基于CAPE-OPEN的固定床模擬軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)

周小波，粟 楊

（1.浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江 杭州 310012；2.重慶川維石化工程有限責(zé)任公司，重慶 401122）

基于CAPE-OPEN的固定床模擬軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)

周小波1，粟 楊2

（1.浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江 杭州 310012；2.重慶川維石化工程有限責(zé)任公司，重慶 401122）

盡管很多大型模擬軟件均能較好的模擬常見操作單元，但對(duì)于種類繁多的換熱式固定床反應(yīng)器并不能夠很好的模擬，而且各模擬軟件之間也缺乏良好的交互性。很多化工裝置的反應(yīng)都是強(qiáng)放熱的，必須先進(jìn)行模擬和設(shè)計(jì)，從而使化工裝置更安全更經(jīng)濟(jì)。針對(duì)固定床反應(yīng)器進(jìn)行了面向?qū)ο蟮姆治黾敖?，并參照CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了固定床模擬軟件REACSim。該軟件既可以在各個(gè)支持CAPE-OPEN接口的大型模擬軟件中作為單元操作來進(jìn)行全流程模擬，又可以獨(dú)立擁有自己的計(jì)算界面計(jì)算固定床反應(yīng)。在草酸二甲酯和甲醇合成流程中的固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)中進(jìn)行了真實(shí)的工程化應(yīng)用，結(jié)果表明該軟件可以有效預(yù)測(cè)固定床的生產(chǎn)能力，幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析調(diào)整固定床的工藝參數(shù)。同時(shí)，基于CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)的固定床模擬軟件REACSim具有結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算靈活，可依托模擬環(huán)境的物性庫和熱力學(xué)方法，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

CAPE-OPEN；固定床反應(yīng)器；模擬軟件；甲醇；草酸二甲酯；合成

固定床反應(yīng)器廣泛用于合成氨、合成甲醇、甲烷化等化工生產(chǎn)工藝中，其合理的設(shè)計(jì)是保證裝置長期穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，受到多種因素的影響大，具體涉及到多方面的計(jì)算，如熱力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、微分方程求解、工程經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒓坝?jì)算等。固定床反應(yīng)器種類繁多，許多大型模擬軟件不具有或僅具有一種反應(yīng)器的計(jì)算模塊（例如管式反應(yīng)器），因此很多自行開發(fā)的軟件應(yīng)運(yùn)而生，然而這些開發(fā)工作往往工作量大，且與各大型模擬軟件缺少兼容性，因此，開發(fā)一款方便實(shí)用和界面友好的通用型固定床模擬軟件對(duì)于廣大設(shè)計(jì)人員來說迫在眉睫。

本文在VB.net語言環(huán)境下，針對(duì)固定床的設(shè)計(jì)需求，基于CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了模擬軟件REACSim（以下簡稱RS）并將其應(yīng)用到實(shí)際工程設(shè)計(jì)中。VB.net語言全稱Visual Basic.net是從Visual Basic（簡稱VB）語言演變而來的，是為高效生成類型安全和面向?qū)ο髴?yīng)用程序而設(shè)計(jì)的一種語言。它提供一種簡單快捷的方法來創(chuàng)建基于 .NET Framework的應(yīng)用程序。CAPE-OPEN（以下簡稱CO）全稱Computer-Aided Process Engineering Open Simulation Environment是歐盟發(fā)起的開放式過程模擬系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，允許符合該標(biāo)準(zhǔn)的各種組件在各種支持CO標(biāo)準(zhǔn)的模擬軟件中交互。RS是基于CO標(biāo)準(zhǔn)的，因此可以在Aspen Plus、PROⅡ、COCO等過程模擬軟件中均可以作為單元操作進(jìn)行使用。

1 模擬軟件RS簡介

RS最初是為計(jì)算合成氨反應(yīng)器的組分、熱量分布情況而設(shè)計(jì)開發(fā)的，隨著其功能的不斷完善，目前該軟件可應(yīng)用于不同類型的計(jì)算，其主要分為兩個(gè)部分，一是對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，比如確定立式或臥式反應(yīng)器類型，管外或管內(nèi)裝填催化劑，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的計(jì)算等，二是結(jié)合不同的反應(yīng)器對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)的計(jì)算，目前該軟件不僅能計(jì)算各類催化劑的合成氨反應(yīng)，還能計(jì)算其它類似反應(yīng)，諸如合成甲醇、甲烷化，合成草酸二甲酯（DMO）等，并能方便的擴(kuò)展到多種反應(yīng)。

