反应器单元模拟

1、反应器单元模拟反应器单元模拟8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类n化学反应和反应器的分类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。法进行分类。1、按反应系统涉及的相态分类、按反应系统涉及的相态分类l 包括气相均相反应和液相均相反应。包括气相均相反应和液相均相反应。l 包括气包括气-固相，气固相，气-液相，气液相，气-液液-固相反应等。固相反应等。均相反应均相反应非均相反应非均相反应8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类2、按操作方式分类、按操作方式分类l 指一批物料投入反应器后，经过一定时间的反指

2、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。应再取出的操作方法。l 指反应物料连续地通过反应器的操作方式。指反应物料连续地通过反应器的操作方式。l 指反应器中的物料，有一些是分批地加入或指反应器中的物料，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。取出，而另一些则是连续流动通过反应器。间歇操作间歇操作连续操作连续操作半连续操作半连续操作8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类3、按反应器型式来分类、按反应器型式来分类l 一般长径比大于一般长径比大于30；l 一般高径比为一般高径比为1-3；l 一般高径比在一般高径比在3-30之间。之间。管式反应器管式反应器槽式反

3、应器槽式反应器塔式反应器塔式反应器8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类4、按传热条件分类、按传热条件分类l 整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。l 反应器与外界没有热量交换，全部反应热效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。应使物料升温或降温。l 与外界有热量交换，但不等温。与外界有热量交换，但不等温。等温反应器等温反应器绝热反应器绝热反应器非等温、非绝热反应器非等温、非绝热反应器8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类n理想反应器理想反应器在工业上化学反应必然要在某种设备内进行，这种设备就是在工业上化学反应必然要在某种设

4、备内进行，这种设备就是反应器反应器。根据各种化学反应的不同特性，反应器的形式和。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。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。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。但是物料在不同类型的反应器中流动情况是不同的。8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类n简单混合与返混简单混合与返混l若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相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的反应程度

5、，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，同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为称之为简单混合简单混合。l如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程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，称之为留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混返混。8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类

6、分类按物料在反应器内按物料在反应器内返混情况返混情况作为反应器分类的依据将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：应器被分为以下类型：间歇式反应器间歇式反应器平推流反应器平推流反应器全混流反应器全混流反应器连续流动反应器连续流动反应器完全没有返混完全没有返混返混极大返混极大8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类1、间歇式反应器、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，但由于所有物器）。在反应器中物料被充分

7、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，不存在返混简单混合，不存在返混。8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类反应物料反应物料一次投入一次投入反应器内，反应器内，在反应过程中不再向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，投料，也不向外排出，待反应待反应达到要求的转化率后，再全部达到要求的转化率后，再全部放出反应物料放出反应物料。反应器内的物。反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）度及浓度）各处均一各处均一。8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类8.1 反应器

8、基础知识反应器基础知识分类分类间歇式反应器特点：间歇式反应器特点：由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；料温度、浓度都相同；由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，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；物料的混合，即无返混现象；出料组成与反应器内物料的最终组成相同；出料组成与反应器内物料的最终组成相同；为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反为间歇操作，有辅助生产

9、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）应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。时间等。8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类2、平推流反应器、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应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。内流速较快的管式反应器。8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类平推流反应器是指通过反应

10、器的物料沿同一方向以相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，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。故又称为活塞流。8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类平推流反应器特点：平推流反应器特点：由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器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；相同的；在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体在垂直于流动方向上的同一

11、截面，不同径向位置的流体特性（组成、温度等）是一致的；特性（组成、温度等）是一致的；在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不在定常态下操作，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。反应器处理。8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类3、全混流反应器、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反应器）。在这

12、类反应器中物料返混达最大返混达最大值值。8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类全混流反应器又称全混釜或连续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，简称流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应器的物料，在。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，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、即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。浓度都是相同的。8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类8.1 反应器基础知识反应器基础知识分类分类全混流反应器特点：全混流反应器特点：物料在反应器内充分返混；物料在反应器内充分返混；反应器内各处物料参数均一；反应器

13、内各处物料参数均一；反应器的出口组成与器内物料组成相同；反应器的出口组成与器内物料组成相同；连续、稳定流动，是一定态过程。连续、稳定流动，是一定态过程。8.2 反应器单元模拟概述反应器单元模拟概述nAspen Plus根据不同的反应器形式，提供了七种根据不同的反应器形式，提供了七种不同的反应器模块不同的反应器模块。n这七类反应器模块可以划分为三类：这七类反应器模块可以划分为三类：1. 1. 基于物料平衡的反应器基于物料平衡的反应器（RStoicRStoic，RYieldRYield）；）；2. 2. 基于化学平衡的反应器基于化学平衡的反应器（REquilREquil，RGibbsRGibbs）

