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化工模拟软件aspen plus第8章 反应器单元模拟


第8章 反应器单元模拟
作者:王俊 孙兰义

目录
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8.1 反应器基础知识 8.2 反应器单元模拟概述 8.3 化学计量反应器RStoic 8.4 产率反应器RYield

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8.6 吉布斯反应器Rgibbs 8.7 化学反应对象 8.8 全混釜反应器RCSTR 8.9

平推流反应器Rplug

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?

?

?

?

?

?

8.5 平衡反应器REquil

?

8.10 间歇式反应器RBatch

8.1 反应器基础知识——基本概念
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化学计量方程
一般形式为: 2NH3-N2-3H2=0

它是表示各反应物、生成物在反应过程的变化关系的方程。 N2+3H2=2NH3

有S个组分参与反应,计量方程:

8.1 反应器基础知识——基本概念
注意:

1)计量方程本身与反应的实际历程无关。
2)乘以一非零的系数 λi后,可得新的计量方程。

3)与化学反应方程不同,化学反应方程表示的是方向,而 计量方程表示的是量。 4)单一反应;复合反应。

8.1 反应器基础知识——基本概念
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化学反应速率
1.间歇系统 化学反应速率是以单位时间,单位反应区内关键组分K的物 质量摩尔数变化来定义K组分的反应速率。

单位反应区可以是单位反应体积或单位反应系统的重量。

8.1 反应器基础知识——基本概念

8.1 反应器基础知识——基本概念
反应物速率前应冠以负号。

避免出现

< 0,使反应速率出现负值。

各反应速率间的关系:

8.1 反应器基础知识——基本概念
当V恒定时,

8.1 反应器基础知识——基本概念
2.连续系统

可表示为单位反应体积中(或单位反应表面积上、或单位
质量固体或催化剂上)某一反应物或产物的摩尔流量的变

化。

在气-固相催化反应中,由于实验反应器与工业反应器中催 化剂的填充方式不同,一般按单位质量催化剂来计算反应 速率便于换算到工业反应器中的反应速率。

8.1 反应器基础知识——基本概念
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其它定义
液空速:反应混合物以液体进入反应器,常以25℃下液体 的体积流量表示空速。

湿空速:如果气体混合物有水蒸气。
干空速:不计水蒸气时的空速。

空间速度:是单位反应体积所能处理的反应混合物的体积
流量。

8.1 反应器基础知识——基本概念
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反应进度

描述反应进行的程度,针对整个反应过程而言。 是各组分在反应前后的摩尔数变化与计量系数的比值,用ζ表 示。 计量系数r, 对于反应物为“-”, 对于产物为“+”, 则ξ≥0 。

8.1 反应器基础知识——基本概念
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转化率
定义:关键组分A反应掉的物质的量与其开始时物质的量之 比。

注意:
如果反应物不只是一种,针对不同反应物计算出来为x 不 一定相同。

8.1 反应器基础知识——基本概念
?

收率与选择性
收率:

为了表达已反应的关键组分中转化为目的产物的分率,定 义选择性如下:

转化率、收率、选择性之间的关系为:Y=x?s

8.1 反应器基础知识——分类
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化学反应和反应器的分类

化学反应和反应器的分类方法很多,常按下列四种方 法进行分类。 1、按反应系统涉及的相态分类
? ?

均相反应

包括气相均相反应和液相均相反应。

非均相反应 包括气-固相,气-液相,气-液-固相反应等。

8.1 反应器基础知识——分类
2、按操作方式分类
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间歇操作 指一批物料投入反应器后,经过一定时间的反 应再取出的操作方法。

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连续操作 指反应物料连续地通过反应器的操作方式。 半连续操作 指反应器中的物料,有一些是分批地加入或 取出,而另一些则是连续流动通过反应器。

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8.1 反应器基础知识——分类
3、按反应器型式来分类
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管式反应器 一般长径比大于30; 槽式反应器 一般高径比为1-3; 塔式反应器 一般高径比在3-30之间。

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?

8.1 反应器基础知识——分类
4、按传热条件分类
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等温反应器 整个反应器维持恒温,这对传热要求很高。 绝热反应器 反应器与外界没有热量交换,全部反应热效 应使物料升温或降温。

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非等温、非绝热反应器 与外界有热量交换,但不等温。

8.1 反应器基础知识——分类
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理想反应器
在工业上化学反应必然要在某种设备内进行,这种设备就

是反应器。根据各种化学反应的不同特性,反应器的形式和

操作方式有很大差异。
从本质上讲,反应器的形式并不会影响化学反应动力学特 性。但是物料在不同类型的反应器中流动情况是不同的。

8.1 反应器基础知识——分类
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简单混合与返混
若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的,具有相 同的反应程度,混合后的物料必然与混合前的物料完全相

同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程,
称之为简单混合。
?