RS是針對(duì)在觸媒層中發(fā)生的氣相反應(yīng)開發(fā)的，目前可以計(jì)算氣固相反應(yīng)。固定床一般分絕熱床和換熱床兩種，根據(jù)換熱介質(zhì)的不同，換熱床又可分為氣體冷卻和液體冷卻兩種，根據(jù)固定床的形式，又可分為立式和臥式固定床。RS可以針對(duì)上述各種反應(yīng)器類型進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完反應(yīng)器后，再進(jìn)行物性計(jì)算，最終輸出反應(yīng)器內(nèi)濃度和溫度分布情況，對(duì)于目前國內(nèi)外常用的各類塔型，包括絕熱式、管殼式、冷管式和冷激式等，RS均能夠很好的模擬。另外筆者還開發(fā)了物料平衡表創(chuàng)建程序：在RS中調(diào)用PROⅡ文件，通過 PROⅡ的ActiveX控件，在RS中完成對(duì)PROⅡ文件的讀取、賦值、計(jì)算等功能，最終生成物料平衡表。

基于CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)編寫的RS除了可以作為一款模擬軟件獨(dú)立計(jì)算各類反應(yīng)外，還可以作為單元模塊內(nèi)嵌到各類大型模擬軟件中實(shí)現(xiàn)全流程模擬。這是RS所特有的功能，不僅可以讓用戶靈活自如的使用自身的功能，更可以使用各類大型模擬軟件的物性庫、熱力學(xué)方法及單元操作。作為模擬環(huán)境中的一個(gè)單元操作過程，RS更是可以通過自身的組合來模擬復(fù)合換熱反應(yīng)器，如絕熱-管殼式反應(yīng)器。無論使用軟件本身還是在模擬環(huán)境中擴(kuò)展RS軟件的其他功能都變得簡單易行。

2 RS模擬軟件的建模與設(shè)計(jì)

基于VB.net的RS分為三部分，包括CO連接層、核心類庫、熱力學(xué)類庫。

CO連接層負(fù)責(zé)與通用流程模擬軟件交互，RS中主要用到的是CO的單元操作接口集。

核心類庫主要負(fù)責(zé)動(dòng)力學(xué)計(jì)算和對(duì)反應(yīng)器的工藝參數(shù)計(jì)算，并在計(jì)算過程中調(diào)用熱力學(xué)部分。

熱力學(xué)類庫負(fù)責(zé)熱力學(xué)計(jì)算和對(duì)物性數(shù)據(jù)庫的訪問。

圖1 RS軟件層次結(jié)構(gòu)

RS可以模擬固定床反應(yīng)器內(nèi)各組分的濃度分布和溫度分布，最顯著的優(yōu)勢(shì)在于可以嵌入通用模擬軟件運(yùn)行，接受模擬環(huán)境物流輸入的各種數(shù)據(jù)，并將結(jié)果以物流形式反饋給模擬軟件，這樣就可以借助模擬軟件實(shí)現(xiàn)全流程的模擬。RS還提供了固定床的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)功能，可以對(duì)需要布管的反應(yīng)器進(jìn)行布管操作。另外，RS的動(dòng)力學(xué)部分和熱力學(xué)部分可以根據(jù)需要脫離CO運(yùn)行，擁有獨(dú)立的界面，如熱力學(xué)部分可以單獨(dú)運(yùn)行計(jì)算混合氣體的物性參數(shù)，比如熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、逸度等。

2.1 CAPE-OPEN連接層的設(shè)計(jì)

RS中CO部分需要用到的單元操作接口[1-5]，具體如表1所示。

表1 CO連接層關(guān)鍵接口列表

圖2 一個(gè)簡單的CO單元操作的UML圖

2.2 核心類庫的設(shè)計(jì)

