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1、AspenPlus在化工过程模拟中的应用Prop丙n-正iso-间、异Meta-间目录第1章化工过程模拟概述-第2章ASPenPIUS模拟基础第3章流股的混合与分割过程模拟第4章压力变送过程模拟第5章分别设备模拟第6章传热设备模拟第7章塔设备模拟第8章反应器模拟第9章固体操作设备模拟第三章流股的混合与分割过程模拟学习目的：1、练习用ASPenPkIS进行流程仿真的基本步骤；2、驾驭物流混合模块MixersZSplitters的用法。内容：课堂练习：建立以下过程的ASPenPlUS仿真模型（exercise3.1）:已知：100m3Zhr的低浓酒精（乙醇20%w,水80%w,4OoC,1atm）
2、-200m3hr的高浓酒精（乙醇90%w,水10%w,30,2atm）混合，混合后物流平均分为三股，一股干脆输出，其次股与IOokg/hr的甲醇水溶液混合后（甲醇95%w,水5%w,45,1.5bar）输出，第三股与80kghr的乙酸水溶液混合后（乙酸90%w,水10%w,350C,1.2bar）输出。求：三股输出物流的组成（摩尔分率与质量分率）和流量（摩尔流量及体积流量）分别是多少？课后练习：建立以下过程的ASPenPIUS仿真模型（exercise-3.2）：1）将400C,3bar下的100Om3/hr水蒸气、I（X）Om3/hr二氧化碳和IOoom3/hr甲醇等压混合，求混合气体的温度
3、和体积流量。2）将400C,30bar下的100Om3/hr水蒸气、100Om3/hr二氧化碳和100om3/hr甲醇等压混合，求混合气体的温度和体积流量。3）将400C,300bar下的IOoOm3/hr水蒸气、100Om3/hr二氧化碳和IooOm3/hr甲醇等压混合，求混合气体的温度和体积流量。在物性方法及模型（PrOPertymethodS&models）设定中分别选用志向气体状态方程（IdeaD、Benedict-Webb-Rubin-Lee-Starling状态方程（BWR-LS）、Peng-RObinSOn状态方程（Peng-Rob）、Redlik-Kwong-Soave状态方程
4、（RK-Soave）作为基本方法（Basemethod）进行以上计算，比较各方法所得的结果有何不同，将结果汇总编辑为MS-Word文档。第四章压力变送过程模拟学习目的：驾驭各压力变送模块的用法，包括压缩机、泵、阀门、管道等。内容：课堂练习：建立以下过程的ASPenPIUS仿真模型：1、将100m3/hr的水(25C,1.5atm)用泵进行输送。分别在如下状况下进行模拟。a) .泵效为0.68,轴效率为0.96,要求泵出口压力为6bar。(exercise-4.1-a)b) .已知所用离心泵的特性参数如下表：(exercise-4.1-b)扬程(m)5954.247.843流量(h)709010
5、9120泵效0.6450.690.690.66允许吸上真空度(m)5.04.53.83.52、计算5000kghr的饱和水蒸汽(7atm)经过管线(绝热，长20m,内径100mm,粗糙度0.05mm)输送到5m高处后的压力降和温度降。(exercise-4.2)3、计算100m3/hr的水(50。5bar)经过如下管线后(从A点到G点)的出口压力。各点坐标为：A(0A0),B(5,0,0),C(5,5,0),D(15,5,0),E(15,0,0),F(15,0,10),G(20,0,10)o管线直径均为0.1m,粗糙度为0.00005m。(exercise-4.3)课后练习：建立以下系统的AS
6、PenPIUS仿真模型。(exercise-4.4)1、己知：将20的水从蓄水池输送到高位水池，环境地理位置如下图所示。管道接受l33x4的无缝碳钢管。所用离心泵的特性参数在课堂练习1中给出。泵出口安装一只V500系列的等百分比流量截止阀(GlobeValve)调整流量。不同阀门开度下阀的流通系数Cv,压降比例因子Xt和压力补偿因子Fl如下表所示。开度(%)102030405060708090100Cv144672102126147168186202212Xt0.970.970.960.940.930.920.920.90.90.9FI0.790.790.770.750.730.710.710