如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同,反应程 度就不同,组成也不会相同。混合之后的物料组成与混合 前必然不同,反应速率也会随之发生变化,这种发生在停

留时间不同的物料之间的均匀化过程,称之为返混。

8.1 反应器基础知识——分类
按物料在反应器内返混情况作为反应器分类的依据将 能更好的反映出其本质上的差异。按返混情况不同反 应器被分为以下类型: 间歇式反应器 平推流反应器 完全没有返混 连续流动反应器 全混流反应器 返混极大

8.1 反应器基础知识——分类
1、间歇式反应器
间歇操作的充分搅拌槽式反应器(简称间歇式反应 器)。在反应器中物料被充分混合,但由于所有物 料均为同一时间进入的,物料之间的混合过程属于 简单混合,不存在返混。

8.1 反应器基础知识——分类
反应物料一次投入反应器内, 在反应过程中不再向反应器内 投料,也不向外排出,待反应 达到要求的转化率后,再全部 放出反应物料。反应器内的物 料在搅拌的作用下其参数(温 度及浓度)各处均一。

8.1 反应器基础知识——分类

8.1 反应器基础知识——分类
间歇式反应器特点:
①由于剧烈搅拌、混合,反应器内有效空间中各位置的物 料温度、浓度都相同;
②由于一次加料,一次出料,反应过程中没有加料、出料,

所有物料在反应器中停留时间相同,不存在不同停留时间 物料的混合,即无返混现象;
③出料组成与反应器内物料的最终组成相同; ④为间歇操作,有辅助生产时间。一个生产周期应包括反 应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热(或冷却) 时间等。

8.1 反应器基础知识——分类
2、平推流反应器
平推流反应器(或活塞流反应器)在连续流动的反 应器内物料允许作径向混合(属于简单混合)但不 存在轴向混合(即无返混)。典型例子是物料在管 内流速较快的管式反应器。

8.1 反应器基础知识——分类
平推流反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相 同速度向前流动,像活塞一样在反应器中向前平推, 故又称为活塞流。

8.1 反应器基础知识——分类

8.1 反应器基础知识——分类
平推流反应器特点:
①由于流体沿同一方向,以相同速度向前推进,在反应器 内没有物料的返混,所有物料在反应器中的停留时间都是 相同的;
②在垂直于流动方向上的同一截面,不同径向位置的流体 特性(组成、温度等)是一致的; ③在定常态下操作,反应器内状态只随轴向位置改变,不 随时间改变。实际生产中对于管径较小、长度较长、流速 较大的管式反应器,列管固定床反应器等,常可按平推流

反应器处理。

8.1 反应器基础知识——分类
3、全混流反应器
连续操作的充分搅拌槽型反应器(简称全混流 反应器)。在这类反应器中物料返混达最大值。

8.1 反应器基础知识——分类
全混流反应器又称全混釜或连续
流动充分搅拌槽式反应器,简称 CSTR。流入反应器的物料,在 瞬间与反应器内的物料混合均匀, 即在反应器中各处物料的温度、

浓度都是相同的。

8.1 反应器基础知识——分类

8.1 反应器基础知识——分类
全混流反应器特点:
①物料在反应器内充分返混; ②反应器内各处物料参数均一; ③反应器的出口组成与器内物料组成相同; ④连续、稳定流动,是一定态过程。

8.2 反应器单元模拟概述
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Aspen Plus根据不同的反应器形式,提供了七种

不同的反应器模块。

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这七类反应器模块可以划分为三类:

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?

1. 基于物料平衡的反应器(RStoic,RYield);
2. 基于化学平衡的反应器(REquil,RGibbs);

?

3. 动力学反应器(RCSTR,RPlug,RBatch)。

8.2 反应器单元模拟概述
模块 说明 功能 规定反应程度和转 适用对象 反应动力学数据未知或不重要,但化学计 量系数和反应程度已知的反应器

RStoic

化学计量反应器

化率的化学计量反
应器模块

RYield

产率反应器

规定产率的反应器 化学计量系数和反应动力学数据未知或不 模块 通过化学计量系数 重要,但产率分布已知的反应器

REquil

平衡反应器

计算实现化学平衡 化学平衡和相平衡同时发生的反应器 和相平衡 通 过 Gibbs 自 由 能

RGibbs

吉布斯反应器

最小实现化学平衡 和相平衡

化学平衡和相平衡同时发生的反应器,对

固体溶液和汽-液-固系统计算相平衡
带反应速率控制和平衡反应的单相、两相 或三相全混釜反应器 带反应速率控制的单相、两相或三相平推

RCSTR RPlug RBatch

全混釜反应器 平推流反应器 间歇式反应器

模拟全混釜反应器 模拟平推流反应器

流反应器
和半间歇的反应器

模拟间歇式或半间 带反应速率控制的单相、两相或三相间歇 歇式反应器

8.3 化学计量反应器RStoic
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按照化学反应方程式中的计量关系进行反应,有平 行反应和串联反应两种方式。

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用于模拟化学平衡数据和动力学数据未知或不重要 的反应器,还可以计算产品的选择性和反应热。

8.3 化学计量反应器RStoic

8.3 化学计量反应器RStoic
?

