1、CAPD基礎(chǔ) 第十二講,Simulation Design of Chemical Reactors 反應(yīng)器單元的仿真設(shè)計(jì) (三),化學(xué)動(dòng)力學(xué)類反應(yīng)器,1、全混釜反應(yīng)器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor 2、平推流反應(yīng)器（RPlug） Plug Flow Reactor 3、間歇釜反應(yīng)器（RBatch) Batch Stirred Tank Reactor,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：,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

2、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) (Stop Criteria) 4、操作時(shí)間 (Operation Time) 5、連續(xù)加料 (Continuous Feeds) 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 (Reactor Operating

3、 Specification) 有六個(gè)選項(xiàng)供選擇： 1、恒溫 (Constant Temperature) 2、溫度剖形 (Temperature Profiles) 3、恒定熱負(fù)荷 (Constant Heat Duty) 4、熱負(fù)荷剖形 (Heat Duty Profile) 5、恒定冷卻劑溫度 (Constant Coolant Temperature) 6、傳熱用戶子程序 (Heat Transfer User Subroutine),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、(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 (Pressure Specification)， 有三個(gè)選項(xiàng)供選擇： 1、指定反應(yīng)器壓強(qiáng) (Specify Reactor Pressure) 2、指定壓強(qiáng)剖形 (Specify Reactor Pressure Profile) 3、計(jì)算反應(yīng)器壓強(qiáng) (Calculate Reactor Pressure),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

5、體積。如有排氣，則還需設(shè)定排氣口壓強(qiáng)(Vent opening pressure) 。,RBatch 停止判據(jù),停止判據(jù)（Stop criterion）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) (Criterion number) 2、位置 (Location) 3、變量類型 (Variable type) 4、停止值 (Stop value) 5、組分 (Component) 6、子流股類別 (Substream) 7、物性集ID (P

6、roperty set ID) 8、趨近方向 (Approach from),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 (Batch Cycle Time) 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(Total cycle time)； 批次加料時(shí)間(Batch feed time) （即：一次 加料

7、量除以連續(xù)來(lái)料流量）和輔助操作時(shí) 間(Down time) （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 (Profile Result Time) 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(Maximum calculation time)、輸出剖形結(jié)果的時(shí)刻之間的時(shí)間區(qū)間(Time interval between profile points)，以及最大時(shí)刻點(diǎn)數(shù)(Maximum number of profile points) 。,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

8、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 (Flow is constant at inlet value) 2、指定不同時(shí)刻的流量剖形 (Specify flow vs. time profile),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 (Proportional gain) 2、積分時(shí)間常數(shù) (Integral time constant) 3、微分時(shí)間常數(shù) (Deriv

9、ative time constant),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10.2 kmol/m3、乙酸3.908 kmol/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

10、=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 2 hr，輔助時(shí)間 1 hr，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 100 C的飽和蒸汽加熱，反應(yīng)釜傳熱面積 6 m2，傳熱系數(shù) 500 W/m2K，求乙酸轉(zhuǎn)化率為35% 的

11、反應(yīng)時(shí)間，釜液溫度隨時(shí)間變化的曲線。,Optimization 優(yōu)化,Aspen Plus 在模型分析工具中提供了優(yōu)化工具(Optmization)，其使用方法類似于設(shè)計(jì)規(guī)定： 1）定義過(guò)程變量 (Define)； 2）定義目標(biāo)函數(shù)和選用約束條件(Objective & Constraints)，并確定尋優(yōu)方向(Maximize / Minimize)； 3）設(shè)置調(diào)節(jié)變量(Vary)，可以設(shè)置多個(gè)調(diào)節(jié)變 量 。,Optimization 優(yōu)化 (2),1）定義過(guò)程變量,Optimization 優(yōu)化 (3),2) 定義目標(biāo)函數(shù)、選用約束條件、確定尋優(yōu)方向,Optimization 優(yōu)化 (4)

12、,3）設(shè)置調(diào)節(jié)變量,Constraints 約束,對(duì)于約束優(yōu)化 ，則需設(shè)置約束條件(Constraints) : 1）定義過(guò)程變量 (Define)； 2）設(shè)置約束條件 (Spec)，包括定義約束表達(dá) 式(Constraint expression)，制定約束關(guān)系: 等于(Equal to) 小于或等于(Less than or equal to) 大于或等于(Greater than or equal to) 并設(shè)定容差 (Tolerance)。,Constraints 約束 (2),Optimization 示例 1,甲烷在管式反應(yīng)器中進(jìn)行高溫偶聯(lián)脫氫制乙烯，發(fā)生的主 要化學(xué)反應(yīng)及其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式如下(分壓的單位為Pa )：,1),2),Optimization 示例1 (續(xù)),化學(xué)反應(yīng)在250根內(nèi)徑25 mm的反應(yīng)管內(nèi)進(jìn)