Hysys模拟反应过程

第4章Hysys模拟反响过程反响器单元的自由度反响器单元的自由度方程名称方程数物料平衡：c热量平衡：1压力平衡：P2=P1-P1方程数目：c+2变量名程：变量数目反应物：c+2产物：c+2传热量1反应压降（状态变量，但须估计）1反应程度r变量数：2(c+2)+r+2自由度数：(c+2)+r+2反响器单元的自由度指定进料c+2个自由度反响器自由度：r+2r–化学反响的数目2–多种组合：压降、热负荷 压降、出口温度等

化学反响涉及多相〔例如气相、液相、反响固体和固体催化剂〕、各种几何形状〔例如搅拌釜、管流、会聚和发散喷嘴、螺旋流和膜传递〕，以及各种动量、热量和质量传递区域〔例如粘性流、湍流、传导、辐射、扩散和分散〕，尤其对连续过程，化学反响器往往需专门设计。教学目的熟悉模拟软件中可获得的反响器模型类型以及它们在过程模拟中的应用；了解特定的反响过程的特点，选择相适应的反响器类型或反响器网络，保证所需产品组分足够的产率和选择性。Hysys反响模块CSTRPlugFlow反响模块类型1.生产能力类反响器转化率反响器(ConversionReactor) 变产率反响器(YieldShiftReactor)2.平衡类反响器平衡反响器〔EquilibriumReactor〕吉布斯反响器(GIBBSReactor，最小自由能原理)3.动力学类反响器 连续搅拌釜式反响器(CSTR) 平推流反响器〔PlugFlowReactor—PFR〕(一)生产能力类反响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ConversionReactor 〔转化反响器〕 性质：按照化学反响方程式中计量关系进行反响，指定某一反响物的转化率 用途：化学反响方程式和每一反响的转化率，不知化学动力学关系。Yieldshiftreactor(变产率反响器) 性质：根据每一种产物与输入物流间的产率关系进行反响，只考虑总质量平衡，不考虑元素平衡用途：只知化学反响式和各产物间的相对产率，不知化学计量关系1.ConversionReactorHysys反响模块CSTRPlugFlowConversionReactor——转化率反响器按照化学反响方程式中的计量关系进行反响，指定某一反响物的转化率化学反响方程式和每一反响的转化率或产量，不知化学动力学关系。Conversion%(x%=C0+C1*T+C2*T2)ConversionReactor——化学反响定义进行的每一个化学反响的编号、化学计量关系、反响物转化率。定义Hysys反响集〔ReactionSet)定义Hysys反响集〔ReactionSet)定义Hysys反响集〔ReactionSet)ConversionReactor—连接非绝热反应必须给定热流名称ConversionReactor—参数ConversionReactor--反响选择在化学反响规定中定义的化学反响ConversionReactor--反响选择在化学反响规定中定义的化学反响ConversionReactor

模拟要点选流体包定义ReactionSet确定反响顺序〔并发或串联〕给出每个反响中Base组分转化率ConversionReactor—例如1甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反响： 原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。 假设反响在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750℃，当反响器出口处CH4转化率为73%时，CO2和H2的产量是多少？反响热负荷是多少？步骤：定义组分、流体包、反响，定义原料，定义反响集设计流程，设定反响温度〔产物〕，看结果ConversionReactor—例如2反响和原料同例如〔1〕，假设反响在恒压及绝热条件下进行，系统总压为0.1013MPa，反响器进口温度为950℃，当反响器出口处CH4转化率为73%时，反响器出口温度是多少？ConversionReactor—例如3在〔1〕中增加甲烷局部氧化反响：2CH4+3O2--2CO+4H2O并在原料中增加15kmol/h的氧气。假设上述两个反响的CH4转化率均为43%时，反响器出口组分流量是多少？如果将上述两个反响串联进行，结果又是多少？2.YieldShiftReactorHysys反响模块CSTRPlugFlowYieldShiftReactor——变产率反响器