14、；）；3. 3. 动力学反应器动力学反应器（RCSTRRCSTR，RPlugRPlug，RBatchRBatch）。）。模块模块说明说明功能功能适用对象适用对象RStoic化学计量反应器化学计量反应器规定反应程度和转规定反应程度和转化率的化学计量反化率的化学计量反应器模块应器模块反应动力学数据未知或不重要，但化学计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量系数和反应程度已知的反应器RYield产率反应器产率反应器规定产率的反应器规定产率的反应器模块模块化学计量系数和反应动力学数据未知或不化学计量系数和反应动力学数据未知或不重要，但产率分布已知的反应器重要，但产率分布已知

15、的反应器REquil平衡反应器平衡反应器通过化学计量系数通过化学计量系数计算实现化学平衡计算实现化学平衡和相平衡和相平衡化学平衡和相平衡同时发生的反应器化学平衡和相平衡同时发生的反应器RGibbs吉布斯反应器吉布斯反应器通过通过Gibbs自由能自由能最小实现化学平衡最小实现化学平衡和相平衡和相平衡化学平衡和相平衡同时发生的反应器，对化学平衡和相平衡同时发生的反应器，对固体溶液和汽固体溶液和汽-液液-固系统计算相平衡固系统计算相平衡RCSTR全混釜反应器全混釜反应器模拟全混釜反应器模拟全混釜反应器带反应速率控制和平衡反应的单相、两相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或三相全混

16、釜反应器RPlug平推流反应器平推流反应器模拟平推流反应器模拟平推流反应器带反应速率控制的单相、两相或三相平推带反应速率控制的单相、两相或三相平推流反应器流反应器RBatch间歇式反应器间歇式反应器模拟间歇式或半间模拟间歇式或半间歇式反应器歇式反应器带反应速率控制的单相、两相或三相间歇带反应速率控制的单相、两相或三相间歇和半间歇的反应器和半间歇的反应器8.2 反应器单元模拟概述反应器单元模拟概述8.3 化学反应对象化学反应对象化学反应对象可以用于动力学反应器（化学反应对象可以用于动力学反应器（RCSTR、RPlug、RBatch）和反应精馏（）和反应精馏（RadFrac）的计）的计算。算。化学

17、反应对象是独立于反应器模块或塔模块的，可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。以同时应用于多个模块中。n建立新的化学反应对象需要输入反应建立新的化学反应对象需要输入反应ID并选并选择对象类型，常用的对象类型有三种：择对象类型，常用的对象类型有三种：8.3 化学反应对象化学反应对象 LHHW型型（Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson）；）；指数型指数型（Power Law）；）；反应精馏型反应精馏型（Reac-Dist）。）。l反应类型有两种：反应类型有两种：动力学动力学（Kinetic）和）和平衡型平衡型（Equilibrium）l

18、需输入反应物（需输入反应物（Reactants）、产物（）、产物（Products）以及对应的化学计量系数（以及对应的化学计量系数（Coefficient）。）。l对于指数型反应对象，还要输入动力学方程式中每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（个组分的指数（Exponent），若不输入则默认为），若不输入则默认为0，即反应速率的大小与该组分无关。，即反应速率的大小与该组分无关。8.3化学反应对象化学反应对象8.3 化学反应对象化学反应对象反应类型反应类型反应物反应物产物产物8.3 化学反应对象化学反应对象如果反应类型（如果反应类型（Reaction type）选择）选择K

19、inetic，在在Kinetic页面，需要规定反应相态、反应速率控制页面，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。基准、动力学参数以及浓度基准。指数型：反应动力学常数指数型：反应动力学常数(Kinetic factor， k)，它与温度，它与温度的关系用修正的的关系用修正的Arrhenius方程表示：方程表示：0011expnTEkkTRTT 8.3 化学反应对象化学反应对象选择化学计量方程选择化学计量方程反应相态反应相态反应速率控制基准反应速率控制基准动力学参数动力学参数8.3化学反应对象化学反应对象LHHW型的反应动力学方程：型的反应动力学方程： Ar动动力力学学因因子

