烯产品实际收率与设计收率相差大（装置设计丙烯产品收率为３５．１１％，实际收率为３３．１２％）、精丙烯塔两塔能耗较大等问题，导致了丙烯的损失与装置能量的浪费，造成了不必要的经济损失。
AspenPlus应用基础-反应器-2
1、模型设定 (Specifications) 模型设定 2、反应器构型 (Configuration) 、 3、化学反应 (Reactions) 、 4、压力 (Pressure) 、
RPlug — 模型设定(1) 模型设定(1)
设定反应器类型，共有五种类型： 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： ，有三种方式设定操作温度： 1) 进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature) 2) 指定反应器温度 (Constant at specified reactor temperature) 3) 温度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反应器长 ， 度的温度分布
反应速率方程式如右： 反应速率方程式如右： 式中： 式中：
− rA = kC AC B
kmol / m 3 ⋅ s
m 3 / kmol ⋅ s
1.15 × 108 1 1 k = 0.08186 exp − − R T 700
压降可忽略。 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， 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， 果反应在绝热条件下进行 ， 要求丁二烯的转化率达 到12%，试求环己烯的产量 。
RCSTR— RCSTR—全混釜反应器
性质：釜内达到理想混合。可模拟单、 两、三相的体系，并可处理固体。 可同时处理动力学控制和平衡控 制两类反应。 用途：已知化学反应式、动力学方程和 平衡关系，计算所需的反应器体 积和反应时间，以及反应器热负 荷。
ASPEN_PLUS_介绍及模拟实例
ASPEN PLUS的热力学模型（适用体系）
非理想体系——采用状态方程与活度系数相 结合的模型；
原油和调和馏分；
水相和非水相电解质溶液； 聚合物体系。
ASPEN PLUS的热力学模型（状态方程）
• • • • • • • • • • Benedict-Webb-Rubin-Lee-Starling（BWRS）； Hayden-O’Connell； 用于Hexamerization的氢-氟化物状态方程； 理想气体模型； Lee-Kesler（LK）； Lee-Kesler-Plocker； Peng-Robinson（PR）； 采用Wong-Sandler混合规则的SRK或PR； 采用修正的Huron-Vidal-2混合规则的SRK或PR； 用于聚合物的Sanchez-Lacombe模型。
• • • • • • API酸水方法； Braun K-10； Chao-Seader； Grayson-Streed； Kent-Eisenberg； 水蒸气表。
ASPEN PLUS的物性分析工具
• 物性常数估算方法：可用于分子结构或其他易测 量的物性常数（如正常沸点）估算其他物性计算 模型的常数。 • 数据回归系统：用于实验数据的分析和拟合。 • 物性分析系统：可以生成表格和曲线，如蒸汽压 曲线、相际线、t-p-x-y图等。 • 原油分析数据处理系统：用精馏曲线、相对密度 和其他物性曲线特征化原油物系。 • 电解质专家系统：对复杂的电解质体系可以自动 生成离子或相应的反应
目标：塔顶馏出物甲醇纯度>99.95wt%，塔 底水纯度>99.90wt%。
步骤
启动程序
选择单位制和运算类型
用户界面
1. Aspen Plus 的过程流程图
化学行业中的流程模拟软件使用教程
化学行业中的流程模拟软件使用教程引言：在化学工业中，流程模拟软件是一种非常重要的工具，它可以有效地模拟化学过程和反应的整个流程，帮助工程师进行流程设计、参数优化、成本控制等工作。
本文将介绍几种常用的流程模拟软件以及它们的使用方法和注意事项，希望对从事化学行业的工程师和学生有所帮助。
一、ASPEN PlusASPEN Plus是一种常用的化学工程流程模拟软件。
它可以模拟各种化学反应，包括热力学、动力学以及多相反应等。
以下是使用ASPEN Plus的步骤：1. 定义组分：首先，需要定义系统中的化学组分，例如水、溶液或气体。
指定它们的物理性质，如密度、摩尔质量、熔点和沸点等。
2. 建立流程：然后，将反应器、分离器、冷却器等单元操作连接起来，建立流程图。
通过选取不同的单元操作模块，可以模拟各种化学过程，如加热、蒸发、尾气处理等。
3. 输入参数：在建立流程后，需要输入相应的操作参数，如温度、压力、流速等。
这些参数可以根据实际情况进行调整，以优化流程结果。
4. 运行模拟：确认所有参数设置正确后，可以运行模拟以获得流程的输出结果。
ASPEN Plus会生成各个单元操作的详细数据，如产率、转化率、能耗等。
5. 优化参数：通过对模拟结果的分析，可以对系统参数进行优化。
例如，可以调整反应器的温度、压力或者选择不同的分离器类型，以达到更好的工艺效果。