核心類庫主要包括反應(yīng)速率計(jì)算、相關(guān)熱力學(xué)計(jì)算、微分方程求解、固定床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四大塊。其中在反應(yīng)速率計(jì)算中，預(yù)置了常用的幾種反應(yīng)和對(duì)應(yīng)的常用催化劑動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)[6-7]，并允許用戶調(diào)節(jié)活性矯正系數(shù)。在計(jì)算中所做熱力學(xué)計(jì)算通過調(diào)用熱力學(xué)類庫完成。微分方程的求解采用四階龍格庫塔法，在每步計(jì)算中，實(shí)時(shí)調(diào)用熱力學(xué)類庫計(jì)算所需物性，開始計(jì)算前允許用戶修改計(jì)算步數(shù)或步長。2.3 熱力學(xué)類庫的設(shè)計(jì)

熱力學(xué)計(jì)算主要包括物性計(jì)算[8]、反應(yīng)狀態(tài)計(jì)算、氣體狀態(tài)計(jì)算[9]、蒸汽表查詢四大塊。物質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存使用SQL Server Express數(shù)據(jù)庫，可以方便管理大量的物質(zhì)。用戶或通用模擬軟件在給定物質(zhì)列表后，RS將通過調(diào)用熱力學(xué)類庫生成內(nèi)部物質(zhì)組分列表，并從數(shù)據(jù)庫中讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將各組分對(duì)象化。在計(jì)算過程中物性計(jì)算主要進(jìn)行熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等性質(zhì)的計(jì)算，粘度和導(dǎo)熱系數(shù)則采用TRAPP、Reichenberg等方法計(jì)算；反應(yīng)狀態(tài)計(jì)算主要計(jì)算平衡常數(shù)和反應(yīng)熱；氣體狀態(tài)主要通過狀態(tài)方程的求解來確定，由于RS擁有獨(dú)立的計(jì)算界面，因此其內(nèi)置了 SRK、Beattie-Bridgman、SHBWR三種方程；在計(jì)算用水換熱的固定床時(shí)，需要用到水側(cè)的物性數(shù)據(jù)，所以在數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存了飽和水蒸汽表，用于查詢水汽平衡的物性數(shù)據(jù)。

3 RS的實(shí)現(xiàn)

3.1 計(jì)算流程

通用模擬環(huán)境將流量、組成、溫度和壓力等數(shù)據(jù)通過CO連接層傳遞給RS的核心類庫進(jìn)行計(jì)算，核心類庫在計(jì)算中調(diào)用熱力學(xué)類庫計(jì)算，單元操作計(jì)算完成后將主要物性數(shù)據(jù)傳遞給CO連接層，最后將數(shù)據(jù)傳遞給模擬環(huán)境。作為獨(dú)立界面計(jì)算時(shí)，僅使用核心類庫和熱力學(xué)類庫后就輸出結(jié)果。

圖3 RS的計(jì)算流程

3.2 用戶界面

用戶界面是指對(duì)軟件的人機(jī)交互、操作邏輯、界面美觀的整體設(shè)計(jì)。RS的用戶界面包括主界面、物流界面和結(jié)構(gòu)編輯器。

其中主界面主要負(fù)責(zé)設(shè)置反應(yīng)器類型、選擇催化劑、輸入結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、生成報(bào)告、設(shè)置軟件選項(xiàng)、監(jiān)視CO連接狀態(tài)等。物流界面即物流屬性編輯器，可以查看溫度、組成、物性、反應(yīng)平衡等數(shù)據(jù)，是負(fù)責(zé)熱力學(xué)計(jì)算的人機(jī)交互界面。結(jié)構(gòu)編輯器主要是為設(shè)計(jì)列管式反應(yīng)器而開發(fā)的，可以以多種方式布管，計(jì)算出觸媒的裝量，換熱面積等。

圖4 RS的主界面

圖5 RS的物流界面

圖6 RS的結(jié)構(gòu)編輯器

4 模擬示例

4.1 草酸二甲酯反應(yīng)器模擬

為測(cè)試該軟件的功能，首先模擬了10kt/a草酸二甲酯工藝中的反應(yīng)器，實(shí)驗(yàn)表明該反應(yīng)為快速的強(qiáng)放熱反應(yīng)。采用RS已經(jīng)自帶的物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)以及熱力學(xué)方法，反應(yīng)為亞硝酸甲酯在Pd/Al2O3觸媒上與一氧化碳的偶聯(lián)反應(yīng)生成草酸二甲酯和一氧化氮[7]。

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式采用水冷固定床，如圖4所示，在給定反應(yīng)器類型、設(shè)備參數(shù)、進(jìn)口流量、組成、溫度和壓力等計(jì)算條件后，開始計(jì)算。計(jì)算所得的床層溫度分布曲線如圖7所示。

