反應(yīng)器的模擬與優(yōu)化

1、目錄1. 生成能力類反應(yīng)器化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器 (RStoic)產(chǎn)率反應(yīng)器 (RYield)2. 平衡類反應(yīng)器平衡反應(yīng)器 (REquil)吉布斯反應(yīng)器 (RGibbs)3. 動(dòng)力學(xué)類反應(yīng)器全混流反應(yīng)器 (RCSTR)平推流反應(yīng)器 (RPlug)間歇式反應(yīng)器 (Rbatch)12 化學(xué)反應(yīng)器是整個(gè)化工工藝流程的核心，是實(shí)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的必要工序3 為保證目的產(chǎn)品組分的產(chǎn)率和選擇性，必須選擇適宜的反應(yīng)器類型和反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)。4PFRCSTRCSTRPFRPFRCSTRCSTRPFR本講目的 熟悉模擬軟件中可獲得的反應(yīng)器模型類型以及它們?cè)谶^程模擬中的應(yīng)用； 了解特定的反應(yīng)過程的特點(diǎn)，選擇相適應(yīng)的反應(yīng)器類型或反

2、應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，保證所需產(chǎn)品組分足夠的產(chǎn)率和選擇性。5（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器Rstoic Rstoic 化學(xué)計(jì)量反應(yīng)化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器器性質(zhì)：按照化學(xué)反應(yīng)方程式中的計(jì)量關(guān)系進(jìn)行反應(yīng)，有并行反應(yīng)和串聯(lián)反應(yīng)兩種方式，分別指定每一反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)量。用途：已知化學(xué)反應(yīng)方程式和每一反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，不知化學(xué)動(dòng)力學(xué)關(guān)系。6RstoicRstoic 化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器 模型參數(shù)模型參數(shù)7RStoic 選擇性8idealrealAPAPAPS/,P代表選定組分 (selected) P的生成摩爾數(shù)；A代表參照組分 (reference) A的消耗摩爾數(shù)；real 代表反應(yīng)器內(nèi)的實(shí)際情況；i

3、deal 代表只有AP一個(gè)反應(yīng)發(fā)生時(shí)的情況。RStoic計(jì)算例5.1序號(hào)序號(hào)反應(yīng)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率11-Butene Isobutylene0.3624 (1-Butene) Propylene(丙二醇丙二醇) + 2-Methyl-2-Butene + 1-Octene(辛烯辛烯)0.043Cis-2-Butene Isobutylene0.3644 (Cis-2-Butene) Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1-Octene0.045Trans-2-Butene Isobutylene0.3664 (Trans-2-Butene) Propylene + 2

4、-Methyl-2-Butene + 1-Octene0.04丁烯異構(gòu)化反應(yīng)模型的建立，混合丁烯包含1-1-丁烯、正丁烷、順-2-2-丁烯、反-2-2-丁烯和異丁烯，發(fā)生的反應(yīng)如下所示： 9進(jìn)料流股的溫度為1616，壓力為1.9 atm1.9 atm，進(jìn)料組成如下表所示：組分組分流量（流量（kg/hr）正丁烷正丁烷（n-Butane）350001-丁烯丁烯（1-Butene）10000順順-2-丁烯丁烯（Cis-2-Butene）4500反反-2-丁烯丁烯（Trans-2-Butane）6800異丁烯異丁烯（Isobutene）1450熱力學(xué)模型選擇RK-SoaveRK-Soave。反應(yīng)器操作

5、條件：溫度為400400，壓力為1.9 atm1.9 atm。請(qǐng)采用RStoicRStoic模型確定反應(yīng)物料的組成、由1-1-丁烯轉(zhuǎn)化為異丁烯的反應(yīng)選擇性以及各個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)熱。 10（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器RyieldRyield產(chǎn)率反應(yīng)器產(chǎn)率反應(yīng)器11性質(zhì)：根據(jù)每一種產(chǎn)與輸入物流間的產(chǎn)率關(guān)系進(jìn)行反應(yīng)，只考慮總質(zhì)量平衡，不考慮元素平衡。用途：只知化學(xué)反應(yīng)式和各產(chǎn)物間的相對(duì)產(chǎn)率，不知化學(xué)計(jì)量關(guān)系。產(chǎn)率指的是某種生成物的實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值！RYield 模塊有五組模型參數(shù)：1、模型設(shè)定 (Specifications)2、產(chǎn)率 (Yield)3、閃蒸選項(xiàng) (Flash O

