用aspen-plus模拟反应精馏.doc

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1、用aspenplus模拟反应精馏杜建军梁云峰樊希山（大连理工大学化工系统工程研究所）摘要：aspenplus是一款优秀的化工过程稳态模拟软件，在这款软件中集成了用于模拟反应精馏的模块。本文基于aspenplus10.1版，首先介绍了aspenplus中反应精馏模块的算法；然后以反应精馏制乙二醇为例，详细介绍了如何在aspenplus的窗口模式下模拟反应精馏。关键词：aspenplus反应精馏乙二醇模拟中图分类号：TQ028;TQ031文献标志码：AAbstract:aspenplusisapowerfulchemicalsteadysimulationsoftware.Anew,

2、robust,efficientalgorithmforsolvingreactivedistillationproblemsisincorporatedinageneral-purposeflowsheetingenvironment.Thealgorithmisintroducedinthisarticle;Intheend,reactivedistillationproducingEGisillumilated.Keyword:aspenplusreactivedistillationEGsimulation反应精馏最初用于化学工业和石化工业的酯化过程,使反应产物从反应物中

3、分离以提高产率。近来，反应精馏应用于酸气的清洗操作中以提高分离效果。如氨处理过程就是一个很好的例子。同时，研究表明该技术也是分离异构体的一种方法，如对二甲苯和间二甲苯的分离。在有副反应发生的情况下，反应精馏可以提高主反应的选择性，有时甚至可以使主反应的选择性达到100%。近十年来，人们注意到了反应精馏的经济性，从而使反应精馏成了工艺改进的一个研究热点。美国过程模拟软件公司aspentech在他们开发的化工过程稳态模拟软件aspenplus中集成了反应精馏模拟模块。Othmer和Leyes(1945)以及Belek(1955)最早提出了设计和分析反应精馏问题的理论。由于反应精馏模型

4、的复杂性，需要简化模型以便使计算能进行。上世纪七十年代，报道了一系列解决反应精馏质量平衡和能量平衡方程的计算机算法（Nelson,1971年；Saito等人,1971年；Suzuki等人,1971年）。像用于非反应精馏的程序一样，这些算法能被分成三类：方程分割法，松弛法，牛顿法方程分割法的优点是存储快而高效，但是不同的方程和变量组合要求混合物对应不同的沸点范围。另外，当物系的非理想性非常强时，这类算法非常难收敛。松弛法计算稳定，但得到结果特别慢。直到现在，用于反应精馏模拟的牛顿类算法是完全基于纯的牛顿法的。它是二次方收敛的，而且它能很好的处理设计问题。但是它需要组分物性数据的导数

5、，这些数据对理想物系是可以忽略的，但对非理想物系却是非常重要的。因此，在一个多功能的流程模拟软件中应用这类方法是不方便的，因为在软件中提供多种复杂的物性数据计算模型供用户选择，组分物性数据的导数是很难计算的。原则上来说，类牛顿法能解决这个矛盾；但是，文献中没有报道。Boston研究了一种新的算法，这种算法是“内-外”算法的扩展，它有效联合了牛顿法的优点和“内-外”算法的优点。这种新的算法，我们姑且称之为“内-外”法，是ASPENPLUS中所有严格塔模型的基础。该模型已经成功应用于各种精馏塔和吸收/解吸塔，包括窄/宽沸程，高度非理想性，三相，和组合塔，以及间歇精馏问题。反应精馏在A

6、SPENPLUS中被包括在塔模型内，它能处理动力学反应，平衡反应以及电化学反应。反应可以发生在液相和（或）汽相。反应可以限制在塔的一段，不同的反应可以发生在塔的不同部分。对于动力学控制的反应，动力学数据可以以ASPENPLUS给定的幂函数形式给出，或以用户自定义方程给出。对于平衡反应，平衡常数可以从Gibbs自由能计算得到，或者从ASPENPLUS一个内建的二次方表达式计算得到。数学模型精馏模型一般以组分摩尔数来列方程。精馏塔假定每块塔板都达到平衡，一块平衡的塔板称为一个平衡级，图1是一个平衡级示意图。与平衡级相关的基本变量是汽，液相流率，平衡反应限度，级温，以及侧线流率。假定汽

7、液相混合均匀，汽液相焓，相平衡常数都是在这个假定基础上计算得到的。如果是动力学反应，反应速率也是在这个假定基础上计算得到的。平衡级序号是从塔顶到塔底依次增加的。与第j块平衡级相关的方程如下所示：质量平衡：(1)相平衡：(2)化学反应平衡：(3)能量平衡：(4)必须要提到的是混合焓是由基础参考态计算得到，因此，反应热数据对于模型不是必要的。方程3中的平衡常数是温度的函数，它能从参考态Gibbs自由能计算得到。通常平衡常数是由实验得到，然后与方程3（或类似的方程）相关联。方程3中的活