Aspen习题.docx
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Aspen习题
ASPENPLUS上机练习
（1）－混合、分流模型
1.1、将1200m3/hr的低浓甲醇（甲醇20%mol，水80%mol，30C，1bar）与800m3/hr的高浓甲醇（甲醇95%mol，水5%mol，20C，1.5bar）混合。
求混合后的温度和体积流量。
（Mixer）
1.2、建立以下过程的AspenPlus流程：
1）将1000m3/hr的低浓酒精（乙醇30%w，水70%w，30C，1bar）与700m3/hr的高浓酒精（乙醇95%w，水5%w，20C，1.5bar）混合；
2）将混合后物流平均分为三股：
一股直接输出；第二股与600kg/hr的甲醇溶液（甲醇98%w，水2%w，20C，1.2bar）混合后输出；第三股与200kg/hr的正丙醇溶液（正丙醇90%w，水10%w，30C，1.2bar）混合后输出。
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？
（Mixer、Fsplit）
1.3、建立以下过程的AspenPlus仿真模型：
1）将1000m3/hr的低浓酒精（乙醇30%w，水70%w，30C，1bar）与700m3/hr的高浓酒精（乙醇95%w，水5%w，20C，1.5bar）混合得到溶液A；
2）将600kg/hr甲醇溶液（甲醇98%w，水2%w，20C，1.2bar）与200kg/hr的正丙醇溶液（正丙醇90%w，水10%w，30C，1.2bar）混合后得到溶液B；
3）将溶液A分别与400kg/hr、800kg/hr、1600kg/hr溶液B混合后输出。
求：
三种情况下的输出物流组成（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？
（Mult、Dupl）
ASPENPLUS上机练习
（2）－压力改变模型
2.1、一台离心泵的特性曲线如下表：
转速3000rpm
流量（m3/hr）
23
41.5
60
84
扬程（m）
113
107
96
69
效率（%）
63
68
71
67
转速2500rpm
流量（m3/hr）
20
35
50
70
扬程（m）
76
72
64
44
效率（%）
64.5
69
69
66
转速2000rpm
流量（m3/hr）
16.5
28
41
58
扬程（m）
51
48.5
43.5
30.5
效率（%）
62
64
65
63
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1500～2800rpm。
用该泵输送20℃、1bar的水。
试求当泵的转速为2350rpm时的特性曲线数据。
（Pump）
2.2、一压缩机将压强为1.1bar的空气加压到3.3bar，空气的温度为25C，流量为1000m3/h。
压缩机的多变效率为0.71，驱动机构的机械效率为0.97。
求：
压缩机所需要的轴功率、驱动机的功率以及空气的出口温度和体积流量各是多少？
（Compr）
2.3、某流量为5000kmol/h、温度为25℃、压力为1500kPa的天然气物流含甲烷90%，乙烷7%，丙烷3%。
现将该气体通过一阀门绝热膨胀至压力为300kPa。
若用以下的设备代替上述阀门，试用过程模拟软件确定气体出口温度和回收的功率：
（1）等熵的膨胀透平；
（2）等熵效率为75%的膨胀透平。
（Turbine）
2.4、使用一台五级压缩机将20℃、1bar下的10000m3/hr空气压缩到20bar，压缩机的多变效率为0.71，驱动机构的机械效率为0.97，气体在级间冷却到50℃。
该压缩机用一台汽轮机驱动。
汽轮机用压强为35bar、温度为350℃的过热水蒸汽为工作介质，汽轮机的背压为10bar，蒸汽的流量为21720kg/hr。
汽轮机的等熵效率为0.8，驱动机构的机械效率为0.98。
试问汽轮机的工作蒸汽流量是否能满足需要。
（提示：
看汽轮机的输出功率是否大于压缩机所需的功率）（MCompr、Turbine）
2.5、过热蒸汽压力为800psia，温度为600℉，流量为100000lb/h，现拟通过膨胀将其压力降为150psia。
试用模拟软件计算下述三种情况的出口温度、相态和回收的Hp：
（1）绝热膨胀阀；
（2）等熵膨胀的透平；
（3）等熵效率为75%的膨胀透平。
（Turbine）
ASPENPLUS上机练习（3）－反应器模型
3.1、甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:
4，流量为100kmol/hr。
若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750℃。
