基于CAPE-OPEN的固定床模拟软件的设计与开发

周小波，粟 杨

（1.浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310012；2.重庆川维石化工程有限责任公司，重庆 401122）

基于CAPE-OPEN的固定床模拟软件的设计与开发

周小波1，粟 杨2

（1.浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310012；2.重庆川维石化工程有限责任公司，重庆 401122）

尽管很多大型模拟软件均能较好的模拟常见操作单元，但对于种类繁多的换热式固定床反应器并不能够很好的模拟，而且各模拟软件之间也缺乏良好的交互性。很多化工装置的反应都是强放热的，必须先进行模拟和设计，从而使化工装置更安全更经济。针对固定床反应器进行了面向对象的分析及建模，并参照CAPE-OPEN标准，设计和开发了固定床模拟软件REACSim。该软件既可以在各个支持CAPE-OPEN接口的大型模拟软件中作为单元操作来进行全流程模拟，又可以独立拥有自己的计算界面计算固定床反应。在草酸二甲酯和甲醇合成流程中的固定床反应器设计中进行了真实的工程化应用，结果表明该软件可以有效预测固定床的生产能力，帮助设计人员优化设计，分析调整固定床的工艺参数。同时，基于CAPE-OPEN标准的固定床模拟软件REACSim具有结构简单，计算灵活，可依托模拟环境的物性库和热力学方法，计算结果准确可靠。

CAPE-OPEN；固定床反应器；模拟软件；甲醇；草酸二甲酯；合成

固定床反应器广泛用于合成氨、合成甲醇、甲烷化等化工生产工艺中，其合理的设计是保证装置长期稳定运行的基础。由于固定床反应器的设计是一项复杂的工程，受到多种因素的影响大，具体涉及到多方面的计算，如热力学、反应动力学、微分方程求解、工程经验模型建立及计算等。固定床反应器种类繁多，许多大型模拟软件不具有或仅具有一种反应器的计算模块（例如管式反应器），因此很多自行开发的软件应运而生，然而这些开发工作往往工作量大，且与各大型模拟软件缺少兼容性，因此，开发一款方便实用和界面友好的通用型固定床模拟软件对于广大设计人员来说迫在眉睫。

本文在VB.net语言环境下，针对固定床的设计需求，基于CAPE-OPEN标准，设计开发了模拟软件REACSim（以下简称RS）并将其应用到实际工程设计中。VB.net语言全称Visual Basic.net是从Visual Basic（简称VB）语言演变而来的，是为高效生成类型安全和面向对象应用程序而设计的一种语言。它提供一种简单快捷的方法来创建基于 .NET Framework的应用程序。CAPE-OPEN（以下简称CO）全称Computer-Aided Process Engineering Open Simulation Environment是欧盟发起的开放式过程模拟系统标准，允许符合该标准的各种组件在各种支持CO标准的模拟软件中交互。RS是基于CO标准的，因此可以在Aspen Plus、PROⅡ、COCO等过程模拟软件中均可以作为单元操作进行使用。

1 模拟软件RS简介

RS最初是为计算合成氨反应器的组分、热量分布情况而设计开发的，随着其功能的不断完善，目前该软件可应用于不同类型的计算，其主要分为两个部分，一是对反应器结构的设计，比如确定立式或卧式反应器类型，管外或管内装填催化剂，反应器结构的计算等，二是结合不同的反应器对反应动力学及热力学的计算，目前该软件不仅能计算各类催化剂的合成氨反应，还能计算其它类似反应，诸如合成甲醇、甲烷化，合成草酸二甲酯（DMO）等，并能方便的扩展到多种反应。

RS是针对在触媒层中发生的气相反应开发的，目前可以计算气固相反应。固定床一般分绝热床和换热床两种，根据换热介质的不同，换热床又可分为气体冷却和液体冷却两种，根据固定床的形式，又可分为立式和卧式固定床。RS可以针对上述各种反应器类型进行结构上的设计，设计完反应器后，再进行物性计算，最终输出反应器内浓度和温度分布情况，对于目前国内外常用的各类塔型，包括绝热式、管壳式、冷管式和冷激式等，RS均能够很好的模拟。另外笔者还开发了物料平衡表创建程序：在RS中调用PROⅡ文件，通过 PROⅡ的ActiveX控件，在RS中完成对PROⅡ文件的读取、赋值、计算等功能，最终生成物料平衡表。