RStoic模块的连接图如下:

8.3 化学计量反应器RStoic
?

用化学计量反应器RStoic模拟计算时,需要 规定反应器的操作条件,并选择反应器的闪 蒸计算相态;

?

还需要规定在反应器中发生的反应,对每个

反应必须规定化学计量系数,并分别指定每
一个反应的转化率或产品流率。

8.3 化学计量反应器RStoic
?

RStoic 模块有七组模型参数:
1、模型设定 2、化学反应 (Specifications) (Reactions)

3、燃烧
4、反应热

(Combustion)
(Heat of Reaction)

5、选择性
6、粒度分布 7、组分属性

(Selectivity)
(PSD) (Component Attr.)

8.3 化学计量反应器RStoic
1、模型设定(Specifications)
包括操作条件和有效相态。

8.3 化学计量反应器RStoic
2、化学反应(Reactions)
需要规定在反应器中发生的所有反应。

8.3 化学计量反应器RStoic
定义每个反应时,必须规定化学计量系数,并分别指定每一 个反应的转化率或产品流率。
化学计 量系数

产品流率

反应转化率

8.3 化学计量反应器RStoic
3、反应热 (Heat of Reaction)
如果需要计算反应热,可在Heat of Reaction页

面对每个反应规定参考组分,也可选择规定反应热,
化学计量反应器RStoic调整计算的反应器负荷。

8.3 化学计量反应器RStoic

8.3 化学计量反应器RStoic

计算反应热

规定参考组分

8.3 化学计量反应器RStoic

规定反应热

8.3 化学计量反应器RStoic
4、选择性 (Selectivity)
若需要计算产品的选择性,可在Selectivity页面

规定所选择的产品组分和参考的反应物组分。

规定选择 性参考组 分

8.3 化学计量反应器RStoic
所选择的组分P对参考组分A的选择性规定为

SP,A

?P [ ]Real ?A ? ?P [ ]Ideal ?A

? ? ?

ΔP——选择组分P的摩尔数改变量; ΔA——参考组分A的摩尔数改变量; 下标Real表示反应器中的实际情况;

?

下标Ideal表示一个理想反应系统的情况。

8.3 化学计量反应器RStoic
在多数情况下,选择性在0和1之间。
?

如果所选择的组分由参考组分以外的其它组分生 成,选择性会大于1;

?

如果所选择的组分在其它反应中消耗,选择性可 能会小于0。

8.3 化学计量反应器RStoic
5、粒度分布和组分属性
当反应生成固体或固体改变时,可以分别在 Attr.页面和PSD页面规定组分属性和粒子的尺寸 分布。

8.3 化学计量反应器RStoic
例8.1 用化学计量反应器RStoic模拟1-丁烯的异构化反

应,涉及到的反应及转化率如下表所示。进料温度为
16℃,压力为196kPa,进料中正丁烷(N-BUTANE)、 1-丁烯(1-BUTENE)、顺-2-丁烯(CIS-2BUT)、反2-丁烯(TR-2BUT)、异丁烯(ISOBUT)的流率分别 为35000kg/hr、10000kg/hr、4500kg/hr、

6800kg/hr、1450kg/hr,反应器的温度为400℃,压
力为196kPa。物性方法选用RK-SOAVE。

8.3 化学计量反应器RStoic
问:①每个反应的反应热是多少?②异丁烯对1-丁烯的 选择性是多少?
反应 1-BUTENE→ISOBUT 4(1-BUTENE)→PROPYLEN+2MET2BUT+1-OCTENE CIS-2BUT→ISOBUT 转化率 0.36 0.04 0.36

4(CIS-2BUT)→PROPYLEN+2MET2BUT+1-OCTENE
TR-2BUT→ISOBUT 4(TR-2BUT)→PROPYLEN+2MET2BUT+1-OCTENE

0.04
0.36 0.04

8.4 产率反应器RYield
?

产率反应器RYield可以模拟化学计量系数和反 应动力学数据未知或不重要的反应,但需要已知 反应产物的产率分布。

?

