广东化工2018年第18期·78 ·www.gdchem 第45卷总第380期
基于Aspen Plus的动力学子程序开发
及固定床反应器模拟
王宇
(中国五环工程有限公司，湖北武汉430000)
[摘要]介绍了Aspen Plus用户子程序的开发过程。采用Aspen Plus的Rplug模块，结合Fortran动力学子程序，对固定床反应器进行了模拟，并与考虑了径向温度、浓度分布的二维模拟结果进行了比较。通过对比表明Aspen Plus与动力学子程序相结合的方法模拟固定床反应器结果可靠。
[关键词]反应器；动力学；用户子程序；模拟
[中图分类号]TQ223.121
[文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2018)18-
Kinetic User Subroutine Development and Fixed Bed Reactor Simulation Based on
Aspen Plus
Wang Yu
(Wuhuan Engineering Co., Ltd, Wuhan 430000, China)
Abstract: The development process of the Aspen Plus user subroutine is introduced. The shell-and-tube fixed bed reactor was simulated using Aspen Plus's Rplug module in combination with a Fortran kinetic subroutine，and compared with the two-dimensional simulation results considering the radial temperature and concentration distribution. The comparison showed that the simulation of fixed bed reactor by Aspen Plus combined with kinetic subroutine is reliable.
Keywords: reactor；kinetic；user subroutine；simulation
1 前言
反应器，是一种实现反应过程的设备，同时还伴有能量传递、
质量传递和热量传递。在实验数据支持下，对反应过程和反应器
进行数学建模和模拟计算，是工业反应器开发及放大的常用方法。
文献
[1]建立了合成气制二甲醚管壳式固定床反应器二维数学模
型，并采用数值方法求解，模拟出固定床反应器轴向、径向的温
度及浓度分布，该方法对高等数学和编程能力要求较高。
工程实践中也可用流程模拟软件Aspen Plus模拟反应器，该
软件集成了大量物性数据、热力学模型、单元模型、数值计算方
法。但由于本文拟模拟的非均相固定床反应器的动力学复杂，软
件所提供的功能不能满足需求，需使用软件提供的用户自定义模
型接口[2]来扩展其功能。
本文介绍了Aspen Plus动力学子程序的编写和链接方法。采
用Aspen Plus的RPlug模块并嵌入自行编写的动力学子程序，对
合成气制二甲醚管壳式固定床反应器进行了模拟。
2 反应过程及反应器简介
合成气制二甲醚的反应体系包括如下反应：
(1)
(2)调用子程序的例子
(3)
(4)
(5)
(6)
反应器由壳程和管程构成，见图1。
管程内装填固体颗粒催化剂。合成气从反应器顶部进入并均
布到各反应管，气体快速通过反应管。在催化剂的非均相催化作
用下，合成气发生(1)~(6)的反应，并释放大量反应热。反应热传
递给壳程沸腾水，使水汽化移走反应热，以控制床层热点温度不
超过催化剂失活温度。反应器的结构参数同文献[1]。
图1 管壳式固定床反应器
Fig.1 Tube-shell type fix bed reactor
3 反应器的Aspen Plus模拟
3.1 反应器的Aspen Plus流程建立
本文不考虑反应管内轴向返混和径向浓度分布，符合平推流
反应器假定，选用Aspen Plus软件中的Rplug模块进行反应器模
拟。物性方法选用WILS-NTH，压力降采用Ergun方程计算。工
艺参数同文献[1]。
Streams-Inlet-Input设置如下：
[收稿日期] 2018-07-23