7、.690.680.68求：1、最大输送流量(m3hr)及相应的轴功率。(此时阀全开)2、某吸取塔用293.15K的清水作为吸取剂，正常用量为50m3hr.清水贮槽液面至吸取塔顶加料口的垂直高度为40m。清水贮槽内压力为0.1013MPa,吸取塔内压力为0.3MPa。初步设计方案如下(参见下图)：Z出水管进水管离心泵_I运用S1084的无缝钢管作为输水管，进水管道长IOm,须要安装1个90。弯头(Elbow)和2只闸阀(GateValve)；出水管道长55m,须要安装6个90。弯头,2只闸阀；离心泵入口的安装高度比清水贮槽液面低0.5m。为降低能耗，接受变频电动机变更离心泵转速来调整输送流量，转
8、速变更范围为15OO28OOrpm0离心泵的特性曲线如下表。求：1)最大输水量；(exercise-4.5-a)2)输水量为正常用量时离心泵所需的转速、轴功率和泵出口压力；(exercise-4.5-b)3)输水量为50%正常用量时离心泵所需的转速、轴功率和泵出口压力。(exercise-4.5-c)转速3000rpm流量(m3hr)2341.56084扬程(m)1131079669效率()63687167转速2500rpm流量(m3hr)20355070扬程(m)76726444效率()64.5696966转速2000rpm流量(m3hr)16.5284158扬程(m)5148.543.53
9、0.5效率()62646563第五章分别设备模拟学习目的：驾驭各分别设备模块的用法，包括闪蒸、蒸发、萃取和简洁分别设备。内容：课堂练习：建立以下系统的ASPenPlUS仿真模型1、流量为I(X)Okg/hr、压力为0.11MPa、含乙醇70%w、水30%W的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比(摩尔)=1/3。求离开冷凝器的汽、液两相的温度和组成。(Exercise-5.1)2、流量为I(XX)kg/hr、压力为0.5MPa温度为120、含乙醇70%w、水30%W的物料绝热闪蒸到0.15MPa。求离开闪蒸器的汽、液两相的温度、流量和组成。(Exercise-5.2)3、流量为IO
10、(X)kg/hr、压力为0.2MPa温度为20、含丙酮30%w、水70%W的物料进行部分蒸发回收丙酮，求丙酮回收率为90%时的蒸发器温度和热负荷以及汽、液两相的流量和组成。(Exercise-5.3)4、流量为I(X)Okg/hr、压力为0.2MPa温度为20C、含丙酮30%w、水70%W的物料进行部分蒸发回收丙酮，蒸发器热负荷为250kW0分析液沫夹带对汽相丙酮分率和丙酮回收率的影响。(EXerCiSe-5.4)5、流量为I(XX)kg/hr、压力为0.11MPa、含乙醇30%w、正己烷30%、水40%W的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比(摩尔)=l9o求离开冷凝器的汽、液
11、、液三相的温度、质量流量和组成。(EXerCiSe-5.5)6、F=500kg/hrP=0.8MPa、T=Io(TC含乙醇70%w、水30%W的物流与F=500kghrP=0.8MPa.T=70C含正己烷60%、乙醇40%W的物流在闪蒸器中混合并绝热闪蒸到P=SlIMPa,求离开闪蒸器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。(Exercise-5.6)7、在课堂练习6中分别设置乙醇和己烷为关键组份，视察输出结果有什么变更。8、用水(P=O.2MPa、T=20、F=500kghr)从含乙醇40%w、正己烷60%W的混合液(F=500kg/hr、P=O.2MPa、T=20)中萃取乙醇，求：乙醇的萃
12、取率，以及萃取相和萃余相的组成。(EXerCise-5.8)9、第8例中乙醇的萃取效率为90%时的须要的水流量，以及萃取相和萃余相的组成。(EXerCiSe-5.9)10、 把F=500kg/hr、P=0.15MPaT=20含乙醇30%w、正丙醇20%w、正丁醇10%w、水40%W的物流分成四股输出物流，各组份在输出物流中的支配比例为：(Exercise-5.10)乙醇0.960.020.010.01正丙醇0.010.950.020.02正丁醇0.010.050.920.02水0.010.020.030.94求输出物流组成。11、 从F=500kghhP=0.15MPaT=20C含乙醇60%w
