化工設(shè)計(jì)軟件

第七講SimulationDesignofChemicalReactors

反應(yīng)器單元

的仿真設(shè)計(jì)

(二)反應(yīng)器模塊的類(lèi)別生產(chǎn)能力類(lèi)反應(yīng)器（2種）熱力學(xué)平衡類(lèi)反應(yīng)器（2種）化學(xué)動(dòng)力學(xué)類(lèi)反應(yīng)器（3種）分為三大類(lèi)七種反應(yīng)器：化學(xué)動(dòng)力學(xué)類(lèi)反應(yīng)器1、全混釜反應(yīng)器（RCSTR）

ContinuousStirredTankReactor2、平推流反應(yīng)器（RPlug）

PlugFlowReactor3、間歇釜反應(yīng)器（RBatch)

BatchStirredTankReactor根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算反應(yīng)結(jié)果。包含三種反應(yīng)器：RCSTR—全混釜反應(yīng)器性質(zhì)：釜內(nèi)達(dá)到理想混合。可模擬單、兩、三相的體系，并可處理固體?？赏瑫r(shí)處理動(dòng)力學(xué)控制和平衡控制兩類(lèi)反應(yīng)。用途：已知化學(xué)反應(yīng)式、動(dòng)力學(xué)方程和平衡關(guān)系，計(jì)算所需的反應(yīng)器體積和反應(yīng)時(shí)間，以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。RCSTR——圖標(biāo)RCSTR——

連接RCSTR——

模型參數(shù)RCSTR模塊有兩組模型參數(shù)：1、操作條件(OperationConditions)1)壓力(Pressure)2)溫度/熱負(fù)荷(Temperature/HeatDuty)2、持料狀態(tài)(Holdup)1)有效相態(tài)(ValidPhases)2)設(shè)定方式(SpecificationType)RCSTR——

模型參數(shù)（2）RCSTR——

設(shè)定方式設(shè)定方式有7個(gè)可選項(xiàng)：1、反應(yīng)器體積(ReactorVolume)只需輸入反應(yīng)器的體積。2、停留時(shí)間(ResidenceTime)只需輸入物料在反應(yīng)器中的平均停留時(shí)間。RCSTR—

設(shè)定方式（2）3、反應(yīng)器體積和相體積

(ReactorVolume&PhaseVolume)必須輸入反應(yīng)器體積、氣相(Vaporphase)或凝聚相(Condensedphase)所占的體積。RCSTR—

設(shè)定方式（3）設(shè)定方式有7個(gè)可選項(xiàng)：RCSTR—

設(shè)定方式（4）4、反應(yīng)器體積和相體積分率

(ReactorVolume&PhaseVolumeFraction)必須輸入反應(yīng)器體積和氣相/凝聚相所占的體積分率。RCSTR—設(shè)定方式（5）設(shè)定方式有7個(gè)可選項(xiàng)：RCSTR—設(shè)定方式（6）5、反應(yīng)器體積和相停留時(shí)間

(ReactorVolume&PhaseResidenceTime)必須輸入反應(yīng)器體積和氣相/凝聚相在反應(yīng)器中的停留時(shí)間。RCSTR—

設(shè)定方式（7）設(shè)定方式有7個(gè)可選項(xiàng)：RCSTR—

設(shè)定方式（8）6、停留時(shí)間和相體積分率

(ResidenceTime&PhaseVolumeFraction)必須輸入物料在反應(yīng)器中的總平均停留時(shí)間和氣相/凝聚相所占的體積分率。RCSTR—

設(shè)定方式（9）設(shè)定方式有7個(gè)可選項(xiàng)：RCSTR—

設(shè)定方式（10）7、相停留時(shí)間和體積分率

(PhaseResidenceTime&VolumeFraction)必須輸入氣相/凝聚相在反應(yīng)器中的停留時(shí)間和所占的體積分率。RCSTR—

設(shè)定方式（11）設(shè)定方式有7個(gè)可選項(xiàng)：RCSTR—

設(shè)定方式（12）RCSTR—

選擇反應(yīng)RCSTR中的化學(xué)反應(yīng)通過(guò)選用預(yù)定義的化學(xué)反應(yīng)對(duì)象來(lái)設(shè)定。RCSTR—選擇反應(yīng)（2）Reactions—化學(xué)反應(yīng)對(duì)象用途：為三類(lèi)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器模塊和RadFrac

