化学反应工程三级项目.docx

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化学反应工程三级项目

化学反应工程三级项目

Aspenplus模拟RCSTR和RStoic反应器的操作与计算

学院：

环境与化学工程学院

专业：

11化工工艺

学生姓名：

苏亮

学号：

110110010026

指导教师：

李建军

化学反应工程三级项目任务书

学院：

环境与化工学院系级教学单位：

化工系

学

号

110110010026

学生

姓名

苏亮

专业

班级

11化工工艺

题

目

题目名称

Aspenplus模拟RCSTR和RStoic反应器的操作与计算

题目性质

理论研究

主

要

内

容

1.反应器的选型；

2.输入输出物料参数的设定；

3.物性方法的选择；

4.计算收敛过程优化；

5.计算结果输出；

6.项目报告

基

本

要

求

写出2000字的报告；报告主体应有反应器基本原理、参数设定、计算过程及计算结果输出、结果与讨论。

参

考

资

料

1.《化学反应工程》第三版陈甘棠化学工业出版社

2.《化工流程模拟实训--AspenPlus教程》孙兰义化学工业出版社

指导教师：

李建军

职称：

副教授

系级教学单位审批：

年月日

说明：

如计算机输入，表题黑体小三号字，内容五号字。

前言：

AspenPlus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。

AspenPlus在整个工艺装置的从研发、工程到生产生命周期中，提供了经过验证的巨大的经济效益。

它将稳态模型的功能带到工程桌面，传递着无与伦比的模型功能和方便使用的组合。

利用AspenPlus可以设计、模拟、故障诊断和管理有效益的生产装置。

AspenPlus具有最先进的流程收敛方法。

AspenPlus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。

AspenPlus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。

AspenPlus可以进行过程优化计算。

应用AspenPlus的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值，以达到任何目标函数的最大值。

对约束条件和可变参数的数目没有限制，可以将任意工程或技术经济变量作为目标函数，如利润和生产率。

用户在选取操作参数限制范围时，具有很大的灵活性。

AspenPlus的一大特点是能将流程模拟和优化同时收敛，这样使得收敛更加迅速而可靠。

第一章Aspenplus基础知识和反应器基本原理

1.物性方法的选择：

PENG-ROB物性方程适用于所有温度及压力下的非极性或极性较弱的混合物体系PR-BM物性方程适用于所有温度及压力下非极性或者极性较弱的体系PRMHV2物性方程适用于较高温度及压力下极性或非极性的化合物混合体系PSRK物性方程适用于较高温度及压力下极性或非极性的轻组分气体化合物体系RKS-BM物性方程适用于所有温度及压力下非极性或者极性较弱的体系

RKSMHV2物性方程适用于较高温度及压力下极性或非极性的轻组分气体化合物体系RK-SOAVE物性方程适用于所有温度及压力下的非极性或极性较弱的混合物体系RKSWS物性方程适用于较高温度及压力下极性或非极性的轻组分气体化合物体系SR-POLAR物性方程适用于较高温度及压力下极性或非极性的轻组分气体化合物体系UNIQUAC物性方程适用于极性和非极性强非理想体系

2.物料参数的设定：

2.1化学计量反应器

化学计量反应器的参数设定包括：

①操作条件（反应器压力、温度）、有效相态；

②规定每个反应的化学计量数，并指定每个反应的转化率或产品流率

2.2产率反应器

产率反应器的参数设定包括：

①操作条件（反应器压力、温度）、有效相态；

②反应产物中每个组分的产率

2.3平衡反应器

平衡反应器的参数设定包括：

①操作条件（反应器压力、温度）、有效相态；

②规定每个反应的化学计量数

2.4吉布斯反应器

吉布斯反应器的参数设定包括：

①操作条件、计算选项和存在相态数；

②指定产物组分，定义产物存在的相态；

③指定出口物流相态

2.5全混釜反应器

①操作条件：

反应器压力、温度或者热负荷；

②持料状态：

有效相态（Validphases）、反应器体积（Reactorvolume）或停留时间（Residencetime）等

2.6平推流反应器

①指出RPlug的反应器类型:

指定温度反应器、绝热反应器等；

②确定反应器构型：

长度、根数、直径和冷却剂有效相态等；

③设定产品物流出口相态（两种以上）

2.7间歇式反应器

①操作设定：

恒温、温度剖形等六种；

②压力设定：

指定反应器压强，压强剖形，计算压强；

③有效相态

3.物性方法选择指南：

3.1理想模型

理想模型物性方法

3.2状态方程模型

状态方程模型物性方法

3.3活度系数模型

活度系数模型物性方法

3.4特殊模型

特殊模型物性方法

4.反应器基本原理

4.1、物料衡算对于反应物A：

流入量-流出量-反应消失量-累积量=0对于间歇反应器：

①、②项为零。

对于定态操作的连续反应器：

不存在累积，④项为零。

对于半连续操作和非定态操作的连续流动反应器:

四项均需考虑.