6、ptions)4、粒度分布 (PSD)5、組分屬性 (Component Attr.)12RYield 產(chǎn)率13RYield 示例5.21422244HCOO2HCH深入討論： 若在示例的原料氣中加入 25 kmol/hr 氮?dú)?，其余條件不變，計(jì)算結(jié)果會(huì)發(fā)生什么變化？ 以示例的結(jié)果為基礎(chǔ)，在Ryied模塊的產(chǎn)率設(shè)置項(xiàng)中將氮?dú)庠O(shè)置為惰性組份，重新計(jì)算，結(jié)果如何？15（二）熱力學(xué)平衡類反應(yīng)器（二）熱力學(xué)平衡類反應(yīng)器根據(jù)熱力學(xué)平衡條件計(jì)算反應(yīng)結(jié)果，根據(jù)熱力學(xué)平衡條件計(jì)算反應(yīng)結(jié)果，不考慮動(dòng)力學(xué)可行性。不考慮動(dòng)力學(xué)可行性。16REquil 平衡反應(yīng)器性質(zhì)：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行反應(yīng)，按照化學(xué)平衡關(guān)系式達(dá)

7、到化學(xué)平衡，并同時(shí)達(dá)到相平衡。用途：已知反應(yīng)歷程和平衡反應(yīng)的反應(yīng)方程式，不考慮動(dòng)力學(xué)可行性，計(jì)算同時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡和相平衡的結(jié)果。17REquil REquil 模型參數(shù)模型參數(shù)模塊有四組模型參數(shù)：18：1、操作條件 (Operation Conditions) (1) 壓力； (2) 溫度/蒸汽分率/熱負(fù)荷 2、有效相態(tài) (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游離水 / 汽-液-游離水19KRTGln2lnRTHdTKdR(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）（其它溫度下）化學(xué)平衡常數(shù)20吉布斯自由能的變化范特霍夫方程 REquil 由Gibbs 自由能計(jì)算平衡常數(shù)。你

8、能夠通過下列之一限制平衡：（1）任何反應(yīng)的摩爾程度（2）化學(xué)平衡接近溫度對(duì)任何反應(yīng)T=Treaction - T (吸熱反應(yīng)）T=TReaction+T (放熱反應(yīng)）接近溫度如果你規(guī)定接近溫度T ，則REquil 估計(jì)在T+T時(shí)的化學(xué)平衡常數(shù)。這里的 T 是反應(yīng)溫度（規(guī)定的或計(jì)算的）。2122Equilibrium ReactorEquilibrium Reactor 示示例（例（1 1）甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：2243HCOOHCH原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1 1 4 4，流量為100 kmol/hr100 kmol/hr。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.101

9、3 MPa0.1013 MPa，溫度為750 750 ，當(dāng)反應(yīng)器出口處達(dá)到平衡時(shí)，COCO2 2和H H2 2的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？ 222HCOOHCO23深入討論： 分析示例中反應(yīng)溫度在300-1000 300-1000 范圍變化時(shí)對(duì)反應(yīng)器出口物流CHCH4 4質(zhì)量分率的影響。 將示例中的反應(yīng)溫度設(shè)為1000 1000 ，分別分析反應(yīng)(1)(1)和反應(yīng)(2)(2)的平衡溫差在 200 - 0 200 - 0 范圍變化時(shí)對(duì)反應(yīng)器出口物流CHCH4 4質(zhì)量分率和CO/COCO/CO2 2摩爾比的影響。24 RGibbsRGibbs吉布斯反應(yīng)器吉布斯反應(yīng)器性質(zhì)：根據(jù)系統(tǒng)的GibbsGi

