基于Aspen Plus的动力学子程序开发及固定床反应器模拟
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最全最简单教程
适合中国人的Aspen Plus教程
Slide 1 Li Kuiwu © 2002 Aspentech Beijing Office
第1页
主要内容
讲义1 Aspen Plus简介
讲义2 Aspen Plus 界面介绍 讲义3 快速入门 讲义4 Aspen Plus精通 讲义5 模型分析工具 讲义6 其他高级功能简介 综合练习
Slide 9 Li Kuiwu © 2002 Aspentech Beijing Office
第9页
Aspen Plus具有完整的单元操作模型库
Aspen Plus有一套完整的单元操作模型，可以模拟各种操作过程,由单 个原油蒸馏塔的计算到整个合成氨厂的模拟。 由于Aspen Plus系统采用了先进的PLEX数据结构，对于组分数、进出 口物流数、塔的理论板数以及反应数目均无限制，这是Aspen Plus的一 项独特优点，非其它过程模拟软件所能比拟。 此外，所有模型都可以处理固体和电解质。单元操作模型库约由50种单 元操作模型构成。
Slide 12 Li Kuiwu © 2002 Aspentech Beijing Office
第12页
Aspen Plus的单元操作模型及其主要功能
Slide 13 Li Kuiwu © 2002 Aspentech Beijing Office
AspenPlus应用基础-反应器
RYield —— 模型设定
模型设定包含操作条件设定和有效相态设定： 模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：
1、操作条件 (Operation Conditions)
(1) 压力； (2) 温度 热负荷 压力； 温度/热负荷
2、有效相态 (Valid Phases) 、
汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 液 液液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水 游离水 液 游离水
Aspen Plus 使用方法
Reactor Models
反应器模块
反应器模块的类别
分为三大类七种反应器： 分为三大类七种反应器：
1. 生产能力类反应器（2种） 生产能力类反应器（ 2. 热力学平衡类反应器（2种） 热力学平衡类反应器（ 3. 化学动力学类反应器（3种） 化学动力学类反应器（
生产能力类反应器
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4，流 量为100 kmol/hr。 量为100 kmol/hr。若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 进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750 ℃， 当反应器出口处达到平衡时， 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？ 是多少？反应热负荷是多少？
CH 4 + 2H 2O CO 2 + 4H 2
RYield — 示例（2） 示例（
若在示例（1）的原料气中 氮气， 加入 25 kmol/hr 氮气，其余条 件不变， 件不变，计算结果会发生什么 变化？ 变化？
RYield — 示例（3） 示例（
以示例（2）的结果为基础， 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， 将氮气设置为惰性组份，重新 计算，结果如何？ 计算，结果如何？
ASPEN动力学反应器实例Kinetic+Reactor
7. Select all the chemicals for your reaction system: styrene, ethylbenzene, and hydrogen. Use the Find button to find the component ID and then add them.
Kinetic Reactors: Aspen Plus 2004.1
In this session you will learn how to install a tubular reactor in Aspen Plus with a kinetic reaction rate. In this Aspen Plus run we will specify an irreversible reaction and will ignore equilibrium.
Flowsheet Window, select the Material STREAMS tab and click once. This will allow you to place multiple streams as needed. Move the cursor, now a crosshair, onto the process flowsheet. Click once, drag the cursor to connect the first stream to the feed port of your vessel (shown in red) and click again. You have just created stream 1. Add outlet stream to the reactor in a similar way. 12. Specify the feed stream (Double click on the stream or right click on it and then choose input or through Data, Streams in the main menu) having a composition of pure ethylbenzene (specified as a mole fraction) at 152.2 gmol/s, 880 K, 1.378 bar.
