第7讲 反应器单元的仿真设计(二)

化工设计软件

第七讲SimulationDesignofChemicalReactors

反应器单元

的仿真设计

(二)反应器模块的类别生产能力类反应器（2种）热力学平衡类反应器（2种）化学动力学类反应器（3种）分为三大类七种反应器：化学动力学类反应器1、全混釜反应器（RCSTR）

ContinuousStirredTankReactor2、平推流反应器（RPlug）

PlugFlowReactor3、间歇釜反应器（RBatch)

BatchStirredTankReactor根据化学动力学计算反应结果。包含三种反应器：RCSTR—全混釜反应器性质：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。RCSTR——图标RCSTR——

连接RCSTR——

模型参数RCSTR模块有两组模型参数：1、操作条件(OperationConditions)1)压力(Pressure)2)温度/热负荷(Temperature/HeatDuty)2、持料状态(Holdup)1)有效相态(ValidPhases)2)设定方式(SpecificationType)RCSTR——

模型参数（2）RCSTR——

设定方式设定方式有7个可选项：1、反应器体积(ReactorVolume)只需输入反应器的体积。2、停留时间(ResidenceTime)只需输入物料在反应器中的平均停留时间。RCSTR—

设定方式（2）3、反应器体积和相体积

(ReactorVolume&PhaseVolume)必须输入反应器体积、气相(Vaporphase)或凝聚相(Condensedphase)所占的体积。RCSTR—

设定方式（3）设定方式有7个可选项：RCSTR—

设定方式（4）4、反应器体积和相体积分率

(ReactorVolume&PhaseVolumeFraction)必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的体积分率。RCSTR—设定方式（5）设定方式有7个可选项：RCSTR—设定方式（6）5、反应器体积和相停留时间

(ReactorVolume&PhaseResidenceTime)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。RCSTR—

设定方式（7）设定方式有7个可选项：RCSTR—

设定方式（8）6、停留时间和相体积分率

(ResidenceTime&PhaseVolumeFraction)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。RCSTR—

设定方式（9）设定方式有7个可选项：RCSTR—

设定方式（10）7、相停留时间和体积分率

(PhaseResidenceTime&VolumeFraction)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。RCSTR—

设定方式（11）设定方式有7个可选项：RCSTR—

设定方式（12）RCSTR—

选择反应RCSTR中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象来设定。RCSTR—选择反应（2）Reactions—化学反应对象用途：为三类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。Reactions——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(PowerLaw)3、反应精馏型(Reac-Dist)Reactions—对象类型（2）Reactions——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(Stoichiometry)2、动力学参数(Kinetic)3、平衡参数(Equilibrium)Reactions—反应设定（2）Reactions——计量学参数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)。Reactions—计量学参数（2）Reactions—动力学参数在动力学表单中为每一个化学反应输入发生反应的相态、动力学参数以及浓度基准。幂律型：反应动力学因子(Kineticfactor)即反应速率常数k’，它与温度的关系用修正的Arrhenius方程表示：Reactions—动力学参数（2）Reactions—动力学参数(3)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/kgwater

分压(Partialpressure),Pa

质量浓度(MassConcentration),kg/m3

摩尔分率(Molefraction),—

质量分率(Massfraction),—Reactions—动力学参数(4)LHHW型的反应速率方程：动力学因子仍用修正的Arrhenius方程表示：Reactions—动力学参数(5)Reactions—动力学参数(5)推动力表达式(Drivingforceexpression)定义为：点击右侧的Drivingforce按钮，即可弹出推动力表达式输入界面。Reactions—动力学参数(7)推动力表达式包括两项：Term1和Term2,分别代表正反应和逆反应的推动力，分别表达为体系中各组分浓度的幂乘积。在推动力输入界面中，必须完整输入这两项的全部参数，包括推动力常数表达式的系数(Coefficientsfordrivingforceconstant)。Reactions—动力学参数(6)Reactions—动力学参数(8)点击右侧的Adsorption按钮，即可弹出吸附表达式输入界面。吸附表达式代表反应物在催化剂表面吸附过程的传质阻力对宏观反应速率的影响，用下述函数式描述：如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指数m=0即可。Reactions—动力学参数(9)RCSTR——示例1甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：反应速率方程式如下：