13、、正丙醵25%w、正丁醇15%w的物流中回收乙醇，要求：1).乙醇浓度达到98%w、正丁醇含量不大于l%w；2).乙醇回收率达到95%。求输出物流的组成和流量。(Exercise-5.11)12、 同课堂练习11,假如分别过程是在精储塔中实现，塔顶出料是0.11MPa的饱和蒸汽，塔底出料是0.13MPa的饱和液体，求输出物流的温度和体积流量。(Exercise-5.12)13、 接受膜分别装置制取富氧空气。原料空气T=30、P=1.013banF=500kmol/hr,经压缩机加压到4.5bar后进入膜分别组件，出口压强l.lbar。已知膜分别组件的性能与进、出口压差及进口流量的关系由下式描述
14、：Fr/FfB=OW。IlyN)rich_1/17/E1-O.35(Vv)-1111J)I/YN2)poor求富氧空气的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。(Exercise-5.13)课后练习：建立以下系统的ASPenPIUS仿真模型1、F=100Okg/hr、P=0.8MPaT=Io(TC含乙醇70%w、水30%W的物流与F=500kghr,P=0.6MPa,T=70C含正己烷60%、乙醇40%W的物流在闪蒸器中绝热闪蒸到P=0.11MPa轻液相在汽相中的液沫夹带率为5%,重液相在汽相中的液沫夹带率为1%。求：离开闪蒸器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。(Exercise-5.1
15、4)2、用水(P=0.15MPa、T=25C)从含乙醇40%w、正己烷60%W的混合液(F=IoOokghr.P=0.15MPaT=25C)中萃取乙醇，要求乙醇的萃取率达到97%。求：1)须要的水流量，以及萃取相和萃余相的组成；(EXerCiSe-5.15)2)乙醇分别效率对须要的水流量和萃取相组成的影响。3、用精微塔从F=100Okg/hr、P=0.14MPaT=25C、含乙静60%w、正丙醇25%w、正丁醇15%W的物流中回收乙醇，要求：1)回收物流的乙醇浓度达到98%w、正丁醇含量不大于05%w;2)乙醇回收率达到97%。塔顶出料是0.12MPa的饱和蒸汽，塔底出料是014MPa的饱和液
16、体。求：输出物流的组成、温度和体积流量。(Exercise-5.16)4、渗透汽化膜分别装置被用于制取高浓度乙醇。原料乙醇(P=015MPaT=25C)含水5%w,产品乙醇含水(0.050.01)%wo渗透膜的分别面积为IoOm2,汽化侧的压强为0.2bar。装置内的加热系统使料液始终维持在泡点温度。料液侧的流淌压降为0.5bar,膜的平均渗透速率为：=O.O2P0565(kgm2hr)式中为料液侧进口压强(T=30)用精僧塔(塔压0.02MPa)分别，要求99.8%的乙苯从塔顶排出，99.9%的苯乙烯从塔底排出，接受全凝器。求：Rmin,NTmin,R=1.5Rmin时的R、NTNFo(Ex
17、ercise-7.1)2、绘制课堂练习1的NT-R关系图,依据该图选取合理的R值,求取相应的NT、NF、冷凝器和再沸器的温度和热负荷。(Exercise7.2)3、依据课堂练习2的结果，选取R=25、NT=61、NF=36用DiStI进行核算。再选取NF=20进行核算。(EXerCiSe-7.3)4、依据课堂练习2的结果，选取R=25、NT=61、NF=36用RadFraC进行核算。再选取最佳进料板位置进行核算。(Exercise-7.4)5、如将课堂练习1的塔压调到0.01MPa,全塔压降0.005MPa,试求满足分别要求所需的回流比和储出物流量。(Exercise-7.5)6、假如课堂练习
18、5中的精播段的墨弗里效率为0.45,提储段的墨弗里效率为0.55,试求满足分别要求所需的塔板数和加料板位置。(Exercise-7.6)7、在课堂练习6的基础上选定性质选项中的包括水力学参数，计算后查看结果。(Exercise-7.7)8、在课堂练习6的基础上进行塔板设计和塔板核算，分别选用浮阀塔板和弹性浮阀塔板计算后对比结果。(Exercise-7.8)9、在课堂练习5的基础上进行填料设计和填料核算，分别选用MELLPAK和RALU-PAK计算后对比结果。(EXerCiSe-7.9)10、 摩尔组成为Co2(12%)、N2(23%)和H2(65%)的混合气体(F=100okg/hr、P=2.