适用于没有模型或模型过于复杂的反响根据每一种产物与输入物流间的产率关系进行反响，只考虑总质量平衡，不考虑元素平衡只知化学反响式和各产物间的相对产率，不知化学计量关系在变产率反响器中有两种方法设定反响： 产率或者转化率〔二〕热力学平衡类反响器 根据热力学平衡条件计算反响结果，不考虑动力学可行性。 1、平衡反响器 EquilibriumReactor (反响计量方程) 2、吉布斯反响器 GibbsReactor 〔无需写出反响方程，但须定义产物组分〕3.EquilibriumReactorHysys反响模块CSTRPlugFlowEquilibriumReactor—平衡反响器性质：根据化学反响方程式进行反响，按照化学平衡关系式到达化学平衡，并同时到达相平衡。用途：反响历程和平衡反响的反响方程式，不考虑动力学可行性，计算同时到达化学平衡和相平衡的结果。EquilibriumReactor—模型参数1、化学反响集(Reactionset)2、热状态(Thermalspecification)3、操作单元反响(Unitreactiondefinitions)4、反响程度(Extentofreaction)5、压力(Pressure)6、反响器数据(Reactordata)7、热力学模型(Thermodynamics)定义反响集定义反响集EquilibriumReactor—平衡反响器化学平衡常数lnK=A+B/T+ClnT+DT+ET2+……在UnitEqulibriumData中输入的平衡常数将取代在ReactionData-ReactionEquilibriumData中输入的平衡常数规定了反响程度后，平衡常数根据以下温度计算反响程度的两种规定方法：TemperatureapproachT=Treaction-ΔT(吸热反响)T=Treaction+ΔT(放热反响)FractionalapproachApproach=A+B*T+C*T2ActualConversion=Approach*EquilibriumConversionEquilibriumReactor

模拟要点选流体包定义ReactionSet确定反响顺序〔并发或串联〕给出每个反响中Base组分转化率

Equilibrium计算步骤定义反响集ReactionSet定义反响〔选择Equilibrium〕输入反响的化学计量系数在Flowsheet→reactionpackage下建立当前反响集(Currentreactionset)建立equilibrium反响器单元，选择进料物流，给定产物和热量流名称在equilibrium中Reaction选项卡中选择ReactionSet给定出口物流温度，所有自由度均满足，开始计算EquilibriumReactor—例如〔1〕甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反响为： 原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。假设反响在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750℃，当反响器出口处到达平衡时，CO2和H2的产量是多少？反响热负荷是多少？EquilibriumReactor—例如〔2〕 分析例如〔1〕中反响温度在300~1000℃范围变化时对反响器出口物流CH4质量分率的影响。提示：由Set单元设定出口温度与进料相同由tools→Databook→CaseStudy设定变化节点CaseStudy的用法4.GibbsReactor—吉布斯反响器Hysys反响模块CSTRPlugFlowGibbsReactor—吉布斯反响器性质：根据系统的Gibbs自由能趋于最小值的原那么，计算同时到达化学平衡和相平衡时的系统组成和相分布。用途：化学反响式，不知道反响历程和动力学可行性，估算可能到达的化学平衡和相平衡结果。minimizationofGibbsfreeenergyofallcomponents

对单相系统，规定T和P下的总吉布斯能由下式给出:

式中Ni和分别是平衡混合物中组分i的摩尔数和偏摩尔吉布斯能。组分包括进料组分及可能由化学反响产生的组分。在受原子衡算约束的条件下，总吉布斯能对Ni最小化。这种方法容易推广到多相系统。GibbsReactor—

模型参数1、化学反响(Reactionset)2、热状态(Thermalspecification)3、操作单元反响(Unitreactiondefinitions)4、反响程度(Extentofreaction)5、压力(Pressure)6、反响器数据(Reactordata)7、热力学模型(Thermodynamics)操作单元反响(Unitreactiondefinitions)