4.2、热量衡算

随物料带入的热量①-随物料带出的热量②-反应系统与外界交换的热量③+反应过程的热效应④+累积的热量⑤=0

对于间歇操作系统：

①、②项为零。

对于定态连续流动反应器：

⑤项为零。

对半连续操作和非定态操作的连续流动反应器：

五项均不为零。

第二章反应器模拟举例计算

RCSTR—全混釜反应器

一、反应器选型---RCSTR

1.1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。

1.2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。

1.3选择反应：

RCSTR中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象来设定。

1.4特点：

★反应器内所有空间位置的物系性质是均匀的，并且等于反应器出口处的物料性质，即反应器内物料的浓度与温度均一，且与出口物料温度、浓度相同。

★新鲜物料瞬间混合均匀，存在不同停留时间的物料之间的混合，即返混。

且逆向混合程度最大，逆向混合直接导致稀释效应最大。

★在等温操作的条件下，反应器内物系的所有参数，如T、C、P等既不随时间变化，也不随位置变化。

1.5连接方法：

二、总体设计（上机操作过程）

示例：

乙酸乙酯的平衡反应式为：

基于摩尔浓度的反应平衡常数为K，lnK=1.335。

进料为0.1013MPa下的饱和液体，其中水，乙醇，乙酸的流率分别为736kmol/h、218kmol/h、225kmol/h，全混釜反应器的体积为21000L，温度为60℃，压力为0.1013MPa，化学反应对象选用指数型。

物性方法选用NRTL-HOC，求乙酸乙酯的流率为多少？

2.1打开Aspenplus

如图：

2.2选择反应器，画出物料流，然后单击next进行下一步。

给文件定义一个title,再进行下一步。

如图：

2.3物料参数的设定和计算过程

2.3.1查找反应组分

如图：

2.3.2输入化学反应式，选择物种添加，然后继续查找下一个，直至全部查找完毕，再点击next,进行下一步。

如图：

2.3.3选择工艺类型和物性方法，再一直单击next进行下一步。

直至进入nextrequiredinputstep.

如图：

2.3.4设定气相组分，输入压力和摩尔分率，然后单击next进行下一步。

如图：

2.3.5选择操作条件，相态，反应器体积。

如图:

2.3.6选择化学反应对象为指数型，编辑反应类型，设置平衡反应参数，最后添加反应设置，单击next进行下一步。

如图：

2.4选择ResultSummary丨Streams,在Material页面查看结果，可看到乙酸乙酯的流率。

如图：

RStoic—化学计量反应器

一、反应器选型---RStoic

1.1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。

1.2用途：

已知化学反应方程式和每一反应的转化率或产量，不知化学动力学关系。

1.3选择反应：

RStoic中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象来设定。

1.4连接方法：

二、总体设计（上机操作过程）

示例一：

甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：

CH4+2H20=CO2+4H2

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CH4转化率为73%时，CO2和H2的产量是多少？

反应热负荷是多少？

2.1打开Aspenplus

如图：

2.2选择反应器，画出物料流，然后单击next进行下一步。

给文件定义一个title,再进行下一步。

如图：

2.3物料参数的设定和计算过程

2.3.1确定反应组分，单击next进行下一步。

如图：

2.3.2选择反应类型和基础方法。

如图：

2.3.3单击next进行下一步，直至进入nextrequiredinputstep。

如图：

2.3.4输入温度，压力和摩尔分率等，然后单击next进行下一步

如图：

2.3.5输入操作状态，选择反应器内相态,单击next进入下一步。

如图：

2.3.6编辑化学计量学，输入组分的化学反应系数和转化率，点击next进入结果计算。

如图：

2.3.7选择ResultSummary丨Streams,在Material页面查看结果，可看到CO2和H2的产量。

如图：

2.3.8选择Blocks丨B1，在summary页面查看结果，可看到反应热负荷。

如图：

示例二：

反应和原料同上，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？

2.4返回设备图界面，双击B2进入设置页面，设置热负荷数值。

如图：

2.5返回设备图界面，双击物料流3进入设置页面，设置温度数值.

如图：

2.6计算得出口温度，在结果页面查看

如图：

第三章结果与分析

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。

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。

ASPENPlus是根据我们输入的过程参数（如进料流股和模型参数）计算结果数据的（如非进料流股和设备状态数据）。

进行过程设计时，常常希望确定某个过程参数的特定值从而使某个结果数据达到给定值。

对于这类应用需求，ASPENPlus提供了设计规定（DesignSpec）工具。

设计规定从数据浏览器的左侧目录栏中进入。

利用AspenPlus可以进行工艺过程严格的能量和质量平衡计算，预测物流的流率、组成和性质，预测操作条件和设备尺寸，减少装置的设计时间、进行设计方案比较，帮助改进当前工艺。

通过ASPENPlus软件的模拟计算大大简化了人工计算的过程，计算结果较理想化。

在选用不同的模型时要理解它们的特点，分清它们之间的区别，我们才能更好的使用ASPENPlus。