尽管ASPEN Plus是一种非常强大的软件，但在使用过程中需要注意以下几点：1. 认真学习：ASPEN Plus具有复杂的功能和接口，对初学者可能有一定的学习曲线。
因此，建议用户在使用之前认真学习软件的操作手册和教程，并进行一些实践演练。
2. 数据质量：输入数据的准确性对于模拟结果的可靠性至关重要。
因此，在输入数据时需要注意使用合适的物性数据和化学反应机理。
3. 模型验证：在进行真实的工程设计之前，应该对模拟结果进行验证。
这可以通过与实际操作数据的比较来完成，以确保模拟结果的准确性。
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。
ASPEN PLUS模拟与优化乙酸异丙酯提浓塔
２１ ０ ２年第 ｌ ９卷第 ３期
化 工生 产与 技术
Ｃ ｅ ｉａ Ｐｏ ｕ ｔ ｎａ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ｈ ｍ ｃｌ ｒｄ ｃｉ ｎ ｅｈ ｏｏｙ ｏ
‘ ３・ ２
６
ｆ
图３ 回流 比与 塔 釜 采 出 异 丙 酯 、 丙 醇 含 量 的 关 系 异
Ｆ ｇ ３ Ｒｅａ ｉｎ ｈ ｐ ｏ ｆ ｘ ｒ ｔ ｎ ｏ ｔ ｎ ｆｉｏ ｒ ｐ ｌ ｉ ｌｔ ｓ ｉ ｆ ｅ ｕ ａ ｉ ａ ｄ ｃ ｎ ｅ ｔｏ ｐ ｏ ｙ ｏ ｒｌ ｏ ｓ
摘要 以试 验 数 据 为 基 础 ． 用 Ａ Ｐ Ｎ Ｐ Ｕ 采 Ｓ Ｅ Ｌ Ｓ建 立 乙酸 异 丙 酯提 浓 塔 的 模 型 ， 考 察 进 料 并
板位置、 回流 比 、 板数 等操 作 条件 对 目标 产物 的影 响 。结 果表 明 ， 塔 当进 料 板 位 置 ２ １ 、 － ７ 回
ｃ ｎ ｎｒ ｔｏ ｏ ｒ ｏ ｃｅ ｔａ ｉｎ ｔ ｗｅ
从 图 ２可 以看 出 ， 进料 位 置 在塔 板 数 ２ ２ 时 ， —１ 塔 釜采 出物 Ｗ 中异丙 醇 的质量 分 数在 Ｏ０ ％以下 。 ． ２ 随着进 料位 置下移 ， 乙酸 异丙 酯 的含量 越来 越低 。 当
进 料塔 板小 于 ｌ ７时 ， 料位 置对 塔釜 采 出乙酸 异丙 进
８． ， ９２℃ 回流 质量 比 ２５ 对采 出低酯 而 言 ） ．（ 。
冷凝器 、 冷却 器 出 口温 度分 别 为 ４ 、５℃ ， ０２ 分相
器温 度２ ｃ ５ｏ 。
从 表 ２可 以看 出 ，提浓 塔 的塔顶 温度 和塔釜 温
度 模 拟误差 在 Ｏ５ ． ％以 内 ． 釜 乙 酸异 丙酯 组成误 差 塔 为 ０Ｏ ％， ． ５ 异丙 醇和 乙酸 甲酯 总质量 分 数＜ ． ％： Ｏ０ ２ 塔
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。
ASPEN Plus培训教程 第十讲 反应器单元的仿真设计(一)
1、操作条件 (Operation Conditions)
(1) 压力； (2) 温度/热负荷
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 —— 模型设定
RGibbs —— 产物
RStoic —— 模型设定
设定操作条件和有效相态：
1、操作条件 (Operation Conditions) (1) 压力 (Pressure) (2) 温度/热负荷 (Temperature/Heat duty) 2、有效相态 (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水
1、平衡反应器（REquil）
Equilibrium Reactor
2、吉布斯反应器（RGibbs）
Gibbs Reactor
REquil——平衡反应器
性质：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 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 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。
RStoic —— 模型设定（2）
RStoic —— 化学反应
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。
RStoic —— 化学反应（2）
RStoic —— 化学反应（3）
RStoic —— 反应热
RYield —— 组分映射（2）
RYield — 示例（1）
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）。
ASPENPLUS反应器的模拟与优化课件
REquil — 模型参数
REquil 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)
19
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/蒸汽分率/热负荷
若在示例中的原料气中加入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 CH4和NH3的质量分率。如果氮为惰性 组份，结果有什么变化？
42
Gibbs反应器的评价
▪ 优点：
n 可避免写出化学计量方程的必要性（只 需要规定可能的产物）
n 容易构造多相和同时存在相平衡的计算 问题