[作者简介] 王宇(1985-)，男，宜昌人，硕士研究生，主要研究方向为反应器模拟、管道布置。
Blocks-Reactor-Setup设置如下：
3.2 动力学子程序的开发
表1[3]是动力学子程序开发主要步骤，本例子程序名命名为RATE。
表1 动力学子程序开发过程
Tab.1 Process of kinetic subroutine developing
步骤生成文件
1 用Fortran编写动力学用户子程序RATE.f
2 使用aspcomp命令对子程序进行编译RATE.obj
3 使用asplink把用户子程序链接到共享库RATE.dll
4 编写DLOPT文件，指定动态链接库文件路径RATE.opt
Aspen Plus已规定好每一类子程序的需要用到的变量，包括输入变量(I)、输出变量(O)和工作空间(W)。输入变量和输出变量可用于Aspen Plus与用户子程序之间传递参数。用户也可以在子程序中根据需要定义变量，但该变量只能用于子程序内部运算，不能与ASPEN PLUS之间相互传递。子程序还可以使用include 命令来调用Aspen Plus公共区的变量，但不可修改变量的值。本例的动力学子程序主要构成如下：
(1)ASPEN PLUS调用的反应动力学子程序
SUBROUTINE Rate (SOUT, NSUBS, IDXSUB, ITYPE, NINT, INT, NREAL, REAL, IDS, NPO,
NBOPST, NIWORK, IWORK, NWORK, WORK, NC, NR, STOIC, RATES,
FLUXM, FLUXS, XCURR, NTCAT, RATCAT, NTSSAT, RATSSA, KCALL,
KFAIL, KFLASH, NCOMP, IDX, Y, X, X1, X2, NRALL, RATALL, NUSERV,
USERV, NINTR, INTR, NREALR, REALR, NIWR, IWR, NWR, WR, NRL,
RATEL, NRV, RATEV)
其中Rate为Setup-Reactions-Subroutine name中输入的子程序名，相关变量的描述参见手册Aspen Plus User Models。
(2)子程序需调用的Common Blocks
#include ""
EQUIVALENCE (RMISS, USER_RUMISS)
EQUIVALENCE (IMISS, USER_IUMISS)
#include ""
#include ""
EQUIVALENCE (XLEN, RPLUGR_UXLONG)
EQUIVALENCE (DIAM, RPLUGR_UDIAM)
EQUIVALENCE (NTUB, RPLUGI_NTUBE)
#include ""
EQUIVALENCE (TEMP, RPROPS_UTEMP)
EQUIVALENCE (PRES, RPROPS_UPRES)
(3)子程序需调用的物性监视器(混合气体逸度)
KDIAG=4
KPHI=1
CALL PPMON_FUGV(TEMP, PRES, Y, NCOMP, IDX,
NBOPST, KDIAG, KPHI, PHI, DPHI, KER)
按论文[1]中的所给出的动力学方程式及动力学参数，完成动力学子程序代码。该子程序返回值为RATES数组，包含上文所述六个反应过程的反应速率。
3.3 模拟结果
采用Wegstein收敛方式，Aspen Plus模拟计算快速收敛。床层轴向温度、压力及浓度分布的模拟计算结果见表2。
表2 床层温度、压力及浓度分布模拟结果
Tab.2 Simulation result of temperature, pressure and concentration distribution of bed
反应器长度压力床层温度停留时间气体浓度(mol%) m MPag ℃s CO DME CH4O
0    5.10 220.0 0.0 10.5300 0.5500 0.4500
1    5.06 252.7    1.4 9.7833 0.8206 0.9243
2    5.01 261.8    2.7 8.526
3    1.4013    1.4815
3    4.97 259.6    4.1 7.3461    2.1075    1.6748
4    4.93 255.0    5.
