12班课件反应器

1、反应器及其他常用模块Aspen中的单元操作模型混合器/分流器（Mixers/Splitters）分离器(Separators)换热器(Heat Exchangers)塔(Columns)反应器(Reactors)压力变换器(Pressure Changers)操作器(Manipulators)固体(Solids)用户模型(Users)概念设计(Conceptual Design)反应器及其他常用模块Reators(反应器)以物料平衡为基础Ryield(收率反应器)Rstioc(化学计量反应器)以反应平衡为基础REquil(平衡反应器)RGibbs(吉布斯反应器)以动力学为基础RCSTR(连续搅

2、拌釜式反应器)RPlug(活塞流反应器)RBatch(间歇反应器)由用户指定生产能力，不考虑热力学可能性和动力学可行性.物料平衡的反应器包括两类：（1）Rstoic （2）Ryield （适用于反应动力学不知道或不重要的情况）反应器-基于物料平衡的反应器RStoic适用于反应动力学不知道或不重要的情况要求原子平衡和质量平衡用于化学平衡数据和动力学数据不知道或不重要的反应器可以规定或计算在参考温度和压力下的反应热2 CO + O2 - 2 CO2C + O2 - CO22 C + O2 - 2 COC, O2INOUTRStoicC, O2, CO, CO2反应器-基于物料平衡的反应器RStoi

3、c规定屏 有七组模型参数反应器-基于物料平衡的反应器（1）模型设定 (Specifications)（2）化学反应 (Reactions)（3）燃烧 (Combustion)（4）反应器 (Heat of Reaction)（5）选择性 (Selectivity)（6）粒度分布 (PSD)（7）组分属性 (Component Attr.)RStoic规定屏反应器-基于物料平衡的反应器RStoic规定屏中specification设定操作条件和有效相态（1）操作条件 (Operation Conditions)压力 (Pressure)温度/热负荷 (Temperature/Heat duty)

4、（2）有效相态 (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液/ 液-游离水 / 汽-液-游离水反应器-基于物料平衡的反应器RStoic规定屏中reaction定义RStoic中进行的每一个化学反应的编号、化学计量关系、产物生成速率或反应物转化率。并指明计算多个反应的转化率时是否按照串联反应方式计算。反应器-基于物料平衡的反应器RStoic规定屏中heat of reaction 设定反应热的计算类型(Calculation type)和参照条件(Reference condition) ： (1) 不计算反应热 (Do not calculate heat of

5、 reaction) (2) 计算反应热 (Calculate heat of reaction) (3) 用户指定反应热 (Specify heat of reaction)反应器-基于物料平衡的反应器RStoic规定屏中selectivity选择性计算对于选定组分的选择性，其定义为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反应器-基于物料平衡的反应器反应器-基于物料平衡的反应器RYield产率反应器用于收率分布已知的反应器 根据每一种产品与输

6、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70 lb/hr H2O20 lb/hr CO260 lb/hr CO250 lb/hr tar（焦油）600 lb/hr char（焦碳）1000 lb/hr Coal（煤）INOUTRYield反应器-基于物料平衡的反应器RYield产率反应器用途：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。反应器-以化学平衡为基础的反应器包括两类REquil（平衡反应器）和RGibbs（Gibbs自由能最小的平衡反应器），都可用于化学平衡和相平衡同时发生的单元操作的模拟。不考虑反应动力学该类模块能求解相似的问题，但对于问题的规定不同允

7、许单个反应能达到严格化学平衡反应器-以化学平衡为基础的反应器REquil通过求解反应平衡方程进而计算化学平衡和相平衡不能进行三相闪蒸计算可用于多组分物系、已知一些反应并且仅有较少组分参加反应的情况 REquil规定屏 有四组模型参数反应器-基于物料平衡的反应器（1）模型设定 (Specifications)（2）化学反应(Reactions)（3）收敛 (Convergence)（4）液沫夹带 (Entrainment）反应器-以化学平衡为基础的反应器RGibbs(Gibbs自由能最小的平衡反应器） 通过吉布斯自由能最小化来确定在产品吉布斯自由能最小时的产品组成。可模拟单相气相或液相化学平衡、