C O H 2 O C2O H 2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，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平衡时，CO2和H2的产量
是多少？反应热负荷是多少？与Requil 的结果
进行比较。
41
深入讨论：
ASPENPLUS反应器的模 拟与优化
目录
n 生成能力类反应器
化学计量反应器 (RStoic) 产率反应器 (RYield)
n 平衡类反应器
平衡反应器 (REquil) 吉布斯反应器 (RGibbs)
n 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)
28
RGibbs —— 模型设定
Aspen_plus反应器单元的仿真设计(三)(12讲)
RBatch — 示例（3）
如果将示例(2)的操作时间设置改为间 歇加料时间 2 hr，辅助时间 1 hr，求乙 酸转化率为 35% 时的反应时间，乙酸乙 酯的产量，装填率 = 0.7 时所需的反应釜 体积。
RBatch — 示例（4）
如果将示例(3)的反应釜用 100 C的饱 和蒸汽加热，反应釜传热面积 6 m2，传 热系数 500 W/m2K，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。
RBatch — 模型设定 (2)
RBatch — 模型设定 (3)
选用温度剖形或热负荷剖形时 — 模型设定 (4)
选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、 传热系数和传热面积的值。
RBatch —— 模型设定
压强设定 (Pressure Specification)， 有三个选项供选择： 1、指定反应器压强 (Specify Reactor Pressure) 2、指定压强剖形 (Specify Reactor Pressure Profile) 3、计算反应器压强 (Calculate Reactor Pressure)
rbatchrbatch操作时间操作时间2rbatchrbatch操作时间操作时间222profileresulttimeprofileresulttime设定仿真计算的时间参数包括最大计设定仿真计算的时间参数包括最大计算时间算时间maximumcalculationtimemaximumcalculationtime输出剖输出剖形结果的时刻之间的时间区间形结果的时刻之间的时间区间timeintervaltimeintervalbetweenprofilepointsbetweenprofilepoints以及最大时刻点数以及最大时刻点数maximumnumberprofilepointsmaximumnumberprofilepoints22profileresulttimeprofileresulttime设定仿真计算的时间参数包括最大计设定仿真计算的时间参数包括最大计算时间算时间maximumcalculationtimemaximumcalculationtime输出剖输出剖形结果的时刻之间的时间区间形结果的时刻之间的时间区间timeintervaltimeintervalbetweenprofilepointsbetweenprofilepoints以及最大时刻点数以及最大时刻点数maximumnumberprofilepointsmaximumnumberprofilepointsrbatchrbatch操作时间操作时间3rbatchrbatch操作时间操作时间3rbatchrbatch连续加料连续加料rbatchrbatch连续加料连续加料当存在连续加料流股时在连续加料当存在连续加料流股时在连续加料表单中设置各个连续加料流股的流量随时表单中设置各个连续加料流股的流量随时间的变化情况
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。
AspenPlu反应器模拟介绍
精选ppt
11
RStoic — 示例（2）
反应和原料同示例（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 CH4转化率为73%时，反应器出口 温度是多少？
精选ppt
12
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
精选ppt
3
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。
精选ppt
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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
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。
精选ppt
13
RYield —— 连接
精选ppt
14Hale Waihona Puke RYield —— 模型参数
RYield 模块有五组模型参数：
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.)
