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aspen如何模拟化学反应

发布时间:2022-12-22 02:44:59

‘壹’ Aspen入门篇2—Aspen Plus 使用介绍

      上一篇给大家简单介绍了化工流程模拟的一些基础知识和利用Aspen Plus解决化工生产问题的一个实例,使大家对Aspen Plus有一个感性的认识。接下来我们将基于Aspen Plus 8.4的用户界面给大家做一个 Aspen Plus 的使用介绍。

双击Aspen Plus 8.4,打开如下界面

Open选项 :打开已保存的Aspen Plus文件,这里文件格式分为两种,一种是bkp文件,另一种是apw文件;

New选项 :新建一个模拟文件,点击new,出现如下界面:(常用的有通用米制单位和化工米制单位)

点击 Blank Simulation,建立一个空白的模拟文件 ,如下图:(即为Aspen Plus的初始界面)

从上图中可以看出 ,Aspen Plus主要分为三个界面,即为Properties界面(物性界面)、Simulation界面(模拟界面)、Energy Analysis界面(能量分析界面) (不常用,这里不多加赘述)。

下面首先介绍 Properties 界面,即所说的物性界面,这一部分是完成流程模拟设计的基础,主要包括以下几个方面:

(一)设置选项 :主要包括单位选择和输出报告设置(当进行一个过程模拟时,需要求某些物理量或者参数时,单位的选择是特别重要的,默用的是METCBAR,当然也可以选择其它的单位集或者自定义单位集;输出报告设置里有选择设置某些物理量是否显示的复选框,例如摩尔流率、质量流率和体积流率等,根据需要进行必要的设置);

(二)物质输入选项 :选择要进行模拟的物质(你要做一个流程模拟,物质的选择是基础,很常见的物质可以直接将化学式或分子式输到Component ID中,至于同分异构体和一些不太常见的物质,可以在find里查询,进行选择);

(三)物性方法选择选项 :选择正确且合理的物性方法是一个模拟成功的关键(正确的物性方法对于一个模拟如同明灯之于航船,方向正确是模拟成功的必要条件,比如液相物质就不能使用维里方程或者RK方程,液液不相容体系就不能使用Wilson方程,选择正确的热力学模型对模拟来说至关重要);

(四)物性集设置选项 :选择指定条件下的物性类型(如果想查看某个条件下纯物质或者混合物的热力学性质或者传递性质,常常需要自定义一个物性集,在分析界面规定条件,代入此物性集,系统会根据条件给出此情况下的物性数据);

(五)回归选项 :对数据进行你和分析(很多方程里的参数是难以从文献里查到的,甚至根本没有数据,此时根据实验测得的数据在软件中进行拟合,回归出所需的参数,以供使用);

(六)分析选项 :查询并得到所需的物性数据设置等(这个模块通常与物性集设置结合在一起使用,比如求混合物的热力学性质,此时设定条件,进而根据所设定的物性集运行,软件系统会根据混合规则及纯物质热力学性质按照混合规则进行运算,以表格形式给出结果);

(七)结果选项 :做回归以及分析的结果查询等(结果里显示系统运算得出的物性数据和一些状态信息等,便于查询与访问)。

这里对模拟界面做一个介绍,模拟界面建立在已有的物质以及已经选择好的物性方法的基础上,建立你的流程模拟图,并设定相应的模块参数,运行模拟,得到相应的数据。流程模拟图相当于你所构建的大厦的风格,是哥特式还是罗马式,并且还需确定“大厦结构风格的具体数据”模块参数。

这里简单介绍一下各种模块,以便大家有一个简单而又直接的认识,方便大家对模块的选择。在后面会对每个模块做逐个比较详细的介绍,这里只是作为一个“眼熟的图画“。

1)混合器/分离器(Mixer/Splitters) :用于处理多条流股的混合及分离问题,尤其当需要做循环物流的分析时,可以使循环物流与进料物流通过混合器混合,而分离器可以得到多股相同性质的物流,从而进行分析,可以通过比较确定最优路线或条件。

