Aspen Plus化工过程模拟化学链工艺从生物质中生产氢气和氨气 本模型复现了Journal of Cleaner Production中一篇文章的模型。 在本模型中首先将生物质通过化学链工艺转化为氢气之后使用哈伯法将氢气转化为氨气。最近在折腾Aspen Plus模拟生物质转化路线时发现化学链工艺制氢接哈伯法制氨的组合特别有意思。这玩意儿既能处理农林废弃物又能产出高纯度氢气和化肥原料简直是可持续能源的缝合怪方案。今天咱们就扒开这个模型的五脏六腑看看Aspen里到底怎么实现这种套娃式工艺。先说说生物质预处理这个老大难问题。原料我用的玉米秸秆模拟时直接调用了Aspen自带的NC属性Nonconventional Components。这里有个骚操作——用RYield反应器把生物质分解成元素组成记得在物性方法里勾选HCOALGEN和DCOALIGT这两个计算模型。代码层面大概是这样的BLOCK BIOMASS_DECOMP INLETFEED OUTLETELEMENTARY MODEL RYield PARAM DCOALIGT1 HCOALGEN1 REACTIONS BIOMASS - C H O N S Ash /处理完元素组成就该上化学链的气化重头戏了。这里用了双床反应系统——燃料反应器Fuel Reactor和空气反应器Air Reactor玩跷跷板。燃料侧用Fe3O4作载氧体温度控制在850℃左右。关键在设置Gibbs反应器时要把最小吉布斯自由能的计算步长调小不然收敛能让你怀疑人生FUEL_REACTOR CALC-MODE Gibbs MINIMUM-STEPSIZE 1e-6 PHASES Vapor Solid SOLID-SOLID-REACTIONS YES产物气里的H2浓度能飙到75%以上但别急着高兴后边还有变压吸附PSA的脱碳关卡。这里我用了Sep2模块模拟四级吸附塔重点是要把CO2的分离因子设到200以上。实测发现吸附压力超过3MPa时氢回收率会断崖式下跌这个临界点要拿小本本记下来。Aspen Plus化工过程模拟化学链工艺从生物质中生产氢气和氨气 本模型复现了Journal of Cleaner Production中一篇文章的模型。 在本模型中首先将生物质通过化学链工艺转化为氢气之后使用哈伯法将氢气转化为氨气。到哈伯法合成氨环节反应动力学参数是灵魂所在。工业催化剂数据不好搞我直接魔改了文献里的阿伦尼乌斯公式参数。这段代码千万别照搬小心导师找你喝茶RXN-KINETICS N2 3H2 - 2NH3 RATE-CON 2.5e8 * EXP(-87500/1.987/TEMP) POWER-LAW [N2]^0.5 [H2]^1.5热力学循环部分最容易翻车。制冷系统的氨冷器得和反应器的废热锅炉联动我专门写了个计算器模块来协调温度梯度。有个邪门发现当系统压力超过20MPa时循环泵功耗会反超反应器热收益这性价比曲线简直是工业界的血压升高器。最后说说这个模型的玄学部分——为什么产物氨的纯度老是卡在99.2%上不去后来发现是气相中残留的Ar气在搞事。解决方法简单粗暴在合成回路里加了个间歇排放阀模拟代码里用了个Fsplit模块配动态时间步长效果立竿见影PURGE_VALVE FRACTION 0.05 DYNAMIC-STEP 0.1 hr整套模型跑下来能量效率能摸到58%的门槛比单独制氢路线高了将近15个百分点。不过看着Aspen里那些红红绿绿的警告提示还是忍不住想给模型烧柱香——这哪是仿真分明是大型电子炼丹现场啊