基于CAPE-OPEN标准编写的RS除了可以作为一款模拟软件独立计算各类反应外，还可以作为单元模块内嵌到各类大型模拟软件中实现全流程模拟。这是RS所特有的功能，不仅可以让用户灵活自如的使用自身的功能，更可以使用各类大型模拟软件的物性库、热力学方法及单元操作。作为模拟环境中的一个单元操作过程，RS更是可以通过自身的组合来模拟复合换热反应器，如绝热-管壳式反应器。无论使用软件本身还是在模拟环境中扩展RS软件的其他功能都变得简单易行。

2 RS模拟软件的建模与设计

基于VB.net的RS分为三部分，包括CO连接层、核心类库、热力学类库。

CO连接层负责与通用流程模拟软件交互，RS中主要用到的是CO的单元操作接口集。

核心类库主要负责动力学计算和对反应器的工艺参数计算，并在计算过程中调用热力学部分。

热力学类库负责热力学计算和对物性数据库的访问。

图1 RS软件层次结构

RS可以模拟固定床反应器内各组分的浓度分布和温度分布，最显著的优势在于可以嵌入通用模拟软件运行，接受模拟环境物流输入的各种数据，并将结果以物流形式反馈给模拟软件，这样就可以借助模拟软件实现全流程的模拟。RS还提供了固定床的结构参数设计功能，可以对需要布管的反应器进行布管操作。另外，RS的动力学部分和热力学部分可以根据需要脱离CO运行，拥有独立的界面，如热力学部分可以单独运行计算混合气体的物性参数，比如热容、粘度、导热系数、逸度等。

2.1 CAPE-OPEN连接层的设计

RS中CO部分需要用到的单元操作接口[1-5]，具体如表1所示。

表1 CO连接层关键接口列表

图2 一个简单的CO单元操作的UML图

2.2 核心类库的设计

核心类库主要包括反应速率计算、相关热力学计算、微分方程求解、固定床结构设计四大块。其中在反应速率计算中，预置了常用的几种反应和对应的常用催化剂动力学数据[6-7]，并允许用户调节活性矫正系数。在计算中所做热力学计算通过调用热力学类库完成。微分方程的求解采用四阶龙格库塔法，在每步计算中，实时调用热力学类库计算所需物性，开始计算前允许用户修改计算步数或步长。2.3 热力学类库的设计

热力学计算主要包括物性计算[8]、反应状态计算、气体状态计算[9]、蒸汽表查询四大块。物质基础数据的储存使用SQL Server Express数据库，可以方便管理大量的物质。用户或通用模拟软件在给定物质列表后，RS将通过调用热力学类库生成内部物质组分列表，并从数据库中读取基础数据，将各组分对象化。在计算过程中物性计算主要进行热容、粘度、导热系数等性质的计算，粘度和导热系数则采用TRAPP、Reichenberg等方法计算；反应状态计算主要计算平衡常数和反应热；气体状态主要通过状态方程的求解来确定，由于RS拥有独立的计算界面，因此其内置了 SRK、Beattie-Bridgman、SHBWR三种方程；在计算用水换热的固定床时，需要用到水侧的物性数据，所以在数据库中储存了饱和水蒸汽表，用于查询水汽平衡的物性数据。

3 RS的实现

3.1 计算流程

通用模拟环境将流量、组成、温度和压力等数据通过CO连接层传递给RS的核心类库进行计算，核心类库在计算中调用热力学类库计算，单元操作计算完成后将主要物性数据传递给CO连接层，最后将数据传递给模拟环境。作为独立界面计算时，仅使用核心类库和热力学类库后就输出结果。

图3 RS的计算流程

3.2 用户界面

用户界面是指对软件的人机交互、操作逻辑、界面美观的整体设计。RS的用户界面包括主界面、物流界面和结构编辑器。

其中主界面主要负责设置反应器类型、选择催化剂、输入结构数据、生成报告、设置软件选项、监视CO连接状态等。物流界面即物流属性编辑器，可以查看温度、组成、物性、反应平衡等数据，是负责热力学计算的人机交互界面。结构编辑器主要是为设计列管式反应器而开发的，可以以多种方式布管，计算出触媒的装量，换热面积等。