2)闪蒸器: 主要是用来处理汽液闪蒸的问题。

3)换热器: 主要用来处理换热的问题,个人觉得处理起来使用EDR更好。

4)塔设备: 塔器在后面会详细介绍,主要是处理精馏等问题,产物纯度较高,这里不多加赘述。

5)反应器: 通过不同的输入条件选择不同的反应器处理问题。

6)压力改变器: 这里主要是泵、阀、压缩机等器械的使用,对于管线系统也有着极其重要的应用。

以上六种为最常用的六种模块,对于流程模拟的实现具有重要意义,因此正确掌握要使用的模块以及设定好模块的工作参数是极其重要的,通过这些单元模块的组合几乎可以完成绝大部分化工流程的模拟工作。

谨以此篇让大家对Aspen Plus的使用有个良好的入门认识,后面会有更详细的介绍,敬请期待哦!

下篇预告:Aspen入门篇3—Aspen Plus物性方法选择及物性估算(上)

‘贰’ 从理论到实践:如何利用aspen模拟采用硫酸进行氯气干燥过程

Aspen
PLUS中有干燥设备吗?楼主说的这个像是吸收,可以用吸收塔试试

‘叁’ 请教各位Aspen前辈,怎么使用Aspen查找或者模拟一个反应的反应焓

ASPEN反应的反应热计算是用反应物和生成物的莫尔生成热来计算,也可以不必用反应器,直接从COMPONENT中看REVIEW中的DHFORM的数值自己手算即可(数值是25C的标准下,有在不同温度反应请再搜寻里面的生成热公式计算一下吧)祝顺利

‘肆’ 求助,用ASPEN模拟甲醇制烯烃过程甲醇制烯烃用的

要先初步设定好流程,再用aspen来模拟。模拟的时候,先把你需要的第一个设备放上去,然后输入物料和需要的操作参数条件,先运行一下,如果第一个设备运行成功并且达到你的要求之后,再放第二个设备上去,第二个设备的进料线就是第一个设备的出口线,连起来就行了,只有第一个设备需要输入物料,其他设备都不用了,但是操作参数条件是要输进去的。每连一个设备运行一次,免得到最后错误很多,很难改的。期待你能做好吧!!!

‘伍’ 谁用aspen模拟过蒽醌加氢制双氧水的反应想请教一些问题。

aspen plus的反应精馏的功能是分馏塔在指定塔板(或塔段)完成指定的化学反应,使原来按进料进行相平衡计算,变为含反应生成物(进料中某些组分转化而来)的相平衡计算。反应部分的功能实际上反应模块的功能。aspen plus不管反应能否完成,它不管这反应有何种催化剂,当然没有催化剂的输入界面和位置。aspen plus更在乎如何很好地模拟含有反应精馏实际过程的整个工艺过程。aspen plus不是用来研究化学反应,而是化学反应在模拟过程中的表达。

‘陆’ 用ASPEN模拟包括反应,结晶,分离的过程

原理是有机物在不同pH值的溶解度不同,在某个pH值下,它的溶解度最小,调到这个pH就可以结晶了。比较有名的例子就是各种氨基酸。它们本身为两性化合物,过酸和过碱溶解度都很大。在接近5-6时,表现为溶解度最小,叫等电点。调节至此区域即可析出晶体。

‘柒’ Aspen进阶篇6—反应器单元模拟

Aspen Plus软件中有七个模型用来模拟生产能力类、热力学平衡类和化学动力学类反应器,见下图:

​ 生产能力类 包括化学计量反应器(RStoic)和产率反应器(RYield)两种,其主要特点是用户指定生产能力进行物料和能量衡算,不考虑热力学可能性和动力学可行性。

热力学平衡类 包括平衡反应器(REquil)和吉布斯反应器(RGibbs)两种,其主要特点是根据热力学平衡条件计算体系发生化学反应能达到的热力学结果,不考虑动力学可行性。

化学动力学类 包括全混釜反应器(RCSTR)、平推流反应器(RPlug)和间歇釜反应器(RBatch)三种,其主要特点是根据化学反应动力学计算反应结果。

以上就是三类反应器的简单介绍,下面我将给大家详细的介绍,希望在反应器这一部分能帮到大家。

第一类: 生产能力类反应器

(一)化学计量反应器(RStoic)

