AspenPlus在化工過程模擬中的應(yīng)用

日求Prop丙n-正iso-間、異

Meta-間

第1章化工過程模擬概述-

第2章AspenPlus模擬基礎(chǔ)

第3章流股的混合與分割過程模擬

第4章壓力變送過程模擬

第5章分別設(shè)備模擬

第6章傳熱設(shè)備模擬

第7章塔設(shè)備模擬

第8章反應(yīng)器模擬

第9章固體操作設(shè)備模擬

第三章流股的混合與分割過程模擬

學(xué)習(xí)目的：

1、練習(xí)用AspenPlus進(jìn)行流程仿真的基本步驟；

2、駕馭物流混合模塊Mixers/Splittcrs的用法°

內(nèi)容：

課堂練習(xí)：建.立以下過程的AspenPlus仿真模型（exercise-3.1）：

已知:將lOOnP/hr的低濃酒精（乙醇20%w,水80%w,4U°C,Iatm）與2（）（）n?/hr

的高濃酒精（乙醇90%w,水10%w,30°C,2atm）混合，混合后物流平均分為

三股，一股干脆輸出，其次股與100kg/hr的甲醇水溶液混合后（甲醇95%w,水

5%w,45℃,1.5bar）輸出，第三股與80kg/hr的乙酸水溶液混合后（乙酸90%w,

水10%w,35℃,1.2bar）輸出。

求：三股輸出物流的組成（摩爾分率與質(zhì)量分率）和流量（摩爾流量及體積

流量）分別是多少？

課后練習(xí)：建立以下過程的AspenPlus仿真模型（exercise-3.2）：

1）將400°C,3bar下的1OOOnrVhr水蒸氣、1000m3/hr二氧化碳和10（）（）n?/hr

甲醇等壓混合，求混合氣體的溫度和體積流量。

2）將400℃,30bar下的1000nrVhr水蒸氣、1000n?/hr二氧化碳和1000nrVhr

甲醇等壓混合，求混合氣體的溫度和體積流量。

3）將400°C,300bar下的1000n?/hr水蒸氣、1000m3/hr二氧化碳和1000m3/hr

甲醇等壓混合，求混合氣體的溫度和體積流量。

在物性方法及模型（Propertymethods&models）設(shè)定中分別選用志向氣體狀

態(tài)方程（Ideal）、Benedict-Webb-Rubin-Lee-Starlmg狀態(tài)方程（BWR-LS）、

Peng-Robinson狀態(tài)方程（Peng-Rob）、Redlik-Kwong-Soave狀態(tài)方程（RK-Soave）

作為基本方法（Basemeihod）進(jìn)行以上計(jì)算，比較各方法所得的結(jié)果有何不同，

將結(jié)果匯總編輯為MS-Word文檔。

第四章壓力變送過程模擬

學(xué)習(xí)目的：

駕馭各壓力變送模塊的用法，包括壓縮機(jī)、泵、閥門、管道等。

內(nèi)容：

課堂練習(xí)：建立以下過程的AspenPlus仿真模型：

1、將100n?/hr的水(25℃,1.5atm)用泵進(jìn)行輸送。分別在如下狀況下進(jìn)

行模擬。

a).泵效為0.68,軸效率為0.96,要求泵出口壓力為6bar。(exercise-4.1-a)

b).已知所用離心泵的特性參數(shù)如下表：(exercise-4.1-b)

揚(yáng)程(m)5954.247.843

流量(m'/h)7090109120

泵效0.6450.690.690.66

允許吸上真空度(m)5.04.53.83.5

2、計(jì)算5000kg/hr的飽和水蒸汽(7atm)經(jīng)過管線(絕熱，長20m,內(nèi)徑

lOOmm,粗糙度0.()5mm)輸送到5m高處后的壓力降和溫度降。

(exercise-4.2)

3、計(jì)算lOOnf/hr的水(50°C,5bar)經(jīng)過如下管線后(從A點(diǎn)到G點(diǎn))的出口

壓力。各點(diǎn)坐標(biāo)為；A(0,0,0),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管線直徑均為0.1m,粗糙度為0.00005m.