模塊提供反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系、平衡關(guān)系和動(dòng)力學(xué)關(guān)系。Reactions——對(duì)象類(lèi)型

創(chuàng)建化學(xué)反應(yīng)對(duì)象時(shí)，需賦予對(duì)象ID和選擇對(duì)象類(lèi)型。對(duì)于小分子反應(yīng)，常用的類(lèi)型有三種：1、LHHW型

(Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)2、冪律型(PowerLaw)3、反應(yīng)精餾型(Reac-Dist)Reactions—對(duì)象類(lèi)型（2）Reactions——反應(yīng)設(shè)定

每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)對(duì)象可以包含多個(gè)化學(xué)反應(yīng)，每個(gè)反應(yīng)都要設(shè)定計(jì)量學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)/平衡參數(shù)。1、計(jì)量學(xué)參數(shù)(Stoichiometry)2、動(dòng)力學(xué)參數(shù)(Kinetic)3、平衡參數(shù)(Equilibrium)Reactions—反應(yīng)設(shè)定（2）Reactions——計(jì)量學(xué)參數(shù)在計(jì)量學(xué)表單中為每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，并選擇對(duì)象類(lèi)型為動(dòng)力學(xué)(Kinetic)或平衡(Equilibrium)型。輸入反應(yīng)方程式中的化學(xué)計(jì)量系數(shù)(Coefficient)，對(duì)于冪律型反應(yīng)對(duì)象，還要輸入動(dòng)力學(xué)方程式中每一個(gè)濃度因子的冪指數(shù)(Exponent)。Reactions—計(jì)量學(xué)參數(shù)（2）Reactions—?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)在動(dòng)力學(xué)表單中為每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)輸入發(fā)生反應(yīng)的相態(tài)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及濃度基準(zhǔn)。冪律型：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因子(Kineticfactor)即反應(yīng)速率常數(shù)k’，它與溫度的關(guān)系用修正的Arrhenius方程表示：Reactions—?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)（2）Reactions—?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)(3)濃度基準(zhǔn)([Ci]basis)有以下幾種：摩爾濃度(Molarity),kmol/m3

質(zhì)量摩爾濃度(Molality),mol/kgwater

分壓(Partialpressure),Pa

質(zhì)量濃度(MassConcentration),kg/m3

摩爾分率(Molefraction),—

質(zhì)量分率(Massfraction),—Reactions—?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)(4)LHHW型的反應(yīng)速率方程：動(dòng)力學(xué)因子仍用修正的Arrhenius方程表示：Reactions—?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)(5)Reactions—?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)(5)推動(dòng)力表達(dá)式(Drivingforceexpression)定義為：點(diǎn)擊右側(cè)的Drivingforce按鈕，即可彈出推動(dòng)力表達(dá)式輸入界面。Reactions—?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)(7)推動(dòng)力表達(dá)式包括兩項(xiàng)：Term1和Term2,分別代表正反應(yīng)和逆反應(yīng)的推動(dòng)力，分別表達(dá)為體系中各組分濃度的冪乘積。在推動(dòng)力輸入界面中，必須完整輸入這兩項(xiàng)的全部參數(shù)，包括推動(dòng)力常數(shù)表達(dá)式的系數(shù)(Coefficientsfordrivingforceconstant)。Reactions—?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)(6)Reactions—?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)(8)點(diǎn)擊右側(cè)的Adsorption按鈕，即可彈出吸附表達(dá)式輸入界面。吸附表達(dá)式代表反應(yīng)物在催化劑表面吸附過(guò)程的傳質(zhì)阻力對(duì)宏觀反應(yīng)速率的影響，用下述函數(shù)式描述：如果不存在吸附過(guò)程的影響，則只需令總指數(shù)m=0即可。Reactions—?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)(9)RCSTR——示例1甲醛和氨按照以下化學(xué)反應(yīng)生成烏洛托品：反應(yīng)速率方程式如下：