产率反应器RYield只考虑总质量平衡,能够模
拟单相、两相和三相反应器。

8.4 产率反应器RYield

8.4 产率反应器RYield
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RYield模块的连接图如下:

8.4 产率反应器RYield
RYield模块有六组模型参数:
1、模型设定 2、产率 3、闪蒸选项 4、粒度分布 5、组分属性 6、组分映射 (Specifications) (Yield) (Flash Options) (PSD) (Comp. Attr.) (Comp. Mapping)

8.4 产率反应器RYield
1、模型设定(Specifications)
包括操作条件和有效相态。
操作条件

有效相态

8.4 产率反应器RYield
2、产率 (Yield)
产率设置有四个选项可选:

组分产率(Component yields)
组分映射(Component mapping) 石油馏分表征(Petro characterization) 用户子程序(User Subroutine)

8.4 产率反应器RYield
当选择组分产率选项时,对于反应产物中的每一 个组分进行产率规定。 计算的产率基于每单位质量的总进料被圆整,以 维持整体的物料平衡,因此产率规定只是建立了 一个产率分布,而不是绝对产率。

8.4 产率反应器RYield
当规定了惰性组分 (Inert Components) 后,产率是以单位质量的 非惰性进料为基础计算的

8.4 产率反应器RYield
当选择组分映射选项时,需在Comp. Mapping页 面设置各种结合(Lump)反应和分解(De-lump) 反应所涉及的组分之间的定量关系。

当反应生成固体或固体改变时,可以在Comp.
Attr.页面和PSD页面分别规定它们的组分属性和粒

子尺寸。

8.4 产率反应器RYield
例8.2 已知反应CH4+2H2O→CO2+4H2,进料中甲烷、

水蒸汽的流率分别为20kmol/hr、80kmol/hr,进料温
度为750℃,压力为0.1013MPa。反应在恒温恒压条件下 进行,温度、压力与进料相同,反应器出口物流中 CH4:H2O:CO2:H2的摩尔比为1:6:1:4。物性方法选用 PENG-ROB。

问反应器热负荷为多少?CO2和H2的流率分别为多少?

8.5平衡反应器REquil
平衡反应器REquil按照化学反应方程式中的计量 关系进行反应计算,同时计算相平衡和化学平衡,不 考虑反应动力学。

平衡反应器REquil能够模拟单相和两相反应,不
能进行三相计算。

8.5平衡反应器REquil

8.5平衡反应器REquil
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REquil模块的连接图如下:

8.5平衡反应器REquil
?

REquil 模块有四组模型参数:
1、模型设定 (Specifications) 2、化学反应 (Reactions) 3、收敛 (Convergence)

4、液沫夹带 (Entrainment)

8.5平衡反应器REquil
1、模型设定 (Specifications)
包括操作条件和有效相态。

操作条件

有效相态

8.5平衡反应器REquil
2、化学反应 (Reactions)
需要规定在反应器中发生的反应,对每个反应指定 化学计量系数。

8.5平衡反应器REquil
REquil由Gibbs自由能计算平衡常数,可以通过规定

产物生成比速率或趋近平衡温度来限制平衡。 产物生成比速率Extend=速率/化学计量系数
趋近平衡温度(Temperature Approach)=反应温

? ?

度+趋近平衡温度

8.5平衡反应器REquil

8.5平衡反应器REquil
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平衡反应器REquil处理常规的固体时,把每 个特定的固体视为一个单独的纯固相。

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不参加反应的固体,包括非常规的组分,被 视为惰性成分。这些固体不影响化学平衡, 只影响能量平衡。

8.5平衡反应器REquil
3、液沫夹带 (Entrainment)
当有效相态为气-液两相时,可以规定液沫夹带。

8.5平衡反应器REquil
例8.3 由甲醇生产氢气的反应如下:

CH4O→2H2+CO;CO+H2O→H2+CO2
进料流率为100kmol/hr; 其中甲醇与水的摩尔比为1:4; 进料温度为232℃,压力为0.1013MPa; 反应器温度为232℃,压力为0.1013MPa; 物性方法选用PENG-ROB。 当反应达到平衡时,氢气产品的流率为多少?反应热负 荷是多少?

8.6吉布斯反应器RGibbs
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RGibbs根据系统Gibbs自由能趋于最小的原则, 计算同时达到化学平衡和相平衡时的情况。

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不要求规定反应的化学计量系数,可以应用于发生 的反应未知或由于有许多组分参与反应致使反应数 量很多的情况。

?

吉布斯反应器RGibbs是唯一能处理汽-液-固相平
衡的反应器模块。

8.6吉布斯反应器RGibbs

8.6吉布斯反应器RGibbs
?