（1）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？
（2）若反应在恒压及绝热条件下进行，系统总压为0.1013MPa，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？
（Rstoic）
3.2、甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。
若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，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？
（Requil）
3.3、环氧丙烷水解的绝热CSTR
丙二醇（PG）由环氧丙烷与过量水在绝热和接近环境条件以少量可溶的硫酸作为均相催化剂的液相水解反应生产：
因为反应的放热明显，采用过量水。
而且，因为PO在水中不是全溶的，在进料中加入甲醇，进料进入反应器的温度为23.9℃，流量如下所列：
环氧丙烷：
18.712kmol/hr
水，在此范围内确定160-500kmol/hr
甲醇32.73kmol/hr
假定考虑采用一台现成的搅拌釜反应器，反应器可在3bar下（抑制蒸发）绝热操作，反应器内的液相体积为1.1356m3。
反应经过一系列基元步骤进行，控制步骤涉及二个PO分子。
幂函数动力学方程为：
式中
单位为kmol/m3，R=8.314kJ/kmol-K，T单位为K。
确定水的进料量为200kmol/hr时PO转化率的大小。
（RCSTR）
3.4、丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：
反应速率方程式如下：
式中：
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，总流量为1000kmol/hr，温度为440C，反应在绝热条件下进行。
（1）试求环己烯的产量；
（2）作出示温度和环己烯摩尔分率沿反应器长度的分布图。
（RPLUG）
ASPENPLUS上机练习（4）－分离单元模型
（一）
4.1、对于含等摩尔的正戊烷和正己烷的溶液，试计算：
1）120℉下的露点压力；
2）1atm下的泡点温度；
3）120℉,0.9atm时的气相分率,气相和液相中的摩尔分率。
（Flash）
4.2、将150℉和202psia状态下进入蒸发器的液体45mol%汽化，用过程模拟软件确定所需的能量，各组分含量如下：
物质
lbmol/hr
丙烷
250
正-丁烷
400
正-戊烷
350
假设蒸发器产物的压力为200psia。
采用Soave-Redlich-Kwong状态方程。
（Flash）
4.3、下列物流离开精馏塔，其状态是138psia和197.5℉。
如果压力被降低（绝热）到51psia，气相分率和温度为多少？
组分
流量（lbmol/h）
丙烷
1.00
异丁烷
297.00
正丁烷
499.79
异戊烷
400.00
正戊烷
500.00
（Flash）
4.4、甲醇反应器的出口流量为：
CO，100lbmol/h；氢，200lbmol/h；甲醇，100lbmol/h。
该物流为100atm和300℃。
将它冷却到30℃并确定气相和液相物流中各组分的流量。
1）对上述条件三组分的K值各为多少？
2）分别用理想溶液和你选择的另一种热力学模型进行模拟，比较结果。
（Flash）
ASPENPLUS上机练习（5）－分离单元模型
（二）
5.1要求用一个精馏塔分离苯和苯乙烯在77oF和1atm条件下的等摩尔混合物。
塔顶馏出物中苯含量应当为99mol%，且应包含进塔原料中95mol%的苯。
用过程模拟软件确定全回流下的最少理论塔板数（Nmin）、最小回流比（Rmin）和R＝1.3Rmin时处于平衡的理论塔板数。
（DSTWU）
5.2利用Peng-Robinson方程计算体系热力学性质，计算下列多股进料精馏塔的产品组成、塔板温度分布、每块塔板上气液相流率及组成、再沸器和冷凝器的热负荷，该精馏塔具有32块理论板（不包括部分冷凝器和部分再沸器），操作压强为250psia。
两股进料均是在250psia下的泡点状态。
塔顶采出流率：
36.0Lbmol/h；回流流率：
150.0Lbmol/h。
组分
进料1
进料位置：
16板
进料2
进料位置：
25板
流量Lbmol/h
流量Lbmol/h
Ethane
1.5
0.5
Propane
24.0
10.0
n-Butane
16.5
22.0
n-Pentane
7.5
14.5
n-Hextane
0.5
3.0
（精馏）
5.3、发酵过程的二氧化碳中含1%（mol）的乙醇。
需要通过与35℃、1atm的水接触脱除乙醇。
气体流量为400lbmol/h，水流量为620lbmol/h，其中含0.02％（mol）的乙醇。
如果用10级的吸收塔进行模拟，确定出塔气体的组成。
（吸收）
