用aspenplus模擬反應(yīng)精餾[4頁(yè)]

1、 用aspen plus模擬反應(yīng)精餾 杜建軍 梁云峰 樊希山 （大連理工大學(xué)化工系統(tǒng)工程研究所） 摘要：aspen plus是一款優(yōu)秀的化工過程穩(wěn)態(tài)模擬軟件，在這款軟件中集成了用于模擬反應(yīng)精餾的模塊。本文基于aspen plus10.1版，首先介紹了aspen plus中反應(yīng)精餾模塊的算法；然后以反應(yīng)精餾制乙二醇為例，詳細(xì)介紹了如何在aspen plus的窗口模式下模擬反應(yīng)精餾。關(guān)鍵詞：aspen plus 反應(yīng)精餾 乙二醇 模擬中圖分類號(hào)：TQ028; TQ031 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：AAbstract:aspen plus is a powerful chemical steady simulat

2、ion software.A new,robust,efficient algorithm for solving reactive distillation problems is incorporated in a general-purpose flowsheeting environment.The algorithm is introduced in this article;In the end,reactive distillation producing EG is illumilated.Keyword: aspen plus reactive distillation EG

3、 simulation 反應(yīng)精餾最初用于化學(xué)工業(yè)和石化工業(yè)的酯化過程,使反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)物中分離以提高產(chǎn)率。近來(lái)，反應(yīng)精餾應(yīng)用于酸氣的清洗操作中以提高分離效果。如氨處理過程就是一個(gè)很好的例子。同時(shí)，研究表明該技術(shù)也是分離異構(gòu)體的一種方法，如對(duì)二甲苯和間二甲苯的分離。在有副反應(yīng)發(fā)生的情況下，反應(yīng)精餾可以提高主反應(yīng)的選擇性，有時(shí)甚至可以使主反應(yīng)的選擇性達(dá)到100%。近十年來(lái)，人們注意到了反應(yīng)精餾的經(jīng)濟(jì)性，從而使反應(yīng)精餾成了工藝改進(jìn)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。美國(guó)過程模擬軟件公司aspentech在他們開發(fā)的化工過程穩(wěn)態(tài)模擬軟件aspen plus中集成了反應(yīng)精餾模擬模塊。 Othmer和Leyes(1945)以

4、及Belek(1955)最早提出了設(shè)計(jì)和分析反應(yīng)精餾問題的理論。由于反應(yīng)精餾模型的復(fù)雜性，需要簡(jiǎn)化模型以便使計(jì)算能進(jìn)行。上世紀(jì)七十年代，報(bào)道了一系列解決反應(yīng)精餾質(zhì)量平衡和能量平衡方程的計(jì)算機(jī)算法（Nelson,1971年；Saito等人,1971年；Suzuki等人,1971年）。像用于非反應(yīng)精餾的程序一樣，這些算法能被分成三類：方程分割法，松弛法，牛頓法方程分割法的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)快而高效，但是不同的方程和變量組合要求混合物對(duì)應(yīng)不同的沸點(diǎn)范圍。另外，當(dāng)物系的非理想性非常強(qiáng)時(shí)，這類算法非常難收斂。松弛法計(jì)算穩(wěn)定，但得到結(jié)果特別慢。直到現(xiàn)在，用于反應(yīng)精餾模擬的牛頓類算法是完全基于純的牛頓法的。它是二次