RGibbs模块的连接图如下:

8.6吉布斯反应器RGibbs
?

RGibbs 模块有五组模型参数:
1、模型设定 (Specifications) 2、产物 (Products) 3、指定物流 (Assign Steams) 4、惰性物 (Inerts) 5、限制平衡 (Restricted Equilibrium)

8.6吉布斯反应器RGibbs
1、模型设定 (Specifications)
包括操作条件、计算选项和存在的相态数。
操作条件

计算选项

相态

8.6吉布斯反应器RGibbs
计算选项可选择仅计算相平衡、同时计算化 学平衡和相平衡、或受限制的化学平衡。

8.6吉布斯反应器RGibbs
2、产物 (Products)
①系统中所有的组分都可

由于不用输入反应,所
以需要规定产物的情况:

以是产物; ②指定可能的产物组分;

③定义产物存在的相态。

8.6吉布斯反应器RGibbs
2、产物 (Products)
①系统中所有的组分都可以是产物;

8.6吉布斯反应器RGibbs
2、产物 (Products)
②指定可能的产物组分;

8.6吉布斯反应器RGibbs
2、产物 (Products)
③定义产物存在的相态。

8.6吉布斯反应器RGibbs
3、指定物流 (Assign Steams)
可以选择自动指定出口物流相态,或使用关键组分 和截尾摩尔分率指定出口物流相态。

8.6吉布斯反应器RGibbs
4、惰性物 (Inerts)
如果有不参加反应的惰性组分,可以在Inerts页 面规定哪些组分为惰性组分,以及该组分不参加反 应的摩尔流率或分率。

8.6吉布斯反应器RGibbs
5、限制平衡 (Restricted Equilibrium)
可以通过设定整个系统的趋近平衡温度,或分别指 定各个化学反应的趋近平衡温度来限制平衡。

8.6吉布斯反应器RGibbs
例8.3 由甲醇生产氢气的反应如下: CH4O→2H2+CO;CO+H2O→H2+CO2 进料流率为100kmol/hr; 其中甲醇与水的摩尔比为1:4;

进料温度为232℃,压力为0.1013MPa;
反应器温度为232℃,压力为0.1013MPa; 物性方法选用PENG-ROB。 当反应达到平衡时,氢气产品的流率为多少?反应热 负荷是多少? 比较REquil模块与RGibbs模块的计算结果。

8.7 化学反应对象

化学反应对象可以用于动力学反应器(RCSTR、 RPlug、RBatch)和反应精馏(RadFrac)的计 算。 化学反应对象是独立于反应器模块或塔模块的,可 以同时应用于多个模块中。

8.7 化学反应对象
?

建立新的化学反应对象需要输入反应ID并选 择对象类型,常用的对象类型有三种:

① LHHW型(Langmuir-HinshelwoodHougen-Watson); ②指数型(Power Law); ③反应精馏型(Reac-Dist)。

8.7 化学反应对象
?

反应类型有两种:动力学(Kinetic)和平衡型 (Equilibrium)

?

需输入反应物(Reactants)、产物(Products) 以及对应的化学计量系数(Coefficient)。

?

对于指数型反应对象,还要输入动力学方程式中每 个组分的指数(Exponent),若不输入则默认为 0,即反应速率的大小与该组分无关。

8.7 化学反应对象
反应类型

反应物

产物

8.7 化学反应对象
如果反应类型(Reaction type)选择Kinetic,

在Kinetic页面,需要规定反应相态、反应速率控制
基准、动力学参数以及浓度基准。
指数型:反应动力学常数(Kinetic factor, k’),它与温度 的关系用修正的Arrhenius方程表示:

? ? E ? ? 1 1 ?? ?T? k ' ? k ? ? exp ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? R ? ? T T0 ? ? ? T0 ? ? ?

n

8.7 化学反应对象
选择化学计量方程 反应相态

反应速率控制基准

动力学参数

8.7 化学反应对象
LHHW型的反应动力学方程:

?动力学因子? ? ? 推动力表达式 ? ? ? ? ? rA ? ? ? 吸附表达式 ? ? ?
动力学常数仍用修正的Arrhenius方程表示:

? ? E ? ? 1 1 ?? ?T ? ? 动力学因子 ? ? k ? ? exp ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? T0 ? ? ? R ? ? T T0 ? ?

n

8.7 化学反应对象
选择化学计量方程 反应相态 反应速率控制基准

动力学参数

8.7 化学反应对象
点击Driving force,进入如下页面。

8.7 化学反应对象
?

推动力表达式为:
?i i ?j j

Driving force expression ? K1?C ? K2?C

Bl ln Kl ? Al ? ? Cl ? ln T ? Dl ? T T
Term1和Term2分别代表正反应和逆反应的推动力。

8.7 化学反应对象
点击Adsorption,进入如下页面。

8.7 化学反应对象
?

