化工設(shè)計(jì)-ASPEN軟件：化學(xué)動(dòng)力學(xué)類反應(yīng)器

SimulationDesign

ofChemicalReactors反應(yīng)器單元的仿真設(shè)計(jì)

(二)化學(xué)動(dòng)力學(xué)類反應(yīng)器根據(jù)流動(dòng)狀況不同，有三種：1、全混釜反應(yīng)器（RCSTR）

ContinuousStirredTankReactor2、平推流反應(yīng)器（RPlug）

PlugFlowReactor3、間歇釜反應(yīng)器(RBatch)

BatchStirredTankReactor化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器性質(zhì)：釜內(nèi)達(dá)到理想混合，即反應(yīng)物料和出口物流有相同的組成和性質(zhì)?？赡M單、兩、三相的體系，可同時(shí)處理動(dòng)力學(xué)控制和平衡控制兩類反應(yīng)以及包含固體的反應(yīng)。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)時(shí)間，以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器RCSTR有兩組模型參數(shù)：1、操作條件(OperationConditions)1)壓力(Pressure)2)溫度/熱負(fù)荷(Temperature/HeatDuty)2、持料狀態(tài)(Holdup)1)有效相態(tài)(ValidPhases)2)設(shè)定方式

(SpecificationType)一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器操作條件持料狀態(tài)持料狀態(tài)中的設(shè)定方式有7種：1)反應(yīng)器體積(ReactorVolume)2)停留時(shí)間(ResidenceTime)

只需輸入物料在反應(yīng)器中的平均停留時(shí)間。一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器3)反應(yīng)器體積和相體積(ReactorVolume&PhaseVolume)必須輸入反應(yīng)器體積、氣相(Vaporphase)

或凝聚相(Condensedphase)所占的體積。一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器凝聚相氣相一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器4)反應(yīng)器體積和相體積分率

(ReactorVolume&PhaseVolumeFraction)必須輸入反應(yīng)器體積和氣相/凝聚相所占的體積分率(Volumefrac)。一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器5)反應(yīng)器體積和相停留時(shí)間

(ReactorVolume&PhaseResidenceTime)

必須輸入反應(yīng)器體積和氣相/凝聚相在反應(yīng)器中的停留時(shí)間。一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器6)停留時(shí)間和相體積分率

(ResidenceTime&PhaseVolumeFraction)

必須輸入物料在反應(yīng)器中的總平均停留時(shí)間和氣相/凝聚相所占的體積分率。一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器7)相停留時(shí)間和體積分率

(PhaseResidenceTime&VolumeFraction)

必須輸入氣相/凝聚相在反應(yīng)器中的停留時(shí)間和所占的體積分率。一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器7種設(shè)定方式一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器凝聚相化學(xué)反應(yīng)式的設(shè)定：RCSTR中的化學(xué)反應(yīng)通過選用預(yù)定義的化學(xué)反應(yīng)對(duì)象來設(shè)定。一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器設(shè)置化學(xué)反應(yīng)對(duì)象：設(shè)置化學(xué)反應(yīng)對(duì)象目的：為三類動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器模塊和RadFrac

模塊提供反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系、平衡關(guān)系和動(dòng)力學(xué)關(guān)系。一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器創(chuàng)建化學(xué)反應(yīng)對(duì)象時(shí)，需賦予對(duì)象ID和選擇對(duì)象類型。對(duì)于小分子反應(yīng)，常用的類型有三種：1、LHHW型

(Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)2、冪律型(PowerLaw)3、反應(yīng)精餾型(Reac-Dist)一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器常用的動(dòng)力學(xué)類型選擇動(dòng)力學(xué)類型一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器每個(gè)化學(xué)反應(yīng)對(duì)象可以包含多個(gè)化學(xué)反應(yīng)，每個(gè)化學(xué)反應(yīng)都要設(shè)置計(jì)量學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)一個(gè)反應(yīng)對(duì)象下可有多個(gè)化學(xué)反應(yīng)每個(gè)化學(xué)反應(yīng)都需輸入及聯(lián)系數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器在化學(xué)反應(yīng)計(jì)量表單中，為每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，并選擇對(duì)象為動(dòng)力學(xué)（kinetic）或平衡（Equlibrium）型。輸入化學(xué)反應(yīng)計(jì)量系數(shù)(Coefficient)，對(duì)于冪律型反應(yīng)對(duì)象，還要輸入方程式中濃度因子的級(jí)數(shù)。一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器反應(yīng)計(jì)量系數(shù)和級(jí)數(shù)反應(yīng)類型一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器輸入動(dòng)力學(xué)參數(shù)：活化能和頻率因子濃度基準(zhǔn)反應(yīng)物濃度基準(zhǔn)：摩爾濃度質(zhì)量摩爾濃度分壓質(zhì)量濃度活度（摩爾）逸度一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器LHHW型動(dòng)力學(xué)方程：點(diǎn)擊Drivingforce彈出濃度推動(dòng)力表單一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器第一項(xiàng)冪的乘積（正反應(yīng)濃度推動(dòng)力）一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器濃度推動(dòng)力濃度推動(dòng)力常數(shù)K點(diǎn)擊Adsorption項(xiàng)，彈出吸附項(xiàng)（Adsorption）輸入表單一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器吸附項(xiàng)表單一、RCSTR—全混釜反應(yīng)器吸附項(xiàng)常數(shù)K吸附項(xiàng)組分一、RCSTR—示例1甲醛與氨反應(yīng)生成烏洛托品反應(yīng)式如下：RCSTR—示例1反應(yīng)器容積為5m3，裝填系數(shù)為0.6,為保證釜內(nèi)惰性環(huán)境，輸入氮?dú)獠⑹钩龈锪系臍庀喾致蕿?.001，加料氨水的濃度為4.1Kmol/m3，流量為32.5m3/hr，甲醛水溶液濃度為6.3Kmol/m3，流量為32.5m3/hr，求35℃下烏洛托品的產(chǎn)量和輸入的氮?dú)饬?，并分?0-60℃范圍內(nèi)，溫度對(duì)甲醛轉(zhuǎn)化率的影響。二、R-Plug平推流反應(yīng)器性質(zhì)：無返混的管式反應(yīng)器，可有換熱夾套，可模擬單、兩、三相體系，必須有動(dòng)力學(xué)方程。應(yīng)用：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)化率或反應(yīng)器體積，以及相應(yīng)的熱負(fù)荷。