用aspen-plus模擬反應精餾.doc

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1、用aspenplus模擬反應精餾杜建軍梁云峰樊希山（大連理工大學化工系統(tǒng)工程研究所）摘要：aspenplus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精餾的模塊。本文基于aspenplus10.1版，首先介紹了aspenplus中反應精餾模塊的算法；然后以反應精餾制乙二醇為例，詳細介紹了如何在aspenplus的窗口模式下模擬反應精餾。關(guān)鍵詞：aspenplus反應精餾乙二醇模擬中圖分類號：TQ028;TQ031文獻標志碼：AAbstract:aspenplusisapowerfulchemicalsteadysimulationsoftware.Anew,

2、robust,efficientalgorithmforsolvingreactivedistillationproblemsisincorporatedinageneral-purposeflowsheetingenvironment.Thealgorithmisintroducedinthisarticle;Intheend,reactivedistillationproducingEGisillumilated.Keyword:aspenplusreactivedistillationEGsimulation反應精餾最初用于化學工業(yè)和石化工業(yè)的酯化過程,使反應產(chǎn)物從反應物中

3、分離以提高產(chǎn)率。近來，反應精餾應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很好的例子。同時，研究表明該技術(shù)也是分離異構(gòu)體的一種方法，如對二甲苯和間二甲苯的分離。在有副反應發(fā)生的情況下，反應精餾可以提高主反應的選擇性，有時甚至可以使主反應的選擇性達到100%。近十年來，人們注意到了反應精餾的經(jīng)濟性，從而使反應精餾成了工藝改進的一個研究熱點。美國過程模擬軟件公司aspentech在他們開發(fā)的化工過程穩(wěn)態(tài)模擬軟件aspenplus中集成了反應精餾模擬模塊。Othmer和Leyes(1945)以及Belek(1955)最早提出了設(shè)計和分析反應精餾問題的理論。由于反應精餾模型

4、的復雜性，需要簡化模型以便使計算能進行。上世紀七十年代，報道了一系列解決反應精餾質(zhì)量平衡和能量平衡方程的計算機算法（Nelson,1971年；Saito等人,1971年；Suzuki等人,1971年）。像用于非反應精餾的程序一樣，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)點是存儲快而高效，但是不同的方程和變量組合要求混合物對應不同的沸點范圍。另外，當物系的非理想性非常強時，這類算法非常難收斂。松弛法計算穩(wěn)定，但得到結(jié)果特別慢。直到現(xiàn)在，用于反應精餾模擬的牛頓類算法是完全基于純的牛頓法的。它是二次方收斂的，而且它能很好的處理設(shè)計問題。但是它需要組分物性數(shù)據(jù)的導數(shù)

5、，這些數(shù)據(jù)對理想物系是可以忽略的，但對非理想物系卻是非常重要的。因此，在一個多功能的流程模擬軟件中應用這類方法是不方便的，因為在軟件中提供多種復雜的物性數(shù)據(jù)計算模型供用戶選擇，組分物性數(shù)據(jù)的導數(shù)是很難計算的。原則上來說，類牛頓法能解決這個矛盾；但是，文獻中沒有報道。Boston研究了一種新的算法，這種算法是“內(nèi)-外”算法的擴展，它有效聯(lián)合了牛頓法的優(yōu)點和“內(nèi)-外”算法的優(yōu)點。這種新的算法，我們姑且稱之為“內(nèi)-外”法，是ASPENPLUS中所有嚴格塔模型的基礎(chǔ)。該模型已經(jīng)成功應用于各種精餾塔和吸收/解吸塔，包括窄/寬沸程，高度非理想性，三相，和組合塔，以及間歇精餾問題。反應精餾在A

6、SPENPLUS中被包括在塔模型內(nèi)，它能處理動力學反應，平衡反應以及電化學反應。反應可以發(fā)生在液相和（或）汽相。反應可以限制在塔的一段，不同的反應可以發(fā)生在塔的不同部分。對于動力學控制的反應，動力學數(shù)據(jù)可以以ASPENPLUS給定的冪函數(shù)形式給出，或以用戶自定義方程給出。對于平衡反應，平衡常數(shù)可以從Gibbs自由能計算得到，或者從ASPENPLUS一個內(nèi)建的二次方表達式計算得到。數(shù)學模型精餾模型一般以組分摩爾數(shù)來列方程。精餾塔假定每塊塔板都達到平衡，一塊平衡的塔板稱為一個平衡級，圖1是一個平衡級示意圖。與平衡級相關(guān)的基本變量是汽，液相流率，平衡反應限度，級溫，以及側(cè)線流率。假定汽

7、液相混合均勻，汽液相焓，相平衡常數(shù)都是在這個假定基礎(chǔ)上計算得到的。如果是動力學反應，反應速率也是在這個假定基礎(chǔ)上計算得到的。平衡級序號是從塔頂?shù)剿滓来卧黾拥摹Ｅc第j塊平衡級相關(guān)的方程如下所示：質(zhì)量平衡：(1)相平衡：(2)化學反應平衡：(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)計算得到，因此，反應熱數(shù)據(jù)對于模型不是必要的。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自由能計算得到。通常平衡常數(shù)是由實驗得到，然后與方程3（或類似的方程）相關(guān)聯(lián)。方程3中的活