吸附表达式为:
Adsorption expression

? [? Ki (?C )]

?j j

m

Bi ln Ki ? Ai ? ? Ci ? ln T ? Di ? T T
如果不存在吸附过程的影响,则只需令m=0即可。

8.7 化学反应对象
如果反应类型(Reaction type)选择 Equilibrium,在Equilibrium页面需要规定 反应相态、趋近平衡温度,还需要选择平衡常 数的计算方法:Gibbs energies或built-in expression

8.7 化学反应对象
选择化学计量方程

反应相态
趋紧平衡温度 平衡常数的计算

8.7 化学反应对象
?

另外,还可以使用用户提供的动力学子程序来计算

反应速率,在Reactions∣Reactions页面创建一
个新反应ID,在Create New ID对话框中,选择

对象类型为USER,在Subroutine页面规定
Fortran子程序名称及相关参数。

8.8 全混釜反应器RCSTR
?

全混釜反应器RCSTR可以模拟达到理想混合的连 续搅拌釜式反应器;

? ? ?

要求已知化学反应式、动力学方程和平衡关系; 可模拟单相、两相或三相体系,并可处理固体; 可同时计算动力学控制和平衡控制两类反应。

8.8 全混釜反应器RCSTR

8.8 全混釜反应器RCSTR
?

RCSTR模块的连接图如下:

8.8 全混釜反应器RCSTR
?

RCSTR 模块有七组模型参数:
1、模型设定 (Specifications) 2、产品物流 (Streams)

3、化学反应(Reactions)
4、粒度分布 (PSD)

5、组分属性 (Component Attr.)
6、公用工程(Utility) 7、催化剂(Catalyst)

8.8 全混釜反应器RCSTR
1、模型设定 (Specifications)
?

需要设定操作条件 (Operation Conditions)和持 料状态 (Holdup)。

? ?

操作条件包括:反应器压力、温度或者热负荷; 持料状态包括:有效相态(Valid phases)、反 应器体积(Reactor volume)或停留时间 (Residence time)等设定方式。

8.8 全混釜反应器RCSTR

8.8 全混釜反应器RCSTR
2、产品物流 (Streams)
当有两股或两股以上产品物流时应该在该栏设置各 产品物流的出口相态。

8.8 全混釜反应器RCSTR
3、化学反应(Reactions)
RCSTR中的化学反应通过选用预定义的化学反应 对象来设定。

8.8 全混釜反应器RCSTR
4、催化剂(Catalyst)
当存在催化剂时,需在该页面设定催化剂装填量 (Catalyst loading)、床层孔隙率(Bed voidage) 或颗粒密度(Particle density)。

8.8 全混釜反应器RCSTR
例8.5 乙酸乙酯的平衡反应式为:
乙醇 ? Ethanol ? ? 乙酸 ? Acetic ?
乙酸乙酯 ? Acetate ? ? 水 ? Water ?

基于摩尔浓度的反应平衡常数为K,lnK=1.335。进料为 0.1013MPa下的饱和液体,其中,水、乙醇、乙酸的流率分 别为736kmol/h、218 kmol/h、225kmol/h,全混釜反 应器的体积为21000L,温度为60℃,压力为0.1013MPa, 化学反应对象选用指数型。
物性方法选用NRTL-HOC。

求产品乙酸乙酯的流率为多少?

8.9 平推流反应器RPlug
?

平推流反应器RPlug可以模拟轴向没有返混、径向 完全混合的理想平推流反应器。

?

该模块只能计算动力学控制的反应,要求已知化学 反应式和动力学方程。

?

可模拟单相、两相或三相体系,并可处理固体,也 可以模拟带冷却剂物流的反应器。

8.9 平推流反应器RPlug

8.9 平推流反应器RPlug
?

RPlug模块的连接图如下:

8.9 平推流反应器RPlug
?

RCSTR 模块有八组模型参数:
1、模型设定 (Specifications)
2、反应器构型 (Configuration) 3、产品物流 (Streams) 4、化学反应(Reactions) 5、压力(Pressure)

6、持液量(Holdup)
7、催化剂(Catalyst) 8、反应器直径(Diameter)

8.9 平推流反应器RPlug
1、模型设定 (Specifications)
?

需要指定平推流反应器RPlug的类型,输入对应的反应器 条件(如果带有冷却剂,则包括冷却剂参数)。
平推流反应器RPlug的类型包括:指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)、绝热反应器 (Adiabatic reactor)、恒定冷却剂温度的反应器 (Reactor with constant coolant temperature)、与 冷却剂并流换热的反应器(Reactor with co-current coolant)、与冷却剂逆流换热的反应器(Reactor with counter-current coolant)等。

?

