ASPENPLUS反应器的模拟与优化解读
基于Aspen Plus的气体分馏装置的模拟与优化
控制与优化石 油 炼 制 与 化 工ＰＥＴＲＯＬＥＵＭＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＡＮＤＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＳ２０２０年８月 第５１卷第８期 收稿日期：２０２０ ０２ ２０；修改稿收到日期：２０２０ ０４ ３０。
作者简介：吴昊天，助理工程师，主要从事石油炼制工艺技术研究与应用工作。
通讯联系人：吴昊天，Ｅ ｍａｉｌ：ｗｕｈｔ．ｙｚｓｈ＠ｓｉｎｏｐｅｃ．ｃｏｍ。
r犃狊狆犲狀犘犾狌狊-4f]£78-¤¥¦§"吴 昊 天（中国石化扬子石油化工有限公司炼油厂，南京２１００４８）摘 要：以中国石化扬子石油化工有限公司炼油厂０．４８Ｍｔ?ａ的２号气体分馏装置为研究对象，利用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ流程模拟软件对气体分馏装置工艺流程建立稳态模型，得到的模拟结果与装置生产实际情况相符合。
在此基础上运用灵敏度分析工具，在保证各产品满足质量要求的前提下，以降低能耗、最大化增产丙烯为目标对装置精馏塔塔顶压力、回流比等重要操作参数进行分析优化。
优化结果证明，在提高精丙烯塔塔顶压力、丙烯产品质量满足要求的条件下，气体分馏装置的丙烯收率有了显著提高。
优化方案实施后，装置丙烯产品收率增加０．０８百分点，每年可增加的经济效益约为９２．０５万元，说明应用流程模拟优化增产丙烯效果显著。
关键词：流程模拟 气体分馏装置 丙烯 灵敏度 精馏塔近年来，随着市场对高纯度丙烯、丙烷的需求量日趋扩大，气体分馏装置作为国内炼油厂以催化裂化液化气和延迟焦化液化气为原料分离生产高纯度丙烯的主要装置，其生产运行优化、工艺条件优化以及节能降耗等越来越受到重视。
近年来，国内在气体分馏装置的模拟计算优化、灵敏度分析等工作已开展多年且相当成熟可靠。
在众多的优化工作中，非常重要的一项就是通过优化精馏塔操作以求实现提高丙烯的收率［１ ３］。
目前中国石化扬子石油化工有限公司（简称扬子石化）２号气体分馏装置存在丙烯产品实际收率与设计收率相差大（装置设计丙烯产品收率为３５．１１％，实际收率为３３．１２％）、精丙烯塔两塔能耗较大等问题，导致了丙烯的损失与装置能量的浪费，造成了不必要的经济损失。
AspenPlus应用基础-反应器-2
1、模型设定 (Specifications) 模型设定 2、反应器构型 (Configuration) 、 3、化学反应 (Reactions) 、 4、压力 (Pressure) 、
RPlug — 模型设定(1) 模型设定(1)
设定反应器类型，共有五种类型： 设定反应器类型，共有五种类型： 1、指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度： ，有三种方式设定操作温度： 1) 进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature) 2) 指定反应器温度 (Constant at specified reactor temperature) 3) 温度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反应器长 ， 度的温度分布
反应速率方程式如右： 反应速率方程式如右： 式中： 式中：
− rA = kC AC B
kmol / m 3 ⋅ s
m 3 / kmol ⋅ s
1.15 × 108 1 1 k = 0.08186 exp − − R T 700
压降可忽略。 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， 二烯和乙烯的等摩尔常压混合物，温度为440°C。如 ° 果反应在绝热条件下进行， 果反应在绝热条件下进行 ， 要求丁二烯的转化率达 到12%，试求环己烯的产量 。