5    6.4192    2.7484    1.6447
5    4.89 251.5    6.9    5.6855    3.2849    1.5593
6    4.85 249.2 8.4    5.0808    3.7279    1.4863
7    4.81 247.6
9.8    4.5683    4.0944    1.4415
反应器管程及壳程的温度曲线见图2。如图所示，原料气进入反应器后，温度迅速上升，在2.2米处达到最高温度，即热点温度。
图2 管程及壳程温度分布曲线
Fig.2 Temperature distribution of tube side and shell side
表3为Aspen Plus和文献[1]的模拟结果对比情况。需要说明的是文献[1]采用二维模型模拟，考虑了反应管径向浓度分布，所以出口浓度是一个区间值。从该表中可以看出，两种方法的模拟结果非常接近。
4 结论
采用Aspen Plus的Rplug模块，结合自行编写的动力学子程序，可以较准确地模拟出管壳式固定床反应器的温度、浓度分布。该方法能够充分利用Aspen Plus软件强大的物性数据、热力学模型、单元模型、数值计算方法，减少大量查数据和编程工作；同时，通过嵌入动力学子程序，使Aspen Plus对平推流反应器的模拟有更广的适应性。采用此方法完成反应器单元的模拟之后，可以更便捷、更精确地在Aspen Plus中实现包含反应器在内的全流程模拟。
(下转第75页)
图3 不同pH时氧化峰电流大小
Fig.3 Oxidation peak current at different pH
2.3 标准工作曲线及检出限
分别配制一系列不同浓度(0.2，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0 mg/L)的苏丹红Ⅰ溶液进行线性扫描伏安测试，记录各浓度的氧化峰电流大小, 绘制标准曲线。当苏丹红Ⅰ的浓度在0.2~10.0 mg/L范围内时，氧化峰电流大小与浓度呈线性关系，检出限为0.06 mg/L。本方法测定苏丹红Ⅰ号具有较宽的线性范围和较低的检出限，说明玻碳电极对苏丹红Ⅰ号具有较好的催化性能与灵敏性。
2.4 样品分析
0-未加苏丹红Ⅰ；1-加3 mL苏丹红Ⅰ储备溶液
图4 辣椒面测定线性扫描伏安图
Fig.4 Linear scan voltammograms for the determination of Sudan I
in chili powder
分别称取2份购买的辣椒面4 g于2支50 mL容量瓶中，一支不加苏丹红Ⅰ，另外一支加入100 mg/L的标准储备溶液3 mL，分别加无水乙醇30 mL，然后超声15分钟，离心分离，分别取上清液2 mL于2支10 mL比管中，加入2 mL无水乙醇和2 mL 硫酸钠溶液，用水稀释至刻度。将溶液转入电解杯中，插入三电极进行伏安测定。所得线性扫描伏安图见图4。从图中可以看出未加苏丹红Ⅰ的曲线没有氧化峰出现，说明所购买的辣椒面中不含苏丹红Ⅰ或其含量在检出限以下。当加入苏丹红Ⅰ后出现了明显的氧化峰，说明样品的处理过程和线性扫描伏安法可以对实际样品进行测定。
2.5 加标回收试验
取3份购买的辣椒面进行加标回收试验，样品处理与上面的样品分析操作相同，不同浓度的加标样品平行测定3次，测定结果见表1。由表1可知本方法具有较好的样品加标回收率。
表1 样品加标回收试验
Tab.1 Sample recovery test
样品加标量/(mg/L) 回收量/(mg/L) 回收率/% RSD/%
辣椒面
0.6 0.55 91.7    4.1
1.0 0.93 93.0    3.6
1.8    1.69 93.9    4.3
3 总结
研究了苏丹红Ⅰ在玻碳电极上的电化学行为，循环伏安表明玻碳电极对苏丹红Ⅰ具有较好的催化性能与灵敏性，建立了线性扫描伏安法测定苏丹红Ⅰ的方法。此方法简单快速，具有较宽的线性范围和较低的检出限，可应用于实际样品的测定，为检测食品中苏丹红Ⅰ提供了一种安全有效的方法。
参考文献
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ce for its metabolic activation and detoxication by human recombinant cytochrome P450 and liver microsomes[J]．Cancer Research，2002，62：5678-5684．
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[7]张剑德，杜丹．碳纳米管修饰的玻碳电极测定蕃茄制品中苏丹红[J]．分析科学学报，2010，26(5)：617-620．
[8]罗宿星，代小容，伍远辉，等．苏丹红化石墨烯自组装膜修饰玻碳电极上的电化学行为及其测定[J]．分析测试学报，2012，31(12)：1562-1566．(本文文献格式：虞叶道，赵舒景．食品中苏丹红的电化学测定研究[J]．广东化工，2018，45(18)：74-75)
(上接第79页)
模拟方式热点温度/℃热点位置/m
出口浓度/mol%
CO M DME
Aspen Plus 261.97    2.2    4.5683    1.4415    4.0944
文献[1]262.76    2.1    4.4466-4.4493    1.5448-1.5432    4.1262-4.1250
参考文献
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学报，2010，10(5)：933-938．
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(本文文献格式：王宇．基于Aspen Plus的动力学子程序开发及固定床反应器模拟[J]．广东化工，2018，45(18)：78-79)

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