19、9MPaT=20C)用甲醇(F=60thrP=2.9MPaT=-40oC)吸取脱除Co2。吸取塔有30块理论板，在2.8MPa下操作，每块塔板上的压降00015Pa0求出塔气体中的CCh浓度。(Exercise-7.10)11、 在课堂练习10的基础上求使出塔气体中的CCh浓度达到1.0%所需的吸取剂(甲醇)用量。(Exercise-7.11)12、 在课堂练习11的基础上求使出塔气体中的CCh浓度达到1.0%所需的吸取剂(甲醇)用量与理论板数的关系。(Exercise-7.12)13、 对课堂练习10所示的混合气体的吸附过程，选用10块理论板，求使出塔气体中的CO2浓度达到1.0%所需的吸取
20、剂(甲醇)用量以及接受典型塔板和填料时的塔径。(Exercise-7.13)14、 将课堂练习13所得到的吸取富液减压到0.15MPa进行闪蒸，低压液体再进入脱吸塔在0.12MPa下用氮气进行气提脱吸，要求出塔贫液中的CO2浓度达到0.1%。求合理的理论板数、所需氮气流量、接受不同塔板和填料时的脱吸塔尺寸、压降和负荷状况。(Exercise-7.14a-d)15、 用甲基异丁基甲酮(CH3COC4H9)从含丙酮45%w的水溶液中萃取回收丙酮，处理量500kghr0接受逆流连续萃取塔，在0.12MPa下操作。求萃取塔理论板数和萃取剂用量对萃余相中丙酮浓度的影响。(Exercise-7.15)课后
21、练习：1、依据以下条件设计一座分别甲醇、水、正丙醇混合物的连续操作常压精储塔。生产实力：4000吨精甲醇/年；原料组成：甲醇70%,水28.5%,丙醇L5%；产品组成：甲醇99.9%;废水组成：水99.5%;进料温度：323.15K；全塔压降：0.011MPa；全部塔板的Murphree效率EmV=O.35。(注：组成均为质量百分率)给出下列设计结果：(EXerCiSe-7.16)1、进料、塔顶产物、塔底产物、侧线出料流量；2、全塔总塔板数N；3、最佳加料板位置NF；4、最佳侧线出料位置NP；5、回流比R；6、冷凝器和再沸器温度；7、冷凝器和再沸器热负荷；8、运用KochFIexitrayf1
22、1GIistchBallast塔板时的塔径和板间距。(Exercise-7.16)2、用甲醇在低温顺加压条件下吸取合成气里的二氧化碳。原料合成气的温度为20,压力为2.9MPa,流量为I（X）Okmol/hr,摩尔组成为CCh:12%；N2:23%；H2:65%o吸取剂甲醇再生通过处理后循环运用。已知条件：1）经吸取处理后的净化合成气中的CCh浓度降低到0.5%；2）离开吸取塔的甲醇富液减压到0.15MPa,闪蒸释放出的CO2用作生产尿素的原料，闪蒸后的液体送到解吸塔用30。C的N2气提进行再生处理；3）再生后的甲醇贫液中残余CCh限制为0.1%,加压至U2.9MPa,冷却到-40%：下送入吸
23、取塔作吸取剂。给出下列设计结果：（Exercise-7.17）1）构建合理的工艺流程；2）确定吸取塔和解吸塔的理论塔板数；3）确定进入吸取塔的吸取剂流量；4）确定进入解吸塔的N2流量；5）甲醇消耗量。第八章反应器模拟学习目的：驾驭如下类型反应器的模拟方法：计量反应器、产率反应器、平衡反应器、GibbS反应器、全混流反应器、平推流反应器和间歇反应器。内容：课堂练习：建立以下系统的ASPenPIUS仿真模型1、甲烷与水蒸汽在银催化剂下的转化反应为：CH4+2H2OCe)2+H2原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4,流量为100kmolhro若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为。1013MPa,