式中：

RCSTR—示例1(續(xù))反應(yīng)器容積為5m3，裝填系數(shù)為0.6，輸入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。為了保證釜內(nèi)的惰性環(huán)境，輸入氮?dú)饬繎?yīng)該使出釜物料的氣相分率保持在0.001左右。加料氨水的濃度為4.1kmol/m3，流量為32.5m3/hr。加料甲醛水溶液的濃度為6.3kmol/m3，流量為32.5m3/hr。求35C下烏洛托品的產(chǎn)量和輸入氮?dú)饬髁?，并分析反?yīng)溫度在20~60C范圍里對(duì)甲醛轉(zhuǎn)化率的影響。

RPlug——平推流反應(yīng)器性質(zhì)：完全沒(méi)有返混的管式反應(yīng)器，可帶有換熱夾套?？赡M單、兩、三相的體系。只能處理動(dòng)力學(xué)控制反應(yīng)。用途：已知化學(xué)反應(yīng)式和動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率，或所需的反應(yīng)器體積，以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。RPlug—平推流反應(yīng)器(2)RPlug——

連接(1)RPlug——

連接(2)RPlug——

模型參數(shù)RPlug模塊有四組模型參數(shù)：1、模型設(shè)定

(Specifications)2、反應(yīng)器構(gòu)型(Configuration)3、化學(xué)反應(yīng)(Reactions)4、壓力

(Pressure)RPlug—

模型設(shè)定設(shè)定反應(yīng)器類(lèi)型，共有五種類(lèi)型：1、指定溫度的反應(yīng)器

(Reactorwithspecifiedtemperature)，有三種方式設(shè)定操作溫度：1)進(jìn)料溫度下的恒溫(Constantatinlettemperature)2)指定反應(yīng)器溫度(Constantatspecifiedreactortemperature)3)溫度剖形(TemperatureProfile)，指定沿反應(yīng)器長(zhǎng)度的溫度分布RPlug—

模型設(shè)定(2)2、絕熱反應(yīng)器

只需在反應(yīng)器類(lèi)型下拉框中選擇AdiabaticReactor即可。3、恒定冷卻劑溫度的反應(yīng)器

在反應(yīng)器類(lèi)型下拉框中選擇(Reactorwithconstantcoolanttemperature)；在操作條件欄中設(shè)定傳熱系數(shù)(Ucoolant-processstream)和冷卻劑溫度(Coolanttemperature)。RPlug—模型設(shè)定(3)RPlug—模型設(shè)定(4)4、與冷卻劑并流換熱的反應(yīng)器

(Reactorwithco-currentcoolant)5、與冷卻劑逆流換熱的反應(yīng)器

(Reactorwithcounter-currentcoolant)采用這兩種類(lèi)型需在流程圖中連接冷卻劑物流（連接圖2），并在反應(yīng)器類(lèi)型下拉框中選擇相應(yīng)的類(lèi)型，在操作條件欄中輸入傳熱系數(shù)U和冷卻劑出口溫度(Coolantoutlettemperature)或蒸汽分率(Coolantoutletvaporfraction)。RPlug—模型設(shè)定(5)RPlug—模型設(shè)定(6)RPlug——反應(yīng)器構(gòu)型反應(yīng)器構(gòu)型表單中需要輸入的項(xiàng)目有：?jiǎn)喂芑蚨喙芊磻?yīng)器(Multitubereactor)

反應(yīng)管的根數(shù)(Numberoftubes)

反應(yīng)管的長(zhǎng)度(Length)和直徑(Diameter)

反應(yīng)物料(Processstream)有效相態(tài)冷卻劑(Coolantstream)有效相態(tài)RPlug—反應(yīng)器構(gòu)型(2)RPlug——壓強(qiáng)壓強(qiáng)表單中需要輸入的項(xiàng)目有：1、反應(yīng)器進(jìn)口壓強(qiáng)(Pressureatreactorinlet)

反應(yīng)物料(Processstream)壓強(qiáng)冷卻劑(Coolantstream)壓強(qiáng)2、反應(yīng)器壓降(Pressuredropthroughreactor)

反應(yīng)物料(Processstream)壓降冷卻劑(Coolantstream)壓降RPlug——壓強(qiáng)

(2)RPlug—示例1丁二烯和乙烯合成環(huán)己烯的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：反應(yīng)速率方程式如下：式中：RPlug—示例1(續(xù))

反應(yīng)器長(zhǎng)5米、內(nèi)徑0.5米，壓降可忽略。加料為丁二烯和乙烯的等摩爾常壓混合物，溫度為440C。如果反應(yīng)在絕熱條件下進(jìn)行，要求丁二烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到12%，試求環(huán)己烯的產(chǎn)量。