RCSTR— RCSTR—全混釜反应器
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。 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。
ASPEN_PLUS_介绍及模拟实例
ASPEN PLUS的热力学模型（适用体系）
非理想体系——采用状态方程与活度系数相 结合的模型；
原油和调和馏分；
水相和非水相电解质溶液； 聚合物体系。
ASPEN PLUS的热力学模型（状态方程）
• • • • • • • • • • Benedict-Webb-Rubin-Lee-Starling（BWRS）； Hayden-O’Connell； 用于Hexamerization的氢-氟化物状态方程； 理想气体模型； Lee-Kesler（LK）； Lee-Kesler-Plocker； Peng-Robinson（PR）； 采用Wong-Sandler混合规则的SRK或PR； 采用修正的Huron-Vidal-2混合规则的SRK或PR； 用于聚合物的Sanchez-Lacombe模型。
• • • • • • API酸水方法； Braun K-10； Chao-Seader； Grayson-Streed； Kent-Eisenberg； 水蒸气表。
ASPEN PLUS的物性分析工具
• 物性常数估算方法：可用于分子结构或其他易测 量的物性常数（如正常沸点）估算其他物性计算 模型的常数。 • 数据回归系统：用于实验数据的分析和拟合。 • 物性分析系统：可以生成表格和曲线，如蒸汽压 曲线、相际线、t-p-x-y图等。 • 原油分析数据处理系统：用精馏曲线、相对密度 和其他物性曲线特征化原油物系。 • 电解质专家系统：对复杂的电解质体系可以自动 生成离子或相应的反应
目标：塔顶馏出物甲醇纯度>99.95wt%，塔 底水纯度>99.90wt%。
步骤
启动程序
选择单位制和运算类型
用户界面
1. Aspen Plus 的过程流程图
化学行业中的流程模拟软件使用教程
化学行业中的流程模拟软件使用教程引言：在化学工业中，流程模拟软件是一种非常重要的工具，它可以有效地模拟化学过程和反应的整个流程，帮助工程师进行流程设计、参数优化、成本控制等工作。
本文将介绍几种常用的流程模拟软件以及它们的使用方法和注意事项，希望对从事化学行业的工程师和学生有所帮助。
一、ASPEN PlusASPEN Plus是一种常用的化学工程流程模拟软件。
它可以模拟各种化学反应，包括热力学、动力学以及多相反应等。
以下是使用ASPEN Plus的步骤：1. 定义组分：首先，需要定义系统中的化学组分，例如水、溶液或气体。
指定它们的物理性质，如密度、摩尔质量、熔点和沸点等。
2. 建立流程：然后，将反应器、分离器、冷却器等单元操作连接起来，建立流程图。
通过选取不同的单元操作模块，可以模拟各种化学过程，如加热、蒸发、尾气处理等。
3. 输入参数：在建立流程后，需要输入相应的操作参数，如温度、压力、流速等。
这些参数可以根据实际情况进行调整，以优化流程结果。
4. 运行模拟：确认所有参数设置正确后，可以运行模拟以获得流程的输出结果。
ASPEN Plus会生成各个单元操作的详细数据，如产率、转化率、能耗等。
5. 优化参数：通过对模拟结果的分析，可以对系统参数进行优化。
例如，可以调整反应器的温度、压力或者选择不同的分离器类型，以达到更好的工艺效果。
尽管ASPEN Plus是一种非常强大的软件，但在使用过程中需要注意以下几点：1. 认真学习：ASPEN Plus具有复杂的功能和接口，对初学者可能有一定的学习曲线。
因此，建议用户在使用之前认真学习软件的操作手册和教程，并进行一些实践演练。
2. 数据质量：输入数据的准确性对于模拟结果的可靠性至关重要。
因此，在输入数据时需要注意使用合适的物性数据和化学反应机理。
3. 模型验证：在进行真实的工程设计之前，应该对模拟结果进行验证。
这可以通过与实际操作数据的比较来完成，以确保模拟结果的准确性。
ASPENPLUS反应器模拟教程