基于动力学模型的合成气完全甲烷化回路系统模拟分析
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2017年第36卷第1期·146·化 工 进 展基于动力学模型的合成气完全甲烷化回路系统模拟分析李春启（大唐国际化工技术研究院有限公司，北京 100070）摘要：为了研究工艺条件对某甲烷化工业装置回路系统的影响，利用Aspen Plus 软件建立了多级绝热甲烷化反应器回路系统动力学模型，动力学方程由Fortran 编程嵌入模型中，模拟结果与实际运行值吻合较好。
本文进而考察了不同工艺参数对甲烷化回路系统的影响，结果表明：循环比对各级反应器的出口温度、热点位置、出口气中CO 2及CH 4含量影响显著，但对产品气中CH 4含量影响较小；增大原料气流量，仅使各级反应器的热点位置后移，对各反应器出口温度、气体组成和产品气质量的影响可以忽略；提高进料温度，各级反应器的出口温度随之升高、出口气中CO 2含量增加、CH 4含量下降，产品气中CH 4含量略微降低；氢碳比的变化，对各级反应器出口气组成及产品气中CH 4含量影响显著，对第四反应器的出口温度影响也很大，但对第一至第三反应器的温度分布影响不大，氢碳比由2.8增至3.2，产品气CH 4含量呈先增大后减小的趋势，验证了氢碳比为3是甲烷化反应系统的最优值。
关键词：甲烷化；固定床反应器；Aspen Plus ；动力学；模拟分析中图分类号：TQ546 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）01–0146–10 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.019Simulation analysis of the loop system of syngas methanation based onkinetics modelLI Chunqi（Datang International Chemical Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100070，China ）Abstract ：In order to study the effect of process conditions on the loop system of methanation equipment ，the kinetics model of multi-stage adiabatic methanation reactor loop system was established using the Aspen Plus ，in which the kinetics equations were embedded using Fortran. The simulation results had been verified with actual operating data. The results showed that the recycle ratio significantly affected the exit temperature ，hotspot locations ，and the exit CO 2 and CH 4 contents in all reactors ，but it had little impact on CH 4 purity in the final product gas. Hotspot location moved backward as feed flowrate increased ，while exit temperature ，exit gas components and CH 4 purity were hardly affected by the feed flowrate. As feed temperature increased ，both exit temperature and exit CO 2 content increased ，while exit CH 4 content decreased and CH 4 purity decreased slightly. The H/C ratio significantly influenced the exit gas composition and CH 4 purity. It also affected the exit temperature of the 4th reactor ，but not for 1st ，2nd and 3rd reactors. The CH 4 content in the final product gas increased first ，then decreased as the H/C ratio increased from 2.8 to 3.2. The H/C ratio of 3 was concluded as the optimum value for methanation system.Key words ：methanation ；fixed bed reactor ；Aspen Plus ；kinetics ；simulation analysis现代新型煤基能源化工技术研究开发及科研管理和科技成果转化工作。
基于ASPEN PLUS用户模型技术的催化重整全流程模拟
35集总模型 等 [11] . 本课题组也开 发 了 一 种 较 为 简 单 的 17 集 总 动
力学模型,针对几套工业级重整装置的模拟效果均 令人满 意 . [12] 然 而, 所 有 这 些 集 总 模 型 的 最 大 缺 点是只能模拟反应单元,没有顾及流程中产品分离 部分的其他设备.另外,所开发的模型在数据库和 计算功能方面比较欠缺,几乎无法实现复杂的优化 计算.ASPEN PLUS 流 程 模 拟 软 件 具 有 丰 富 的 化 工单元模型库、物性数据库以及算法库,可以方便 地实现灵敏度分析、设计规定以及优化等操作.可 惜的是,其内置的反应模块无法模拟复杂的催化重 整反应.本文 的 目 的 正 是 利 用 二 者 的 优 点, 将 此 17集总模型开发成 ASPEN PLUS用户模 型, 然后 与选好的其他 模 块 链 接, 从 而 在 ASPEN PLUS 平 台实现催化重整全流程模拟.利用用户模型技术, 不仅可以保持自定义动力学模型的特点,还可以大 大扩充模拟范 围, 充 分 利 用 ASPEN PLUS 强 大 的 数据库和模拟优化功能.
Receiveddate:2004-08-10. Correspondingauthor:Prof.SU Hongye.E- maiI:hysu@ Foundationitem:supportedbytheNationalOutstandingYouth ScienceFoundation ofChina (60025308)andthe Teachand ResearchAwardProgramforOutstanding Young Teachersin Higher EducationInstitutionsofMOE,China.