式中：

RCSTR—示例1(续)反应器容积为5m3，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4.1kmol/m3，流量为32.5m3/hr。加料甲醛水溶液的浓度为6.3kmol/m3，流量为32.5m3/hr。求35C下乌洛托品的产量和输入氮气流量，并分析反应温度在20~60C范围里对甲醛转化率的影响。

RPlug——平推流反应器性质：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反应。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。RPlug—平推流反应器(2)RPlug——

连接(1)RPlug——

连接(2)RPlug——

模型参数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)RPlug—

模型设定设定反应器类型，共有五种类型：1、指定温度的反应器

(Reactorwithspecifiedtemperature)，有三种方式设定操作温度：1)进料温度下的恒温(Constantatinlettemperature)2)指定反应器温度(Constantatspecifiedreactortemperature)3)温度剖形(TemperatureProfile)，指定沿反应器长度的温度分布RPlug—

模型设定(2)2、绝热反应器

只需在反应器类型下拉框中选择AdiabaticReactor即可。3、恒定冷却剂温度的反应器

在反应器类型下拉框中选择(Reactorwithconstantcoolanttemperature)；在操作条件栏中设定传热系数(Ucoolant-processstream)和冷却剂温度(Coolanttemperature)。RPlug—模型设定(3)RPlug—模型设定(4)4、与冷却剂并流换热的反应器

(Reactorwithco-currentcoolant)5、与冷却剂逆流换热的反应器

(Reactorwithcounter-currentcoolant)采用这两种类型需在流程图中连接冷却剂物流（连接图2），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(Coolantoutlettemperature)或蒸汽分率(Coolantoutletvaporfraction)。RPlug—模型设定(5)RPlug—模型设定(6)RPlug——反应器构型反应器构型表单中需要输入的项目有：单管或多管反应器(Multitubereactor)

反应管的根数(Numberoftubes)

反应管的长度(Length)和直径(Diameter)

反应物料(Processstream)有效相态冷却剂(Coolantstream)有效相态RPlug—反应器构型(2)RPlug——压强压强表单中需要输入的项目有：1、反应器进口压强(Pressureatreactorinlet)

反应物料(Processstream)压强冷却剂(Coolantstream)压强2、反应器压降(Pressuredropthroughreactor)

反应物料(Processstream)压降冷却剂(Coolantstream)压降RPlug——压强

(2)RPlug—示例1丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：反应速率方程式如下：式中：RPlug—示例1(续)

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，要求丁二烯的转化率达到12%，试求环己烯的产量。

RPlug—示例（2）作出示例1中温度和环己烯摩尔分率沿反应器长度的分布图。分析反应器压力在0.1~1.0MPa范围内对环己烯产量的影响。

RBatch—间歇釜反应器性质：间歇或半间歇操作的搅拌釜，釜内达到理想混合。自动根据加料和辅助时间提供缓冲罐，实现与连续过程的连接。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。RBatch—间歇釜反应器(2)RBatch—连接RBatch——

模型参数RBatch模块有六组模型参数：1、模型设定

(Specifications)2、化学反应(Reactions)3、停止判据

(StopCriteria)4、操作时间

(OperationTime)5、连续加料

(ContinuousFeeds)6、控制器

(Controllers)RBatch—模型设定(1)模型设定包含操作设定、压力设定和有效相态：反应器操作设定

(ReactorOperatingSpecification)有六个选项供选择：1、恒温(ConstantTemperature)2、温度剖形(TemperatureProfiles)3、恒定热负荷(ConstantHeatDuty)4、热负荷剖形(HeatDutyProfile)5、恒定冷却剂温度(ConstantCoolantTemperature)6、传热用户子程序(HeatTransferUserSubroutine)RBatch—模型设定(2)RBatch—模型设定(3)选用温度剖形或热负荷剖形时，需输入不同时刻的温度值或热负荷值。RBatch—模型设定(4)选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、传热系数和传热面积的值。RBatch——模型设定(5)压强设定

