Учебный курс по Aspen Plus. Методическое пособие для учебного курса
 Скачать 2.58 Mb.
|
|
2 60 lb/hr CO 250 lb/hr tar ( дёготь ) 600 lb/hr char ( уголь ) 1000 lb/hr Coal ( уголь ) IN OUT RYield 70 lb/hr H 2 O 20 lb/hr CO 2 60 lb/hr CO 250 lb/hr tar ( дёготь ) 600 lb/hr char ( уголь ) 1000 lb/hr Coal ( уголь ) IN OUT RYield • RStoic ⇒ Необходим как атомарный , так и массовый баланс ⇒ Используется в ситуациях , когда данные равновесия или кинетика неизвестны или не важны ⇒ Можно указывать или рассчитывать тепло реакции при заданных уровнях температуры и давления Реакторы , основанные на равновесии • Эти реакторы : ⇒ Не принимают во внимание кинетику реакции ⇒ Позволяют ограничить равновесие отдельных реакций • REquil ⇒ Рассчитывают комбинированное химическое и фазовое равновесие , решая уравнения равновесия реакции ⇒ Полезен при наличии нескольких известных реакций , причём в реакциях принимает участие относительно небольшое число компонентов • RGibbs ⇒ Полезен , когда механизм реакции неизвестен или очень сложен вследствие большого числа участвующих в ней компонентов ⇒ Для определения состава продукта выполняется минимизация свободной энергии Гиббса продуктов реакции либо всех компонентов целиком ⇒ Это единственный блок Aspen Plus, который учитывает фазовое равновесие твёрдой , жидкой и газообразной фаз Кинетические реакторы • В число кинетических реакторов входят RCSTR, RPlug и RBatch • Следует принимать во внимание кинетику реакции и обязательно её указывать • Компоненты скорости могут быть указаны с помощью одной из встроенных моделей следующего вида : ⇒ Степенная зависимость ⇒ Уравнние Лангмира - Хиншелвуда - Хогена - Уотсона (Langmuir-Hinshelwood-Hougen- Watson, LHHW) • Стехиометрический коэффициент в уравнении реакции у катализатора может быть равен нулю 2 CO + O 2 → → → → 2 CO 2 C + O 2 → → → → CO 2 2 C + O 2 → → → → 2 CO C, O 2 IN OUT RStoic C, O 2 , CO, CO 2 2 CO + O 2 → → → → 2 CO 2 C + O 2 → → → → CO 2 2 C + O 2 → → → → 2 CO C, O 2 IN OUT RStoic C, O 2 , CO, CO 2 45 • Реакции указываются с помощью ранее присвоенного идентификатора реакции (Reaction ID) • RCSTR – реактор идеального смешения ⇒ Следует использовать , когда известна кинетика реакции , а свойства содержимого реактора такие же , как и у исходящего потока ⇒ Предусматривает наличие любого числа входных потоков , смешанных между собой ⇒ Допускается до трёх потоков продукта – vapor ( пар ), liquid 1( жидкость 1), liquid 2 ( жидкость 2) или vapor ( пар ), liquid ( жидкость ), free water ( вода ) ⇒ Будет рассчитываться температура на основе нагрузки или нагрузка на основе температуры ⇒ Может одновременно моделировать реакции на основе равновесия и реакции на основе скорости • RPlug – ректор идеального вытеснения ⇒ Моделирует реакции на основе их скорости ⇒ Допускается поток охлаждения ⇒ Необходимо указать длину и диаметр реактора • RBatch – реактор периодического действия ⇒ Работает только с кинетическими реакциями , основанными на скорости ⇒ Допускается любое число непрерывных или отложенных загрузок ⇒ Необходимо указать один из следующих параметров : критерий остановки , время цикла или результирующее время ⇒ В Aspen Plus для организации взаимодействия с устойчивыми потоками используются сборные резервуары Использование идентификатора реакции • Идентификаторы реакции задаются на форме ввода Reactions>Input отдельно от реактора , после чего ссылка на них указывается на форме ввода реактора • Один идентификатор реакции может упоминаться в любом числе кинетических реакторов (RCSTR, RPlug и RBatch) • Для настройки идентификатора реакции перейдите на лист Reactions>Reactions Object Manager Экспонециальное уравнение скорости реакции • Если базовая температура , T 0 , не указана , k выражаются как : [ ] i exponent i i ion concentrat k rate ∏ × = ( ) − − = 0 0 1 1 R Energy Activation exp Factor l exponentia - Pre T T T T k n ( ) − × = RT Energy Activation exp Factor l exponentia - Pre n T k 46 Pre-exponential Factor – предэкспоненциальный множитель Activation Energy – энергия активации Пример экспонециального уравнения 2 3 2 1 2 A B C D k k + → ← + Прямая реакция : ( Предполагается , что реакция второго порядка по A коэффициенты : A: B: C: D: порядки : A: B: C: D: Обратная реакция : ( Предполагается , что реакция первого порядка по C и D) коэффициенты : C: D: A: B: порядки : C: D: A: B: 2 3 2 1 2 A B C D k k + → ← + Прямая реакция : ( Предполагается , что реакция второго