人工解决问题通常会让人对问题思考的更深， 找到新颖的解决方式， 对假设的评估和重新评 估更深入。 流程模拟的缺点就是缺乏与问题详细的交互作用。 这是一把双刃剑， 一方面可以 隐藏问题的复杂性使你专注于手边的真正问题， 另一方面隐藏的问题可能使你失去对问题的 深度理解。
历史
AspenPlusTM在密西根大学
到模拟器， 把文件从一台机器传送到另一台很容易， 但是里边不再含有结果和运行信息。 最 后，项目和被保存为模板作为另一个模拟的起点。 如果你正在一个项目上工作， 则应该保存 为Aspen Plus文件，备份格式的文件将自动建立。
反应器模型
有7个内置的反应器模型，RSTOIC（化学计量反应器）、RYIELD（产率反应器）、REQUIL（平
REQUIL计算基于同时解决化学计量数和相平衡计算，RGIBBS通过Gibbs自由能最小化解决
模型。
除了RPLUG和RBATCH所有模型可有任意数量的物料流•这些物料流内部混合•严密的模型可
包括内置的幂次定律或Langmuir-Hinschelwood-Hougen-Watson动力学或用户自定义的动力 学•自定义的动力学可以用Fortran子程序或者excel工作表格定义•
界面基础
启动AspenPlus,—个新的AspenPlus对象有三个选项，可以Open an Existing Simulation，从Template开始，或者用BlankSimulation创建你的工作表。这里选择blank simulation。
Aspen PlusTm的模拟引擎独立于它的图形用户界面（GUI）。你可以在一个电脑上使用GUI
P=14.69595psi
R=1.987cal/mol/K
ASPEN Plus在化工过程优化中的应用研究
ASPEN Plus在化工过程优化中的应用研究ASPEN Plus是目前最为常用的化工过程模拟软件之一。
该软件通过建立化工装置的模型，运用热力学计算方法，模拟不同操作条件下的工艺流程，实现多种化工计算，优化和设计。
ASPEN Plus在化工工艺的优化过程中起着至关重要的作用。
化工过程模拟的主要目的是为了优化和改进现有的生产工艺。
通过模拟计算，可以得到不同工艺参数之间的关系，从而找到最优工艺参数，提高生产效率，降低生产成本。
而ASPEN Plus则是目前用于化工过程模拟和优化的最常用软件之一。
作为工业中经典化工软件，ASPEN Plus可以对化工流程进行详细的分析和确定。
它不仅可以模拟在不同工艺条件下的化工过程，还可以进行优化和设计。
因为它能够模拟多种化学反应，包括催化反应、裂解、聚合、氧化、加氢、脱氢等等。
其热力学计算功能可以模拟化学反应的放热与吸热，计算化学反应的平衡和转化率，同时还能模拟化学反应产物的物性参数。
而且，ASPEN Plus还有着优秀的流程计算功能。
它可以模拟化工装置的各种操作，如稳态、动态、可逆、不可逆、均相、异相等等，并能对装置进行热力学和物理学计算。
ASPEN Plus模拟优化的策略是通过改变优化变量，去寻找化工过程的最大化利润或最小化成本。
可以通过设置它的参数，如反应器类型、反应器进料比、反应温度、反应时间、反应物浓度，来寻求最优工艺方案。
经过多次模拟计算，确定最优方案后，可以进一步进行实验验证，以此来验证模拟计算的准确性和可行性。
ASPEN Plus还可以进行装置设计与模拟。
通过建立化工装置的模型，可以预测关键物理变量的行为、设施性能和输出结果。
在装置设计和模拟中，可以通过优化变量，如进料物料、反应条件等，找到最佳的装置配置方案。
可以通过ASPEN Plus进行分析的工艺，包括化学反应器、精馏塔、黏附塔、萃取塔、气体吸收塔和热交换器等。
最后，ASPEN Plus的应用领域相当广泛。
ASPEN PLUS模拟与优化乙酸异丙酯提浓塔
２１ ０ ２年第 ｌ ９卷第 ３期
化 工生 产与 技术
Ｃ ｅ ｉａ Ｐｏ ｕ ｔ ｎａ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ｈ ｍ ｃｌ ｒｄ ｃｉ ｎ ｅｈ ｏｏｙ ｏ
‘ ３・ ２
６
ｆ