(exercise-4.3)

課后練習(xí)：建立以F系統(tǒng)的AspenPlus仿真模型。(exercise-4.4)

1、已知：將20℃的水從蓄水池輸送到高位水池，環(huán)境地理位置如下圖所示。

管道接受9133x4的無縫碳鋼管。所用離心泵的特性參數(shù)在課堂練習(xí)1中給出。

泵出口安裝一只V500系列的等百分比流量截止閥(GlobeValve)調(diào)整流量。不

同閥門開度下閥的流通系數(shù)Cv,壓降比例因子Xt和壓力補(bǔ)償因子FI如下表所示。

開度(%)102030405060708090100

Cv144672102126147168186202212

Xt0.970.970.960.940.930.920.920.90.90.9

FI0.790.790.770.750.730.710.710.690.680.68

求：

1、最大輸送流量(m3/hr)及相應(yīng)的軸功率。(此時(shí)閥全開)

1)最大輸水量；(exercise-4.5-a)

2)輸水量為正常用量時(shí)離心泵所需的轉(zhuǎn)速、軸功率和泵出口壓力；

(exercise-4.5-b)

3)輸水量為50%正常用量時(shí)離心泵所需的轉(zhuǎn)速、軸功率和泵出口

壓力。(exercise-4.5-c)

流量(m3/hr)2341.56084

轉(zhuǎn)速

揚(yáng)程(m)1131079669

3000rpm

效率(％)63687167

流量(m3/hr)20355070

轉(zhuǎn)速

揚(yáng)程(m)76726444

2500ipm

效率(％)64.5696966

流量(m3/hr)16.5284158

轉(zhuǎn)速

揚(yáng)程(m)5148.543.530.5

2000rpm

效率(％)62646563

第五章分別設(shè)備模擬

學(xué)習(xí)目的：

駕馭各分別設(shè)備模塊的用法，包括閃蒸、蒸發(fā)、萃取和簡潔分別設(shè)備。

內(nèi)容：

課堂練習(xí)：建立以下系統(tǒng)的AspenPlus仿真模型

1、流量為1000kg/hr、壓力為0.11MPa、含乙醇70%w、水30%w的飽和蒸汽在蒸

汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比(摩爾)=1/3。求離開冷凝器的汽、

液兩相的溫度和組成。(Exercise-5.1)

2、流量為1000kg/hr、壓力為0.5MPa溫度為120℃、含乙醇70%w、水30%wl勺物

料絕熱閃蒸到().15MPa。求離開閃蒸器的汽、液兩相的溫度、流量和組成。

(Exercise-5.2)

3、流量為l()()Okg/hr、壓力為().2MPa溫度為20℃、含丙酮3()%w、水7()%w的物

料進(jìn)行部分蒸發(fā)回收丙酮，求丙酮回收率為90%時(shí)的蒸發(fā)器溫度和熱負(fù)荷以

及汽、液兩相的流量和組成。(Exercise-5.3)

4、流量為1000kg/hr、壓力為0.2MPa溫度為20℃、含丙酮30%w、水70%w的物

料進(jìn)行部分蒸發(fā)回收丙酮，蒸發(fā)器熱負(fù)荷為25()kW。分析液沫夾帶對(duì)汽相丙

酮分率和丙酮回收率的影響。(Exercise-5.4)

5、流量為1000kg/hr、壓力為O.UMPa、含乙醇30%w、正己烷30%、水40%w的

飽和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比(摩爾)=1/9。求離

開冷凝器的汽、液、液三相的溫度、質(zhì)量流量和組成。(Exercise-5.5)

6、F=500kg/hr、P=0.8MPa、T=100℃含乙醇70%w、水30%w的物流與F=500kg/hr、

P=0.8MPa、T=7()℃含正己烷6()%、乙醇4()%w的物流在閃蒸器中混合并絕熱

閃蒸到P=0.UMPa,求離開閃蒸器的汽、液、液三相的溫度、質(zhì)量流量和組

成。(Exercise-5.6)

7、在課堂練習(xí)6中分別設(shè)置乙醇和己烷為關(guān)鍵組份，視察輸出結(jié)果有什么變更。

8、用水(P=0.2MPa,T=20°C>F=500kg/hr)從含乙醇40%w、正己烷60%w

的混合液(F=500kg/hr、P=0.2MPa>T=20℃)中萃取乙醇，求：乙醇的

萃取率，以及萃取相和萃余相的組成。(Exercise-5.8)

9、第8例中乙醇的萃取效率為90%時(shí)的須要的水流量，以及萃取相和萃余相的組

成。(Exercise-5.9)

10、把F=500kg/hr、P=0.15MPa、T=20℃含乙醇30%w、正丙醇20%w、正

丁醇10%w、水40%w的物流分成四股輸出物流，各組份在輸出物流中的支配

比例為：(Exercise-5.10)

