ASPENPLUS反应器的模拟与优化.ppt

第五章 ASPEN PLUS反应器的模拟与优化,目录,生成能力类反应器 化学计量反应器 (RStoic) 产率反应器 (RYield) 平衡类反应器 平衡反应器 (REquil) 吉布斯反应器 (RGibbs) 动力学类反应器 全混流反应器 (RCSTR) 平推流反应器 (RPlug) 间歇式反应器 (Rbatch),2,3,化学反应器是整个化工工艺流程的核心，是实现化学物质转化的必要工序,4,为保证目的产品组分的产率和选择性，必须选择适宜的反应器类型和反应器网络。,5,PFR,本讲目的,熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型以及它们在过程模拟中的应用； 了解特定的反应过程的特点，选择相适应的反应器类型或反应器网络，保证所需产品组分足够的产率和选择性。,6,（一）生产能力类反应器 Rstoic 化学计量反应器,性质：按照化学反应方程式中的计量关系进行反应，有并行反应和串联反应两种方式，分别指定每一反应的转化率或产量。,用途：已知化学反应方程式和每一反应的转化率，不知化学动力学关系。,7,Rstoic 化学计量反应器 模型参数,1、模型设定(Specification) 2、化学反应 (Reactions) 3、燃烧 （Combustion） 4、反应热 (Heat of reaction) 5、选择性 （Selectivity) 6、粒度分布 (PSD) 7、组分属性 （Components Attri.) 8、热力学模型 (Thermodynamics),8,RStoic 选择性,9,选择性定义为：,P代表选定组分 (selected) P的生成摩尔数； A代表参照组分 (reference) A的消耗摩尔数； real 代表反应器内的实际情况； ideal 代表只有AP一个反应发生时的情况。,RStoic计算例5.1,丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含1-丁烯、正丁烷、顺-2-丁烯、反-2-丁烯和异丁烯，发生的反应如下所示：,10,进料流股的温度为16，压力为1.9 atm，进料组成如下表所示：,热力学模型选择RK-Soave。 反应器操作条件：温度为400，压力为1.9 atm。 请采用RStoic模型确定反应物料的组成、由1-丁烯转化为异丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热。,11,（一）生产能力类反应器 Ryield产率反应器,12,性质：根据每一种产与输入物流间的产率关系进行反应，只考虑总质量平衡，不考虑元素平衡。,用途：只知化学反应式和各产物间的相对产率，不知化学计量关系。,产率指的是某种生成物的实际产量与理论产量的比值！,RYield 模块有五组模型参数：,1、模型设定 (Specifications) 2、产率 (Yield) 3、闪蒸选项 (Flash Options) 4、粒度分布 (PSD) 5、组分属性 (Component Attr.),13,RYield 产率,指定相对于每一单位质量非惰性进料而言，RYield出口物流中各种组分间的相对产率。并设定进料中的惰性组分。,14,RYield 示例5.2,15,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750 ，如果反应器出口物流中摩尔比率CH4 H2O : CO2 : H2等于1 : 2 : 3 : 4时，CO2和H2的产量是多少？需要移走的反应热负荷是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元素平衡？,深入讨论：,若在示例的原料气中加入 25 kmol/hr 氮气，其余条件不变，计算结果会发生什么变化？ 以示例的结果为基础，在Ryied模块的产率设置项中将氮气设置为惰性组份，重新计算，结果如何？,16,（二）热力学平衡类反应器,1、平衡反应器（Equilibrium Reactor） 平衡常数法求解产物组成 2、吉布斯反应器（Gibbs Reactor） 最小自由焓法求解产物组成,根据热力学平衡条件计算反应结果，不考虑动力学可行性。,17,REquil 平衡反应器,性质：根据化学反应方程式进行反应，按照化学平衡关系式达到化学平衡，并同时达到相平衡。,用途：已知反应历程和平衡反应的反应方程式，不考虑动力学可行性，计算同时达到化学平衡和相平衡的结果。,18,REquil 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),REquil 模块有四组模型参数：,19,模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：,1、操作条件 (Operation Conditions) (1) 压力； (2) 温度/蒸汽分率/热负荷 2、有效相态 (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水,20,(标准状态下）,（其它温度下）,化学平衡常数,21,吉布斯自由能的变化,范特霍夫方程,REquil 由Gibbs 自由能计算平衡常数。你能够通过下列之一限制平衡： （1）任何反应的摩尔程度 （2）化学平衡接近温度对任何反应,T=Treaction - T (吸热反应） T=TReaction+T (放热反应）,接近温度,如果你规定接近温度T ，则REquil 估计在T+T时的化学平衡常数。这里的 T 是反应温度（规定的或计算的）。,22,23,Equilibrium Reactor 示例（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750 ，当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？