圖7 床層溫度分布

圖7表明，該草酸二甲酯的反應(yīng)速率很快，床層升溫和降溫都很快，最高溫度達(dá)到495K，超出該反應(yīng)的合理溫度區(qū)間420K～440K，模擬計(jì)算結(jié)果表明為了提高該草酸二甲酯反應(yīng)器的實(shí)際生產(chǎn)能力，必須采取措施降低床層溫度，因此需要調(diào)整該反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，或考慮稀釋催化劑，該模擬結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合。

4.2 甲醇合成流程模擬

作為該軟件的重要的一個(gè)特點(diǎn)，不僅可單獨(dú)模擬各類固定床反應(yīng)，并且還可以內(nèi)嵌到一些模擬軟件中作為單元模塊進(jìn)行全流程模擬，而這極大的增強(qiáng)了各類大型模擬軟件的交互性，本文以國內(nèi)某典型的水冷甲醇合成流程的模擬為例進(jìn)行說明。采用PROⅡ模擬軟件，原料氣為焦?fàn)t氣。

反應(yīng)方程如下：

甲醇合成的流程圖如圖8所示，圖中CO1操作單元即是由RS生成的CAPE-OPEN操作單元，其余均利用PROⅡ軟件自身的操作單元。

圖8 甲醇合成流程圖

反應(yīng)條件：4.6MPa(G)；200℃

催化劑采用的是XNC-98系列甲醇催化劑，合成塔塔徑2.2m，催化劑裝填量為26.3m3，合成壓力為4.6MPa(G)，副產(chǎn)蒸汽壓力為1.8MPa(G)。

計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。

表2 甲醇反應(yīng)設(shè)計(jì)值

表3 甲醇反應(yīng)實(shí)際工程數(shù)據(jù)

表2是甲醇合成的模擬情況，表3是甲醇合成的實(shí)際工程測(cè)試數(shù)據(jù)，通過對(duì)比，可以看出，對(duì)于相同新鮮氣組成和流量，進(jìn)塔氣和出塔氣組份模擬結(jié)果與工程實(shí)際數(shù)據(jù)具有較好的一致性，在合理的范圍內(nèi)。在生產(chǎn)能力方面，利用RS軟件模擬得到的日產(chǎn)精甲醇量為319t，而實(shí)際工程數(shù)據(jù)為310t，模擬產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量非常吻合，僅相差2.9%，由此可以看到該軟件對(duì)于分析甲醇合成反應(yīng)器的產(chǎn)出情況具有較高的準(zhǔn)確度，可以快速預(yù)測(cè)甲醇的生產(chǎn)能力，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和幫助決策，具有重要的工程意義，這種嵌入的方式在工程設(shè)計(jì)中使用較多[8]。

5 結(jié)語

基于CO標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的單元模塊，可以使用模擬環(huán)境的熱力學(xué)方法，以及其龐大的物性庫數(shù)據(jù)，開發(fā)者僅僅只需編寫自己所需要用到的特殊的單元模塊，而常規(guī)的單元操作，比如分離、閃蒸等，均可以使用模擬環(huán)境自身的單元操作模塊，這就為開發(fā)者提供了極大的便利，同時(shí)節(jié)約了大量的寶貴時(shí)間，大幅降低了開發(fā)難度。其通用性可以使用戶編寫的單元模塊能嵌在不同的模擬環(huán)境中，而目前大多數(shù)主流模擬軟件均有CAPE-OPEN接口，這就為不同模擬軟件之間的交互提供了有利條件。

本文就固定床的設(shè)計(jì)計(jì)算，運(yùn)用VB.net基于CO完成該項(xiàng)工作的計(jì)算機(jī)化。使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初始階段就能很快的預(yù)測(cè)和分析固定床的工藝參數(shù)，并能方便的與通用模擬軟件進(jìn)行交互。通過該軟件的模擬分析可以明顯縮短固定床的設(shè)計(jì)周期。甲醇合成反應(yīng)目前已經(jīng)研究的非常深入，因此本文在相同進(jìn)塔氣和組成成分的前提條件下，以甲醇合成反應(yīng)與實(shí)際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，在甲醇合成反應(yīng)的整個(gè)模擬過程中，使用的物性方法和物性數(shù)據(jù)均為某模擬軟件自帶的，計(jì)算結(jié)果表明在該模擬軟件中使用RS模擬甲醇合成反應(yīng)的出塔氣組份數(shù)據(jù)與實(shí)際工程數(shù)據(jù)較為接近，為該反應(yīng)單元模塊應(yīng)用于模擬甲醇合成反應(yīng)提供了實(shí)例論證。