化学计量反应器是按照化学反应方程式中的计量关系进行反应,从而得到反应器的物料平衡和热量平衡,可以计算并行反应和串联反应。使用化学计量反应器模拟时,用户需给定反应程度或转化率,以及化学计量方程式,而不用考虑平衡和动力学的影响,如果有多个反应需要指定每个反应的参数。该模型用来模拟单一或多个反应的反应器,其主要参数设置如下表:

操作如下:

Step1:输入四种物质,并选择物性方法及查看二元交互作用参数

Step2:构建流程图

Step3:输入进料物流参数

常压条件即为1个大气压,见下图

Step4:设置RStoic反应器参数

先设定温度、压力和有效相态

点击New,新建,然后指定反应、产物及其系数,此外还要指定转化率(Molar extent指的是反应程度)

Step5:运行并查看结果

在Block/RSTOIC/Results/Summary界面查看结果,热负荷为-13.41kW

在Setup/Report Options/Streams勾选mole,重新运行,在Steams/Results/PRODUCT里查看出口物流组成,如下图

至此,我们就得到了想要的结果,回顾一下,整个过程还是比较简单的,但需要我们掌握各个地方的含义及正确地输入数据。

(二)产率反应器(RYield)

产率反应器是在知道反应物及反应器出口产物而不知道化学反应计量式时,根据产物分布来计算物料衡算和能量衡算。该模型只考虑总质量守恒而不考虑元素守恒,其主要参数与化学计量反应器不同的在两个参数:

Step1:输入九种物质,并选择物性方法SRK及查看二元交互作用参数

Step2:构建流程图

Step3:输入进料物流参数

Step4:设置RYield反应器参数

首先设定温度、压力和有效相态

接下来输入组分及组分含量,产物收率默认为组分收率(Component yields)。(若体系中有不参加反应的惰性组分,则在Insert Components下面输入框中输入,则惰性组分不参与反应)

Step5:运行并查看结果

运行之后系统给出警告,这是由于输入的产物和进料的元素组成不平衡所致,可以忽略。

在Block/RYIELD/Results/Summary界面查看结果,热负荷为29550.6kW。

第二类: 热力学平衡类反应器

(一)平衡反应器(REquil)

平衡反应器主要是根据化学反应方程式,按照化学平衡关系式进行反应,并达到化学平衡。其结果只是热力学计算结果,代表了化学反应可能到达的限度,不考虑化学动力学上的可行性,只能模拟单相和两相反应,不能模拟三相反应。

平衡反应器需要指定化学计量方程式,根据吉布斯自由能计算平衡常数,通过规定产物生成速率(Extend)或趋近平衡温度(Temperature Approach)来限制平衡,其主要参数设置如下表:

进料物流经预热后的温度为898K,压力为0.12MPa,进料为乙苯和水蒸气的混合物,质量比1:20,总进料量为1000kg/h。反应在绝热条件下进行,物性方法采用SRK方程。计算反应达到平衡时反应器出口温度和组成。

Step1:输入3种物质,并选择物性方法SRK及查看二元交互作用参数

Step2:构建流程图

Step3:输入进料物流参数

Step4:设置REquil反应器参数

注意设置为绝热条件,压力同进料物流压力

接下来输入计量方程式

Step5:运行,查看结果

在Results Summary/Streams界面查看出口物流组成情况

同时查看反应器出口温度为600.649℃

(二)吉布斯反应器(RGibbs)

吉布斯反应器根据系统的吉布斯自由能趋于最小值的原则,计算同时到达化学平衡和相平衡的系统组成和相分布,不需要知道反应方程式和化学动力学,该反应器可以用来估算系统可能到达的化学平衡和相平衡结果。吉布斯反应器是唯一能处理汽液固三相平衡的反应器模块,其主要的参数设置如下:

前面操作均与上例相同,包括选择物质、物性方法进料物流条件

但流程图不相同,如下

接下来我们输入模块参数 ,指定温度及压力,而且这里我们默认同时计算相平衡和化学平衡,其余条件默认,并运行模拟

查看模拟结果 ,我们可以看出,物流计算结果几乎一致,同时查看反应器结果,这里不是绝热条件,故此有热负荷损失,出口温度、压力是一致的。

以上就是前两类反应器的简单介绍,对于第三类反应器,牵扯到动力学数据,因此把它放在下一篇里介绍,希望大家通过此篇能对反应器有一个初步的认识!