2 17集总反应动力学模型
Aspen Plus 使用方法
为了保证釜内的惰性环境，输入氮气量应该使出釜物料的气相 分率保持在0.001左右。加料氨水的浓度为4.1kmol/m3，流量为32.5 m3/hr 。加料甲醛水溶液的浓度为 6.3 kmol/m3 ，流量为 32.5m3/hr。 求35C下乌洛托品的产量和输入氮气流量 ，并分析反应温度在 20~60C范围里对甲醛转化率的影响。
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。
RYield —— 连接
RYield — 示例（1）
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？
RCSTR —— 设定方式
设定方式有 7 个可选项：
5、反应器体积和相停留时间
(Reactor Volume & Phase Residence Time)
必须输入反应器体积和气相/凝聚相 在反应器中的停留时间。
RCSTR —— 设定方式
设定方式有 7 个可选项：
6、停留时间和相体积分率
(Residence Time & Phase Volume Fraction)
1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty)
RCSTR —— 模型参数
基于Aspen_Plus的循环流化床工业气化炉模拟
2018年第37卷第5期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·1709·化 工 进展基于Aspen Plus 的循环流化床工业气化炉模拟刘忠慧1，2，于旷世1，张海霞1，朱治平1，2（1中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2中国科学院大学，北京 100049）摘要：循环流化床煤气化炉在工业应用过程中，由于试验煤种及操作条件的多样性，通过试验法优化操作过程所需周期较长、成本较大。
因此以大量工程数据为边界条件，基于Gibbs 自由能最小化原理，利用Aspen Plus 对气化过程进行模拟，通过灵敏度分析，研究了单因素氧煤比、蒸汽煤比、气化压力、空气/蒸汽预热温度变化对气化指标的影响；并运用正交实验，研究了以上4种因素共同作用的结果。
研究结果表明：氧煤比增加使有效气（CO+H 2）含量、冷煤气效率先增加再减小，并在0.45～0.50kg/kg 时取得最大值；蒸汽煤比增加使煤气热值和气化温度减小，对有效气含量基本没有影响；气化压力增加使煤气热值和气化温度增加；空气/蒸汽预热温度增加使气化温度、有效气含量、冷煤气效率增加，煤气热值减小。
通过正交实验综合分析，氧煤比和空气/蒸汽预热温度对气化指标的影响较为显著，两者对气化指标的影响趋势基本一致；蒸汽煤比主要影响煤气热值，而气化压力主要影响比氧耗，对其他指标影响较小。
关键词：循环流化床；优化；Aspen Plus ；灵敏度分析；正交实验中图分类号：TQ546 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）05–1709–09 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1493Simulation of industrial circulating fluidized bed gasifier by Aspen PlusLIU Zhonghui 1，2，YU Kuangshi 1，ZHANG Haixia 1，ZHU Zhiping 1，2（1Institute of Engineering Thermophysics ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100190，China ；2University of ChineseAcademy of Sciences ，Beijing 100049，China ）Abstract ：In the process of industrial circulating fluidized bed gasification ，experimental research is time-consuming and cost-consuming due to the diversity of coal types and operating conditions. A circulating fluidized bed gasifier model was developed by Aspen Plus based on Gibbs free energy minimization. The boundary conditions of the simulation were set in terms of existing industry data. Different factors in gasification process were investigated ，including oxygen-coal ratio ，stream-coal ratio ，gasification pressure and air/stream preheating temperature. The orthogonal experiments were used to study the interactive effect of the four factors. The results showed that the gasification product （CO+H 2） content and cold gas efficiency increase first and then decrease with oxygen-coal ratio increasing. The optimal