порядка по A коэффициенты : A: B: C: D: порядки : A: B: C: D: Обратная реакция : ( Предполагается , что реакция первого порядка по C и D) коэффициенты : C: D: A: B: порядки : C: D: A: B: Прямая реакция : ( Предполагается , что реакция второго порядка по A коэффициенты : A: B: C: D: порядки : A: B: C: D: Обратная реакция : ( Предполагается , что реакция первого порядка по C и D) коэффициенты : C: D: A: B: порядки : C: D: A: B: Тепловой эффект реакции • В реакциях не нужно указывать тепловой эффект реакции • Обычно теплота реакции рассчитывается как разница энтальпии входящих и выходящих компонентов реактора • Если у вас есть значение энтальпии образования вещества , не совпадающее со значением , рассчитанным Aspen Plus, вы можете изменить энтальпию образования (DHFORM) одного или нескольких компонентов • Кроме того , теплота реакции может быть рассчитана или указана как справочная температура и давление в реакторе RStoic 2.7 Задание для самостоятельного моделирования . Сравнение различных типов реакторов 47 Поток FEED Условия P 1 atm T 70°C Расходы компонентов , kmol/hr Water ( Вода ) H2O 8.892 Ethanol ( Этанол ) C2H6O-2 186.59 Acetic Acid ( Уксусная кислота ) C2H4O2-1 192.6 Используйте пакет свойств NRTL-HOC Условия реактора Температура 70 0 С Давление 1 atm Стехиометрия Ethanol + Acetic Acid ↔ ↔ ↔ ↔ Ethyl Acetate + Water Формазаданиякоэффициентовреакции Кинетические параметры Реакция первого порядка с учётом всех компонентов реакции ( суммарный порядок – второй ) Прямая реакция k=1.9*10 8 , E=5.95*10 7 J/kmol Обратная реакция k=5.0*10 7 , E=5.95*10 7 J/kmol Реакция идёт в жидкой фазе (Reacting phase – liquid) Концентрация указывается в молях ([Ci] basis – Molarity) 48 Форма задания кинетических параметров реакции . RSTOIC Степень превращения этанола 70% RPLUG Длина 2 м Диаметр 0.3 м RCSTR Объём 0.14 м 3 Подсказка : Убедитесь , что во всех реакторах разрешены жидкие и газообразные состояния (Valid phases – Vapor-Liquid). В реакторе RGIBBS не ставьте « галочку » в поле Include Vapor phase. Результаты RSoic RGibbs RPlug RCSTR Количество произведённого этилацетата ( кмоль / час ) Массовая доля этилацетата в потоке продукта Тепловая нагрузка ( ккал / час ) 2.8 Задание на самостоятельное моделирование производства циклогексана Задание : Построить схему , моделирующую технологический процесс производства циклогексана • Циклогексан может быть произведён путём гидрогенизации бензола в следующей реакции : C 6 H 6 + 3 H 2 C 6 H 12 • Подаваемые бензол и водород смешиваются с рециркулирующим водородом до входа в реактор с неподвижным слоем катализатора Предположим , что степень превращения бензола составляет 99,8% 49 • Выходящий поток реактора охлаждается , в результате чего из потока продукта выделяются лёгкие газы Часть потока лёгких газов возвращается в реактор как рециркулирующий водород • Жидкий поток продукта из сепаратора попадает в колонну разделения продуктов для окончательного удаления лёгких газов и стабилизации конечного продукта Оставшаяся часть возвращается в реактор для подержания температуры Используйте пакет свойств RK-SOAVE Сохраните под именем CYCLOHEX.BKP Схема технологического процесса Поток H2IN Условия Total flow ( расход ) 330 kmol/hr T 50°C P 25 bar Состав , мольные доли H 2 0.975 N 2 0.005 CH 4 0.02 Поток BZIN Условия Total flow ( расход ) 100 kmol/hr T 40°C P 1 bar 50 Состав , мольные доли Benzene ( бензол ) 1 Колонна COLUMN Число теоретических тарелок 12 Флегмовое число 1.2 Расход кубового продукта 99 кмоль / час Парциальный конденсатор Давление верха 15 бар Тарелка питания 8 2.9 Теплообменники Модель нагревателя • Блок нагревателя (Heater) смешивает несколько входных потоков для получения одного выходного потока в определённом термодинамическом состоянии • Блок нагревателя может представлять : ⇒ Нагреватели ⇒ Охладители ⇒ Клапаны ⇒ Насосы ( когда результаты , относящиеся к нагрузке , не нужны ) ⇒ Компрессоры ( когда результаты , относящиеся к нагрузке , не нужны ) • Блок нагревателя также можно использовать для установки термодинамических условий потока Определение входных параметров нагревателя Heater • Допустимые комбинации : ⇒ Давление ( или гидравлическое сопротивление ) и один из перечисленных : • Температура на выходе • Тепловая нагрузка или входящий поток тепла • Доля пара • Изменение температуры • Степень недогрева или перегрева Смеситель FEED-MIX T 150°C P 23 bar Реактор REACT T 200°C ∆ P 1 bar Степень превращения