乙醇0.96:0.02:0.01:0.01

正丙醇0.01:0.95:0.02:0.02

正丁醇0.01:0.05:0.92:0.02

水0.01:0.02:0.03:0.94

求輸出物流組成。

11、從F=500kg/hr、P=0.15MPa、T=20℃>含乙醇60%w、正丙醇25%w、正

丁醇15%w的物流中回收乙醇，要求：1).乙醇濃度達(dá)到98%w、正丁醇含量不

大于l%w；2).乙醇回收率達(dá)到95%。求輸出物流的組成和流量。

(Exercise-5.11)

12、同課堂練習(xí)11,假如分別過程是在精微塔中實(shí)現(xiàn)，塔頂出料是0.11MPa

的飽和蒸汽，塔底出料是0.13MPa的飽和液體，求輸出物流的溫度和體積流

量。(Exercise-5.12)

13、接受膜分別裝置制取富氧空氣。原料空氣T=30℃、P=1.013bar,F=500

kmol/hr,經(jīng)壓縮機(jī)加壓到4.5ba「后進(jìn)入膜分別組件，出口壓強(qiáng)l.lbar。已知膜

分別組件的性能與進(jìn)、出口壓差及進(jìn)口流量的關(guān)系由下式描述：

Fr/Ffeed=0,l\AP05

-=1.1(%/5嚴(yán)

(No?/yN2poor

求富氧空氣的氧濃度和體積流量，及其與進(jìn)口壓強(qiáng)的關(guān)系。(Excrcise-5.13)

課后練習(xí)：建立以下系統(tǒng)的AspenPlus仿真模型

1、F=100()kg/hr>P=0.8MPa、T=100℃含乙醇70%w、水30%w的物流與F=500

kg/hr、P=0.6MPa、T=70℃含正己烷60%、乙醇40%w的物流在閃蒸器中絕熱閃

蒸到P=0.UMPa。輕液相在汽相中的液沫夾帶率為5%,重液相在汽相中的液沫

夾帶率為1%。求：離開閃蒸器的汽、液、液三相的溫度、質(zhì)量流量和組成。

(Exercise-5.14)

2、用水(P=0.15MPa、T=25℃)從含乙醇40%w、正己烷60%w的混合液(F=1000

kg/hr、P=0.15MPa、T=25℃)中萃取乙醇，要求乙醇的萃取率達(dá)到97%。求：

1)須要的水流量，以及萃取相和萃余相的組成；(Exercise-5.15)

2)乙醇分別效率對(duì)須要的水流量和萃取相組成的影響。

3、用精鐳塔從F=1000kg/hr、P=0.14MPa,T=25℃、含乙醇60%w、正丙醇25%w、

正丁醇15%w的物流中回收乙醇，要求：1)回收物流的乙醇濃度達(dá)到98%w、

正丁醇含量不大于0?5%w;2)乙醇回收率達(dá)到97%。塔頂出料是0.12MPa的

飽和蒸汽，塔底出料是0.14MPa的飽和液體。求：輸出物流的組成、溫度和體

積流量。(Exercise-5.16)

4、滲透汽化膜分別裝置被用于制取高濃度乙醇。原料乙醇(P=0.15MPaT=25℃)

含水5%w,產(chǎn)品乙醇含水(0.050.01)%w<>滲透膜的分別面積為lOOn?,汽化側(cè)

的壓強(qiáng)為0.2bar。裝置內(nèi)的加熱系統(tǒng)使料液始終維持在泡點(diǎn)溫度。料液側(cè)的流淌

壓降為0.5bar,膜的平均滲透速率為：

Q=O.O2AP0565(kg/m2-hr)

式中為料液側(cè)進(jìn)口壓強(qiáng)(<6bar)與汽化側(cè)壓強(qiáng)之差。表觀分別因子為：

P/Y

?=^=1000

式中凡,和凡是汽化側(cè)的水和乙醇分壓，瓶和乂是料液側(cè)進(jìn)口的水和乙醇摩爾分

率。假如要達(dá)到100kg/hr的高濃乙靜產(chǎn)量，試求滲透膜料液側(cè)的進(jìn)口壓強(qiáng)進(jìn)口溫

度和出口溫度。(Exercise-5.17)

