ChemCAD教程2.ppt

第二节ChemCAD模拟反应过程 东南大学成贤学院 化学反应器的类型 管式反应器 长度远大于管径 内部中空 不设任何构件 釜式反应器 反应釜 其高度一般与其直径相等或稍高 釜内设有搅拌装置及挡板 并根据不同的情况在釜内安装换热器以维持所需要的温度 塔式反应器 高度一般为直径的数倍以至十余倍 内部设有为了增加两相接触的构件 如填料 筛板等 固定床反应器 其特征为反应器内填充有固定不动的固体颗粒 这些固体颗粒可以是固体催化剂 也可是固体反应物 流化床反应器 有固体颗粒可以参与的反应器 与固定床反应器不同 这些颗粒处于运动状态 运动方向多种多样 移动床反应器 有固体颗粒参与的反应器 固体颗粒自反应器顶部连续加入 自上而下移动 由底部卸出 滴流床反应器 用于使用固体催化剂的汽液反应 化学反应器的类型 化学计量反应器 用于单一反应 该反应器需给定化学计量系数和反应程度 平衡反应器 用于单一或多反应 该反应器需给定平衡程度或转化率 该反应器还可以用于甲烷化反应或水转换反应 Gibbs反应器 用于引发混合物反应 该反应器基于Gibbs自由能最小化来估算反应程度 并假设反应速度相同 催化剂性能完好 动力学反应器 用于更精确的模型 该模型用动力学速率表达式模拟动力学模型 可使用的模型为平推流式反应器 PFR 或连续搅拌釜式反应器 CSTR 当定量给出反应速率 反应程度和反应器容积时 动力学反应器模型可计算反应器尺寸 反应器的操作方式 间歇操作 所需的原料一次装入反应器内 然后在其中进行反应 经一定时间后 达到所要求的反应程度便卸出全部反应物料 非定态过程 反应器内物系的组成随时间而变 这是间歇过程的基本特点 采用间歇操作的反应器基本都是釜式反应器 连续操作 连续地将原料输入反应器 反应产物也连续地从反应器流出 多属于定态操作 反应器内任何部位的物系参数 如浓度 温度等均不随时间而改变 却随位置而变 这是与间歇操作方式的根本不同之处 半间歇操作 原料与产物只要其中一种作为连续输入或输出而其余则为分批加入或卸出的操作 均属于半连续操作 反应器设计的基本方程式 物料衡算式 针对关键组分 关键组分i的输入速率 关键组分i的输出速率 关键组分i的转化速率 关键组分i的累积速率 能量衡算式 针对整个反应混合物 单位时间内输入的热量 单位时间内输出的热量 单位时间的反应热 单位时间内累积的热量 动量衡算式 输入的动量 输出的动量 消耗的动量 累积的动量 反应动力学 化学反应速率 单位时间内单位反应混合物体积中反应物的反应量或产物的生产量 间歇系统中 化学动力学常以单位时间内反应物或产物的浓度变化表示成反应速率 即反应速率方程 表示浓度对反应速率的影响 化学反应动力学 转化率 转化率表示一个反应的进行程度 针对反应物而言 其定义为收率 收率针对产物而言 定义为 理想流动反应器 平推流反应器基本假设如下 径向流速分布均匀 即所有的粒子以相同的速度由进口向出口运动 径向混合均匀 即在垂直于流体流动方向的任何界面上 浓度和温度均一 在流体流动方向上 不存在流体的混合 即不存在返混 ChemCAD为平推流反应器提供了五种热方式 给定反应温度 计算热负荷 绝热操作 计算温度 给定热负荷 计算温度 给定温度的分布 规定公用工程条件 理想流动反应器 全混流反应器全混流反应器指流体流动符合全混流假定的理想反应器 其假设如下 径向与轴向都达到完全混合 也就是返混都达到最大 整个反应器内反应物料的浓度均一 温度均一 反应速率恒定 ChemCAD为全混流反应器提供了三种热方式 给定反应器温度 计算热负荷 绝热操作 计算温度 给定热负荷 计算温度 例1 ChemCAD模拟化学计量反应 化学计量反应器化学计量反应器用于获得反应器的物质平衡和热平衡 化学计量反应器只能模拟单一反应 模拟时 给定反应的化学计量系数和转化率 例1 ChemCAD模拟化学计量反应 在常压及800 下进行下列气相均相反应 原料的处理量为2kmol h 进料的甲苯与氢的摩尔比为1 1 原料气经换热器后温度为800 反应在等温条件下进行 甲苯为关键组分 转化率为95 热力学方程采用SRK方程 试确定 反应器出口流股的组成和性质 例1 ChemCAD模拟化学计量反应 例1 ChemCAD模拟化学计量反应 例1 ChemCAD模拟化学计量反应 例1 ChemCAD模拟化学计量反应 例1 ChemCAD模拟化学计量反应 例1 ChemCAD模拟化学计量反应 例2 ChemCAD模拟平衡反应 化学平衡反应器平衡反应器模型可以用于单一或者复合反应的模拟 使用平衡反应器进行模拟时 需指定关键组分的平衡或转化率 通过解平衡方程及质量平衡计算可以得到产率 组成 热条件等 平衡方程形式如下 式中 A B为平衡方程的系数 T为温度 例2 ChemCAD模拟平衡反应 用平衡反应器模拟乙苯催化脱氢反应进料流股经预热后的温度为898K 压力为0 12Mpa 进料为乙苯与水蒸气的混合物 两者物质的量比为1 20 乙苯的进料量为 反应在绝热条件下进行 不同温度下的化学平衡常数可用下式估算热力学模型采用SRK模型 试确定 反应器出口温度及组成 例2 ChemCAD模拟平衡反应 例2 ChemCAD模拟平衡反应 例2 ChemCAD模拟平衡反应 例2 ChemCAD模拟平衡反应 例2 ChemCAD模拟平衡反应 例2 ChemCAD模拟平衡反应 例3 ChemCAD模拟Gibbs反应器 Gibbs反应器Gibbs反应器是基于吉布斯自由能最小化的原理来进行模拟的反应器 不考虑平衡问题 其假设反应速度相同 催化剂性能完好 基于总物质平衡 由吉布斯自由能最小化来计算产率 组成 热负荷等 可以设定温度和压力 无需反应的化学计量 例3 ChemCAD模拟Gibbs反应器 及20 下在反应体积为的平推流反应器中进行NO的氧化反应进气组成为 NO10 NO21 O29 以及N280 进气流量为 试确定 反应器出口的组成 例3 ChemCAD模拟Gib