20、子推推动动力力表表达达式式吸吸附附表表达达式式0011expnTEkTRTT动动力力学学因因子子动力学常数仍用修正的动力学常数仍用修正的Arrhenius方程表示：方程表示：8.3 化学反应对象化学反应对象选择化学计量方程选择化学计量方程反应相态反应相态反应速率控制基准反应速率控制基准动力学参数动力学参数8.3 化学反应对象化学反应对象点击点击Driving force，进入如下页面。，进入如下页面。8.3 化学反应对象化学反应对象Term1和和Term2分别代表分别代表正反应正反应和和逆反应逆反应的推动力。的推动力。l推动力表达式为：推动力表达式为： 12jiijKCKClnlnlllllB

21、KACTDTTDriving force expression8.3 化学反应对象化学反应对象点击点击Adsorption，进入，进入如下如下页面页面。8.7 化学反应对象化学反应对象l吸附表达式为：吸附表达式为：Adsorption expression()jmijKC lnlniiiiiBKACTDTT如果不存在吸附过程的影响，则只需令如果不存在吸附过程的影响，则只需令m=0即可。即可。8.3化学反应对象化学反应对象如果反应类型（如果反应类型（Reaction type）选择）选择Equilibrium，在，在Equilibrium页面需要规定页面需要规定反应相态、趋近平衡温度，还需要选择

22、平衡常反应相态、趋近平衡温度，还需要选择平衡常数的计算方法：数的计算方法：Gibbs energies或或built-in expression8.3 化学反应对象化学反应对象选择化学计量方程选择化学计量方程反应相态反应相态趋紧平衡温度趋紧平衡温度平衡常数的计算平衡常数的计算8.3 化学反应对象化学反应对象l另外，另外，还可以使用用户提供的动力学子程序来计算还可以使用用户提供的动力学子程序来计算反应速率，在反应速率，在Reactions Reactions页面创建一页面创建一个新反应个新反应ID，在，在Create New ID对话框中，选择对话框中，选择对象类型为对象类型为USER，在，在S

23、ubroutine页面规定页面规定Fortran子程序名称及相关参数子程序名称及相关参数。8.4全混釜反应器全混釜反应器RCSTRn全混釜反应器全混釜反应器RCSTR可以模拟达到理想混合的连可以模拟达到理想混合的连续搅拌釜式反应器续搅拌釜式反应器；n要求已知化学反应式、动力学方程和平衡关系要求已知化学反应式、动力学方程和平衡关系；n可模拟单相、两相或三相体系，并可处理固体可模拟单相、两相或三相体系，并可处理固体；n可同时计算可同时计算动力学控制动力学控制和和平衡控制平衡控制两类反应。两类反应。8.4全混釜反应器全混釜反应器RCSTR8.4 全混釜反应器全混釜反应器RCSTRnRCSTR模块的连

24、接图如下：模块的连接图如下：8.4 全混釜反应器全混釜反应器RCSTRnRCSTR 模块有七组模型参数：模块有七组模型参数：1、模型设定、模型设定 (Specifications)2、产品物流、产品物流 (Streams)3、化学反应、化学反应(Reactions) 4、粒度分布、粒度分布 (PSD)5、组分属性、组分属性 (Component Attr.)6、公用工程、公用工程(Utility)7、催化剂、催化剂(Catalyst)8.4 全混釜反应器全混釜反应器RCSTR1、模型设定、模型设定 (Specifications)l需要设定需要设定操作条件操作条件 (Operation Con

25、ditions)和和持持料状态料状态 (Holdup)。l操作条件操作条件包括：包括：反应器压力、温度或者热负荷反应器压力、温度或者热负荷；l持料状态持料状态包括：包括：有效相态（有效相态（Valid phases）、反）、反应器体积（应器体积（Reactor volume）或停留时间）或停留时间（Residence time）等）等设定方式。设定方式。8.4 全混釜反应器全混釜反应器RCSTR8.4 全混釜反应器全混釜反应器RCSTR2、产品物流、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。产品物流的

26、出口相态。8.4 全混釜反应器全混釜反应器RCSTR3、化学反应、化学反应(Reactions)RCSTR中的化学反应通过选用预定义的化学反应中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象来设定。对象来设定。8.4 全混釜反应器全混釜反应器RCSTR4、催化剂、催化剂(Catalyst)当存在催化剂时，需在该页面设定催化剂装填量当存在催化剂时，需在该页面设定催化剂装填量(Catalyst loading)、床层孔隙率、床层孔隙率(Bed voidage)或颗粒密度或颗粒密度(Particle density)。8.4 全混釜反应器全混釜反应器RCSTR例例8.5 乙酸乙酯的平衡反应式为：乙酸乙酯的平