5、方收斂的，而且它能很好的處理設(shè)計(jì)問題。但是它需要組分物性數(shù)據(jù)的導(dǎo)數(shù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)理想物系是可以忽略的，但對(duì)非理想物系卻是非常重要的。因此，在一個(gè)多功能的流程模擬軟件中應(yīng)用這類方法是不方便的，因?yàn)樵谲浖刑峁┒喾N復(fù)雜的物性數(shù)據(jù)計(jì)算模型供用戶選擇，組分物性數(shù)據(jù)的導(dǎo)數(shù)是很難計(jì)算的。原則上來(lái)說，類牛頓法能解決這個(gè)矛盾；但是，文獻(xiàn)中沒有報(bào)道。Boston研究了一種新的算法，這種算法是“內(nèi)-外”算法的擴(kuò)展，它有效聯(lián)合了牛頓法的優(yōu)點(diǎn)和“內(nèi)-外”算法的優(yōu)點(diǎn)。這種新的算法，我們姑且稱之為“內(nèi)-外”法，是ASPEN PLUS中所有嚴(yán)格塔模型的基礎(chǔ)。該模型已經(jīng)成功應(yīng)用于各種精餾塔和吸收/解吸塔，包括窄/寬沸程，高度非

6、理想性，三相，和組合塔，以及間歇精餾問題。反應(yīng)精餾在ASPEN PLUS中被包括在塔模型內(nèi)，它能處理動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，平衡反應(yīng)以及電化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)可以發(fā)生在液相和（或）汽相。反應(yīng)可以限制在塔的一段，不同的反應(yīng)可以發(fā)生在塔的不同部分。對(duì)于動(dòng)力學(xué)控制的反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)可以以ASPEN PLUS給定的冪函數(shù)形式給出，或以用戶自定義方程給出。對(duì)于平衡反應(yīng)，平衡常數(shù)可以從Gibbs自由能計(jì)算得到，或者從ASPEN PLUS一個(gè)內(nèi)建的二次方表達(dá)式計(jì)算得到。數(shù)學(xué)模型精餾模型一般以組分摩爾數(shù)來(lái)列方程。精餾塔假定每塊塔板都達(dá)到平衡，一塊平衡的塔板稱 為一個(gè)平衡級(jí)，圖1是一個(gè)平衡級(jí)示意圖。與平衡級(jí)相關(guān)的基本變量是汽，液

7、相流率，平衡反應(yīng)限度，級(jí)溫，以及側(cè)線流率。假定汽液相混合均勻，汽液相焓，相平衡常數(shù)都是在這個(gè)假定基礎(chǔ)上計(jì)算得到的。如果是動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)速率也是在這個(gè)假定基礎(chǔ)上計(jì)算得到的。平衡級(jí)序號(hào)是從塔頂?shù)剿滓来卧黾拥?。與第j塊平衡級(jí)相關(guān)的方程如下所示：質(zhì)量平衡： (1)相平衡： (2)化學(xué)反應(yīng)平衡： (3)能量平衡：(4)必須要提到的是混合焓是由基礎(chǔ)參考態(tài)計(jì)算得到，因此，反應(yīng)熱數(shù)據(jù)對(duì)于模型不是必要的。方程3中的平衡常數(shù)是溫度的函數(shù)，它能從參考態(tài)Gibbs自由能計(jì)算得到。通常平衡常數(shù)是由實(shí)驗(yàn)得到，然后與方程3（或類似的方程）相關(guān)聯(lián)。方程3中的活度系數(shù)可以用一個(gè)合適的近似值代替，如摩爾分?jǐn)?shù)，逸度，分壓。AS

8、PEN PLUS中有一個(gè)內(nèi)建的以溫度為變量的二次方表達(dá)式來(lái)計(jì)算平衡常數(shù)，它可以處理方程3的幾種不同形式。與冷凝器和再沸器相關(guān)的能量平衡方程被塔的特定方程代替。為了固定塔的操作條件，需要兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，它們能從下列參數(shù)選擇：塔底流率，塔頂流率，回流比，蒸出率，液相回流率，汽相流率，冷凝器負(fù)荷，再沸器負(fù)荷。每一個(gè)平衡級(jí)方程是逐級(jí)列出的，中間的平衡級(jí)有側(cè)線出料。對(duì)于任何一個(gè)中間平衡級(jí)j，這些方程如下所示： （5） （6）如果沒有特別說明，一個(gè)中間級(jí)的熱負(fù)荷為，下面的方程定義了蒸發(fā)的汽相分率。 （7）如果是動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)速率可由下式，ASPEN PLUS內(nèi)建的冪函數(shù)表達(dá)式給出： （8）一般來(lái)說，方程