5.4、用甲基异丁基甲酮（CH3COC4H9）从含丙酮45%w的水溶液中萃取回收苯酚，处理量100lb/hr。
采用逆流连续萃取塔，在14.7psia下操作。
萃取塔理论板数为10，萃取剂用量为4lb/hr。
（1）求萃取相组成该系统的相平衡可用NRTL方程或UNIQUAC方程预测。
进料
溶剂
第二液相关键组分：
苯酚
第一液相关键组分：
水
1
N
F=100lb/hr
T=77℉
P=14.7psia
组成：
水-99.9%
苯酚-0.1%
F（MIBK）：
4lb/h
T=77℉
P=14.7psia
平衡级数：
10
T=77℉
P=14.7psia
（萃取）
ASPENPLUS上机练习（6）－换热模型
6.1、在由氯气和乙烯生产氯乙烯的过程中，从高温裂解炉出口的物流中含有58300lb/h的HCl，100000lb/h的氯乙烯，105500lb/h的1,2-二氯乙烷，温度为500℃，压力为26atm。
在进入精馏工序之前，要通过冷却和冷凝使该物流温度降至6℃，压力降至12atm。
设该过程以三步完成：
（1）26atm下在换热器1中冷却至露点温度；
（2）经由一阀门绝热膨胀到12atm；（3）12atm下在换热器2中冷却至6℃。
试确定每个换热器的热负荷和冷却曲线。
两个换热器中的压降均可忽略不计。
（换热器）
6.2、分别使用三种方法模拟用水冷却混合烃:
（1）简捷HeatX模型；
（2）严格HeatX模型；（3）连接一个热流股的两个Heater模型。
•烃物流：
温度:
200℃
压力:
4bar
流量:
10000kg/hr
百分组成:
50wt%苯,20%苯乙烯,
20%乙苯和10%水
•冷却水：
温度:
20℃
压力:
10bar
流量:
50000kg/hr
百分组成:
100%水
•简捷法HeatX模拟:
烃出口汽化分率为0.1
两物流无压降
•两个Heater模拟:
用与简捷法HeatX模拟同样的规定
•严格HeatX模拟:
壳程烃出口汽化分率为0.1
壳程直径1m,管程数为4
裸管600根,6m长、管心距31mm、内径21mm、外径25mm
所有管嘴100mm
隔板5个、切削15%
创建包含所有热设计信息的热曲线
6.3、为了把流量为60000lb/h、压力为150psia的丙酮从250℉冷却到100℉，需要设计一热交换系统。
可以用需要加热的醋酸为冷却剂，其流量为185000lb/h，温度为90℉，压力为75psia。
现有四台单壳程双管程的管壳式换热器，每台的壳体内径均为21.25in，装有270根3/4in外径、14BWG（指列管厚度为0.0785in）、16ft长的碳素钢管，以1in的管心距正方形排列于管板上。
壳程圆缺形挡板切除率为25％，板间距为5in。
试确定应当采用上述的一台还是多台换热器完成此换热任务。
请注意若采用两台、三台或四台串联操作时，分别与采用双壳程四管程、三壳程六管程、四壳程八管程换热器等效。
如果上述换热器不适用，请设计适用的一台或一组换热器。
设污垢因子为0.004（h·ft2·℉）/Btu。
（换热器）
解注：
用HeatX的Detailed（Rating）算法，无法完成换热任务（即使是4壳程8管程的换热器换热面积仍然不够）
ASPENPLUS上机练习（7）－物性计算及热力学模型的选择
7.1、将50℃，3bar下的10m3/hr乙二醇、10m3/hr乙醇和10m3/hr甲醇等压混合，求混合液体的密度、粘度和表面张力系数。
ASPEN中密度代号：
RHOMX，粘度代号：
MUMX，表面张力系数代号：
SIGMAMX
7.2、将10m3/hr，20℃，1.1bar下的30%w硫酸与将10m3/hr，30℃，1.6bar下的20%w液碱（NaOH）混合，求溶液的pH和导热系数。
ASPEN中导热系数代号：
KMX
7.3、设有下列离开甲醇反应器的混合物：
CO，100kmol/h；H2，200kmol/h；甲醇，100kmol/h。
该气体处于100atm和300℃，试计算其比容。
分别采用
（1）理想气体定律；
（2）Redlich-Kwong状态方程；（3）Redlich-Kwong-Soave状态方程。
试比较三个结果，问该混合物能否作为理想气体？
7.4、甲苯加氢去烷基
是在高温高压下进行，过量的Ｈ2用于防止芳烃裂解生成轻质气体。
实际操作中，甲苯的单程转化率仅70％，为了分离和循环氢气，反应器出来的热态流出物（5597kmol/hat3448kpaand408.2K）在闪蒸器中分离产物时被分凝至322Ｋ。
如果反应器流出物的组成如下表所列，且闪蒸器的压力为3344kpa，计算离开闪蒸器的物料组成和气、液两相的流量以及闪蒸器的热负荷。
比较使用不同的热力学模型时计算结果（包括闪蒸器Ｋ值、焓、熵变化）有何不同？
（热力学模型）
使用三种热力学模型：
S-R-K模型、P-R模型、L-K-P模型
组分
摩尔分率
H2
0.3177
CH4
0.5894
C6H6
0.0715