图３ 回流 比与 塔 釜 采 出 异 丙 酯 、 丙 醇 含 量 的 关 系 异
Ｆ ｇ ３ Ｒｅａ ｉｎ ｈ ｐ ｏ ｆ ｘ ｒ ｔ ｎ ｏ ｔ ｎ ｆｉｏ ｒ ｐ ｌ ｉ ｌｔ ｓ ｉ ｆ ｅ ｕ ａ ｉ ａ ｄ ｃ ｎ ｅ ｔｏ ｐ ｏ ｙ ｏ ｒｌ ｏ ｓ
摘要 以试 验 数 据 为 基 础 ． 用 Ａ Ｐ Ｎ Ｐ Ｕ 采 Ｓ Ｅ Ｌ Ｓ建 立 乙酸 异 丙 酯提 浓 塔 的 模 型 ， 考 察 进 料 并
板位置、 回流 比 、 板数 等操 作 条件 对 目标 产物 的影 响 。结 果表 明 ， 塔 当进 料 板 位 置 ２ １ 、 － ７ 回
ｃ ｎ ｎｒ ｔｏ ｏ ｒ ｏ ｃｅ ｔａ ｉｎ ｔ ｗｅ
从 图 ２可 以看 出 ， 进料 位 置 在塔 板 数 ２ ２ 时 ， —１ 塔 釜采 出物 Ｗ 中异丙 醇 的质量 分 数在 Ｏ０ ％以下 。 ． ２ 随着进 料位 置下移 ， 乙酸 异丙 酯 的含量 越来 越低 。 当
进 料塔 板小 于 ｌ ７时 ， 料位 置对 塔釜 采 出乙酸 异丙 进
８． ， ９２℃ 回流 质量 比 ２５ 对采 出低酯 而 言 ） ．（ 。
冷凝器 、 冷却 器 出 口温 度分 别 为 ４ 、５℃ ， ０２ 分相
器温 度２ ｃ ５ｏ 。
从 表 ２可 以看 出 ，提浓 塔 的塔顶 温度 和塔釜 温
度 模 拟误差 在 Ｏ５ ． ％以 内 ． 釜 乙 酸异 丙酯 组成误 差 塔 为 ０Ｏ ％， ． ５ 异丙 醇和 乙酸 甲酯 总质量 分 数＜ ． ％： Ｏ０ ２ 塔
ASPENPLUS反应器的模拟与优化解读
ASPENPLUS反应器的模拟与优化解读ASPEN Plus是一种流程模拟软件，广泛应用于化工工程、能源工程等领域。
它可以帮助工程师通过建立模型和进行仿真，预测和优化化工流程。
在化工生产过程中，反应器是一个重要的组件，ASPEN Plus能够进行反应器的模拟和优化解读，从而帮助工程师改进反应器的设计和操作条件，提高生产效率和产品质量。
首先，ASPEN Plus可以帮助工程师建立反应器的模型。
在ASPENPlus中，用户可以选择适当的反应器模型，如气相反应器、液相反应器、固相反应器等。
然后，用户可以输入反应器的物理和化学性质的数据，如反应器中的反应物浓度、反应速率常数、活化能等。
根据这些数据，ASPEN Plus可以进行数值求解，得到反应器中物质的浓度、温度、压力等参数的变化情况。
接下来，ASPEN Plus可以进行反应器的仿真。
在仿真过程中，ASPEN Plus可以帮助工程师分析反应物的转化率、选择性和产率等重要指标。
通过改变反应器的操作条件，如温度、压力、进料流量等，工程师可以观察到这些指标的变化情况。
如果仿真结果与实际情况相符，工程师可以进一步进行优化解读。
最后，ASPEN Plus可以进行反应器的优化解读。
优化是指通过改变操作变量，使得一些目标函数达到最优的过程。
在反应器中，可以将产物收率、能耗、废料生成量等作为目标函数，通过改变反应器的操作变量，如反应温度、催化剂用量等，使目标函数最优化。
ASPEN Plus提供了多种优化算法，如遗传算法、模拟退火算法等，可以自动最优解。
通过ASPEN Plus的模拟与优化解读，工程师可以获得以下信息和结果：1. 反应器的性能评估：ASPEN Plus可以帮助工程师评估反应器的表现，如转化率、选择性和产率等。
这些信息对于确定反应器的效果并进行性能改进至关重要。
2. 最优操作条件：通过优化解读，ASPEN Plus可以帮助工程师确定反应器的最佳操作条件，如温度、压力、进料流量等。
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用途：只知化学反应式和各产物间的相 对产率，不知化学计量关系。
产率指的是某种生成物的实际产量与理论产量的比值！
12
RYield 模块有五组模型参数：
1、模型设定 (Specifications) 2、产率 (Yield) 3、闪蒸选项 (Flash Options) 4、粒度分布 (PSD) 5、组分属性 (Component Attr.)