RPlug—示例（2）作出示例1中溫度和環(huán)己烯摩爾分率沿反應(yīng)器長(zhǎng)度的分布圖。分析反應(yīng)器壓力在0.1~1.0MPa范圍內(nèi)對(duì)環(huán)己烯產(chǎn)量的影響。

RBatch—間歇釜反應(yīng)器性質(zhì)：間歇或半間歇操作的攪拌釜，釜內(nèi)達(dá)到理想混合。自動(dòng)根據(jù)加料和輔助時(shí)間提供緩沖罐，實(shí)現(xiàn)與連續(xù)過(guò)程的連接。用途：已知化學(xué)反應(yīng)式、動(dòng)力學(xué)方程和平衡關(guān)系，計(jì)算所需的反應(yīng)器體積和反應(yīng)時(shí)間，以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。RBatch—間歇釜反應(yīng)器(2)RBatch—連接RBatch——

模型參數(shù)RBatch模塊有六組模型參數(shù)：1、模型設(shè)定

(Specifications)2、化學(xué)反應(yīng)(Reactions)3、停止判據(jù)

(StopCriteria)4、操作時(shí)間

(OperationTime)5、連續(xù)加料

(ContinuousFeeds)6、控制器

(Controllers)RBatch—模型設(shè)定(1)模型設(shè)定包含操作設(shè)定、壓力設(shè)定和有效相態(tài)：反應(yīng)器操作設(shè)定

(ReactorOperatingSpecification)有六個(gè)選項(xiàng)供選擇：1、恒溫(ConstantTemperature)2、溫度剖形(TemperatureProfiles)3、恒定熱負(fù)荷(ConstantHeatDuty)4、熱負(fù)荷剖形(HeatDutyProfile)5、恒定冷卻劑溫度(ConstantCoolantTemperature)6、傳熱用戶子程序(HeatTransferUserSubroutine)RBatch—模型設(shè)定(2)RBatch—模型設(shè)定(3)選用溫度剖形或熱負(fù)荷剖形時(shí)，需輸入不同時(shí)刻的溫度值或熱負(fù)荷值。RBatch—模型設(shè)定(4)選用恒定冷卻劑溫度時(shí)，需輸入冷卻劑溫度、傳熱系數(shù)和傳熱面積的值。RBatch——模型設(shè)定(5)壓強(qiáng)設(shè)定

(PressureSpecification)，有三個(gè)選項(xiàng)供選擇：1、指定反應(yīng)器壓強(qiáng)

(SpecifyReactorPressure)2、指定壓強(qiáng)剖形

(SpecifyReactorPressureProfile)3、計(jì)算反應(yīng)器壓強(qiáng)

(CalculateReactorPressure)RBatch——模型設(shè)定(6)RBatch—模型設(shè)定(7)選用壓強(qiáng)剖形時(shí)，需輸入不同時(shí)刻的壓強(qiáng)值。RBatch—模型設(shè)定(8)選用計(jì)算反應(yīng)器壓強(qiáng)時(shí)，需輸入反應(yīng)器體積。如有排氣，則還需設(shè)定排氣口壓強(qiáng)(Ventopeningpressure)。RBatch——

停止判據(jù)停止判據(jù)（Stopcriterion）給定間歇釜在一個(gè)操作周期中結(jié)束反應(yīng)階段的條件?？梢詾殚g歇釜操作設(shè)定多個(gè)停止判據(jù)。計(jì)算過(guò)程中任何一個(gè)判據(jù)達(dá)到設(shè)定值后，反應(yīng)即中止。RBatch——

停止判據(jù)(2)停止判據(jù)通過(guò)以下參數(shù)設(shè)定：1、序號(hào)(Criterionnumber)2、位置(Location)3、變量類(lèi)型(Variabletype)4、停止值(Stopvalue)5、組分(Component)6、子流股類(lèi)別(Substream)7、物性集ID(PropertysetID)8、趨近方向(Approachfrom)RBatch—

