第8章反应器单元模拟.

第8章反应器单元模拟作者：王俊孙兰义目录8.1反应器基础知识8.2反应器单元模拟概述8.3化学计量反应器RStoic8.4产率反应器RYield8.5平衡反应器REquil8.6吉布斯反应器Rgibbs8.7化学反应对象8.8全混釜反应器RCSTR8.9平推流反应器Rplug8.10间歇式反应器RBatch8.1反应器基础知识——基本概念化学计量方程它是表示各反应物、生成物在反应过程的变化关系的方程。N2+3H2=2NH3有S个组分参与反应，计量方程：一般形式为：2NH3-N2-3H2=08.1反应器基础知识——基本概念注意：1）计量方程本身与反应的实际历程无关。2）乘以一非零的系数λi后，可得新的计量方程。3）与化学反应方程不同，化学反应方程表示的是方向，而计量方程表示的是量。4）单一反应；复合反应。8.1反应器基础知识——基本概念化学反应速率1.间歇系统化学反应速率是以单位时间，单位反应区内关键组分K的物质量摩尔数变化来定义K组分的反应速率。单位反应区可以是单位反应体积或单位反应系统的重量。8.1反应器基础知识——基本概念8.1反应器基础知识——基本概念反应物速率前应冠以负号。避免出现0，使反应速率出现负值。各反应速率间的关系：8.1反应器基础知识——基本概念当V恒定时，8.1反应器基础知识——基本概念2.连续系统可表示为单位反应体积中（或单位反应表面积上、或单位质量固体或催化剂上）某一反应物或产物的摩尔流量的变化。在气-固相催化反应中，由于实验反应器与工业反应器中催化剂的填充方式不同，一般按单位质量催化剂来计算反应速率便于换算到工业反应器中的反应速率。8.1反应器基础知识——基本概念其它定义液空速：反应混合物以液体进入反应器，常以25℃下液体的体积流量表示空速。湿空速：如果气体混合物有水蒸气。干空速：不计水蒸气时的空速。空间速度：是单位反应体积所能处理的反应混合物的体积流量。8.1反应器基础知识——基本概念反应进度描述反应进行的程度，针对整个反应过程而言。是各组分在反应前后的摩尔数变化与计量系数的比值，用ζ表示。计量系数r，对于反应物为“-”，对于产物为“+”，则ξ≥0。8.1反应器基础知识——基本概念转化率定义：关键组分A反应掉的物质的量与其开始时物质的量之比。注意：如果反应物不只是一种，针对不同反应物计算出来为x不一定相同。8.1反应器基础知识——基本概念收率与选择性收率：为了表达已反应的关键组分中转化为目的产物的分率，定义选择性如下：转化率、收率、选择性之间的关系为：Y=xs8.1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化学计量反应器RStoic按照化学反应方程式中的计量关系进行反应，有平行反应和串联反应两种方式。用于模拟化学平衡数据和动力学数据未知或不重要的反应器，还可以计算产品的选择性和反应热。8.3化学计量反应器RStoic8.3化学计量反应器RStoicRStoic模块的连接图如下：8.3化学计量反应器RStoic用化学计量反应器RStoic模拟计算时，需要规定反应器的操作条件，并选择反应器的闪蒸计算相态；还需要规定在反应器中发生的反应，对每个反应必须规定化学计量系数，并分别指定每一个反应的转化率或产品流率。8.3化学计量反应器RStoicRStoic模块有七组模型参数：1、模型设定(Specifications)2、化学反应(Reactions)3、燃烧(Combustion)4、反应热(HeatofReaction)5、选择性(Selectivity)6、粒度分布(PSD)7、组分属性(ComponentAttr.)8.3化学计量反应器RStoic1、模型设定(Specifications)包括操作条件和有效相态。8.3化学计量反应器RStoic2、化学反应(Reactions)需要规定在反应器中发生的所有反应。8.3化学计量反应器RStoic定义每个反应时，必须规定化学计量系数，并分别指定每一个反应的转化率或产品流率。化学计量系数产品流率反应转化率8.3化学计量反应器RStoic3、反应热(HeatofReaction)如果需要计算反应热，可在HeatofReaction页面对每个反应规定参考组分，也可选择规定反应热，化学计量反应器RStoic调整计算的反应器负荷。8.3化学计量反应器RStoic规定参考组分计算反应热8.3化学计量反应器RStoic规定反应热8.3化学计量反应器RStoic8.3化学计量反应器RStoic4、选择性(Selectivity)若需要计算产品的选择性，可在Selectivity页面规定所选择的产品组分和参考的反应物组分。规定选择性参考组分8.3化学计量反应器RStoic所选择的组分P对参考组分A的选择性规定为ΔP——选择组分P的摩尔数改变量；ΔA——参考组分A的摩尔数改变量；下标Real表示反应器中的实际情况；下标Ideal表示一个理想反应系统的情况。RealP,AIdealP[]ASP[]A8.3化学计量反应器RStoic在多数情况下，选择性在0和1之间。如果所选择的组分由参考组分以外的其它组分生成，选择性会大于1；如果所选择的组分在其它反应中消耗，选择性可能会小于0。8.3化学计量反应器RStoic5、粒度分布和组分属性当反应生成固体或固体改变时，可以分别在Attr.页面和PSD页面规定组分属性和粒子的尺寸分布。8.3化学计量反应器RStoic例8.1用化学计量反应器RStoic模拟1-丁烯的异构化反应，涉及到的反应及转化率如下表所示。进料温度为16℃，压力为196kPa，进料中正丁烷（N-BUTANE）、1-丁烯（1-BUTENE）、顺-2-丁烯（CIS-2BUT）、反-2-丁烯（TR-2BUT）、异丁烯（ISOBUT）的流率分别为35000kg/hr、10000kg/hr、4500kg/hr、6800kg/hr、1450kg/hr，反应器的温度为400℃，压力为196kPa。物性方法选用RK-SOAVE。反应转化率1-BUTENE→ISOBUT0.364(1-BUTENE)→PROPYL