24、温度为750,当反应器出口处达到热力学平衡时,CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？(平衡反应器，Exercise-8.7)8、分析课堂练习6中反应温度在300-1000C范围变更时对反应器出口物流CH4质量分率的影响。(平衡反应器，Exercise-8.8)9、将课堂练习6中的反应温度设为1000,分别分析反应(1)和反应(2)的趋近平衡温度在-2000范围变更时对反应器出口物流CH4质量分率和COZCO2摩尔比的影响。(平衡反应器，Exercise-8.9)10、 对课堂练习6中所示的反应过程，原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4,流量为100kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下
25、进行，系统总压为0.1013MPa,温度为750,当反应器出口处GibbS自由能最小而达到平衡时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？与REqUiI的结果进行比较。(GibbS反应器，Exercise-8.10)11、 分析课堂练习10中反应温度在3001000C范围变更时对反应器出口物流CFh质量分率的影响。(GibbS反应器，Exercise-8.11)12、 若在课堂练习9中的原料气中加入25kmol/hr的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副反应，求反应器出口物流中CHi和NH3的质量分率。假如将氮设为惰性组份，结果有什么变更？(GibbS反应器，Exercise-8.12)13、
26、 甲醛和氨依据以下化学反应生成乌洛托品：4NH3+6HCHO(CH2)6N4+6H2O（八）(B)(C)(D)反应速率方程式如下：rA=kCACB2kmol/m3s式中：.2.57IO7I6/Pk=1420expmIkmCl-sRT反应器容积为511装填系数为0.6,输入氮气作为爱惜气体。为了保证釜内的惰性环境，输入氮气量应当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?,流量为32.5m3hr。加料甲醛水溶液的浓度为6.3kmolm3,流量为32.5nhr求35。C下乌洛托品的产量和输入氮气流量,并分析反应温度在2060。C范围里对甲醛转化率的影响。(全混流反应器
27、，Exercise-8.13)14、 丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：C4H6+C2H4C6H10（八）(B)(C)反应速率方程式如下：-rA=kCACBknol/m3s式中：nx, / hnol s,nnQIQA1.15108fl1)=0.08186expRT700J反应器长5米、内径0.5米，压降可忽视。加料为丁二烯和乙烯的等摩尔常压混合物，温度为440。假如反应在绝热条件下进行，要求丁二烯的转化率达到12%,试求：(平推流反应器，Exercise-8.14)1) .环己烯的产量。2) .作出温度和环己烯摩尔分率沿反应器长度的分布图。3) .分析反应器压力在0.11.0MPa范
28、围内对环己烯产量的影响。15、 乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：CH3CH2OH+CH3COOHCH3CCXX：2H5+H2O（八）(B)(C)(D)反应速率方程式如下：(1、-r=kCaC8CCCDkmol/m3sKCJ式中：A:=7.9310-6mikmolsKc=2.92在间歇搅拌釜中等温反应，T=100oC,P=3bar,操作周期2.5hr0加料为水溶液，T=40oC,处理量lm3hr,含乙醛10.2kmolm乙酸3.908kmoln求乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率二0.7时所需的反应釜体积。(间歇釜反应器，Exercise-8.15)16、 假如课堂