,REquil 例5.3,24,深入讨论：,分析示例中反应温度在300-1000 范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率的影响。 将示例中的反应温度设为1000 ，分别分析反应(1)和反应(2)的平衡温差在 200 - 0 范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率和CO/CO2摩尔比的影响。,25,RGibbs吉布斯反应器,性质：根据系统的Gibbs自由能趋于最小值的原则，计算同时达到化学平衡和相平衡时的系统组成和相分布。,用途：已知（或未知）化学反应式，不知道反应历程和动力学可行性，估算可能达到的化学平衡和相平衡结果。,26,对单相系统，规定T和P下的总吉布斯能由下式给出: 式中Ni和 分别是平衡混合物中组分i的摩尔数和偏摩尔吉布斯能。组分包括进料组分及可能由化学反应产生的组分。在受原子衡算约束的条件下，总吉布斯能对Ni最小化。这种方法容易推广到多相系统。,27,28,在恒温恒压且无非体积功的条件下，自发过程总是向着吉布斯函数减少的方向进行，直至系统的吉布斯函数不再改变(dG0)，或者减少到该条件下的最小值时，系统便处于平衡态。,RGibbs 模型设定,29,RGibbs 产物,有三种选择：,1、系统中的所有组分都可以是产物； RGibbs considers all components as products 2、指定可能的产物组分； Identify possible products 3、定义产物存在的相态。 Define phases in which products appear,30,RGibbs 产物 (2),1、系统中的所有组分都可以是产物；,31,RGibbs 产物 (3),2、指定可能的产物组分,32,RGibbs 产物 (4),3、定义产物存在的相态,33,RGibbs 指定物流,有两种选择：,1、自动指定出口物流相态； RGibbs assigns phases to outlet streams 2、使用关键组分和截尾摩尔分率指定出口物流相态； Use key components & cutoff mole fraction to assigns phases to outlet streams,34,RGibbs 指定物流（2）,2、使用关键组分和截尾摩尔分率,35,RGibbs 惰性物,指定不参加化学反应平衡的惰性组分(Inerts)及其不参加反应的摩尔流量(Mole flow)或分率(Fraction)。,36,RGibbs 惰性物,37,RGibbs 限制平衡,有两种选择：,1、设定整个系统的平衡温差 Entire system with temperature approach 2、指定各个化学反应平衡温差 Individual reaction,38,RGibbs 限制平衡 (2),1、设定整个系统的平衡温差；,39,RGibbs 限制平衡 (3),2、指定各个化学反应平衡温差,40,RGibbs 例5.4,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750 ，当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？与Requil 的结果进行比较。,41,深入讨论：,若在示例中的原料气中加入25 kmol/hr 的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副反应，求反应器出口物流中CH4和NH3的质量分率。如果氮为惰性组份，结果有什么变化？,42,Gibbs反应器的评价,优点： 可避免写出化学计量方程的必要性（只需要规定可能的产物） 容易构造多相和同时存在相平衡的计算问题 缺点： 可能产生不正确的结果，因为它们隐含动力学上不可能的反应。,43,（三）化学动力学类反应器,转化率和平衡反应器模型在过程设计的初期进行物料和能量衡算研究时是有用的。但是，最终反应器系统必须确定结构和大小，在实验室研究获得化学动力学的相关数据的基础上即可进行反应器结构和大小的设计。,44,1、全混釜反应器 Continuous Stirred Tank Reactor 2、平推流反应器 Plug Flow Reactor 3、间歇釜反应器 Batch Reactor,根据化学动力学计算反应结果,45,CSTR 全混釜反应器,最简单的动力学反应器模型是CSTR（连续搅拌釜式反应器），在该模型中反应器内物料假定为理想混合。于是，假定整个反应器体积的组成和温度是均匀的，并等于反应器出口物流的组成和温度。,46,CSTReactor全混釜反应器,性质：釜内达到理想混合。可模拟单相、两相的体系。可同时处理动力学控制和平衡控制两类反应。,用途：已知化学反应式、动力学方程和平衡关系，计算所需的反应器体积和反应时间，以及反应器热负荷。,CSTR 全混釜反应器,47,RCSTR模块有两组模型参数： 1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty) 2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification Type),48,CSTR设计方程,物料衡算方程 能量衡算方程,49,反应速率常数采用修正的Arrhenius方程表示：,50,Design Specification 设计规定,从以上示例我们了解到：ASPEN Plus是根据我们输入的过程参数(如进料流股和模型参数)计算结果数据(如非进料流股和设备状态数据)。进行过程设计时，常常希望确定某个过程参数的特定值从而使某个结果数据达到给定值。对于这类应用需求， ASPEN Plus提供了设计规定(Design Spec)工具。 设计规定从数据浏览器的左侧目录栏中进入。