基于CO開發(fā)單元模擬軟件與通用模擬軟件可以保持良好的交互性，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)規(guī)劃軟件可以使該軟件具有更清晰的結(jié)構(gòu)層次，大大增強(qiáng)了該軟件的通用性。

[1]CO-LaN Consortium.Open interface specification:Unit operations[M/OL].Paris:CO-LAN,2011-11.http://www. colan.org/Specifications/v10/CO_Unit_Operations_v6.25. pdf.

[2]CO-LaN Consortium.CAPE-OPEN interface specification: thermo and physical properties [M/OL].Paris:CO-LAN, 2011-05.http://www.colan.org/Specifications/v10/CO%20 Thermo%20Version%201.08.008.pdf.

[3]CO-LaN Consortium. Open interface specification: Collection common interface [M/OL].Paris:CO-LAN, 2003-08.http://www.colan.org/Spec%2010/Collection% 20Common%20Interface.pdf.

[4]CO-LaN Consortium. Open interface specification: Parameter common interface [M/OL].Paris:CO-LAN, 2003-08.http://www.colan.org/Spec%2010/Parameter% 20Common%20Interface.pdf.

[5]CO-LaN Consortium.Open interface specification:Utilities common interface [M/OL].Paris:CO-LAN,2003-08. http://www.colan.org/Spec%2010/Utilities%20Common-Interface.pdf.

[6]李濤,徐懋生,朱繼承,等.A301氨合成催化劑本征動(dòng)力學(xué)[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,03:221-225.

[7]計(jì)揚(yáng).CO催化偶聯(lián)制草酸二甲酯反應(yīng)機(jī)理、催化劑和動(dòng)力學(xué)的研究[D].上海:華東理工大學(xué),2010.

[8]樓韌,馮再南,粟楊,等.臥式水冷反應(yīng)器技術(shù)開發(fā)及其在現(xiàn)代煤化工領(lǐng)域應(yīng)用分析 [J].煤化工,2011,02:9-12+ 34.

[9]Poling B E,Prausnitz J M,O'Connell J P.The Properties of Gases and Liquids [M].5th ed.New York:McGraw-Hill,2005.

Design and development of simulation software for fixed bed reactors based on CAPE-OPEN

ZHOU Xiao-bo1,SU Yang2
(1.Zhejiang Titan Design and Engineering Co.,Ltd.,Hangzhou 310012,China; 2.Chongqing Chuanwei Petrochemical Engineering Co.,Ltd,Chongqing 401122,China)

Although a number of large simulation softwares could simulate the common operation units,they couldn’t simulate various heat-exchange type fixed-bed reactors with empirical models and a good interaction was absence in the simulation softwares. Many reactions were strong exothermic in the chemical process,so prediction and design were essential to make chemical equipment more safe and economical.Object-oriented analysis and modeling for a kind of fixed-bed reactor were made with CAPE-OPEN standards,and a software named by“REACSim”was designed and developed.REACSim could be used as a plug in various large-scale simulation softwares of supporting the CAPE-OPEN interface to carry out the whole process simulation,and had also independent calculation interface for calculating the fixed bed reactions.The software was used to simulate and design two fixed bed reactors for synthesis of dimethyl oxalate and methanol,respectively,and the results showed that the software could effectively predict the production capacity of fixed bed reactors,guide designers to optimize design,analyze and adjust process parameters.The software REACSim based on CAPE-OPEN standard had the advantages of simple structure and flexible calculation.It could rely on the physical property database of simulation environment and the thermodynamics method,providing accurate and reliable calculation results.

CAPE-OPEN;fixed bed reactor;simulation software;methanol;dimethyl oxalate;synthesis

TQ203；TQ018

：B

：1001-9219(2015）03-51-05

2014-05-08；

：周小波（1982-），男，學(xué)士，工 程 師 ， 注 冊(cè) 化 工 師 ， 電 話 15925614309， 電 郵15925614309@163.com。