(PressureSpecification)，有三个选项供选择：1、指定反应器压强

(SpecifyReactorPressure)2、指定压强剖形

(SpecifyReactorPressureProfile)3、计算反应器压强

(CalculateReactorPressure)RBatch——模型设定(6)RBatch—模型设定(7)选用压强剖形时，需输入不同时刻的压强值。RBatch—模型设定(8)选用计算反应器压强时，需输入反应器体积。如有排气，则还需设定排气口压强(Ventopeningpressure)。RBatch——

停止判据停止判据（Stopcriterion）给定间歇釜在一个操作周期中结束反应阶段的条件。可以为间歇釜操作设定多个停止判据。计算过程中任何一个判据达到设定值后，反应即中止。RBatch——

停止判据(2)停止判据通过以下参数设定：1、序号(Criterionnumber)2、位置(Location)3、变量类型(Variabletype)4、停止值(Stopvalue)5、组分(Component)6、子流股类别(Substream)7、物性集ID(PropertysetID)8、趋近方向(Approachfrom)RBatch—

停止判据(3)判据位置：反应器；排气收集器；排气管RBatch—

停止判据(4)变量类型：有转化率、浓度、物性等10余种变量可选：RBatch—

停止判据(5)停止值给定反应停止时判据变量的数值；趋近方向表明变量是从大或小的方向接近停止值。RBatch——

操作时间1、间歇周期时间

(BatchCycleTime)

为间歇釜操作周期设定时间指标，有两种设定方式：一个操作周期的总时间(Totalcycletime)；批次加料时间(Batchfeedtime)

（即：一次加料量除以连续来料流量）和辅助操作时间(Downtime)（即：一个操作周期减去反应时间）

。RBatch——操作时间(2)2、剖形结果时间

(ProfileResultTime)

设定仿真计算的时间参数，包括最大计算时间(Maximumcalculationtime)、输出剖形结果的时刻之间的时间区间(Timeintervalbetweenprofilepoints)，以及最大时刻点数(Maximumnumberofprofilepoints)。RBatch——

操作时间(3)RBatch——

连续加料当存在连续加料流股时，在连续加料表单中设置各个连续加料流股的流量随时间的变化情况。有两种设置方式：1、基于加料流股的恒定流量(Flowisconstantatinletvalue)2、指定不同时刻的流量剖形(Specifyflowvs.timeprofile)RBatch——

连续加料

(2)RBatch——

控制器当设置反应器温度为恒温或指定温度剖形时，可以通过控制器对反应釜温度进行PID控制。PID控制器的控制参数在控制器(Controller)表单中设定，包括：1、比例增益因子(Proportionalgain)2、积分时间常数(Integraltimeconstant)3、微分时间常数(Derivativetimeconstant)RBatch——

控制器(2)RBatch—示例（1）乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：

在间歇搅拌釜中等温反应，T=100C，P=3bar，操作周期2.5hr。加料为水溶液，T=40C，处理量1m3/hr，含乙醇10.2kmol/m3、乙酸3.908kmol/m3。求乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率=0.7时所需的反应釜体积。

反应速率方程式如下：

式中：

RBatch—示例（2）考虑到釜液升/降温的影响，操作周期延长到3hr，并按以下升/降温程序操作：t=0,T=40C;t=15min,T=80C;t=30min,T=100C;

t=110min,T=100C;t=140min,T=40C求乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率=0.7时所需的反应釜体积。

如果示例(1)反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：

RBatch—示例（3）如果将示例(2)的操作时间设置改为间歇加料时间2hr，辅助时间1hr，求乙酸转化率为35%时的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率=0.7时所需的反应釜体积。

RBatch—示例（4）如果将示例(3)的反应釜用100C的饱和蒸汽加热，反应釜传热面积6m2，传热系数500W/m2K，求乙酸转化率为35%的反应时间，釜液温度随时间变化的曲线。

Optimization—优化AspenPlus在模型分析工具中提供了优化工具(Optmization)，其使用方法类似于设计规定：

1）定义过程变量

(Define)