C7H8
0.0214
7.5、500psia、950℉时在催化反应器内进行甲苯歧化生成苯和二甲苯的反应:
，由于回收热量，反应器生成物料被一系列热交换器冷却至235℉（此时压力为490psia）。
物料继续在换热器中被冷却水冷却并部分冷凝至100℉、485psia，生成的气液两相混合物进入一闪蒸器中进行两相分离。
针对以下反应器出口物料的组成，在过程模拟软件中分别使用S-R-K、P-R模型计算气液两相中各物质的流量，各物质的平衡常数以及冷却水的传热速率，比较不同热力学模型计算的结果。
（热力学模型）
组分
反应器出口流量（lbmol/h）
H2
1900
CH4
215
C2H6
17
Benzene
577
Toluene
1349
p-Xylene
508
ASPENPLUS上机练习（8）－设计规定、分析、优化
8.1、有循环的闪蒸。
（a）考虑如图所示的闪蒸分离过程。
如果使用ASPEN软件，应用Mixer、FLASH、Fsplit、Pump等模块和SRK热力学方程对三种情况（底部产物循环比分别为50％、25％、0％时）进行求解计算。
比较讨论三种情况下所产生的顶部物流的流率和组成。
（b）对上述第三种情况进行调整，确定要得到850lb/h顶部蒸气所要求的闪蒸温度。
（CONTROLLER,循环回路）
8.2、在甲烷转化装置中，甲烷和水反应生成氢气和一氧化碳，反应方程式如下：
CH4+H2O=3H2+CO，反应器进料含有纯甲醇和水，在进反应器之前混合加热。
甲烷转化率为99.5%，进料重甲烷对水的摩尔比是1:
4。
创建如下图所示的流程，建立灵敏度分析，并绘制图表，显示反应器热负荷随进料中甲烷流率的变化情况，甲烷流率变化范围为：
100-500lbmol/hr。
8.3、甲苯加氢脱烷基过程－反应器部分。
甲苯在加氢脱烷基反应器中转化为苯。
主反应为：
。
发生不可避免的生成联苯的副反应：
。
反应器部分工艺如图所示，原料和两股循环流的条件如图中所示。
急冷物流的流率应当达到使反应器流出物被急冷到1150℉的要求。
甲苯在反应器中的转化率为75％（mol）。
第一步反应后物料中的苯有2％（mol）转化为联苯。
应用过程模拟软件进行物料衡算和能量衡算。
热力学模型使用SRK方程。
（循环回路）
组分
原料流率（lbmol/h）
循环流率（lbmol/h）
气体循环流率（lbmol/h）
H2
0
0
2045.9
CH4
0
0
3020.8
C6H6
0
3.4
42.8
C7H8
274.2
82.5
5.3
C10H12
0
1.0
0
8.4、氯乙烯生产工艺。
氯乙烯单体（VCM）是通过1,2二氯乙烷（EDC）CASNo.：
107-06-2的高温裂解反应生成的，这是一个高压高温的非催化反应过程，反应式如下：
CH2Cl-CH2Cl（EDC）→HCl+CHCl=CH2（VCM）
在直接火焰炉中在摄氏500度和30bar的情况下EDC出现裂化。
2000lbmol/hr的纯EDC进料在70℉和390Psia的情况下进入反应器。
反应器中EDC的转化率维持在55%。
从反应器出来的热气体在分馏之前被过冷，过冷度为10℉。
用两个蒸馏塔来提纯VCM产品。
在第一个塔中，在塔顶除去无水HCl，并把它送到氧氯化单元。
在第二个塔中，在塔顶得到VCM产品，含有未反应的EDC的塔底物流循环回裂解炉。
从两个塔出来的塔顶馏出物为饱和液体。
HCL塔的操作压力为367psia，VCM塔的操作压力为115psia。
物性方法用RK-SOAVE。
进料条件：
温度70℉，压力390Psia,氯乙烷（EDC）流量2000lbmol/hr。
模块条件：
反应器：
温度900℉，压力390psia，EDC转化率55%。
急冷器：
压降5psia，过冷度10℉。
塔一：
平衡级数：
15进料位置：
8，压力367psia，塔顶流出物与进料流量之比0.354，摩尔回流比1.082。
塔二：
平衡级数：
10，进料位置7，压力115psia，塔顶流出物与进料流量之比0.55，摩尔回流比0.969。
问题A：
建立基本工况，记录下列数据：
1、裂解炉热负荷：
2、急冷器热负荷：
3、急冷器出口温度：
4、塔二冷凝器/再沸器热负荷：
5、VCM在产品流股中的浓度：
问题B：
1、考察DEC的转化率由50%～55%对反应器、急冷器热负荷的影响，对塔一、塔二再沸器热负荷之和的影响
因变量：
反应器热负荷、急冷器热负荷、塔一、塔二再沸器热负荷之和
自变量：
EDC转化率，范围0.5～0.55.
在换热器中想直接写压降降低了多少,比如下降5pis.可以直接输入吗,Pressure-dropcorrelationparameter具体什么意思,要怎么设置.希望有高手指点一下,谢谢!
如果你输入的是正值那出口的压力就是你输入的压力,如果你输入的是负值就表示压降.
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