反应器单元模拟

反应器单元模拟8.1反应器基础知识——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，常按下列四种方法进行分类。1、按反应系统涉及的相态分类包括气相均相反应和液相均相反应。包括气-固相，气-液相，气-液-固相反应等。均相反应非均相反应8.1反应器基础知识——分类2、按操作方式分类

指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。指反应物料连续地通过反应器的操作方式。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。间歇操作连续操作半连续操作8.1反应器基础知识——分类3、按反应器型式来分类

一般长径比大于30；一般高径比为1-3；一般高径比在3-30之间。管式反应器槽式反应器塔式反应器8.1反应器基础知识——分类4、按传热条件分类整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。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。与外界有热量交换，但不等温。等温反应器绝热反应器非等温、非绝热反应器8.1反应器基础知识——分类理想反应器在工业上化学反应必然要在某种设备内进行，这种设备就是反应器。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。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。8.1反应器基础知识——分类简单混合与返混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。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。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，称之为返混。8.1反应器基础知识——分类按物料在反应器内返混情况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。按返混情况不同反应器被分为以下类型：间歇式反应器平推流反应器全混流反应器连续流动反应器完全没有返混返混极大8.1反应器基础知识——分类1、间歇式反应器间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇式反应器）。在反应器中物料被充分混合，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简单混合，不存在返混。8.1反应器基础知识——分类反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）各处均一。8.1反应器基础知识——分类8.1反应器基础知识——分类间歇式反应器特点：①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；②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物料的混合，即无返混现象；③出料组成与反应器内物料的最终组成相同；④为间歇操作，有辅助生产时间。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）时间等。8.1反应器基础知识——分类2、平推流反应器平推流反应器（或活塞流反应器）在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。8.1反应器基础知识——分类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，故又称为活塞流。8.1反应器基础知识——分类8.1反应器基础知识——分类平推流反应器特点：①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相同的；②在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性（组成、温度等）是一致的；③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。8.1反应器基础知识——分类3、全混流反应器连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称全混流反应器）。在这类反应器中物料返混达最大值。8.1反应器基础知识——分类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CSTR。流入反应器的物料，在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、浓度都是相同的。8.1反应器基础知识——分类8.1反应器基础知识——分类全混流反应器特点：①物料在反应器内充分返混；②反应器内各处物料参数均一；③反应器的出口组成与器内物料组成相同；④连续、稳定流动，是一定态过程。8.2反应器单元模拟概述AspenPlus根据不同的反应器形式，提供了七种不同的反应器模块。这七类反应器模块可以划分为三类：1.基于物料平衡的反应器（RStoic，RYield）；2.基于化学平衡的反应器（REquil，RGibbs）；3.动力学反应器（RCSTR，RPlug，RBatch）。模块说明功能适用对象RStoic化学计量反应器规定反应程度和转化率的化学计量反应器模块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RYield产率反应器规定产率的反应器模块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REquil平衡反应器通过化学计量系数计算实现化学平衡和相平衡化学平衡和相平衡同时发生的反应器RGibbs吉布斯反应器通过Gibbs自由能最小实现化学平衡和相平衡化学平衡和相平衡同时发生的反应器，对固体溶液和汽-液-固系统计算相平衡RCSTR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、两相或三相全混釜反应器RPlug平推流反应器模拟平推流反应器带反应速率控制的单相、两相或三相平推流反应器RBatch间歇式反应器模拟间歇式或半间歇式反应器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8.2反应器单元模拟概述8.3化学反应对象化学反应对象可以用于动力学反应器（RCSTR、RPlug、RBatch）和反应精馏（RadFrac）的计算。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。建立新的化学反应对象需要输入反应ID并选择对象类型，常用的对象类型有三种：8.3化学反应对象①LHHW型（Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson）；②指数型（PowerLaw）；③反应精馏型（Reac-Dist）。反应类型有两种：动力学（Kinetic）和平衡型（Equilibrium）需输入反应物（Reactants）、产物（Products）以及对应的化学计量系数（Coefficient）。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（Exponent），若不输入则默认为0，即反应速率的大小与该组分无关。8.3化学反应对象8.3化学反应对象反应类型反应物产物8.3化学反应对象如果反应类型（Reactiontype）选择Kinetic，在Kinetic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。指数型：反应动力学常数(Kineticfactor，k’)，它与温度的关系用修正的Arrhenius方程表示：8.3化学反应对象选择化学计量方程反应相态反应速率控制基准动力学参数8.3化学反应对象LHHW型的反应动力学方程：动力学常数仍用修正的Arrhenius方程表示：8.3化学反应对象选择化学计量方程反应相态反应速率控制基准动力学参数8.3化学反应对象点击Drivingforce，进入如下页面。8.3化学反应对象Term1和Term2分别代表正反应和逆反应的推动力。推动力表达式为：

