06-­‐321  ChemE  Thermodynamics  

Chemical  Reac9on  Equilibrium    in  Aspen  v8    

Bruno  A.  Calfa    

Last  Update:  October  27th,  2014  

1  

Basics  of  Chemical  Reac9on  Equilibria  (I/II)  •  Given  general  equilibrium  reac9on  

its  equilibrium  is  determined  by  the  equilibrium  constant  K.  •  Rela9onship  between  K  and  standard  Gibbs  free  energy  of  the  reac9on:  

•  The  equilibrium  is  defined  in  terms  of  the  fugacity  of  the  components:  

•  Using  fugacity  coefficients  (typically  in  gas-­‐phase  reac9ons):  

2  

Basics  of  Chemical  Reac9on  Equilibria  (II/II)  •  Extent  of  reac9on  (coordinate  of  reac9on):  ε  

–  Extent  to  which  the  reac9on  has  taken  place.  

where  ν  is  the  stoichiometric  coefficient  of  species  i  (posi9ve  if  product,  nega9ve  if  reactant).  •  See  deriva9ons  in  textbook  (sec9on  13.1).  

See  also  extension  to  mul9ple  reac9ons.  •  Procedure:  subs9tute  yi  into  expression  for  K  and  solve  for  ε.  •  Minimiza9on  of  Gibbs  Free  Energy  (see  sec9on  13.9  for  deriva9on):  results  

in  solving  the  following  algebraic  equa9ons  for  ni.  

3  

Numerical  Example  •  Water-­‐Gas  shi_  reac9on  

•  Given:  stoichiometric  feed,  P  =  8,300  kPa,  T  =  500  K,  so  that        K  =  148.4.  

•  Calculate  equilibrium  composi9on.  •  A  solu9on  by-­‐hand  is  easily  achievable  

–  Introduce  the  extent  of  reac9on  ε.  –  Express  number  of  moles  of  each  component  as  func9ons  of  ε.  –  Use  the  expression  of  K  to  solve  for  ε.  –  Calculate  the  equilibrium  composi9ons  based  on  the  value  for  ε.  

•  Aspen  Plus  modeling  –  Use  REquil  or  RGibbs  models/blocks.  

4  

Solu9on  with  Aspen  •  Add  components.  

5  

Solu9on  with  Aspen  •  Select  thermodynamic  model.  Use  Method  Assistant.  Let  us  use  SRK.  Go  to  

the  subfolder  Parameters  under  Methods  to  confirm  that  you  will  be  using  Aspen’s  built-­‐in  temperature-­‐dependent  binary  parameters.  

6  

Solu9on  with  Aspen  •  Switch  to  Simula9on  environment.  Add  REquil  under  Reactors.  •  You  may  rename  the  block  (right  click  -­‐>  Rename  Block).    

7  

Solu9on  with  Aspen  •  Click  on  Material.  Red  arrows  are  mandatory.  Blue  arrows  are  op9onal.  

8  

Solu9on  with  Aspen  •  Draw  streams.  You  can  rename  streams  (right  click  -­‐>  Rename  Stream).  

9  

Solu9on  with  Aspen  •  Configure  feed  stream.  Go  to  folder  Streams,  then  1  (feed  stream).  

10  

Solu9on  with  Aspen  •  Configure  reactor  block.  Go  to  folder  Blocks,  then  B1.  •  Specifica9ons  (use  same  as  feed  for  this  example)  +  Vapor-­‐Only.  

11  

Solu9on  with  Aspen  •  Configure  reactor  block.  Go  to  folder  Blocks,  then  B1.  •  Reac9ons.  Provide  guess  for  extent  of  reac9on  and  ask  Aspen  to  evaluate  

equilibrium  constant  exactly  at  the  given  T  (i.e.,  no  ΔT).  

12  

Solu9on  with  Aspen  •  Run  simula9on.  Click  on  blue  play  bujon.  It  converged!  We  are  not  

performing  economic  evalua9ons  at  this  point,  so  click  Close.  

13  

Solu9on  with  Aspen  •  Check  results  (Stream  Summary).  

14  

Solu9on  with  Aspen  •  To  see  molar  frac9ons,  go  to  folder  Setup  -­‐>  Report  Op9ons  -­‐>  Streams.  

Check  Mole  for  Frac9on  basis.  

15  

Solu9on  with  Aspen  •  Rerun  simula9on.  View  Streams  (Custom).  

•  See  file  ChemReacEqExampleREquil.apwz.   16  

Solu9on  with  Aspen  •  Now  try  with  RGibbs  block.  Add  and  configure  streams  and  block.  

17  

Solu9on  with  Aspen  •  Rerun  simula9on.  View  Streams  (Custom).  Same  solu9on  as  with  REquil.  

•  See  file  ChemReacEqExampleRGibbs.apwz.   18