8.9 平推流反应器RPlug
反应器类型 操作条件

8.9 平推流反应器RPlug
2、反应器构型 (Configuration)

包括反应管长度、直径、根数以及物流和冷却剂的有效相态等

反应管参数

有效相态

8.9 平推流反应器RPlug
3、产品物流 (Streams)
当有两股或两股以上产品物流时应该在该栏设置各产品物 流的出口相态。

8.9 平推流反应器RPlug
4、化学反应(Reactions)

RPlug中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象来设定。

8.9 平推流反应器RPlug
5、压力(Pressure)
包括反应器进口压力、反应器压降。
反应器进 口压力

反应器压 降设定

8.9 平推流反应器RPlug
6、持液量(Holdup)
当反应器中有效相态不为单相时,需要对反应器的 持液量进行设定,有三种选项。

8.9 平推流反应器RPlug
7、催化剂(Catalyst)
当存在催化剂时,需在该页面设定催化剂装填量(Catalyst loading)、床层孔隙率(Bed voidage)或颗粒密度

(Particle density)。

8.9 平推流反应器RPlug
8、反应器直径(Diameter)
当反应器构型中选择直径随反应器长度变化时,需 在该页面定义不同位置的反应器直径。

8.9 平推流反应器RPlug
例8.6 反应式和指数型动力学方程如下(其中动 力学参数以英制单位为基准,浓度为摩尔浓度,反 应相态为气相):

Cl2+C3H6

?27200 R1 ? 1.5 ?10 ? exp( ) ? [Cl2 ] ? [C3 H6 ] RT
6

C3H5Cl+HCl

Cl2+C3H6

C3H6Cl2

?6860 R2 ? 90.46 ? exp( ) ? [Cl2 ] ? [C3H6 ] RT

8.9 平推流反应器RPlug
两股进料混合后进入反应器,进料氯气(Cl2)的温度为

200℃,压力为0.2026MPa,流率为0.077kmol/h,进料 丙烯(C3H6)的温度为200℃,压力为0.2026MPa,流率 为0.308kmol/h。反应器长7.62m,内径50.8mm,压降为 0,传热系数U=24.412kcal/(h?m2?K)。用180kg/h的水 作为冷却剂与反应器逆流换热,对于水的进口温度可以设定 初值为80℃,压力为0.1013MPa,规定水的出口温度为 90℃。物性方法选用IDEAL。求冷却剂水的进口温度、产品 的温度以及产品中氯丙烯(C3H5Cl)和1,2-二氯丙烷 (C3H6Cl2)的流率各是多少?

?

全混釜反应器是返混趋于无穷大的反应器,
平推流反应器是返混为零的反应器,这是两

个极端情况。实际反应器有的接近这样的理
想情况,因而可用这两个模块进行近似设计、 模拟和分析。

?

但是在某些情况下,由于实际设备中死角和 挡板等的存在形成了滞留区域,也可能由于 不均匀的流路导致流体的旁通,因而,流体 的流型不同于全混釜和平推流中流体的流型, 而是介于它们之间的一种型式,这时候可采 用多个模块组合的方法进行模拟。

① 多相产物反应器 RCSTR模块或RPlug模块

+Flash2模块。
VAPOR

FEED

FEED1

FLASH2

RCSTR LIQUID

VAPOR

FEED RPLUG

FEED1

FLASH2

LIQUID

② 存在滞留区域的全混釜反应器 RCSTR模块 +Flash2模块+RPlug模块。
VAPOR

FEED

FEED1

FLASH2 RPLUG

RCSTR LIQUID LIQUID1

③ 产生旁通的平推流反应器 Fsplit模块+RPlug

模块+Mixer模块。

2

FEED FSPLIT

1 RPLUG

3 MIXER

PRODUCT

④ 带有返混的平推流反应器 多个RCSTR模块串

联。

FEED

1

2

3

PRODUCT

RCSTR1

RCSTR2

RCSTR3

RCSTR4

8.10 间歇式反应器RBatch
?

间歇式反应器RBatch可以模拟达到理想混 合的间歇或半间歇操作的搅拌釜。

?

通过规定化学反应式和动力学参数可计算物 料平衡和能量平衡。

?

间歇式反应器RBatch只能够处理动力学类 型的反应。

8.10 间歇式反应器RBatch

8.10 间歇式反应器RBatch
?

RBatch模块的连接图如下:

8.10 间歇式反应器RBatch
?