AspenPlus在柴油加氢中循环氢脱硫系统工艺模拟优化
AspenPlus在柴油加氢中循环氢脱硫系统工艺模拟优化柴油加氢是一种常用的工艺过程，旨在通过加氢反应去除柴油中的杂质和硫化物，提高柴油质量，以满足越来越严格的环保要求。
循环氢脱硫系统是柴油加氢的核心装置之一，设计优化该系统的关键是提高脱硫效率和降低能源消耗。
为了实现循环氢脱硫系统的工艺模拟优化，我们接受了AspenPlus软件。
AspenPlus是一种专业的化工过程模拟软件，其强大的模拟计算能力可以援助工程师设计和优化各种化工流程。
在使用AspenPlus进行循环氢脱硫系统工艺模拟时，起首要建立一个准确的模型。
我们需要思量到循环氢脱硫系统的输入和输出流程，包括柴油进料、循环氢气、脱硫剂、反应器、分离器等相关设备和操作单元。
同时，我们还需要确定各个设备和操作单元的参数和运行条件，比如反应器的温度、压力、流量等。
模拟建立完成后，我们需要对系统进行优化。
可以通过调整反应器的操作条件、脱硫剂的投加量、分离器的工艺参数等来达到优化的目标。
比如，可以尝试提高反应器的温度和压力，以增加脱硫反应速率；可以适当增加脱硫剂与柴油的质量比，加大脱硫效果；还可以优化分离器的操作条件，提高产品纯度和产率。
通过AspenPlus的模拟计算功能，我们可以得到循环氢脱硫系统各个设备和操作单元的详尽参数和性能指标，比如反应器的收率、柴油的硫含量和质量指标、能源消耗等。
这些数据可以援助我们更好地了解系统的运行状况和效果，并进行深度的分析和优化。
值得注意的是，在进行AspenPlus模拟优化时，我们应该思量到实际生产中的各种因素和限制条件。
比如，要思量到柴油加氢的规模、生产能力、原料特性等因素。
同时，还要充分思量安全、环保、经济等方面的要求，以确保优化后的循环氢脱硫系统能够在现实生产中得到有效应用。
总之，AspenPlus在柴油加氢中循环氢脱硫系统的工艺模拟优化中具有重要的应用价值。
通过合理使用AspenPlus软件，我们可以快速建立柴油加氢循环氢脱硫系统的模型，进行系统优化，提高脱硫效率和降低能源消耗，为柴油加氢工艺提供技术支持和改进方案综上所述，通过AspenPlus软件的模拟优化，可以有效提高柴油加氢中循环氢脱硫系统的脱硫效率，降低能源消耗，并满足安全、环保和经济要求。
ASPENPLUS反应器模拟教程
A S P E N P L U S反应器模拟教程Hessen was revised in January 2021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。
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Open an Existing Simulation，从Template开始，或者用BlankSimulation创建你的工作表。
AspenPlus
AspenPlusAspen概述化学工程与工艺1153643黄心权摘要：Aspen是新一代大型化工过程模拟软件，它提供了大量的物性数据, 热力学模型和单元操作模型，可用于化工过程的模拟、设计和优化。
本文对aspen在化工过程模拟的入门进行一个详细的介绍。
关键词：Aspen、入门、化工过程模拟、概述1.化工过程模拟过程模拟是使用计算机程序模拟一个化学过程的特性方差，化工过程模拟主要分为稳态模拟和动态模拟。
稳态模拟指的是根据已知的单元设备、单元作业或整个回路的数学模型，编写程序并在计算机上运行的过程。
相对的，动态模拟指的是其对应的数学模型呈现动态特征的过程。
Aspen Plus的对象便是化工静态过程模拟。
2. Aspen Plus简要介绍Aspen Plus是一款功能强大的集化工设计、动态模拟等计算于一体的大型通用流程模拟软件。
它起源于20世纪70年代后期，当时美国能源部在麻省理工学院（MIT）组织会战，要求开发新型第三代流程模拟软件，这个项目称为“先进过程工程系统”（Advanced System For Process Engineering），简称ASPEN。
1982年Aspen Tech公司成立，将其商品化，简称Aspen Plus。
并于1981年十多个版本，如今，成为了全世界公认的标准大型化流程模拟软件，应用案例数以百万计。
[1]3. Aspen Plus的功能Aspen Plus的作用主要包括：（1）进行工艺过程严格的能量和质量平衡计算；（2）预测物流的流率、组成和性质；预测操作条件和设备尺寸；（3）减少装置的设计时间、进行设计方案比较；（4）帮助改进工艺；（5）在给定的限制内优化工艺条件；（6）辅助确定一个工艺约束部位：（7）固体处理、石油处理、数据回归、数据拟合等等。
4.Aspen Plus的特点4.1数据库Aspen Plus的数据库有三种类型，即系统数据库、内置数据库以及用户数据库。
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。
煤制乙二醇工艺AspenPlus模拟参数
煤制乙二醇工艺AspenPlus模拟参数25万t/a物性估算一、运行类型：Property Estimation二、物质基本性质1、亚硝酸甲酯英文缩写：MN 分子结构：分子量：61.04沸点：-12℃2、草酸二甲酯英文缩写：DMO 分子结构：分子量：118.09沸点：163.5℃3、碳酸二甲酯英文缩写：DMC 分子式：分子量：90.08沸点：52℃N OOCH3OO OOCH3 CH3OOOCH3CH3模型方法过程涉及到的物系为强非理想物系，故选用NRTL模型中的NRTL-RK方程作为物性方程，汽相采用RK方程，液相采用NRTL 方程。
工艺参数一、MN再生反应工艺参数该反应在反应精馏塔中完成，反应式及动力学方程如下：动力学方程：上式中r为硝酸甲酯的生成速率，单位为kmol／(m3〃s)；PNO 和PO2别为NO和02的气相分压，单位为Pa。
模拟的条件如下：反应精馏塔的总塔板数为40块，液相甲醇自塔的上部第6块板进料，来自于偶联反应后含有NO的不凝气从塔下部第24块板下部入塔，即设置的反应段级数为9级；反应的停留时间设置为8 second；塔顶气相采出量为1204.4Kmol/h,塔顶液相回流量为424 Kmol/h。
二、DMO合成反应工艺参数该反应采用转化率模型代替动力学过程表示反应过程。
以亚硝酸甲酯为基准，其转化率为81％，而草酸二甲酯的选择性为90％。
含有亚硝酸甲酯的混合气与CO混合后，预热至135℃，然后通过固定床反应器进行催化偶联反应。
三、偶联反应产物冷凝吸收过程的工艺参数过程通过一个填料吸收塔完成，塔顶的气相出料再连接一个冷凝分离器，进一步将洗涤溶剂甲醇冷凝下来，用于溶解草酸二甲酯。