平衡常数法求解产物组成
2、吉布斯反应器（Gibbs Reactor）
最小自由焓法求解产物组成
17
REquil —平衡反应器
性质：根据化学反应方程式进行反应， 按照化学平衡关系式达到化学平 衡，并同时达到相平衡。
用途：已知反应历程和平衡反应的反应 方程式，不考虑动力学可行性， 计算同时达到化学平衡和相平衡 的结果。
13
RYield —— 产率
指定相对于每一单位质量非惰性进料而言 ，RYield出口物流中各种组分间的相对产 率。并设定进料中的惰性组分。
14
RYield — 示例5.2
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
CH 4 2H2O CO2 4H2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为 100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统 总压为0.1013 MPa，温度为750 ℃，如果反应器出 口物流中摩尔比率CH4 H2O : CO2 : H2等于1 : 2 : 3 : 4时，CO2和H2的产量是多少？需要移走的反应热负 荷是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元 素平衡？
15
深入讨论：
若在示例的原料气中加入 25 kmol/hr 氮气 ，其余条件不变，计算结果会发生什么变 化？ 以示例的结果为基础，在Ryied模块的产率 设置项中将氮气设置为惰性组份，重新计 算，结果如何？
16
（二）热力学平衡类反应器
根据热力学平衡条件计算反应结果， 不考虑动力学可行性。
1、平衡反应器（Equilibrium Reactor）
8
RStoic —— 选择性
选择性定义为：
P / Areal S P, A P / Aideal
△P代表选定组分 (selected) P的生成摩尔数； △A代表参照组分 (reference) A的消耗摩尔数； real 代表反应器内的实际情况；
ideal 代表只有A→P一个反应发生时的情况。
平衡类反应器
3.
动力学类反应器
3
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
4
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。
PFR
CSTR
CSTR
PFR CSTR
PFR
CSTR
PFR
5
本讲目的
熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型 以及它们在过程模拟中的应用； 了解特定的反应过程的特点，选择相适应 的反应器类型或反应器网络，保证所需产 品组分足够的产率和选择性。
热力学模型选择RK-Soave。 反应器操作条件：温度为400℃，压力为1.9 atm。 请采用RStoic模型确定反应物料的组成、由1-丁烯转化为异 丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热。
11
（一）生产能力类反应器
Ryield—产率反应器
性质：根据每一种产与输入物流间的产 率关系进行反应，只考虑总质量 平衡，不考虑元素平衡。
第五章 ASPEN PLUS反应器 的模拟与优化
目录
1.
生成能力类反应器
化学计量反应器 (RStoic) 产率反应器 (RYield) 平衡反应器 (REquil) 吉布斯反应器 (RGibbs) 全混流反应器 (RCSTR) 平推流反应器 (RPlug) 间歇式反应器 (Rbatch)
2
2.
5
6
Trans-2-Butene → Isobutylene
4 (Trans-2-Butene) → Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1Octene
0.为1.9 atm，进料组成如下表所示：
组分 正丁烷（n-Butane） 1-丁烯（1-Butene） 顺-2-丁烯（Cis-2-Butene） 反-2-丁烯（Trans-2-Butane） 异丁烯（Isobutene） 流量（kg/hr） 35000 10000 4500 6800 1450
6
（一）生产能力类反应器
Rstoic — 化学计量反应器
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。 用途：已知化学反应方程式和每一反应 的转化率，不知化学动力学关系。
7
Rstoic — 化学计量反应器 — 模型参数
1、模型设定(Specification) 2、化学反应 (Reactions) 3、燃烧 （Combustion） 4、反应热 (Heat of reaction) 5、选择性 （Selectivity) 6、粒度分布 (PSD) 7、组分属性 （Components Attri.) 8、热力学模型 (Thermodynamics)
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REquil —
模型参数
REquil 模块有四组模型参数： 1、模型设定 (Specifications) 2、化学反应 (Reactions) 3、收敛 (Convergence) 4、液沫夹带 (Entrainment)
19
模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：
9
RStoic计算－例5.1
丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含1-丁烯、正丁烷、 顺-2-丁烯、反-2-丁烯和异丁烯，发生的反应如下所示：
序号 1 2 3 4 1-Butene → Isobutylene 4 (1-Butene) → Propylene(丙二醇) + 2-Methyl-2-Butene + 1Octene(辛烯) Cis-2-Butene → Isobutylene 4 (Cis-2-Butene) → Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1-Octene 反应 转化率 0.36 0.04 0.36 0.04