RBatch 模块有六组模型参数:
1、模型设定 (Specifications) 2、化学反应 (Reactions) 3、停止判据 (Stop Criteria) 4、操作时间 (Operation Time) 5、连续加料 (Continuous Feeds) 6、控制器 (Controllers)

8.10 间歇式反应器RBatch
1、模型设定 (Specifications)
包括反应器操作设定、压力设定和有效相态。

反应器操作设定

压力设定

有效相态

8.10 间歇式反应器RBatch
?

其中反应器操作设定的类型包括:
1、恒温 (Constant temperature) 2、温度剖形 (Temperature profiles)

3、恒定热负荷 (Constant heat duty)
4、热负荷剖形 (Heat duty profile)

5、恒定冷却剂温度 (Constant coolant temperature)
6、传热用户子程序 (Heat Transfer user subroutine)

8.10 间歇式反应器RBatch
?

压力设定包括:
1、指定反应器压强 (Specify reactor pressure) 2、指定压强剖形 (Specify reactor pressure profile) 3、计算反应器压强 (Calculate reactor pressure)

8.10 间歇式反应器RBatch
2、化学反应 (Reactions)
RBatch中的化学反应通过化学反应对象定义。

8.10 间歇式反应器RBatch
3、停止判据 (Stop Criteria)
停止判据为间歇式反应器RBatch一个操作周期结束的条件, 可以设定一个或多个,计算过程中达到任何一个判据设定 值后,反应就停止。

8.10 间歇式反应器RBatch
判据位置有三种可选:反应器、排气收集器、排气

管。

8.10 间歇式反应器RBatch
变量类型有13种可选:反应时间、摩尔分率、质

量分率、转化率、温度、压力等。

8.10 间歇式反应器RBatch
4、操作时间 (Operation Time)
?

为间歇式反应器RBatch的操作周期(Batch cycle time) 设定时间指标有两种设定方式:

?
?

设定一个操作周期的时间(Total cycle time);
设定间歇进料时间(Batch feed time)和辅助操作时间

(Down time)。
?

还需要设定最大计算时间(Maximum calculation time) 和时间间隔(Time interval between profile points)。

8.10 间歇式反应器RBatch

8.10 间歇式反应器RBatch
5、连续加料 (Continuous Feeds)
当存在连续加料流股时,在连续加料表单中设置各个连续 加料流股的流量随时间的变化情况。有两种设置方式:

①基于加料流股的恒定流量
(Flow is constant at inlet value)

②指定不同时刻的流量剖形
(Specify flow vs time profile)

8.10 间歇式反应器RBatch
6、控制器 (Controllers)

当设置反应器温度为恒温或指定温度剖形时,可以 通过控制器对反应釜温度进行PID控制。 当设置反应器压力为计算反应器压力时,可以通过

控制器对反应釜压力进行PID控制。

8.10 间歇式反应器RBatch
PID控制器的温度控制参数包括 :
①比例增益因子 (Proportional gain) ②积分时间常数 (Integral time constant) ③微分时间常数 (Derivative time constant)

8.10 间歇式反应器RBatch
PID控制器的压力控制参数包括 :
①压力设置值(Pressure set point) ②比例增益因子 (Proportional gain)

③积分时间常数 (Integral time constant)
④微分时间常数 (Derivative time constant) ⑤最大进料流率(Maximum feed flow rate)

8.10 间歇式反应器RBatch
例8.7 用间歇式反应器RBatch模拟烷基甘油醚反应,反

应包括两个单体反应和两个二聚反应,化学反应对象选择
指数型。 Fatty alcohol+Epi Fatty alcohol+Epi Alpha-Monomer +Epi Alpha-Monomer +Epi Alpha-Monomer Beta-Monomer AA-Dimer AB-Dimer

8.10 间歇式反应器RBatch
对于上述所有反应,动力学参数k均为8.71358×1010,

活化能依次为E1=69019400J/kmol,

E2=69780000J/kmol,

E3=75532200J/kmol,
E4=76060200J/kmol。
其中浓度基准为体积摩尔浓度Molarity。

8.10 间歇式反应器RBatch
反应式中Epi为环氧氯丙烷C3H5ClO,Fatty alcohol为1十三烷醇C13H28O,Alpha-Monomer、Beta-Monomer、

AA-Dimer、AB-Dimer的结构式分别为:

8.10 间歇式反应器RBatch
间歇进料Fatty alcohol总量为3257kg,温度为65℃,压

力为0.1013MPa;连续进料Epi总量为1710kg,温度为
65℃,压力为0.1013MPa,并以1140kg/h的流率连续 进料1.5h。反应器温度为65℃,压力为0.1013MPa,反 应为液相反应,反应1.5h后结束,计算时间间隔设为 1min,物性方法选用NRTL,求反应产品的组成流率。


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