range of oxygen-coal ratio is 0.45—0.50kg/kg. The gas heating value and gasification temperature decrease with the increase of stream-coal ratio. However ，the gasification product content is hardly affected by stream-coal ratio. The gas heating value and gasification temperature increase with gasification pressure increasing. The gasification temperature ，gasification product content and cold gas efficiency increase with air/stream preheating temperature increasing ，while gas heating value decreases with air/stream preheating temperature increasing. The oxygen-coal工艺模拟与优化。
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广东化工2018年第18期·78 · 第45卷总第380期基于Aspen Plus的动力学子程序开发及固定床反应器模拟王宇(中国五环工程有限公司，湖北武汉430000)[摘要]介绍了Aspen Plus用户子程序的开发过程。
采用Aspen Plus的Rplug模块，结合Fortran动力学子程序，对固定床反应器进行了模拟，并与考虑了径向温度、浓度分布的二维模拟结果进行了比较。
通过对比表明Aspen Plus与动力学子程序相结合的方法模拟固定床反应器结果可靠。
[关键词]反应器；动力学；用户子程序；模拟[中图分类号]TQ223.121[文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2018)18-Kinetic User Subroutine Development and Fixed Bed Reactor Simulation Based onAspen PlusWang Yu(Wuhuan Engineering Co., Ltd, Wuhan 430000, China)Abstract: The development process of the Aspen Plus user subroutine is introduced. The shell-and-tube fixed bed reactor was simulated using Aspen Plus's Rplug module in combination with a Fortran kinetic subroutine，and compared with the two-dimensional simulation results considering the radial temperature and concentration distribution. The comparison showed that the simulation of fixed bed reactor by Aspen Plus combined with kinetic subroutine is reliable.Keywords: reactor；kinetic；user subroutine；simulation1 前言反应器，是一种实现反应过程的设备，同时还伴有能量传递、质量传递和热量传递。
在实验数据支持下，对反应过程和反应器进行数学建模和模拟计算，是工业反应器开发及放大的常用方法。
文献[1]建立了合成气制二甲醚管壳式固定床反应器二维数学模型，并采用数值方法求解，模拟出固定床反应器轴向、径向的温度及浓度分布，该方法对高等数学和编程能力要求较高。
工程实践中也可用流程模拟软件Aspen Plus模拟反应器，该软件集成了大量物性数据、热力学模型、单元模型、数值计算方法。
但由于本文拟模拟的非均相固定床反应器的动力学复杂，软件所提供的功能不能满足需求，需使用软件提供的用户自定义模型接口[2]来扩展其功能。
本文介绍了Aspen Plus动力学子程序的编写和链接方法。
采用Aspen Plus的RPlug模块并嵌入自行编写的动力学子程序，对合成气制二甲醚管壳式固定床反应器进行了模拟。
2 反应过程及反应器简介合成气制二甲醚的反应体系包括如下反应：(1)(2)(3)(4)(5)(6)反应器由壳程和管程构成，见图1。
管程内装填固体颗粒催化剂。
合成气从反应器顶部进入并均布到各反应管，气体快速通过反应管。
在催化剂的非均相催化作用下，合成气发生(1)~(6)的反应，并释放大量反应热。
反应热传递给壳程沸腾水，使水汽化移走反应热，以控制床层热点温度不超过催化剂失活温度。
反应器的结构参数同文献[1]。
图1 管壳式固定床反应器Fig.1 Tube-shell type fix bed reactor3 反应器的Aspen Plus模拟3.1 反应器的Aspen Plus流程建立本文不考虑反应管内轴向返混和径向浓度分布，符合平推流反应器假定，选用Aspen Plus软件中的Rplug模块进行反应器模拟。
物性方法选用WILS-NTH，压力降采用Ergun方程计算。
工艺参数同文献[1]。
Streams-Inlet-Input设置如下：[收稿日期] 2018-07-23[作者简介] 王宇(1985-)，男，宜昌人，硕士研究生，主要研究方向为反应器模拟、管道布置。
Blocks-Reactor-Setup设置如下：3.2 动力学子程序的开发表1[3]是动力学子程序开发主要步骤，本例子程序名命名为RATE。