第六章傳熱設(shè)備模擬

學(xué)習(xí)目的：

駕馭各傳熱換熱設(shè)備模塊的用法，包括加熱器、冷凝器、換熱器。

內(nèi)容：

課堂練習(xí)：建立以下系統(tǒng)的AspenPlus仿真模型

1、20℃、0.41MPa、4000kg/hr流量的軟水在鍋爐中加熱成為0.39MPa的飽和水

蒸氣進(jìn)入生蒸汽總管。求所需的鍋爐供熱量。(Exercise-6.1)

2、1000kg/hr(0.4MPa)的飽和水蒸汽用蒸汽過熱器加熱到過熱度100C(0.39

MPa),求過熱蒸汽溫度和所需供熱量。(Exercise-6.2)

3、流量為1000kg/hr、壓力為0.11MPa、含乙醇70%w、水30%w的飽和蒸汽在

蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比(摩爾)二1/3。求冷凝器熱負(fù)荷。

(Exercise-6.3)

4、流量為100kg/hr、壓力為0.2MPa、溫度為20℃的丙酮通過一電加熱器。當(dāng)加

熱功率分別為2、5、10和20kW時(shí)，求出口物流的狀態(tài)。(Exercise-6.4)

5、求壓力為0.2MPa,含甲醇30%w、乙醇20%w、正丙醇20%w、水30%w的

混合物的泡點(diǎn)和露點(diǎn)。(Exercise-6.5)

6、用1200kg/hr飽和水蒸汽(0.3MPa)逆流力口熱2000kg/hr甲醇Q0℃、0.3MPa)。離

開換熱器的蒸汽冷凝水壓力為0.28MPa、過冷度為換熱器傳熱系數(shù)依據(jù)

相態(tài)選擇，對(duì)數(shù)平均溫差校正因子取常數(shù)0.95。求甲醇出口溫度、相態(tài)、須

要的換熱面積。換熱系數(shù)指定值如下表所示，其中L表示Liquid,B表示Boling,

C表示Condensing,V表示V叩or。(Exercise-6.6)

熱側(cè)相態(tài)LLLCCCVVV

冷測(cè)LBVLBVLBV

U(W/m2)120020001002(X)()300015()10015()70

7、對(duì)課堂練習(xí)6選用下述換熱器進(jìn)行詳細(xì)核算：外殼直徑：325mm,公稱面積:

10nr,管長：3m,管徑：619x2mm,管數(shù)：76,排列方式：正三角，管程

數(shù)：2,殼程數(shù)：1,折流板間距：150mm,折流板缺口高度：79mm。(Exercise-6.7)

課后練習(xí)：建立以下流程系統(tǒng)的AspenPlus仿真模型(Exercise-6.8)

已知：

1、2()℃、().l()13MPa、2()()()kg/hr流量的軟水用冷水泵(1)加壓到0.41MPa后與

同樣壓力的循環(huán)冷凝水混合后進(jìn)入鍋爐(2),加熱成為0.4MPa的飽和水蒸

氣進(jìn)入生蒸汽總管；

2、生蒸汽的10%被分流送到空氣加熱器(3)加熱空氣。冷空氣參數(shù)為10'。、

O.llMPa、5000m7hro離開空氣加熱器的蒸汽冷凝水壓力為0.38MPa、過冷度

為2C。換熱器傳熱系數(shù)為SOW/mLK。

3、剩余生蒸汽的1()%被分流送到乙醇加熱器(4)加熱乙醇水溶液。冷乙醇水溶

液參數(shù)為2()℃、O.llMPa、乙醇含量70%W,流量l()00kg/hr。離開乙醇加熱器

的蒸汽冷凝水壓力為O.38MPa、過冷度為2℃。換熱器傳熱系數(shù)為1250W/n/.K。

4、1000kg/hr生蒸汽被送到蒸汽過熱器(5)加熱到過熱度100C(壓力O.38MPa)。

5、空氣加熱器和乙醇加熱器排出的冷凝水混合后用熱水泵(6)加壓到0.41Mpa

循環(huán)到鍋爐供水系統(tǒng)。

求：

1、熱空氣的溫度，空氣加熱器的傳熱面積和熱負(fù)荷；

2、熱乙醇的溫度和蒸汽分率，乙醇加熱器的傳熱面積和熱負(fù)荷；

3、過熱蒸汽的溫度，蒸汽過熱器的熱負(fù)荷；

4、鍋爐熱負(fù)荷和富余蒸汽流量；

5、假如要求將乙醇剛好加熱到泡點(diǎn)溫度，則乙醇加熱器的傳熱面積及加熱蒸汽

流量應(yīng)為多少？(Exercise-6.8b)