27、衡反应式为：基于摩尔浓度的反应平衡常数为基于摩尔浓度的反应平衡常数为K，lnK=1.335。进料为。进料为0.1013MPa下的饱和液体，其中，水、乙醇、乙酸的流率下的饱和液体，其中，水、乙醇、乙酸的流率分别为分别为736kmol/h、218 kmol/h、225kmol/h，全混，全混釜反应器的体积为釜反应器的体积为21000L，温度为，温度为60，压力为，压力为0.1013MPa，化学反应对象选用指数型。，化学反应对象选用指数型。物性方法选用物性方法选用NRTL-HOC。求产品乙酸乙酯的流率为多少？求产品乙酸乙酯的流率为多少？EthanolAcetic乙醇乙酸AcetateWater乙酸乙

28、酯水8.5 平推流反应器平推流反应器RPlugn平推流反应器平推流反应器RPlug可以模拟可以模拟轴向没有返混、径向轴向没有返混、径向完全混合完全混合的理想平推流反应器。的理想平推流反应器。n该模块该模块只能计算动力学控制只能计算动力学控制的反应，要求已知化学的反应，要求已知化学反应式和动力学方程。反应式和动力学方程。n可模拟单相、两相或三相体系，并可处理固体，也可模拟单相、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。可以模拟带冷却剂物流的反应器。8.5 平推流反应器平推流反应器RPlug8.5 平推流反应器平推流反应器RPlugnRPlug模块的连接图如下：模块的连接图如下

29、：8.5 平推流反应器平推流反应器RPlugnRCSTR 模块有八组模型参数：模块有八组模型参数：1、模型设定、模型设定 (Specifications)2、反应器构型、反应器构型 (Configuration)3、产品物流、产品物流 (Streams)4、化学反应、化学反应(Reactions) 5、压力、压力(Pressure)6、持液量、持液量(Holdup)7、催化剂、催化剂(Catalyst)8、反应器直径、反应器直径(Diameter)8. 5平推流反应器平推流反应器RPlug1、模型设定、模型设定 (Specifications)l需要指定平推流反应器需要指定平推流反应器RPlu

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

31、 coolant）、与冷却剂逆流换热的反应器（）、与冷却剂逆流换热的反应器（Reactor with counter-current coolant）等）等。8.5 平推流反应器平推流反应器RPlug反应器类型反应器类型操作条件操作条件8.5 平推流反应器平推流反应器RPlug2、反应器构型、反应器构型 (Configuration)包括包括反应管长度、直径反应管长度、直径、根数根数以及物流和冷却剂的有效相态等。以及物流和冷却剂的有效相态等。反应管参数反应管参数有效相态有效相态8.5 平推流反应器平推流反应器RPlug3、产品物流、产品物流 (Streams)当有两股或两股以上产品物流时应该在

32、该栏设置各产品物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。流的出口相态。8.5 平推流反应器平推流反应器RPlug4、化学反应、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。中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象来设定。8.5 平推流反应器平推流反应器RPlug5、压力、压力(Pressure)包括反应器进口压力、反应器压降。包括反应器进口压力、反应器压降。反应器进反应器进口压力口压力反应器压反应器压降设定降设定8.5 平推流反应器平推流反应器RPlug6、持液量、持液量(Holdup)当反应器中有效相态不为单相时，需要对反应

33、器的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。持液量进行设定，有三种选项。8.5 平推流反应器平推流反应器RPlug7、催化剂、催化剂(Catalyst)当存在催化剂时，需在该页面设定催化剂装填量当存在催化剂时，需在该页面设定催化剂装填量(Catalyst loading)、床层孔隙率、床层孔隙率(Bed voidage)或颗粒密度或颗粒密度(Particle density)。8.5 平推流反应器平推流反应器RPlug8、反应器直径、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

34、不同位置的反应器直径。在该页面定义不同位置的反应器直径。8.5 平推流反应器平推流反应器RPlug例例8.6 反应式和指数型动力学方程如下（其中动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）：应相态为气相）：Cl2+C3H6 C3H5Cl+HClCl2+C3H6 C3H6Cl261236272001.5 10exp() Cl C H RRT2236686090.46exp() Cl C H RRT8.5 平推流反应器平推流反应器RPlug两股进料混合后进入反应器，进料氯气（两股进料混合后进入反应器，进料氯气（Cl2）的温度为）的温度为200，压力为，压力为0.2026MPa，流率为，流率为0.