表1 动力学子程序开发过程Tab.1 Process of kinetic subroutine developing步骤生成文件1 用Fortran编写动力学用户子程序RATE.f2 使用aspcomp命令对子程序进行编译RATE.obj3 使用asplink把用户子程序链接到共享库RATE.dll4 编写DLOPT文件，指定动态链接库文件路径RATE.optAspen Plus已规定好每一类子程序的需要用到的变量，包括输入变量(I)、输出变量(O)和工作空间(W)。
输入变量和输出变量可用于Aspen Plus与用户子程序之间传递参数。
用户也可以在子程序中根据需要定义变量，但该变量只能用于子程序内部运算，不能与ASPEN PLUS之间相互传递。
子程序还可以使用include 命令来调用Aspen Plus公共区的变量，但不可修改变量的值。
本例的动力学子程序主要构成如下：(1)ASPEN PLUS调用的反应动力学子程序SUBROUTINE Rate (SOUT, NSUBS, IDXSUB, ITYPE, NINT, INT, NREAL, REAL, IDS, NPO,NBOPST, NIWORK, IWORK, NWORK, WORK, NC, NR, STOIC, RATES,FLUXM, FLUXS, XCURR, NTCAT, RATCAT, NTSSAT, RATSSA, KCALL,KFAIL, KFLASH, NCOMP, IDX, Y, X, X1, X2, NRALL, RATALL, NUSERV,USERV, NINTR, INTR, NREALR, REALR, NIWR, IWR, NWR, WR, NRL,RATEL, NRV, RATEV)其中Rate为Setup-Reactions-Subroutine name中输入的子程序名，相关变量的描述参见手册Aspen Plus User Models。
(2)子程序需调用的Common Blocks#include "ppexec_user.cmn"EQUIVALENCE (RMISS, USER_RUMISS)EQUIVALENCE (IMISS, USER_IUMISS)#include "rplg_rplugi.cmn"#include "rplg_rplugr.cmn"EQUIVALENCE (XLEN, RPLUGR_UXLONG)EQUIVALENCE (DIAM, RPLUGR_UDIAM)EQUIVALENCE (NTUB, RPLUGI_NTUBE)#include "rxn_rprops.cmn"EQUIVALENCE (TEMP, RPROPS_UTEMP)EQUIVALENCE (PRES, RPROPS_UPRES)(3)子程序需调用的物性监视器(混合气体逸度)KDIAG=4KPHI=1CALL PPMON_FUGV(TEMP, PRES, Y, NCOMP, IDX,NBOPST, KDIAG, KPHI, PHI, DPHI, KER)按论文[1]中的所给出的动力学方程式及动力学参数，完成动力学子程序代码。
该子程序返回值为RATES数组，包含上文所述六个反应过程的反应速率。
3.3 模拟结果采用Wegstein收敛方式，Aspen Plus模拟计算快速收敛。
床层轴向温度、压力及浓度分布的模拟计算结果见表2。
表2 床层温度、压力及浓度分布模拟结果Tab.2 Simulation result of temperature, pressure and concentration distribution of bed反应器长度压力床层温度停留时间气体浓度(mol%) m MPag ℃s CO DME CH4O0 5.10 220.0 0.0 10.5300 0.5500 0.45001 5.06 252.7 1.4 9.7833 0.8206 0.92432 5.01 261.8 2.7 8.5263 1.4013 1.48153 4.97 259.6 4.1 7.3461 2.1075 1.67484 4.93 255.0 5.5 6.4192 2.7484 1.64475 4.89 251.5 6.9 5.6855 3.2849 1.55936 4.85 249.2 8.4 5.0808 3.7279 1.48637 4.81 247.69.8 4.5683 4.0944 1.4415反应器管程及壳程的温度曲线见图2。
如图所示，原料气进入反应器后，温度迅速上升，在2.2米处达到最高温度，即热点温度。
图2 管程及壳程温度分布曲线Fig.2 Temperature distribution of tube side and shell side表3为Aspen Plus和文献[1]的模拟结果对比情况。
需要说明的是文献[1]采用二维模型模拟，考虑了反应管径向浓度分布，所以出口浓度是一个区间值。
从该表中可以看出，两种方法的模拟结果非常接近。
4 结论采用Aspen Plus的Rplug模块，结合自行编写的动力学子程序，可以较准确地模拟出管壳式固定床反应器的温度、浓度分布。
该方法能够充分利用Aspen Plus软件强大的物性数据、热力学模型、单元模型、数值计算方法，减少大量查找数据和编程工作；同时，通过嵌入动力学子程序，使Aspen Plus对平推流反应器的模拟有更广的适应性。
采用此方法完成反应器单元的模拟之后，可以更便捷、更精确地在Aspen Plus中实现包含反应器在内的全流程模拟。
(下转第75页)图3 不同pH时氧化峰电流大小Fig.3 Oxidation peak current at different pH2.3 标准工作曲线及检出限分别配制一系列不同浓度(0.2，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0 mg/L)的苏丹红Ⅰ溶液进行线性扫描伏安测试，记录各浓度的氧化峰电流大小, 绘制标准曲线。