第七章塔設(shè)備模擬

學(xué)習(xí)目的：

駕馭各種以下塔設(shè)備的模擬方法：氣液吸取塔、解吸塔、精餌塔、萃取塔。

內(nèi)容：

課堂練習(xí)：建立以下系統(tǒng)的AspenPlus仿真模型

1、含乙苯30%w、苯乙烯70%w的混合物(F=1000kg/hr>P=0.12MPa>T=30℃)

用精儲(chǔ)塔(塔壓0.02MPa)分別，要求99.8%的乙苯從塔頂排出，99.9%的

苯乙烯從塔底排出，接受全凝器。求：Rmin,NTmin,R=1.5Rmin時(shí)的R、

NT和NF。(Exercise-7.1)

2、繪制課堂練習(xí)1的NT?R關(guān)系圖，依據(jù)該圖選取合理的R值，求取相應(yīng)的NT、

NF、冷凝滯和再沸器的溫度和熱負(fù)荷。(Exercise-7.2)

3、依據(jù)課堂練習(xí)2的結(jié)果，選取R=25、NT=61、NF=36用Distl進(jìn)行核算。再

選取NF=20進(jìn)行核算。(Exercise-7.3)

4、依據(jù)課堂練習(xí)2的結(jié)果，選取R=25、NT=6KNF=36用RadFrac進(jìn)行核算。

再選取最佳進(jìn)料板位置進(jìn)行核算。(Exercise-7.4)

5、如將課堂練習(xí)1的塔壓調(diào)到0.01MPa,全塔壓降0.005MPa,試求滿足分別

要求所需的回流比和微出物流量。(Excrcisc-7.5)

6、假如課堂練習(xí)5中的精館段的墨弗里效率為0.45,提儲(chǔ)段的黑弗里效率為

0.55,試求滿足分別要求所需的塔板數(shù)和加料板位置。(Exercise-7.6)

7、在課堂練習(xí)6的基礎(chǔ)上選定性質(zhì)選項(xiàng)中的包括水力學(xué)參數(shù)，計(jì)算后查看垢果。

(Exercise-7.7)

8、在課堂練習(xí)6的基礎(chǔ)上進(jìn)行塔板設(shè)計(jì)和塔板核算，分別選用浮閥塔板和彈性

浮閥塔板計(jì)算后對(duì)比結(jié)果。(Exercise-7.8)

9、在課堂練習(xí)5的基礎(chǔ)上進(jìn)行填料設(shè)計(jì)和填料核算，分別選用MELLPAK和

RALU-PAK計(jì)算后對(duì)比結(jié)果。(Exercise-7.9)

10、摩爾組成為CO2(12%)、N2(23%)和Hz(65%)的混合氣體(F=1000kg/hr、

P=2.9MPa、「=20。0用甲醇(F=60t/hr>P=2.9MPa、T=-40℃)吸取脫除CCh。

吸取塔有30塊理論板，在2.8MPa下操作，每塊塔板上的壓降0.0015Pa。

求出塔氣體中的COz濃度。(Exercise-7.10)

11、在課堂練習(xí)10的基礎(chǔ)上求使出塔氣體中為CO2濃度達(dá)到1.0%所需的吸

取劑(甲醇)用量。(Exercise-7.11)

12、在課堂練習(xí)II的基礎(chǔ)上求使出塔氣體中的CCh濃度達(dá)到1.0%所需的吸

取劑(甲醇)用量與理論板數(shù)的關(guān)系。(Exercise-7.12)

13、對(duì)課堂練習(xí)10所示的混合氣體的吸附過程，選用10塊理論板，求使出

塔氣體中的CO2濃度達(dá)到1.0%所需的吸取劑(甲醇)用量以及接受典型塔板

和填料時(shí)的塔徑。(Exercise-7.13)

14、將課堂練習(xí)13所得到的吸取富液減壓到0.15MPa進(jìn)行閃蒸，低壓液體

再進(jìn)入脫吸塔在0.12MPa下用氮?dú)膺M(jìn)行氣提脫吸，要求出塔貧液中的CO2

濃度達(dá)到0.1%。求合理的理論板數(shù)、所需氮?dú)饬髁俊⒔邮懿煌搴吞盍蠒r(shí)

的脫吸塔尺寸、壓降和負(fù)荷狀況。(Exercise-7.14a-d)

15、用甲基異丁基甲酮(CH3coe4H9)從含丙酮45%w的水溶液中萃取回收

丙酮，處理量500kg/hro接受逆流連續(xù)萃取塔，在0.12MPa下操作。求萃

取塔理論板數(shù)和萃取劑用量對(duì)萃余相中丙酮濃度的影響。(Exercise-7.15)