8、不带化学反应的相平衡、带固体溶液相或化学平衡及同时具有相平衡和化学平衡。已知化学反应式，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。当发生的反应未知，或由于有许多组分参与反应，致使反应数量很多时，该模块非常有用。RGibbs是唯一能处理固-液-汽相平衡的Aspen Plus模块RGibbs反应器规定屏 有五组模型参数反应器-化学平衡为基础的的反应器（1）模型设定 (Specifications)（2）产物 (Products)（3）指定物流 (Assign Steams) （4）惰性物 (Inerts)（5）限制平衡 (Restricted Equilibrium)反应器

9、-以化学平衡为基础的反应器RGibbs 基本规定屏 RGibbs规定屏中specification设定操作条件、计算选项和有效相态。（1）操作条件 (Operation Conditions)压力 (Pressure)温度/热负荷/温度改变 (Temperature/Heat duty)（2）计算选项 (Calculation Options) 仅计算相平衡/同时计算化学平衡和相平衡/是否限制化学平衡（3）相态 ( Phases) 输入存在的相态数反应器-以化学平衡为基础的反应器RGibbs规定屏中Product产物(1) 系统中的所有组分都可以是产物； RGibbs considers al

10、l 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反应器-以化学平衡为基础的反应器RGibbs规定屏中Assign Stream。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 pha

11、ses to outlet streams 反应器-以化学平衡为基础的反应器RGibbs反应器规定屏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)反应器-化学平衡为基础的的反应器RGibbs反应器规定限制平衡有两种选择（1）设定整个系统的趋近平衡温度 Entire system with temperature approach（2）指定各个化学反应趋近平衡的温度 Individual reaction反应器-化学平衡为基础的的反应器RGibbs反应器规定限制平衡有两种选择（1）设定整个系统的趋近平衡温度 Enti

12、re system with temperature approach反应器-化学平衡为基础的的反应器RGibbs反应器规定限制平衡有两种选择（2）指定各个化学反应趋近平衡的温度 Individual reaction反应器-化学平衡为基础的的反应器反应器-动力学反应器动力学反应器包含三类（1）全混釜反应器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor（2）平推流反应器（RPlug)Plug Flow Reactor（3）间歇釜式反应器 （RBatch)Batch Stirred Tank Reactor）反应器-动力学反应器动力学反应器因为考虑了反应动力学,

13、所以必须对其进行定义。动力学可以用一个内置模型定义, 或用一个用户子程序定义，现有的内置模型是：幂律模型（Power Law）Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson (LHHW)反应催化剂的反应系数可以为零。反应通过“反应 ID”规定。性质：釜内达到理想混合。可模拟单、两、三相的体系，并可处理固体。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。动力学反应器-RCSTR动力学反应器-RCSTRRCSTR当反应动力学已知且反应器内物料性质与反应器出口完全相同时采用该反应器；允许任意数

14、目的进料流股，所有进料流股在反应器内完全混合；最多允许三个产品流股：气相、液相1、液相2或者气相、液相、自由水；当给定反应温度时可计算反应器热负荷，或在给定热负荷条件下计算反应温度；可同时计算多个以速率为基础的化学反应。反应器-动力学反应器RCSTR基本规定屏动力学反应器-RCSTRRCSTR模型参数设定有两组模型参数 操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty) 持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification T

15、ype)动力学反应器-RCSTRRCSTR模型参数持料状态 (Holdup /Specification Type设定方式有7个可选项（1）反应器体积 (Reactor Volume)只需输入反应器的体积。（2）停留时间 (Residence Time) 只需输入物料在反应器中的平均停留时间。动力学反应器-RCSTRRCSTR模型参数持料状态 (Holdup /Specification Type设定方式有7个可选项（3）反应器体积和相体积 (Reactor Volume & Phase Volume) 必须输入反应器体积、气相 (Vapor phase) 或凝聚相 (Condensed ph

16、ase)所占的体积。动力学反应器-RCSTRRCSTR模型参数持料状态 (Holdup /Specification Type设定方式有7个可选项（4）反应器体积和相体积分率 (Reactor Volume & Phase Volume Fraction) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的体积分率。动力学反应器-RCSTRRCSTR模型参数持料状态 (Holdup /Specification Type设定方式有7个可选项（5）反应器体积和相停留时间 (Reactor Volume & Phase Residence Time) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相在反应器中的停留时间。动力

17、学反应器-RCSTRRCSTR模型参数持料状态 (Holdup /Specification Type设定方式有7个可选项（6）停留时间和相体积分率 (Residence Time & Phase Volume Fraction) 必须输入物料在反应器中的总平均停留时间和气相/凝聚相所占的体积分率。动力学反应器-RCSTRRCSTR模型参数持料状态 (Holdup /Specification Type设定方式有7个可选项（7）相停留时间和体积分率 (Phase Residence Time & Volume Fraction) 必须输入气相/凝聚相在反应器中的停留时间和所占的体积分率。动力学