二、R-Plug平推流反應(yīng)器二、R-Plug平推流反應(yīng)器R-Plug有四組模型參數(shù)：模型設(shè)定（Specificationgs）反應(yīng)器構(gòu)型(Configuration)化學(xué)反應(yīng)（reaction）壓力(Pressure)模型設(shè)定：反應(yīng)器類型操作條件二、R-Plug平推流反應(yīng)器二、R-Plug平推流反應(yīng)器反應(yīng)器類型：指定反應(yīng)溫度絕熱反應(yīng)器恒定冷劑溫度反應(yīng)器與冷卻劑并流與冷卻劑逆流指定冷卻劑溫度變化曲線指定外部熱流變化曲線二、R-Plug平推流反應(yīng)器二、R-Plug平推流反應(yīng)器指定反應(yīng)器溫度有三種操作狀態(tài)1)進(jìn)料溫度下的恒溫2)指定反應(yīng)器等溫度3)反應(yīng)器內(nèi)溫度沿床層分布曲線二、R-Plug平推流反應(yīng)器三種操作狀態(tài)對(duì)于有冷卻劑的反應(yīng)器類型：（流程圖中需連接冷卻劑）在操作條件中需輸入傳熱系數(shù)U、冷劑出口溫度、或蒸汽分率二、R-Plug平推流反應(yīng)器二、R-Plug平推流反應(yīng)器反應(yīng)器構(gòu)型表單：?jiǎn)喂芑蚨喙芊磻?yīng)器反應(yīng)管的根數(shù)反應(yīng)管的長度或直徑反應(yīng)物料的有效相態(tài)冷卻劑的有效相態(tài)二、R-Plug平推流反應(yīng)器單根與多根直徑與長度物料有效相態(tài)二、R-Plug平推流反應(yīng)器將設(shè)置完的反應(yīng)移入被選反應(yīng)集中二、R-Plug平推流反應(yīng)器壓力表單設(shè)置：1反應(yīng)器進(jìn)口壓強(qiáng)反應(yīng)物料壓強(qiáng)冷卻劑壓強(qiáng)2反應(yīng)器壓降反應(yīng)物料壓降冷卻劑壓降二、R-Plug平推流反應(yīng)器R-Plug示例1丁二烯與乙烯反應(yīng)式如下：R-Plug示例1反應(yīng)器長5米，直徑0.5米，壓降可忽略。丁二烯與乙烯等摩爾混合，進(jìn)料溫度為440℃，如果反應(yīng)在絕熱條件下進(jìn)行，要求丁二烯的轉(zhuǎn)化率為12%時(shí)。試求環(huán)己烯的產(chǎn)量。R-plug示例2試作出示例1中環(huán)己烯濃度和溫度沿反應(yīng)器長度分布圖。分析反應(yīng)器壓力在0.1—1.0MPa范圍內(nèi)變化對(duì)環(huán)己烯產(chǎn)量的影響。三、R-Batch間歇反應(yīng)器性質(zhì)：間歇或半間歇操作的反應(yīng)釜，自動(dòng)根據(jù)加料和輔助時(shí)間提供緩沖罐，實(shí)現(xiàn)與連續(xù)過程連接。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)時(shí)間，以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。三、R-Batch間歇反應(yīng)器三、R-Batch間歇反應(yīng)器進(jìn)出物料連接三、R-Batch間歇反應(yīng)器模塊的模型參數(shù)6組：模型設(shè)定化學(xué)反應(yīng)停止判據(jù)操作時(shí)間連續(xù)加料控制器三、R-Batch間歇反應(yīng)器模型設(shè)定：反應(yīng)操作設(shè)定壓力設(shè)定有效相態(tài)三、R-Batch間歇反應(yīng)器反應(yīng)器操作設(shè)定壓力規(guī)定有效相態(tài)三、R-Batch間歇反應(yīng)器反應(yīng)器設(shè)定：1恒溫2溫度變化曲線3恒定熱負(fù)荷4熱負(fù)荷變化曲線5恒定冷卻劑溫度6傳熱用戶子程序三、R-Batch間歇反應(yīng)器反應(yīng)器操作規(guī)定三、R-Batch間歇反應(yīng)器選用溫度變化曲線或熱負(fù)荷曲線時(shí)，需輸入不同時(shí)刻熱負(fù)荷或溫度三、R-Batch間歇反應(yīng)器選用恒定冷劑溫度時(shí)，還需輸入傳熱系數(shù)和傳熱面積傳熱系數(shù)傳熱面積三、R-Batch間歇反應(yīng)器壓強(qiáng)設(shè)定3個(gè)選項(xiàng)：1指定反應(yīng)器壓強(qiáng)2給出反應(yīng)器壓強(qiáng)變化曲線3計(jì)算反應(yīng)器壓強(qiáng)三、R-Batch間歇反應(yīng)器壓強(qiáng)設(shè)定三選項(xiàng)三、R-Batch間歇反應(yīng)器當(dāng)選用計(jì)算壓力時(shí)，應(yīng)輸入反應(yīng)器體積。