課后練習(xí)：

1、依據(jù)以下條件設(shè)計(jì)一座分別甲醇、水、正丙醇混合物的連續(xù)操作常壓精儲(chǔ)塔。

生產(chǎn)實(shí)力：4000噸精甲醇/年；

原料組成：甲醇70%,水28.5%,丙醇1.5%；

產(chǎn)品組成：甲呼N99.9%；

廢水組成：水＞99.5%；

進(jìn)料溫度：323.15K；

全塔壓降：O.OllMPa；

全部塔板的Murphree效率Emv=0.35。

(注：組成均為質(zhì)量百分率)

給出下列設(shè)計(jì)結(jié)果：(Exercise-7.16)

1、進(jìn)料、塔頂產(chǎn)物、塔底產(chǎn)物、側(cè)線出料流量；

2、全塔總塔板數(shù)N：

3、最佳加料板位置NF；

4、最佳側(cè)線出料位置NP；

5、回流比R；

6、冷凝器和再沸器溫度；

7、冷凝器和再沸器熱負(fù)荷：

8、運(yùn)用KochFkxitray#GlistchBallast塔板時(shí)的塔徑和板間距。

(Exercise-7.16)

2、用甲醉在低溫順加壓條件下吸取合成氣里的二氧化碳。原料合成氣的溫度為

20℃,壓力為2.9M為,流量為lOOOkmol/hr,摩爾組成為CO2:12%；Nz:23%；

H2:65%0吸取劑甲醉再生通過處理后循環(huán)運(yùn)用。己知條件：

1）經(jīng)吸取處理后的凈化合成氣中的CCh濃度降低至W.5%；

2）離開吸取塔的甲醇富液減壓到0.15MPa,閃蒸釋放出的CO2用作生產(chǎn)尿素

的原料，閃蒸后的液體送到解吸塔用3（TC的N2氣提進(jìn)行再生處理；

3）再生后的甲醇貧液中殘余CCh限制為0.1%,加壓到2.9MPa,冷卻到-4（TC

下送入吸取塔作吸取劑。

給出下列設(shè)計(jì)結(jié)果：（Exercise-7.17）

1）構(gòu)建合理的工藝流程；

2）確定吸取塔和解吸塔的理論塔板數(shù)；

3）確定進(jìn)入吸取塔的吸取劑流量；

4）確定進(jìn)入解吸塔的N2流量；

5）甲醇消耗量。

第八章反應(yīng)器模擬

學(xué)習(xí)目的：

駕馭如下類型反應(yīng)器的模擬方法：計(jì)量反應(yīng)器、產(chǎn)率反應(yīng)器、平衡反應(yīng)器、

Gibbs反應(yīng)器、全混流反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器和間歇反應(yīng)器。

內(nèi)容：

課堂練習(xí)：建立以下系統(tǒng)的AspenPlus仿真模型

1、甲烷與水蒸汽在銀催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：

CH4+2H2O<^CO2+4H2

原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1:4,流量為100kmol/hr。若反應(yīng)在恒

壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013MPa,溫度為750°C,當(dāng)反應(yīng)器出

口處CH4轉(zhuǎn)化率為73%時(shí),CO2和H2的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？（計(jì)

量反應(yīng)器，Exercise-8.1）

2、反應(yīng)和原料同課堂練習(xí)1,若反應(yīng)在恒壓及絕熱條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為

0.1013MPa,反應(yīng)器進(jìn)口溫度為950°C,當(dāng)反應(yīng)器出口處CH4轉(zhuǎn)化率為73%

時(shí)，反應(yīng)器出口溫度是多少？（計(jì)量反應(yīng)器，Exercise-8.2）

3、在課堂練習(xí)1中增加甲烷部分氧化反應(yīng)如下式：

2CH4+3O202CO+4H.O

并在原料氣中加入15kmol/hr的氧氣。若上述兩個(gè)反應(yīng)中CIL轉(zhuǎn)化率均

為43%時(shí)，產(chǎn)品物流中CO、H2OXO2和H2的流量各是多少？（Exercise-8.3a）

假如將反應(yīng)設(shè)為串聯(lián)進(jìn)行，上述流量又各是多少？（Exercise-8.3b）以上兩個(gè)反

應(yīng)的反應(yīng)熱各是多少？

4、對(duì)課堂練習(xí)1中所示的反應(yīng)，原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1:4,流量為