9、中的各項(xiàng)參數(shù)是由實(shí)驗(yàn)獲得的。當(dāng)然，對(duì)于許多常見的反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)方程可以從各種文獻(xiàn)中查到。使用方程計(jì)算反應(yīng)速率時(shí)，每塊塔板的容液量(liquid hold up)或停留時(shí)間(residence time)需要給定。如果反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不滿足冪函數(shù)形式，ASPEN PLUS也允許用戶自行設(shè)定動(dòng)力學(xué)方程。上述方程組對(duì)于塔的模擬具有一般性，它既可以處理反應(yīng)精餾模型，也可以處理非反應(yīng)精餾模型。每一塊塔板上可以有多個(gè)反應(yīng)發(fā)生；反應(yīng)既可以是平衡反應(yīng)，也可以是動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，或是電化學(xué)反應(yīng)；而且反應(yīng)可以發(fā)生在任何相中。計(jì)算實(shí)例本文以反應(yīng)精餾制乙二醇為例，基于ASPEN PLUS10.1版，詳細(xì)介紹ASPEN PLUS中模

10、擬反應(yīng)精餾過程的方法?；驹恚阂叶加森h(huán)氧乙烷與水反應(yīng)制得，其反應(yīng)式為： C2H4O + H2OC2H6O2 （方程1） 在反應(yīng)過程中，環(huán)氧乙烷和反應(yīng)生成的乙二醇繼續(xù)反應(yīng)生成副產(chǎn)物二甘醇（DEG）。其反應(yīng)式如下： C2H4O + C2H6O2C4H10O3 （方程2）使用反應(yīng)精餾工藝生產(chǎn)乙二醇有如下理由。1 在環(huán)氧乙烷水合反應(yīng)體系中，產(chǎn)物乙二醇和反應(yīng)物環(huán)氧乙烷揮發(fā)度相差很大，極易分離，所以在反應(yīng)精餾塔中兩者可以迅速分離，提高反應(yīng)的選擇性。2 反應(yīng)精餾直接吸收反應(yīng)熱供給分離所需要的熱量，無(wú)需任何輔助設(shè)備就達(dá)到熱集成，顯著的節(jié)省投資費(fèi)和操作費(fèi)。3 當(dāng)前的生產(chǎn)工藝為了提高反應(yīng)的選擇性，使水大大過量

11、，這樣就使后續(xù)分離消耗大量的能量，以及夾帶乙二醇損失。而由于反應(yīng)精餾使反應(yīng)的選擇性大大提高，從而使反應(yīng)所需水量減少。這樣就可以將多效蒸發(fā)裝置去掉，簡(jiǎn)化工藝流程。如圖2所示，整個(gè)反應(yīng)精餾塔由10塊塔板組成，水從第一塊塔板進(jìn)料，流量為26.3kmol/h，環(huán)氧乙烷由第六塊板進(jìn)料，流量為27.53kmol/h。反應(yīng)區(qū)為第一塊塔板到第六塊塔板，第七塊塔板到第十塊踏板為精餾區(qū)，塔底使用再沸器間接加熱，塔頂冷凝器冷卻，產(chǎn)品在塔底出料，塔頂為全回流。在ASPEN PLUS中，反應(yīng)精餾集成在RadFrac塔模型中。RadFrac模型是ASPEN PLUS中的嚴(yán)格計(jì)算模型，可用于精餾，閃蒸，吸收，抽提，三相精餾

