王曉娟

摘要：將Aspen Plus軟件應用于《化學反應工程》課程，能夠讓學生直觀地認識化學反應器的工程特性，提高學習興趣和教學質量。

關鍵詞：化學反應工程；Aspen Plus；流程模擬

《化學反應工程》是高等學校化工專業(yè)學生的必修課，通過講授化學反應動力學、化學反應器中的傳遞特性、化學反應器的類型和結構、數(shù)學建模方法、理想反應器的設計和選型分析等，完成化學反應器的工作原理的研究。

《化學反應工程》課程教學的理論性和實踐性強，多媒體技術雖能通過文本、圖形、視頻等信息豐富學生的知識領域，但也僅能使學生通過數(shù)學計算了解理想反應器的物料衡算。而對于內部的物質和能量流動狀態(tài)難以真實描述的真實大型化學反應器，則因數(shù)學模型的參數(shù)多、計算量大、公式復雜等因素，無法直接計算。而通過流程模擬，不僅能夠對反應器的模型理論進行驗證，還能夠理解理想模型與非理想模型間的差別，對反應器有更加深刻的認識。

Aspen Plus是一款集化工設計、生產調優(yōu)、設備或工藝改造等計算于一體的流程模擬軟件，具有完備的物性系統(tǒng)、完整的單元操作模型庫、快速可靠的流程模擬功能等，其反應器模型庫包含了《化學反應工程》重點講授的間歇釜式反應器（BR）、平推流反應器（PFR）和全混流反應器（CSTR），模塊的計算方法包含理想方程和化工熱力學涉及的非理想方程，滿足反應器的設計計算要求。

Aspen Plus也是廣泛應用于我國設計院所和企業(yè)部門中的流程模擬軟件，通過在《化學反應工程》課程中引入軟件的學習，不僅能夠使學生理解專業(yè)知識如何應用于實際工程工藝，還能夠提高學生的專業(yè)技能、拓寬學生的就業(yè)范圍、參與國際競爭，成為具備良好的應變能力的高級專門人才。

一、 Aspen Plus反應器模塊庫

Aspen Plus的動力學反應器有CSTR、PFR和BR，能夠在已知化學反應式、動力學方程和平衡關系的情況下，計算出所需的反應器體積、所能達到的轉化率、反應時間以及反應器熱負荷。

為了對比反應器的出口物料差異，選擇計量反應器（RSTOIC）作為連續(xù)反應器的對照對象，其中主要對比CSTR和PFR的出口物料差異，從工程計算的角度，說明化學反應工程這門課程對化學工程與工藝專業(yè)學習的重要性。

二、 動力學反應器的模擬比較

以相同的反應物進料為基礎，對RSTOIC、CSTR、PFR進行模塊設定，通過Aspen Plus模擬，進行出口物料的比較。

1. 流程模擬簡述

三種反應器中均進行如下可逆反應：

CH3COOH（A）+C2H5OH（B）CH3COOC2H5（C）+H2O（D）

動力學方程為：

正反應R1=1.9×108exp（-E/RT）CACB；逆反應R2=5.0×107exp（-E/RT）CCCD，E=5.95×107J/kmol。

三種反應器的進料相同，A、B、C、D四種物料的進料量分別為186.59、192.6、0、8.892 kmol/h，進料溫度為70℃，進料壓力為0.1013 MPa。流程模擬所選用的熱力學方程為NRTL-HOC。

反應器的設定中，各反應器的反應溫度為70℃，反應壓力為0.1013 MPa。其中RSTOIC的乙醇轉化率為70%；PFR的長度為2 m，內徑為0.3 m；CSTR的體積為0.14m3。

2. 運行結果比較

Aspen Plus流程模擬參數(shù)設定完成即可運行，并輸出結果，結果如表1所示。

從表1的乙酸乙酯摩爾流率可知，RSTOIC>PFR>CSTR，這是因為計量反應是一類按化學計量系數(shù)進行反應且轉化率能達到100%的反應。

三、 結論

Aspen Plus對可逆反應在不同反應器中的物料模擬結果表明，計量反應器的轉化率最大，而全混流反應器的轉化率最小，這一結果符合化學反應工程中理想反應器的基本原理。通過流程模擬，不僅能從數(shù)據上直觀地展示不同類型反應器的差異，增強學生的工程意識，還能夠讓學生接觸化工行業(yè)的大型軟件，利于學生的就業(yè)和職業(yè)發(fā)展。

參考文獻：

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