29、练习14中反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下:rn, / knol s1八、(3.2IIXIOnk=0.2479expIRT)P1moin-19(l39105Kr=1.01910expC(RT考虑到釜液升/降温的影响，操作周期延长到3hr,并按以下升/降温程序操作：t=0,T=40oC;t=15min,T=80oC;t=30min,T=100oC;t=IlOmin,T=100oC;t=140min,T=40oC求：乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率=0.7时所需的反应釜体积。(间歇釜反应器，Exercise-8.16)17、 假如将课堂练习15的操作时间设置改为间歇加料时
30、间2hr,停止时间Ihr,求乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率=0.7时所需的反应釜体积。(间歇釜反应器，Exercise-8.17)18、 假如将课堂练习17的反应釜用100。C的饱和蒸汽加热,反应釜传热面积611传热系数500Wm2K,求乙酸转化率为35%的反应时间，釜液温度随时间变更的曲线。(间歇釜反应器，Exercise-8.18)课后练习：1、乙苯脱氢生产苯乙烯的反应方程式为：C6H5-C2H5C6H5-CH=CHH2（八）(B)(C)反应速率方程为-rA=kpA-PBRJkmol/kgs反应于T=898K下在列管式反应器中等温等压进行。列管反应器由260根内径50
31、mm的圆管构成，管内填充的催化剂积累密度为700kgn管内的流淌模式可视为平推流，流体流经反应器的压降为0.02MPa。.in在反应条件下的反应速率常数k=1.6810kmol/kg/s,平衡常数Kp=3.727104Pao进料流量为128.5kmol/hr,压力P=0.14MP,其中乙苯浓度为0.05(摩尔分率)，其余为水蒸汽。求：乙苯的最终转化率为60%时所需的反应管长度。(Exercise-8.19)2、现有一生产实力为IoOO吨/日氨的四段冷激式氨合成塔(如下图所示)，各催化剂床层的进口温度和进、出口氨浓度如下：层数进口温度()进口氨浓度(%mol)出口氨浓度(%mol)14102.0
32、8.024306.99.534188.410.544269.912.0已知原料气温度为141OQ压力为15MPa,组成(mol)为NH3CH4ArN2H22.011.02.322.262.5求：1、各股冷激气量占总原料气量的分率；2、各催化剂床层出口气体温度；3、原料气的体积流量。(Exercise-8.20a,Exercise-8.20b)3、苯氯化制造氯苯、二氯苯、三氯苯的化学反应方程式如下:C6H6+Cl2C6H5ClHClC6H5Cl+Cl2k-C6H4Cl2+HClC6H4Cl2+Cl2CtfH3Cl3+HCl反应在液相中发生，反应动力学对于全部反应物均为1级。在328K的温度条件下
33、，反应速率常数分别为占=0.36w3/kmolsk2=0.045n3Ikmolsk3=0.0015n3Ihnols反应在容积为5m3的连续搅拌釜中进行，反应釜的装填系数为0.7,操作温度为328K。苯的加料速率为IOokmOl/hr,温度为293K,压力为02MPa,氯气的加料温度为293K,压力为0.2MPa。试：（Exercise-8.2la-e）1）分析加料氯气/苯比例对产品中三种氯代苯摩尔分率的影响。2）分析反应器体积对产品中三种氯代苯摩尔分率的影响。3）优化加料氯气/苯比例，使产品中二氯苯摩尔分率达到最大值。4）同时优化加料氯气/苯比例和反应器体积，使产品中二氯苯摩尔分率达到最大值，并对结果进行探讨。5）同时优化加料氯气/苯比例和反应器体积，使单位反应器体积的二氯苯产量达到最大值。6）在产品中二氯苯摩尔分率不低于0.67的约束条件下，同时优化加料氯气/苯比例和反应器体积，使单位反应器体积的二氯苯产量达到最大值。化工优化问题实例1 .换热器系列的最优设计单纯形法优化实例,P75（化工中的优化方法）HEATER3 HEATER-1HEATER 2hcout-QIH3-HINT2 .发