Drivingforceexpression8.3化学反应对象点击Adsorption，进入如下页面。8.7化学反应对象吸附表达式为：Adsorptionexpression如果不存在吸附过程的影响，则只需令m=0即可。8.3化学反应对象如果反应类型（Reactiontype）选择Equilibrium，在Equilibrium页面需要规定反应相态、趋近平衡温度，还需要选择平衡常数的计算方法：Gibbsenergies或built-inexpression8.3化学反应对象选择化学计量方程反应相态趋紧平衡温度平衡常数的计算8.3化学反应对象另外，还可以使用用户提供的动力学子程序来计算反应速率，在Reactions∣Reactions页面创建一个新反应ID，在CreateNewID对话框中，选择对象类型为USER，在Subroutine页面规定Fortran子程序名称及相关参数。8.4全混釜反应器RCSTR全混釜反应器RCSTR可以模拟达到理想混合的连续搅拌釜式反应器；要求已知化学反应式、动力学方程和平衡关系；可模拟单相、两相或三相体系，并可处理固体；可同时计算动力学控制和平衡控制两类反应。8.4全混釜反应器RCSTR8.4全混釜反应器RCSTRRCSTR模块的连接图如下：8.4全混釜反应器RCSTRRCSTR模块有七组模型参数：1、模型设定(Specifications)2、产品物流(Streams)3、化学反应(Reactions)4、粒度分布(PSD)5、组分属性(ComponentAttr.)6、公用工程(Utility)7、催化剂(Catalyst)8.4全混釜反应器RCSTR1、模型设定(Specifications)需要设定操作条件(OperationConditions)和持料状态(Holdup)。操作条件包括：反应器压力、温度或者热负荷；持料状态包括：有效相态（Validphases）、反应器体积（Reactorvolume）或停留时间（Residencetime）等设定方式。8.4全混釜反应器RCSTR8.4全混釜反应器RCSTR2、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产品物流的出口相态。8.4全混釜反应器RCSTR3、化学反应(Reactions)RCSTR中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象来设定。8.4全混釜反应器RCSTR4、催化剂(Catalyst)当存在催化剂时，需在该页面设定催化剂装填量(Catalystloading)、床层孔隙率(Bedvoidage)或颗粒密度(Particledensity)。8.4全混釜反应器RCSTR例8.5乙酸乙酯的平衡反应式为：基于摩尔浓度的反应平衡常数为K，lnK=1.335。进料为0.1013MPa下的饱和液体，其中，水、乙醇、乙酸的流率分别为736kmol/h、218kmol/h、225kmol/h，全混釜反应器的体积为21000L，温度为60℃，压力为0.1013MPa，化学反应对象选用指数型。物性方法选用NRTL-HOC。求产品乙酸乙酯的流率为多少？8.5平推流反应器RPlug平推流反应器RPlug可以模拟轴向没有返混、径向完全混合的理想平推流反应器。该模块只能计算动力学控制的反应，要求已知化学反应式和动力学方程。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。8.5平推流反应器RPlug8.5平推流反应器RPlugRPlug模块的连接图如下：8.5平推流反应器RPlugRCSTR模块有八组模型参数：1、模型设定(Specifications)2、反应器构型(Configuration)3、产品物流(Streams)4、化学反应(Reactions)5、压力(Pressure)6、持液量(Holdup)7、催化剂(Catalyst)8、反应器直径(Diameter)8.5平推流反应器RPlug1、模型设定(Specifications)需要指定平推流反应器RPlug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）。平推流反应器RPlug的类型包括：指定温度的反应器（Reactorwithspecifiedtemperature）、绝热反应器（Adiabaticreactor）、恒定冷却剂温度的反应器（Reactorwithconstantcoolanttemperature）、与冷却剂并流换热的反应器（Reactorwithco-currentcoolant）、与冷却剂逆流换热的反应器（Reactorwithcounter-currentcoolant）等。8.5平推流反应器RPlug反应器类型操作条件8.5平推流反应器RPlug2、反应器构型(Configuration)包括反应管长度、直径、根数以及物流和冷却剂的有效相态等。反应管参数有效相态8.5平推流反应器RPlug3、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产品物流的出口相态。8.5平推流反应器RPlug4、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。8.5平推流反应器RPlug5、压力(Pressure)包括反应器进口压力、反应器压降。反应器进口压力反应器压降设定8.5平推流反应器RPlug6、持液量(Holdup)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。8.5平推流反应器RPlug7、催化剂(Catalyst)当存在催化剂时，需在该页面设定催化剂装填量(Catalystloading)、床层孔隙率(Bedvoidage)或颗粒密度(Particledensity)。8.5平推流反应器RPlug8、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，需在该页面定义不同位置的反应器直径。8.5平推流反应器RPlug例8.6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，反应相态为气相）：Cl2+C3H6C3H5Cl+HClCl2+C3H6