停止判據(jù)(3)判據(jù)位置：反應(yīng)器；排氣收集器；排氣管RBatch—

停止判據(jù)(4)變量類(lèi)型：有轉(zhuǎn)化率、濃度、物性等10余種變量可選：RBatch—

停止判據(jù)(5)停止值給定反應(yīng)停止時(shí)判據(jù)變量的數(shù)值；趨近方向表明變量是從大或小的方向接近停止值。RBatch——

操作時(shí)間1、間歇周期時(shí)間

(BatchCycleTime)

為間歇釜操作周期設(shè)定時(shí)間指標(biāo)，有兩種設(shè)定方式：一個(gè)操作周期的總時(shí)間(Totalcycletime)；批次加料時(shí)間(Batchfeedtime)

（即：一次加料量除以連續(xù)來(lái)料流量）和輔助操作時(shí)間(Downtime)（即：一個(gè)操作周期減去反應(yīng)時(shí)間）

。RBatch——操作時(shí)間(2)2、剖形結(jié)果時(shí)間

(ProfileResultTime)

設(shè)定仿真計(jì)算的時(shí)間參數(shù)，包括最大計(jì)算時(shí)間(Maximumcalculationtime)、輸出剖形結(jié)果的時(shí)刻之間的時(shí)間區(qū)間(Timeintervalbetweenprofilepoints)，以及最大時(shí)刻點(diǎn)數(shù)(Maximumnumberofprofilepoints)。RBatch——

操作時(shí)間(3)RBatch——

連續(xù)加料當(dāng)存在連續(xù)加料流股時(shí)，在連續(xù)加料表單中設(shè)置各個(gè)連續(xù)加料流股的流量隨時(shí)間的變化情況。有兩種設(shè)置方式：1、基于加料流股的恒定流量(Flowisconstantatinletvalue)2、指定不同時(shí)刻的流量剖形(Specifyflowvs.timeprofile)RBatch——

連續(xù)加料

(2)RBatch——

控制器當(dāng)設(shè)置反應(yīng)器溫度為恒溫或指定溫度剖形時(shí)，可以通過(guò)控制器對(duì)反應(yīng)釜溫度進(jìn)行PID控制。PID控制器的控制參數(shù)在控制器(Controller)表單中設(shè)定，包括：1、比例增益因子(Proportionalgain)2、積分時(shí)間常數(shù)(Integraltimeconstant)3、微分時(shí)間常數(shù)(Derivativetimeconstant)RBatch——

控制器(2)RBatch—示例（1）乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

在間歇攪拌釜中等溫反應(yīng)，T=100C，P=3bar，操作周期2.5hr。加料為水溶液，T=40C，處理量1m3/hr，含乙醇10.2kmol/m3、乙酸3.908kmol/m3。求乙酸轉(zhuǎn)化率為35%的反應(yīng)時(shí)間，乙酸乙酯的產(chǎn)量，裝填率=0.7時(shí)所需的反應(yīng)釜體積。

反應(yīng)速率方程式如下：

式中：

RBatch—示例（2）考慮到釜液升/降溫的影響，操作周期延長(zhǎng)到3hr，并按以下升/降溫程序操作：t=0,T=40C;t=15min,T=80C;t=30min,T=100C;

t=110min,T=100C;t=140min,T=40C求乙酸轉(zhuǎn)化率為35%的反應(yīng)時(shí)間，乙酸乙酯的產(chǎn)量，裝填率=0.7時(shí)所需的反應(yīng)釜體積。

如果示例(1)反應(yīng)速率常數(shù)和平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系如下：

RBatch—示例（3）如果將示例(2)的操作時(shí)間設(shè)置改為間歇加料時(shí)間2hr，輔助時(shí)間1hr，求乙酸轉(zhuǎn)化率為35%時(shí)的反應(yīng)時(shí)間，乙酸乙酯的產(chǎn)量，裝填率=0.7時(shí)所需的反應(yīng)釜體積。

RBatch—示例（4）如果將示例(3)的反應(yīng)釜用100C的飽和蒸汽加熱，反應(yīng)釜傳熱面積6m2，傳熱系數(shù)500W/m2K，求乙酸轉(zhuǎn)化率為35%的反應(yīng)時(shí)間，釜液溫度隨時(shí)間變化的曲線。

Optimization—優(yōu)化AspenPlus在模型分析工具中提供了優(yōu)化工具(Optmization)，其使用方法類(lèi)似于設(shè)計(jì)規(guī)定：

1）定義過(guò)程變量

(Define)