第十二讲 反应器单元的仿真设计(三)

CAPD基础第十二讲SimulationDesignofChemicalReactors反应器单元的仿真设计(三)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：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=100C，P=3bar，操作周期2.5hr。加料为水溶液，T=40C，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。3233252CHCHOHCHCOOHCHCOOCHHO(A)(B)(C)(D)反应速率方程式如下：31/AABCDCrkCCCCkmolmsK式中：637.9310/2.92CkmkmolsK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=40C;t=15min,T=80C;t=30min,T=100C;t=110min,T=100C;t=140min,T=40C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：738193.211100.2479exp/1.39101.01910expCkmkmolsRTKRT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100C的饱和蒸汽加热，反应釜传热面积6m2，传热系数500W/m2K，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)；2）定义目标函数和选用约束条件(Objective&Constraints)，并确定寻优方向(Maximize/Minimize)；3）设置调节变量(Vary)，可以设置多个调节变量。Optimization—优化(2)1）定义过程变量Optimization—优化(3)2)定义目标函数、选用约束条件、确定寻优方向Optimization—优化(4)3）设置调节变量Constraints—约束对于约束优化，则需设置约束条件(Constraints):1）定义过程变量(Define)；2）设置约束条件(Spec)，包括定义约束表达式(Constraintexpression)，制定约束关系:等于(Equalto)小于或等于(Lessthanorequalto)大于或等于(Greaterthanorequalto)并设定容差(Tolerance)。Constraints—约束(2)Optimization—示例1甲烷在管式反应器中进行高温偶联脱氢制乙烯，发生的主要化学反应及其反应动力学表达式如下(分压的单位为Pa)：142422CHCH2Hk4431kmol/ms)CHCHrkP(187125101123510127315127315TkRT..exp..224222CHCHHk242432(kmol/ms)CHCHrkP187213101111410127315127315..exp..TkRT1)2)Optimization—示例1(续)化学反应在250根内径25mm的反应管内进行，反应管外用2000C的高温燃气加热，传热系数为200W/m2K。由于制造反应管的材料限制，反应管内最高温度不得超过1200C，最大压强不得超过0.3MPa，反应管长度不得超过10m。原料甲烷的流量为10000kg/hr，压力0.3MPa。求：1)乙烯（C2H4）的最大产率（kg/hr）；2)获取乙烯最大产率所需的反应管长度、反应器进料温度和反应器进口压强。