10、bbs自由能趨于最小值的原則，計(jì)算同時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡和相平衡時(shí)的系統(tǒng)組成和相分布。用途：已知（或未知）化學(xué)反應(yīng)式，不知道反應(yīng)歷程和動(dòng)力學(xué)可行性，估算可能達(dá)到的化學(xué)平衡和相平衡結(jié)果。25 對(duì)單相系統(tǒng)，規(guī)定T T和P P下的總吉布斯能由下式給出: : 式中N Ni i和 分別是平衡混合物中組分i i的摩爾數(shù)和偏摩爾吉布斯能。組分包括進(jìn)料組分及可能由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的組分。在受原子衡算約束的條件下，總吉布斯能對(duì)N Ni i最小化。這種方法容易推廣到多相系統(tǒng)。CiiiGNG126iG27 在恒溫恒壓且無非體積功的條件下，自發(fā)過程總是向著吉布斯函數(shù)減少的方向進(jìn)行，直至系統(tǒng)的吉布斯函數(shù)不再改變(dG0)，或者減

11、少到該條件下的最小值時(shí)，系統(tǒng)便處于平衡態(tài)。28有三種選擇：有三種選擇：29303132有兩種選擇：有兩種選擇：33343536有兩種選擇：有兩種選擇：37382、指定各個(gè)化學(xué)反應(yīng)平衡溫差、指定各個(gè)化學(xué)反應(yīng)平衡溫差39 RGibbs 例5.4甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：2243HCOOHCH原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1 4，流，流量為量為100 kmol/hr。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa，溫度為，溫度為750 ，當(dāng)反應(yīng)器出口處達(dá)到平衡時(shí)，當(dāng)

12、反應(yīng)器出口處達(dá)到平衡時(shí)，COCO2 2和和H H2 2的產(chǎn)量的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？與是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？與ReRe的結(jié)的結(jié)果進(jìn)行比較。果進(jìn)行比較。 222HCOOHCO40深入討論：若在示例中的原料氣中加入若在示例中的原料氣中加入25 25 kmolkmol/hr /hr 的氮?dú)猓⒖紤]氮與氫結(jié)合的氮?dú)?，并考慮氮與氫結(jié)合生成氨的副反應(yīng)，求反應(yīng)器出口物流生成氨的副反應(yīng)，求反應(yīng)器出口物流中中CHCH4 4和和NHNH3 3的質(zhì)量分率。如果氮為的質(zhì)量分率。如果氮為惰性組份，結(jié)果有什么變化？惰性組份，結(jié)果有什么變化？41Gibbs反應(yīng)器的評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)：1)可避免寫出化學(xué)計(jì)量方程的必要性（只

13、需要規(guī)定可能的產(chǎn)物）2)容易構(gòu)造多相和同時(shí)存在相平衡的計(jì)算問題缺點(diǎn)： 可能產(chǎn)生不正確的結(jié)果，因?yàn)樗鼈冸[含動(dòng)力學(xué)上不可能的反應(yīng)。42（三）化學(xué)動(dòng)力學(xué)類反應(yīng)器（三）化學(xué)動(dòng)力學(xué)類反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率和平衡反應(yīng)器模型在過程設(shè)計(jì)的初期進(jìn)行物料和能量衡算研究時(shí)是有用的。但是，最終反應(yīng)器系統(tǒng)必須確定結(jié)構(gòu)和大小，在實(shí)驗(yàn)室研究獲得化學(xué)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上即可進(jìn)行反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和大小的設(shè)計(jì)。431 1、全混釜反應(yīng)器 Continuous Stirred Tank ReactorContinuous Stirred Tank Reactor2 2、平推流反應(yīng)器Plug Flow ReactorPlug Flow React