选择化学反响规定反响器操作相态(V,L,V-L,V-L-L)进出口物流的规定：1、可以有任意数量的进料物流股，进口压力为多股物流中的最低压力值；

2、最多可有四股出料物流股，每股的相态可以指定；GibbsReactor——

限制平衡有两种选择：1、设定整个系统的趋近平衡温度；2、指定各个化学反响趋近平衡的温度，需要知道化学反响方程式。Gibbs计算步骤选组分选流体包建立Gibbs反响器单元，选择进料物流，给定产物和热量流名称给定出口物流温度，所有自由度均满足，开始计算GibbsReactor—例如〔1〕甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反响为：原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。假设反响在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750℃，当反响器出口处到达平衡时，CO2和H2的产量是多少？反响热负荷是多少？与EquilibriumReactor的结果进行比较。GibbsReactor—练习〔1〕假设在例如(1)中的原料气中参加25kmol/hr的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副反响，求反响器出口物流中CH4和NH3的质量分率。如果氮为惰性组份，结果有什么变化？Gibbs反响器的评价优点：防止了写出化学计量方程的必要性〔只需要规定可能的产物〕容易构造多相和同时存在相平衡的计算问题缺点：可能产生不正确的结果，因为它们隐含动力学上不可能的反响。〔三〕化学动力学类反响器转化率和平衡反响器模型在过程设计的初期进行物料和能量衡算研究时是有用的。但是，最终反响器系统必须确定结构和大小，在实验室研究获得化学动力学的相关数据的根底上即可进行反响器结构和大小的设计。1、全混釜反响器 ContinuousStirredTankReactor2、平推流反响器 PlugFlowReactor3、间歇釜反响器 BatchReactor〔Hysys所有反响模块均可处理动态过程〕根据化学动力学计算反响结果1.CSTR—全混釜反响器CSTR—全混釜反响器最简单的动力学反响器模型是CSTR〔连续搅拌釜式反响器〕，在该模型中反响器内物料假定为理想混合。于是，假定整个反响器体积的组成和温度是均匀的，并等于反响器出口物流的组成和温度各流体微元在反响器内具有不同的停留时间CSTR—全混釜反响器性质：釜内到达理想混合。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响。用途：化学反响式、动力学方程和平衡关系，计算所需的反响器体积和反响时间，以及反响器热负荷。CSTR—

连接Hysys反响模块CSTRPlugFlowCSTR—

模型参数反响器类型(Reactortype)反响序列(Reactionset)热状态(Thermalconditions)热力学模型(Thermodynamics)反响器体积(ReactorVolume)压力(Pressure)1)反响器类型(Reactortype)：Continuousstirredtank选择已定义好的化学反响2)反响集(Reactionset)3)热状态

相关物流的温度(Combinedfeedtemperature)固定温度(Fixedtemperature)热负荷(Heatduty)Reactions—动力学参数在动力学表单中为每一个化学反响输入反响动力学参数。幂律型：反响动力学因子即反响速率常数k’，它与温度的关系用Arrhenius方程表示：CSTR－设计方程物料衡算方程能量衡算方程进料条件POH2O温度，F7575压力1.1atm16.16Psia流量，lbmol/h150组成：

POH2OPGmol%100Lb/hr0110000丙二醇〔1,3-dihydroxypropane,PG〕由环氧丙烷〔propyleneoxide，PO〕与过量水在绝热和接近环境条件以少量可溶的硫酸作为均相催化剂的液相水解反响生产C3H6O+H2O→C3H8O2r=1.7x1013e−32400/RTCPO反响器体积280ft3，液位85%，进料条件如下表：请计算等温反响的反响产物工况,Uniquac方程CSTReactor—例题〔1〕(Unitfield)CSTR计算步骤改单位：field定义反响集ReactionSet定义反响〔选择kinetic〕基于反响的化学计量系数，Hysys对于ForwardOrder及ReverseOrder提供缺省值。本例中，水是过量的，所以从动力学来说，仅对环氧丙烷来说是一级的。把H2O的ForwardOrder改为0，从而指明水是过量的。建立混合器单元，分别输入反响物PO和Water条件建立CSTR反响器单元，选择进料物流，给定产物和热量流名称，设定反响器体积和液体含量在CSTR中Reaction选项卡中选择ReactionSet给定出口物流温度，所有自由度均满足，开始计算CSTR计算要点H2O过量，正反响级数填0反响相态：RxnPhase:CombinedLiquid速率单位：mol/体积.小时2.PlugflowReactor

—平推流反响器PlugflowReactor—平推流反响器在PFR反响器中如活塞流动的流体的组成沿反响器长度逐渐变化，但不存在径向组成或浓度梯度。而且，径向的质量和热量传递可忽略PFR内的流体完全不混合，所有流体微元在反响器中具有相同的停留时间PlugflowReactor—平推流反响器性质：反响器内完全没有返混。可模拟单、两、三相的体系。只能处理动力学控制反响。可模拟换热夹套。用途：化学反响式和动力学方程，计算所能到达的转化率，或所需的反响器体积，以及反响器热负荷。PlugflowReactor—

连接

Hysys反响模块CSTRPlugFlowPlugflowReactor—

模型参数反响序列(Reactionset)热状态(Thermalspecification)热力学模型(Thermodynamics)反响器构型(Reactordata)压力(Pressure)热状态(Thermalspecification)指定温度的反响器(Reactorwithspecifiedtemperature)，有5种方式设定操作温度：1)进料温度下的恒温(Combinedfeedtemperature)2)指定反响器温度(Fixedtemperature)3)指定热负荷(Fixedheatduty)4)温度分布(TemperatureProfile)，指定沿反响器长度的温度分布5)外部传热1、指定是并流还是逆流2、指定是加热还是冷却3、设定传热系数4、设定反响器