100kmol/hro反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013MPa,溫度

為750℃,假如反應(yīng)器出口物流中摩爾比率CH4:H2O:CO2:H?等于1:2:3:

4時(shí)，CCh和H2的產(chǎn)量是多少？須要移走的反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？此結(jié)果是否

滿足總質(zhì)量平衡？是否滿足元素平衡？（產(chǎn)率反應(yīng)器，Exercise-8.4）

5、若在課堂練習(xí)3的原料氣中加入25kmol/hr氮?dú)?，其余條件不變，計(jì)算結(jié)果

會(huì)發(fā)生什么變更？（產(chǎn)率反應(yīng)器，Exercise-8.5）

6、以課堂練習(xí)4的結(jié)果為基礎(chǔ)，在Ryied模塊的產(chǎn)率設(shè)置項(xiàng)中將氮?dú)庠O(shè)置為惰

性組份，重新計(jì)算，結(jié)果如何？（產(chǎn)率反應(yīng)器，Exercise-8.6）

7、甲烷與水蒸汽在銀催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：

CH4+H2O^CO+3H2

CO+H2O<^CO2+H2

原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1:4,流量為100kmol/hro若反應(yīng)在

恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為().1013MPa,溫度為75()°C,當(dāng)反應(yīng)器

出口處達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí),CO2和H2的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？(平

衡反應(yīng)器，Exercise-8.7)

8、分析課堂練習(xí)6中反應(yīng)溫度在300?1000℃范圍變更時(shí)對(duì)反應(yīng)器出口物流CH4

質(zhì)量分率的影響。(平衡反應(yīng)器，Exercise-8.8)

9、將課堂練習(xí)6中的反應(yīng)溫度設(shè)為1000℃,分別分析反應(yīng)(1)和反應(yīng)(2)的趨近

平衡溫度在-200?0C范圍變更時(shí)對(duì)反應(yīng)器出口物流CM質(zhì)量分率和CO/CO2

摩爾比的影響。(平衡反應(yīng)器，Exercise-8.9)

1()、對(duì)課堂練習(xí)6中所示的反應(yīng)過程，原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾北為

1:4,流量為100kmol/hr。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013

MPa,溫度為750°C,當(dāng)反應(yīng)器出口處Gibbs芻由能最小而達(dá)到平衡時(shí)，CO:

和H2的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？與REquil的結(jié)果進(jìn)行比較。(Gibbs

反應(yīng)器，Exercise-8.10)

11、分析課堂練習(xí)10中反應(yīng)溫度在300?1000℃范圍變更時(shí)對(duì)反應(yīng)器出口物

流CFU質(zhì)量分率的影響。(Gibbs反應(yīng)器，Exercise-8.11)

12、若在課堂練習(xí)9中的原料氣中加入25kmol/hr的氮?dú)?，并考慮氮與氫結(jié)

合生成氨的副反應(yīng)，求反應(yīng)器出口物流中CH±和NH3的質(zhì)量分率。假如將氮

設(shè)為惰性組份，結(jié)果有什么變更？(Gibbs反應(yīng)器，Excrcise-8.12)

13、甲醛和氨依據(jù)以下化學(xué)反應(yīng)生成烏洛托品：

4NH3+6HCHOt(CH2)6N4+6H2O

(A)(B)(C)(D)

反應(yīng)速率方程式如下：

-rA=kCAC^kmol/加?s

式中：

2.57xlQ7

k-1420expm6/kniol2-s

RT

反應(yīng)器容積為5m③，裝填系數(shù)為0.6,輸入氮?dú)庾鳛閻巯怏w。為了保證

釜內(nèi)的惰性環(huán)境，輸入氮?dú)饬繎?yīng)當(dāng)使出釜物料的氣相分率保持在0.001左右。

加料氨水的濃度為4.1kmol/m3,流量為32.5m3/hr。加料甲醛水溶液的濃度為

6.3kmol/m3,流量為32.50?小「。求35°CF烏洛托品的產(chǎn)量和輸入氮?dú)饬髁?