如有排氣，還需輸入排氣口壓力三、R-Batch間歇反應(yīng)器停止判據(jù)：給定間歇釜在一個(gè)操作周期中結(jié)束反應(yīng)階段的條件。可以為間歇反應(yīng)釜設(shè)定多個(gè)停止判據(jù)。計(jì)算過程中任何一個(gè)判據(jù)達(dá)到設(shè)定值后，反應(yīng)即終止。三、R-Batch間歇反應(yīng)器停止判據(jù)有下列參數(shù)組成（同時(shí)可設(shè)置多個(gè)判據(jù)）：序號(hào)位置變量類型停止值組分子流股類別物性集ID趨近方向三、R-Batch間歇反應(yīng)器三、R-Batch間歇反應(yīng)器位置有：反應(yīng)器、排氣收集器、排氣管三、R-Batch間歇反應(yīng)器變量類型：時(shí)間、轉(zhuǎn)化率、濃度、物性等變量類型三、R-Batch間歇反應(yīng)器停止值：給定反應(yīng)停止時(shí)判據(jù)變量的數(shù)值；趨近方向表明判據(jù)變量從大或小的方向趨近停止值。停止值趨近方向三、R-Batch間歇反應(yīng)器操作時(shí)間1間歇周期時(shí)間一個(gè)操作周期的總時(shí)間批次加料時(shí)間（Batchfeedtime）（一次加料量除以連續(xù)來料流量）和輔助操作時(shí)間（Downtime）(一個(gè)操作周期減去反應(yīng)時(shí)間)三、R-Batch間歇反應(yīng)器三、R-Batch間歇反應(yīng)器2反應(yīng)結(jié)果時(shí)間曲線設(shè)定相關(guān)的時(shí)間參數(shù)輸入最大的反應(yīng)計(jì)算時(shí)間記錄反應(yīng)結(jié)果的時(shí)間間隔記錄的計(jì)算點(diǎn)數(shù)三、R-Batch間歇反應(yīng)器三、R-Batch間歇反應(yīng)器在間歇反應(yīng)釜中，若有連續(xù)流股。需對(duì)連續(xù)流股進(jìn)行設(shè)定：基于入口的恒定流量流量與時(shí)間關(guān)系曲線三、R-Batch間歇反應(yīng)器三、R-Batch間歇反應(yīng)器當(dāng)有連續(xù)精料流股且反應(yīng)器設(shè)定為恒溫或溫度變化曲線時(shí)，可通過控制器對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行PID控制，PID控制參數(shù)包括：比例增益因子(Proportionalgain)積分時(shí)間常數(shù)(Integraltimeconstant)微分時(shí)間常數(shù)(Derivativetimeconstant)三、R-Batch間歇反應(yīng)器Rbatch—示例1乙醇和乙酸和成乙酸乙酯的反應(yīng)方程式如下：反應(yīng)速率方程如下：在間歇攪拌釜中等溫反應(yīng)，T=100℃、P=3bar，操作周期為2.5hr,加料為水溶液，T=40℃、處理量為1m3/hr，含乙醇10.2kmol/m3，含乙酸3.908kmol/m3。求乙酸轉(zhuǎn)化率為35%時(shí)的反應(yīng)時(shí)間，乙酸乙酯的產(chǎn)量。裝填率為0.7時(shí)，反應(yīng)釜的體積。如果示例1中反應(yīng)速率常數(shù)和平衡常數(shù)與溫度關(guān)系如下Rbatch—示例2操作周期延長至3hr，并按一下升/降溫程序操作t=0min,T=40℃，t=15min、T=80℃，t=30min、T=100℃t=110min、T=100℃，t=140min、T=40℃求乙酸轉(zhuǎn)化率為35%時(shí)的反應(yīng)時(shí)間，乙酸乙酯的產(chǎn)量，裝填系數(shù)為0.7時(shí)所需的反應(yīng)釜體積。Rbatch—示例3如將示例2操作時(shí)間設(shè)置改為間歇加料時(shí)間2hr，輔助時(shí)間1hr，求乙酸轉(zhuǎn)化率為35%時(shí)的反應(yīng)時(shí)間，乙酸乙酯的產(chǎn)量，裝填系數(shù)為0.7時(shí)反應(yīng)器體積。Rbatch-示例4如果將示例3的反應(yīng)釜用100℃的飽和蒸汽加熱，反應(yīng)釜的傳熱面積6m2，傳熱系數(shù)為500w/m2.k，求乙酸轉(zhuǎn)化率為35%的反應(yīng)時(shí)間，釜溫變化與時(shí)間的關(guān)系曲線。Optimization—優(yōu)化模型分析工具中提供了優(yōu)化工具(Optimization)使用方法類似于設(shè)計(jì)規(guī)定：1定義