此过程的操作压力为2 bar，吸收塔的理论级数为20，甲醇洗涤液的入塔温度为15℃，吸收塔塔顶气相出料温度为41.8℃，塔釜液相出料温度为46.2℃，塔顶冷凝分离器温度为16.2℃。
四、DMO精馏分离过程的工艺参数采用的精馏塔的理论板数为23块，11块为进料板，摩尔回流比为0.36，塔顶气相的摩尔采出率为0.7086，精馏塔在常压下操作。
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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！
12
RYield 模块有五组模型参数：
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.)
平衡常数法求解产物组成
2、吉布斯反应器（Gibbs Reactor）
最小自由焓法求解产物组成
17
REquil —平衡反应器
性质：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 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 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。
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。
14
RYield — 示例5.2
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
CH 4 2H2O CO2 4H2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，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CH4 H2O : CO2 : H2等于1 : 2 : 3 : 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？是否满足元 素平衡？
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， 不考虑动力学可行性。
1、平衡反应器（Equilibrium Reactor）
8
RStoic —— 选择性
选择性定义为：
P / Areal S P, A P / Aideal
△P代表选定组分 (selected) P的生成摩尔数； △A代表参照组分 (reference) A的消耗摩尔数； real 代表反应器内的实际情况；
ideal 代表只有A→P一个反应发生时的情况。
平衡类反应器
3.
动力学类反应器
3
化学反应器是整个化工工艺流程的核心， 是实现化学物质转化的必要工序
4
为保证目的产品组分的产率和选择性， 必须选择适宜的反应器类型和反应器网 络。
PFR
CSTR
CSTR
PFR CSTR
PFR
CSTR
PFR
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。
热力学模型选择RK-Soave。 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、由1-丁烯转化为异 丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热。
11
（一）生产能力类反应器
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。
第五章 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) 平衡反应器 (REquil) 吉布斯反应器 (RGibbs) 全混流反应器 (RCSTR) 平推流反应器 (RPlug) 间歇式反应器 (Rbatch)
2
2.
5
6
Trans-2-Butene → Isobutylene
4 (Trans-2-Butene) → Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1Octene
0.为1.9 atm，进料组成如下表所示：
组分 正丁烷（n-Butane） 1-丁烯（1-Butene） 顺-2-丁烯（Cis-2-Butene） 反-2-丁烯（Trans-2-Butane） 异丁烯（Isobutene） 流量（kg/hr） 35000 10000 4500 6800 1450
6
（一）生产能力类反应器
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。 用途：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。
7
Rstoic — 化学计量反应器 — 模型参数
1、模型设定(Specification) 2、化学反应 (Reactions) 3、燃烧 （Combustion） 4、反应热 (Heat of reaction) 5、选择性 （Selectivity) 6、粒度分布 (PSD) 7、组分属性 （Components Attri.) 8、热力学模型 (Thermodynamics)
18
REquil —
模型参数
REquil 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)
19
模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：
9
RStoic计算－例5.1
丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含1-丁烯、正丁烷、 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 1-Butene → Isobutylene 4 (1-Butene) → Propylene(丙二醇) + 2-Methyl-2-Butene + 1Octene(辛烯) Cis-2-Butene → Isobutylene 4 (Cis-2-Butene) → Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1-Octene 反应 转化率 0.36 0.04 0.36 0.04