并分析反應(yīng)溫度在20-60℃范圍里對(duì)甲醛轉(zhuǎn)化率的影響。(全混流反應(yīng)器，

Exercise-8.13)

14、丁二烯和乙烯合成環(huán)己烯的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

C4H6+C2H4^C6H10

(A)(B)(C)

反應(yīng)速率方程式如下：

-rA=kCBkinol/?s

式中：

,八八QIQ八ri.i5xioviiYI3,,.

|_RIT7OO

反應(yīng)器長5米、內(nèi)徑0.5米，壓降可忽視。加料為丁二烯和乙烯的等摩

爾常壓混合物，溫度為440。。假如反應(yīng)在絕熱條件下進(jìn)行，要求丁二烯的

轉(zhuǎn)化率達(dá)到12%,試求：(平推流反應(yīng)器，Exercise-8.14)

1).環(huán)己烯的產(chǎn)量。

2).作出溫度和環(huán)己烯摩爾分率沿反應(yīng)器長度的分布圖。

3).分析反應(yīng)器壓力在0.1-1.0MPa范圍內(nèi)對(duì)環(huán)己烯產(chǎn)量的影響。

15、乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

CH3cH20H+CH.COOHfCH3coec2H5+H2O

(A)(B)(C)(D)

反應(yīng)速率方程式如下：

(iA

1

-rA=kC^CB------CcCDkmolIni?s

l凡J

式中；

4=7.93x10-6m"knu)L$Kc=2.92

在間歇攪拌釜中等溫反應(yīng)，T=100℃,P=3bar,操作周期2.5hr。加料為

水溶液,T=4(rC,處理量lm3/hr,含乙醇10.2kmol/m\乙酸3.908kmol/nf。

求乙酸轉(zhuǎn)化率為35%的反應(yīng)時(shí)間，乙酸乙幅的產(chǎn)量，裝填率=0.7時(shí)所需的反

應(yīng)釜體積。(間歇釜反應(yīng)器，Exercise-8.15)

16、假如課堂練習(xí)14中反應(yīng)速率常數(shù)和平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系如下:

,(3.211X107>|

k=0.2479exp---------------nr"/kmol?s

IRT)

0.-i(1.39xl()5

/f,.=1.A011O9x1in09exp------------

cVRT

考慮到釜液升/降溫的影響，操作周期延長到3hr,并按以下升/降溫程序

操作：t=0,T=40℃;t=15min,T=80℃;t=30min,T=100℃;t=110min,T=100℃;

t=140min,T=40℃o

求：乙酸轉(zhuǎn)化率為35%的反應(yīng)時(shí)間，乙酸乙酯的產(chǎn)量，裝填率=0.7時(shí)所需的

反應(yīng)釜體積。(間歇釜反應(yīng)器，Exercise-8.16)

17、假如將課堂練習(xí)15的操作時(shí)間設(shè)置改為間歇加料時(shí)間2hr,停止時(shí)間

Ihr,求乙酸轉(zhuǎn)化率為35%的反應(yīng)時(shí)間，乙酸乙酯的產(chǎn)量，裝填率=0.7時(shí)所需

的反應(yīng)釜體積。(間歇釜反應(yīng)器，Exercise-8.17)

18、假如將課堂練習(xí)17的反應(yīng)釜用1()()℃的飽和蒸汽加熱，反應(yīng)釜傳熱面積

6m2,傳熱系數(shù)500W/m2/K,求乙酸轉(zhuǎn)化率為35%的反應(yīng)時(shí)間，釜液溫度隨

時(shí)間變更的曲線。(間歇釜反應(yīng)器，Exercise-8.18)

課后練習(xí)：

1、乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯的反應(yīng)方程式為：

C6H5-C2H5<-^C6H5-CH=CH+H2

(A)(B)(C)

反應(yīng)速率方程為

kmolikgs

反應(yīng)于T=898K下在列管式反應(yīng)器中等溫等壓進(jìn)行。列管反應(yīng)器由260根內(nèi)徑

50mm的圓管構(gòu)成，管內(nèi)填充的催化劑積累密度為700kg/m)管內(nèi)的流淌模式可

視為平推流，流體流經(jīng)反應(yīng)器的壓降為0.02MPa。

在反應(yīng)條件下的反應(yīng)速率常數(shù)k=1.68xlO10kmol/kg/s,平衡常數(shù)

Kp=3.727xl04Pao進(jìn)料流量為128.5kmol/hr,壓力P=0.14MP,其中乙苯濃度為

0.05(摩爾分率)，其余為水蒸汽。

求：乙苯的最終轉(zhuǎn)化率為60%時(shí)所需的反應(yīng)管長度。(Exercise-8.19)

2、現(xiàn)有一生產(chǎn)實(shí)力為1000噸/日氨的四段冷激式氨合成塔(如下圖所示)，各催化

劑床層的進(jìn)口溫度和進(jìn)