14、or3 3、間歇釜反應(yīng)器Batch ReactorBatch Reactor根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算反應(yīng)結(jié)果根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算反應(yīng)結(jié)果44CSTR CSTR 全混釜反應(yīng)器全混釜反應(yīng)器 最簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器模型是CSTRCSTR（連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器），在該模型中反應(yīng)器內(nèi)物料假定為理想混合。于是，假定整個(gè)反應(yīng)器體積的組成和溫度是均勻的，并等于反應(yīng)器出口物流的組成和溫度。45CSTReactorCSTReactor全混釜反全混釜反應(yīng)器應(yīng)器性質(zhì)：性質(zhì)：釜內(nèi)達(dá)到理想混合?？赡M單相、兩相的體系?？赏瑫r(shí)處理動(dòng)力學(xué)控制和平衡控制兩類反應(yīng)。用途：用途：已知化學(xué)反應(yīng)式、動(dòng)力學(xué)方程和平衡關(guān)系，計(jì)算所需的反應(yīng)器體積和反應(yīng)

15、時(shí)間，以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。CSTR 全混釜反應(yīng)器46RCSTR模塊有兩組模型參數(shù)：1、操作條件 (Operation Conditions) 1) 壓力 (Pressure) 2) 溫度/熱負(fù)荷(Temperature/Heat Duty)2、持料狀態(tài) (Holdup) 1) 有效相態(tài) (Valid Phases) 2) 設(shè)定方式 (Specification Type)47CSTRCSTR設(shè)計(jì)方程設(shè)計(jì)方程 物料衡算方程 能量衡算方程 00nARAAvCTkVCCq 00TTUACTkVHTTcqcRnARPv48 0011expTTREnTTk動(dòng)力學(xué)因子：4950515253545556575

16、859CSTR CSTR 例例5.5甲醛和氨按照以下化學(xué)反應(yīng)生成烏洛托品：甲醛和氨按照以下化學(xué)反應(yīng)生成烏洛托品：反應(yīng)速率方程式如右：反應(yīng)速率方程式如右：式中：式中：(D)(C)(B)(A)O6HNCHHCHO64NH24623hmkmolCkCrBAA32/hkmolmRTkmolJk267/)/(1057. 2exp142060例例5.5 61RPlug RPlug 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器 在PFRPFR反應(yīng)器中如活塞流動(dòng)的流體的組成沿反應(yīng)器長度逐漸變化，但不存在徑向組成或濃度梯度。而且，徑向的質(zhì)量和熱量傳遞可忽略 PFRPFR內(nèi)的流體完全不混合，所有流體微元在反應(yīng)器中具有相同的停留時(shí)間

17、62RPlug RPlug 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器性質(zhì)：性質(zhì)：反應(yīng)器內(nèi)完全沒有返混?？赡M換熱夾套。用途：用途：已知化學(xué)反應(yīng)式和動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率，或所需的反應(yīng)器體積，以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。63模塊有四組模型參數(shù)：641、指定溫度的反應(yīng)器 (Reactor with specified temperature)，有三種方式設(shè)定操作溫度：1) 進(jìn)料溫度下的恒溫 (Constant at inlet temperature)2) 指定反應(yīng)器溫度 (Constant at specified reactor temperature)3) 溫度剖形 (Temperature Profile

18、)，指定沿反應(yīng)器長度的溫度分布652、絕熱反應(yīng)器 只需在反應(yīng)器類型下拉框中選擇Adiabatic Reactor即可。66673、恒定冷卻劑溫度的反應(yīng)器 在反應(yīng)器類型下拉框中選擇(Reactor with constant coolant temperature) ；在操作條件欄中設(shè)定傳熱系數(shù)(U coolant-process stream)和冷卻劑溫度(Coolant temperature)。 (Reactor with co-current coolant) (Reactor with counter-current coolant)686970RPlug RPlug 計(jì)算計(jì)算 例例5.65.6 反應(yīng)器長反應(yīng)器長5米、內(nèi)徑米、內(nèi)徑0.5米，壓降可忽略。加料為丁米，壓降可忽略。加料為丁二烯和乙烯的等摩爾常壓混合物，溫度為二烯和乙烯的等摩爾常壓混合物，溫度為440 C。如。如果反應(yīng)在絕熱條件下進(jìn)行，試求環(huán)己烯的產(chǎn)量果反應(yīng)在絕熱條件下進(jìn)行，試求環(huán)己烯的產(chǎn)量。(C)(B)(A)HCHCHC1064264smkmolCkCrBA