‘捌’ Aspen进阶篇7—反应器单元模拟(下)

前面我们介绍了生产能力类和热力学平衡类反应器,这二者均属于比较简单的反应器模块,模块参数比较少,而这一篇要介绍的动力学反应器比较复杂,牵扯到化学动力学的问题,很多理论知识要在“反应工程”课程里学习。在这一篇里以全混釜反应器为例介绍这方面的内容。

化学动力学类反应器
理想全混釜反应器为动力学反应器,可模拟单、两、三相体系,也可处理固体。已知化学反应式、动力学方程和平衡关系,可以通过全混釜反应器计算反应器体积和反应时间以及反应器热负荷,同时可处理动力学控制和平衡控制两类反应,其主要参数设置如下表:

实例 、用全混釜反应器进行乙酸(A)与乙醇(B)的酯化反应,生成乙酸乙酯(R)和水(S),反应在3atm、100℃下进行,化学反应式为:

CH3COOH+C2H5OH→CH3COOC2H5+H2O

原料中反应组分的质量比为乙酸:乙醇:水=1:2:1.35,反应的速率方程为 :

式中:

已知液体30℃进料,处理量为4m3/h,乙酸的转化率为35%,是计算反应器的体积。

Step1:输入组分,选择物性方法SRK**

Step2:构建流程图

Step3:设置进料物流参数

Step4:设置RCSTR反应器参数

在Specifications表单操作条件(Operation conditions)中设置温度、压力(或热负荷),在持料状态(Holp)下设置有效相态和反应器设定方式(7项中选一个,此处选择反应器体积Reactor volume并输入数值18)

接下来定义化学反应对象集,

采用默认ID命名R-1,选择动力学方程类型(Selecttype)为LHHW

每一个化学反应对象集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或平衡参数,打开新建的R-1对象集表单Stoichiometry定义化学反应,点击New…新建化学反应,如下图所示:

然后输入化学反应计量方程式

接下来切换到R-1对象集Kinetic表单定义化学反应动力学,如下图,在动力学表单中为每一个化学反应选择发生反应的相态(Reacting phase)和浓度基准(Ratebasis)。对LHHW型动力学方程,要分别定义反应动力学因子(Kinetic factor)、推动力表达式(Drivingforce expression)和吸附表达式(Adsorption expression),根据已知,输入动力学因子数据

点击Driving Force打开推动力表达式输入界面,包括两项:Term1和Term2,分别代表正反应和逆反应的推动力,分别表达为体系中各组分浓度的幂乘积,Term1、2项输入如下,参数A、B根据已知数据和上述公式计算而来。(此过程不存在吸附过程的影响,无需设置吸附表达式)

正反应推动力表达式设置表单

逆反应推动力表达式设置表单

Step5:运行,查看乙酸的转化率是否达到要求

查看乙酸的进出口流率,转化率=(进口流率-出口流率)/进口流率=17.84%(用电脑计算器算的哦)

Step6:利用设计规定将乙酸的转化率调到35%

以乙酸的进出口摩尔流率作为采集变量(即目标变量)

指定转化率为35%

设定操作变量为反应器体积

运行,查看反应器结果:热负荷为251.3kW,反应器体积为20.28m3,停留时间为4.56h。

这就是今天要介绍的内容,欢迎朋友们留言交流,也欢迎点赞、分享。

精彩回顾

Aspen进阶篇6—反应器单元模拟(上)

Aspen进阶篇5—塔设备单元模拟

Aspen进阶篇4—流体输送单元

Aspen进阶篇3—换热器单元模拟

Aspen进阶篇2—简单单元模拟(下)

Aspen进阶篇1—简单单元模拟(上)

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‘玖’ aspen怎么模拟金属化合物

1、建立空白模拟。
2、输入所需金属成分。
3、选择物性方法在Methodfilter中选择ALL之后选择NRTL-RK。
4、确认物性方法点击模拟即可。
5、以上就是aspen模拟金属化合物的方法。

阅读全文

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