12、，反應(yīng)精餾等各種操作的計(jì)算。首先在窗口中設(shè)置一個(gè)RadFrac模型的實(shí)例B1，設(shè)置好塔的進(jìn)料，組成等常規(guī)參數(shù)，然后在塔模型B1中加入Reaction項(xiàng)，這就在塔中包含了反應(yīng)（如圖下所示）。在這里需要設(shè)置反應(yīng)區(qū)域，本反應(yīng)精餾塔的反應(yīng)區(qū)域?yàn)?-6塊塔板。同時(shí)還要設(shè)置反應(yīng)區(qū)域塔板上的存液量（liquid hold up）,這是反應(yīng)精餾的一個(gè)重要參數(shù)，它決定了塔板上的反應(yīng)量，最終影響反應(yīng)精餾的效果（如上圖所示）?；蛘咴O(shè)置反應(yīng)的停留時(shí)間（residence times），這是一個(gè)替代參數(shù)，aspen plus會(huì)自動(dòng)在兩者之間進(jìn)行換算。但必須注意的是這兩個(gè)參數(shù)只能選其一。表1 反應(yīng)速率方程反應(yīng)Rate(m

13、ol/cm3s)H(kJ/mol)13.15109exp-9547/T(k)xEOxH2o-8026.3109exp-9547/T(k)xEOxEG-13.1完成以上工作后，接著設(shè)置反應(yīng)速率方程及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。如下兩圖所示，由于我們知道了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制方程，所以將反應(yīng)設(shè)為動(dòng)力學(xué)控制（kenitics）方式。該反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程取自參考文獻(xiàn)1，如表1所示。在ASPEN PLUS10.1中內(nèi)建的動(dòng)力學(xué)方程的形式與(8)式有一點(diǎn)差別。為，而參考文獻(xiàn)1（如表1）提供的是是阿倫尼烏斯方程，這時(shí)將上圖中的n和T0兩項(xiàng)不填，即為阿倫尼烏斯方程形式。需要強(qiáng)調(diào)的是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)k的單位一定要用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制（SI

14、）；Cibasic要和方程相對(duì)應(yīng)，該方程中使用的是組分的摩爾分?jǐn)?shù)，因此選擇mole fraction,即摩爾分?jǐn)?shù)。全部設(shè)置完成后，運(yùn)行該程序，計(jì)算出結(jié)果如表2所示。并通過ASPEN PLUS的繪圖向?qū)?plot)繪出全塔的溫度分布曲線和全塔的液相摩爾分?jǐn)?shù)分布曲線。表2反應(yīng)精餾塔模擬計(jì)算結(jié)果塔板氣相流率kmol/h液相流率kmol/h溫度分布o(jì)C產(chǎn)物濃度mol1773.9800.3180.52.34e-82773.9800.3180.54.05e-73773.9800.3180.67.03e-64773.9800.2180.61.22e-45773.8798.4180.62.11e-36772.

15、1734.2182.10.03477707.8732.6182.20.03708706.2712.9183.70.07009686.6609.2199.30.356710582.9558.0251.20.811811531.726.31288.20.9056Amy R.Ciric，Deyao Gu在1994年使用混合整數(shù)線性規(guī)劃法模擬了乙二醇反應(yīng)精餾塔，使用ASPEN PLUS所得模擬結(jié)果與之符合得很好。4 結(jié)論 4.1 在化工穩(wěn)態(tài)模擬軟件ASPEN PLUS中集成了反應(yīng)精餾模塊，該模塊使用一種新型的算法，“內(nèi)-外”法。 4.2 由于使用了windows風(fēng)格的界面，因而界面友好，使得整個(gè)模擬過程變得非常簡(jiǎn)單。 4.3 ASPEN PLUS模擬所得結(jié)果可信度很高；將模擬所得乙二醇反應(yīng)精餾結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道進(jìn)行比較，兩者符合很好。參考文獻(xiàn)1 Amy R.Ciric，Deyao Gu. J.AIChE Journal,1994,40(9):1479-14872 S.Venkat