бензола 0.998 Сепаратор РЗ -SEP T 50°C ∆ P 0.5 bar 51 ⇒ Температура на выходе или изменение температуры и : • Давление • Тепловая нагрузка • Доля пара ⇒ Для одной фазы используйте давление ( или гидравлическое сопротивление ) и один из : • Температура на выходе • Тепловая производительность или входящий поток тепла • Изменение температуры • Значение доли пара , равное 1, соответствует точке росы , 0 обозначает точку начала кипения Потоки тепла • Для блока Heater можно указать любое число входящих потоков тепла • Для прямого указания чистой тепловой нагрузки нагревателя определяется только один выходной поток тепла • Чистая тепловая нагрузка – это тепло , выделившееся или поглощённое в результате изменения температуры или давления • Если Вы указываете только одно значение ( температура или давление ), Heater будет использовать сумму входящих тепловых потоков как спецификацию по тепловой нагрузке • Если Вы указываете две величины , Heater использует потоки тепла только для расчёта чистой тепловой нагрузки Модель двухпоточного теплообменника • HeatX осуществляет краткие или подробные вычисления коэффициента теплоотдачи аппарата и подробный расчёт конструкции • Если конструкция теплообменника неизвестна или неважна , могут быть выполнены простые расчёты теплопередачи от потока к потоку ( расчёт теплового и материального баланса ) • Для подробных расчётов теплоотдачи и гидравлического сопротивления должна быть указана конструкция теплообменника • HeatX может моделировать теплообменники трубчатого типа : ⇒ Противоточные и прямоточные ⇒ С кожухами E, F, G, H, J и X ( по стандарту TEMA) с сегментными перегородками ⇒ С кожухами E и F ( по стандарту TEMA) с отбойными пластинами ⇒ С гладкими и оребрёнными трубами • HeatX выполняет : ⇒ Полный анализ всех зон теплообменника ⇒ Расчёт теплоотдачи и гидравлического сопротивления ⇒ Точные вычисления теплопередачи , кипения и конденсации , как в трубках , так и в межтрубном пространстве ⇒ Корреляции , встроенные или указываемые пользователем • HeatX не может : ⇒ Выполнить расчёт конструкции ⇒ Выполнить анализ механических вибраций и расчёт на прочность • Расчёт конструкции должен выполняться в специализированных программах Aspen B-JAC или Aspen Tasc ⇒ Модель HeatX предоставляет прямые интерфейсы к : Hetran Aerotran TASC 52 Задание спецификаций расчёта HeatX • Выберите одну из следующих спецификаций : ⇒ Поверхностная теплопередача или конструкция ⇒ Нагрузка теплообменника ⇒ Постоянная UA ⇒ Для выходящих потоков : • Температура • Повышение или снижение температуры • Разница температур • Сближение температур • Степень перегрева или недогрева • Доля пара Сравнение HeatX и Heater • Дл более точных расчётов используйте HeatX • Когда некоторые потоки не важны ( например , вспомогательные потоки ), используйте Heater • Используйте два блока Heater ( соединённых потоком тепла , блоком калькулятора или спецификациями ), чтобы избежать усложнения технологического процесса , создаваемого HeatX Модель многопоточного теплообменника • MHeatX может использоваться для моделирования теплопередачи между несколькими тёплыми или холодными потоками , например , в криогенных процессах • Может быть проведён углублённый анализ для определения степени теплообмена • Для улучшения сходимости схемы технологического процесса MHeatX использует несколько блоков Heater и тепловых потоков • С помощью блока MHeatX можно моделировать также и двухпоточные теплообменники , однако он не учитывает конструкцию теплообменника Модель HXFlux • Используется для описания конвективного или радиационного теплообмена с поверхности ⇒ Стандартное уравнение для конвективного теплообмена :Q = UA * LMTD • Прямоточный и противоточный режимы • Не имеет входящих и исходящих материальных потоков • Имеет вход теплового потока или ссылку на тепловой поток 53 • Автоматическое соединение с температурами потока ( или с переменными EO в режиме решения , ориентированном на уравнения ) Конструкционные расчёты теплообменников • Вы можете получить доступ к программам точного расчёта теплообменников производства Aspen напрямую через блоки HeatX или модели , представленные в библиотеке ⇒ Hetran – это интерфейс к программе AspenTech, используемой для проектирования , конструкционных расчётов трубчатых теплообменников ⇒ Aerotran – это интерфейс к программе AspenTech, используемой для проектирования , конструкционных расчётов теплообменников с воздушным охлаждением ⇒ |