18、反应器-RCSTRRCSTR模型参数出口物流stream RCSTR如果连接了二股或三股出口物流，则应在Streams表单中设定每一股物流的出口相态动力学反应器-RCSTRRCSTR模型参数Reaction反应的选择 RCSTR 中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象来设定REACTION模块用途：为动力学反应器模块和RadFrac 模块提供反应的计量关系、平衡关系和动力学关系。动力学反应器-Reaction化学反应化学反应创建选择对象类型创建化学反应对象时，需赋予对象ID和选择对象类型。对于小分子反应，常用的类型有三种：（1）LHHW 型 (Langmuir-Hinshelwood-Hou

19、gen-Watson)（2）幂律型 (Power Law)（3）反应精馏型 (Reac-Dist)动力学反应器-Reaction化学反应化学反应创建选择对象类型创建化学反应对象时，需赋予对象ID和选择对象类型。对于小分子反应，常用的类型有三种：（1）LHHW 型 (Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)（2）幂律型 (Power Law)（3）反应精馏型 (Reac-Dist)动力学反应器-Reaction化学反应化学反应创建反应设定每一个化学反应对象可以包含多个化学反应，每个反应都要设定计量学参数和动力学参数/平衡参数。 （1）计量学参数(Stoichiome

20、try) （2）动力学参数 (Kinetic) （3）平衡参数 (Equilibrium)动力学反应器-Reaction化学反应化学反应创建反应设定（1）计量学参数(Stoichiometry)在计量学表单中为每一个化学反应创建一个对象，并选择对象类型为动力学 (Kinetic)或平衡 (Equilibrium)型。输入反应方程式中的化学计量系数(Coefficient)，对于幂律型反应对象，还要输入动力学方程式中每一个浓度因子的幂指数(Exponent)。动力学反应器-Reaction化学反应化学反应创建反应设定（2）动力学参数 (Kinetic)在动力学表单中为每一个化学反应输入发生反应的

21、相态、动力学参数以及浓度基准。幂律型：反应动力学因子(Kinetic factor)即反应速率常数 k，它与温度的关系用修正的Arrhenius方程表示。 动力学反应器-Reaction化学反应化学反应创建反应设定（2）动力学参数 (Kinetic)浓度基准( Ci basis)有以下几种 摩尔浓度 (Molarity) , kmol/m3 质量摩尔浓度 (Molality) , mol/kg water 分压 (Partial pressure) , Pa 质量浓度 (Mass Concentration) , kg/m3 摩尔分率 (Mole fraction) , 质量分率 (Mass

22、fraction) , 动力学反应器-Reaction化学反应反应器-反应ID的使用反应 ID规定反应ID被设置为对象, 独立于反应器, 并且在反应器中被引用单个反应ID可以在任意个动力学反应器(RCSTR, RPlug 和 RBatch)中引用 一个反应器模块中可引用多个反应系列每个反应ID都可有多个加成和/或分解反应 反应器-反应ID的使用反应 ID的建立方法：/Reactions/Object Manager 点击New建立新的反应ID 规定ID名称并指定反应类型表中规定反应数据反应器-PowerLaw速率表达式常规的幂率速率表达式： 示例: 正反应: (假设反应中A为2级，B为3级)

23、系数:A: B: C: D: 指数:A: B: C: D: 逆反应: (假设反应中C为1级，D为2级)系数:C: D: A: B: 指数:C: D: A: B: -2-312 2 300-1-2 23 1 2 00反应器- LHHW速率表达式LHHW型的反应速率方程表达式： 动力学因子仍用修正的Arrhenius方程表示。性质：完全没有返混的管式反应器，可带有换热夹套。可模拟单、两、三相的体系。只能处理动力学控制。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。动力学反应器- RPLUG动力学反应器RPLUGRPLUG只能处理以速率为基础的化学反应允

24、许一个冷却流股必须规定反应器长度及直径动力学反应器-RPLUGRPLUG动力学反应器RPLUGRPLUG 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）动力学反应器RPLUGRPLUG 模块模型设定 (Specifications)设定反应器类型，共有五种类型(1)指定温度的反应器（Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度： 进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature

25、)指定反应器温度 (Constant at specified reactor temperature)温度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反应器长度的温度分布动力学反应器RPLUGRPLUG 模块模型设定 (Specifications)设定反应器类型，共有五种类型(2)绝热反应器（ Adiabatic Reactor)只需在反应器类型下拉框中选择Adiabatic Reactor即可。(3)恒定冷却剂温度的反应器(Reactor with constant coolant temperature) 在反应器类型下拉框中选择(Reactor with constant

26、 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)动力学反应器RPLUGRPLUG 模块模型设定 (Specifications)设定反应器类型，共有五种类型(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

27、蒸汽分率(Coolant outlet vapor fraction)。 动力学反应器RPLUGRPLUG 模块反应器构型(Configuration）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)有效相态动力学反应器RPLUGRPLUG 模块压力 (Pressure）反应器压强表单中需要输入的项目有反应器进口压强(Pressure at reactor inl

28、et)反应物料(Process stream)压强冷却剂(Coolant stream)压强反应器压降(Pressure drop through reactor)反应物料(Process stream)压降冷却剂(Coolant stream)压降反应器-动力学反应器RBATCH只能处理以速率为基础的动力学反应可允许任意数目的连续或延迟进料流股过程的持续时间可以通过停止判据、周期时间和结束时间（result time）来规定流程中使用集液罐连接稳态流股反应器-反应热无需为反应指定反应热反应热通常按反应器入口和出口流股的焓差计算如果用户有的反应热数值和Aspen Plus 计算出的反应热数值不

29、匹配，则可以调整一个或多个组分的生成热 (DHFORM)， 使用户的反应热数据和计算的反应热数据相匹配在RStoic 反应器中，可以规定或计算参考温度、压力下的反应热反应器-例题1【例题1】对比不同类型反应器的使用反应器条件:Temperature（温度） = 70 0CPressure （压力）= 1 atm 化学计量式: Ethanol(乙醇)+ Acetic Acid(乙酸) Ethyl Acetate(乙酸乙酯)+ Water(水)动力学参数:正反应: Pre-exp. Factor（指前因子） = 1.9 x 108, Act. Energy（活化能）= 5.95 x 107 J/k

30、mol逆反应: Pre-exp. Factor （指前因子） = 5.0 x 107, Act. Energy （活化能）= 5.95 x 107 J/kmol反应中每个反应物的反应都是1级 (总共为2级)。反应发生在液相中。提示: 核对每个反应器是否把汽相和液相都考虑成有效相态。反应器-例题1【例题1】对比不同类型反应器的使用分别利用RStoic, RGibbbs, RPlug，RCSTR模块进行计算。建议初期计算时，流程先用一个模块进行计算，后在流程上添加其他的模块。流股复制用Manipulator/ dupl，该模块不需要定义反应器-例题1【例题1】对比不同类型反应器的使用RSTOICF

31、-STOICP-STOICRGIBBSF-GIBBSP-GIBBSRPLUGF-PLUGP-PLUGDUPLFEEDF-CSTRRCSTRP-CSTRTemp = 70 CPress = 1 atm进料:水: 8.892 kmol/hr乙醇: 186.59 kmol/hr乙酸: 192.6 kmol/hr物性方法：NRTL-HOCLength = 2 metersDiameter = 0.3 metersVolume = 0.14 m3乙醇转化率70 %反应器-例题1【例题1】对比不同类型反应器的使用反应器条件:Temperature（温度） = 70 CPressure （压力）= 1 at

32、m 化学计量式: Ethanol(乙醇)+ Acetic Acid(乙酸) Ethyl Acetate(乙酸乙酯)+ Water(水)动力学参数:正反应: Pre-exp. Factor（指前因子） = 1.9 x 108, Act. Energy（活化能）= 5.95 x 107 J/kmol逆反应: Pre-exp. Factor （指前因子） = 5.0 x 107, Act. Energy （活化能）= 5.95 x 107 J/kmol反应中每个反应物的反应都是1级 (总共为2级)。反应发生在液相中。提示: 核对每个反应器是否把汽相和液相都考虑成有效相态。反应器-例题1【例题1】对比不同类型反应器的使用计算结果RStoicRGibbsRPlugRCSTR产品乙酸乙酯流量(kmol/hr)130.613127.376123.785119.931产品流股中乙酸乙酯质量分率0.5660.5520.5370.520反应器热负荷（kcal/hr）-1843