图4 RS的主界面

图5 RS的物流界面

图6 RS的结构编辑器

4 模拟示例

4.1 草酸二甲酯反应器模拟

为测试该软件的功能，首先模拟了10kt/a草酸二甲酯工艺中的反应器，实验表明该反应为快速的强放热反应。采用RS已经自带的物质的物性数据以及热力学方法，反应为亚硝酸甲酯在Pd/Al2O3触媒上与一氧化碳的偶联反应生成草酸二甲酯和一氧化氮[7]。

反应器结构形式采用水冷固定床，如图4所示，在给定反应器类型、设备参数、进口流量、组成、温度和压力等计算条件后，开始计算。计算所得的床层温度分布曲线如图7所示。

图7 床层温度分布

图7表明，该草酸二甲酯的反应速率很快，床层升温和降温都很快，最高温度达到495K，超出该反应的合理温度区间420K～440K，模拟计算结果表明为了提高该草酸二甲酯反应器的实际生产能力，必须采取措施降低床层温度，因此需要调整该反应器的结构，或考虑稀释催化剂，该模拟结果也与实验数据较为吻合。

4.2 甲醇合成流程模拟

作为该软件的重要的一个特点，不仅可单独模拟各类固定床反应，并且还可以内嵌到一些模拟软件中作为单元模块进行全流程模拟，而这极大的增强了各类大型模拟软件的交互性，本文以国内某典型的水冷甲醇合成流程的模拟为例进行说明。采用PROⅡ模拟软件，原料气为焦炉气。

反应方程如下：

甲醇合成的流程图如图8所示，图中CO1操作单元即是由RS生成的CAPE-OPEN操作单元，其余均利用PROⅡ软件自身的操作单元。

图8 甲醇合成流程图

反应条件：4.6MPa(G)；200℃

催化剂采用的是XNC-98系列甲醇催化剂，合成塔塔径2.2m，催化剂装填量为26.3m3，合成压力为4.6MPa(G)，副产蒸汽压力为1.8MPa(G)。

计算结果如表2、表3所示。

表2 甲醇反应设计值

表3 甲醇反应实际工程数据

表2是甲醇合成的模拟情况，表3是甲醇合成的实际工程测试数据，通过对比，可以看出，对于相同新鲜气组成和流量，进塔气和出塔气组份模拟结果与工程实际数据具有较好的一致性，在合理的范围内。在生产能力方面，利用RS软件模拟得到的日产精甲醇量为319t，而实际工程数据为310t，模拟产量与实际产量非常吻合，仅相差2.9%，由此可以看到该软件对于分析甲醇合成反应器的产出情况具有较高的准确度，可以快速预测甲醇的生产能力，用于指导设计和帮助决策，具有重要的工程意义，这种嵌入的方式在工程设计中使用较多[8]。

5 结语

基于CO标准开发的单元模块，可以使用模拟环境的热力学方法，以及其庞大的物性库数据，开发者仅仅只需编写自己所需要用到的特殊的单元模块，而常规的单元操作，比如分离、闪蒸等，均可以使用模拟环境自身的单元操作模块，这就为开发者提供了极大的便利，同时节约了大量的宝贵时间，大幅降低了开发难度。其通用性可以使用户编写的单元模块能嵌在不同的模拟环境中，而目前大多数主流模拟软件均有CAPE-OPEN接口，这就为不同模拟软件之间的交互提供了有利条件。

本文就固定床的设计计算，运用VB.net基于CO完成该项工作的计算机化。使设计人员在设计初始阶段就能很快的预测和分析固定床的工艺参数，并能方便的与通用模拟软件进行交互。通过该软件的模拟分析可以明显缩短固定床的设计周期。甲醇合成反应目前已经研究的非常深入，因此本文在相同进塔气和组成成分的前提条件下，以甲醇合成反应与实际工程数据进行了对比，在甲醇合成反应的整个模拟过程中，使用的物性方法和物性数据均为某模拟软件自带的，计算结果表明在该模拟软件中使用RS模拟甲醇合成反应的出塔气组份数据与实际工程数据较为接近，为该反应单元模块应用于模拟甲醇合成反应提供了实例论证。

基于CO开发单元模拟软件与通用模拟软件可以保持良好的交互性，采用面向对象的方法设计规划软件可以使该软件具有更清晰的结构层次，大大增强了该软件的通用性。

[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]李涛,徐懋生,朱继承,等.A301氨合成催化剂本征动力学[J].华东理工大学学报,2001,03:221-225.

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[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，学士，工 程 师 ， 注 册 化 工 师 ， 电 话 15925614309， 电 邮15925614309@163.com。