,51,Design Specification 设计规定（2）,设计规定是流程选项(Flowsheeting Options)下属的对象,52,Design Specification 设计规定（3）,创建设计规定对象时，按以下步骤操作： 1、从数据浏览器右侧的对象管理器(Object Manager)中点击新建(New)按钮； 2、在弹出对话框中为新对象指定一个辨识号(ID)； 3、在定义(Define)表单中点击新建(New) 按钮，创建设计规定对象所需的变量； 4、在弹出对话框中输入新变量的变量名(Variable name)； 5、在变量定义(Variable Definition)对话框中的下拉式选择框中选择变量的类别(Category)、类型(Type)、流股(Stream)或模块(Block)代号，并指定具体变量(Variable)。,53,Design Specification 设计规定（4）,步骤1和步骤2：,54,Design Specification 设计规定（5）,步骤3和步骤4：,55,Design Specification 设计规定（6）,步骤5：,56,Design Specification 设计规定（7）,步骤6：在规定(Spec)表单中输入规定表达式(Spec)、目标值(Target)和计算容差(Tolerance)。,57,Design Specification 设计规定（8）,步骤7：在变化(Vary)表单中输入调节变量(Manupulated variable)的类型、名称和具体变量(variable),并指定体调节上、下限(Upper/Lower limits)。,58,Design Specification 设计规定（9）,规定变量的实现情况可以从Design Spec对象的Results表单中查看,59,Design Specification 设计规定（10）,调节变量的迭代过程则从相应的收敛对象(Convergence)的Spec Histroy表单中查看,60,CSTR 例5.5,甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：,反应速率方程式如右：,式中：,61,RCSTR 例5.5(续),反应器容积为 5 m3，装填系数为 0.6，输入氮气作为保护气体。为了保证釜内的惰性环境，输入氮气量应该使出釜物料的气相分率保持在 0.001 左右。加料氨水的浓度为 4.1 kmol/m3，流量为 32.5 m3/hr。加料甲醛水溶液的浓度为 6.3 kmol/m3，流量为32.5 m3/hr。求 35 C 下乌洛托品的产量和输入氮气流量 ，并分析反应温度在 2060 C 范围里对甲醛转化率的影响。,62,RPlug 平推流反应器,在PFR反应器中如活塞流动的流体的组成沿反应器长度逐渐变化，但不存在径向组成或浓度梯度。而且，径向的质量和热量传递可忽略 PFR内的流体完全不混合，所有流体微元在反应器中具有相同的停留时间,63,RPlug 平推流反应器,性质：反应器内完全没有返混。可模拟换热夹套。,用途：已知化学反应式和动力学方程，计算所能达到的转化率，或所需的反应器体积，以及反应器热负荷。,64,RPlug 模块有四组模型参数：,1、模型设定 (Specifications) 2、反应器构型 (Configuration) 3、化学反应 (Reactions) 4、压力 (Pressure),65,RPlug 模型设定,1、指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度： 1) 进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature) 2) 指定反应器温度 (Constant at specified reactor temperature) 3) 温度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反应器长度的温度分布,设定反应器类型，共有五种类型：,66,2、绝热反应器 只需在反应器类型下拉框中选择Adiabatic Reactor即可。,67,68,3、恒定冷却剂温度的反应器 在反应器类型下拉框中选择(Reactor with constant coolant temperature) ；在操作条件栏中设定传热系数(U coolant-process stream)和冷却剂温度(Coolant temperature)。,4、与冷却剂并流换热的反应器 (Reactor with co-current coolant) 5、与冷却剂逆流换热的反应器 (Reactor with counter-current coolant) 采用这两种类型需在流程图中连接冷却剂物流，并在反应器类型下拉框中选择相应的类型，在操作条件栏中输入传热系数 U 和冷却剂出口温度(Coolant outlet temperature)或气化率(Coolant outlet vapor fraction)。,69,反应器构型表单中需要输入的项目有： 单管或多管反应器(Multitube reactor) 反应管的根数(Number of tubes) 反应管的长度(Length)和直径(Diameter) 反应物料(Process stream)有效相态 冷却剂(Coolant stream)有效相态,70,压强表单中需要输入的项目有： 1、反应器进口压强(Pressure at reactor inlet) 反应物料(Process stream)压强 冷却剂(Coolant stream)压强 2、反应器压降(Pressure drop through reactor) 反应物料(Process stream)压降 冷却剂(Coolant stream)压降,71,RPlug 计算 例5.6,丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：,反应器长5米、内径0.5米，压降可忽略。加料为丁二烯和乙烯的等摩尔常压混合物，温度为440C。如果反应在绝热条件下进行，试求环己烯的产量。,反应速率方程式如右：,式中：,72,反应器的优化Optimization（1）,Aspen Plus 在模型分析工具中提