第2讲-化工模拟软件ProII反应器的模拟

第第22讲讲反应器反应器的模拟的模拟《《ProIIProII与化工过程模拟与化工过程模拟》》化工过程合成方法反应器分离与再循环系统换热网络公用工程OnionModel－“洋葱”模型¾¾化学反应器是整个化工工艺流程的核化学反应器是整个化工工艺流程的核心，是实现化学物质转化的必要工序心，是实现化学物质转化的必要工序¾¾为保证目的产品组分的产率和选择性，为保证目的产品组分的产率和选择性，必须确定适宜的反应器类型和反应器网必须确定适宜的反应器类型和反应器网络。络。ProIIProII中反应器的分类中反应器的分类1.1.生成能力类反应器生成能力类反应器转化率反应器转化率反应器2.2.平衡类反应器平衡类反应器平衡反应器平衡反应器吉布斯反应器吉布斯反应器3.3.动力学类反应器动力学类反应器全混流反应器全混流反应器平推流反应器平推流反应器间歇式反应器间歇式反应器本讲本讲目的目的ƒƒ熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型以及它们在过程模拟中的应用；以及它们在过程模拟中的应用；ƒƒ了解特定的反应过程的特点，选择相适应了解特定的反应过程的特点，选择相适应的反应器类型或反应器网络，保证所需产的反应器类型或反应器网络，保证所需产品组分足够的产率和选择性。品组分足够的产率和选择性。((一一))生产能力类反应器生产能力类反应器转化反应器转化反应器ConversionReactorConversionReactor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ConversionReactorConversionReactor——转化反应器转化反应器性质：按照化学反应方程式中的计量关系进行反应，有并行反应和串联反应两种方式，分别指定每一反应的转化率或产量。用途：已知化学反应方程式和每一反应的转化率，不知化学动力学关系。ConversionReactor—模型参数ConversionReactorConversionReactor——模型参数模型参数11、、化学反应化学反应(Reactionset)(Reactionset)22、、热状态热状态(Thermalspecification)(Thermalspecification)33、、操作单元操作单元反应反应(Unitreactiondefinitions)(Unitreactiondefinitions)44、、反应程度反应程度(Extentofreaction)(Extentofreaction)44、、压力压力(Pressure)(Pressure)55、、反应器数据反应器数据(Reactordata)(Reactordata)66、、选择热力学模型选择热力学模型(Thermodynamics)(Thermodynamics)ConversionReactor—反应设定ConversionReactorConversionReactor——反应设定反应设定选择在化学反应规定中定义的化学反应选择在化学反应规定中定义的化学反应ConversionReactor—反应器热状态ConversionReactorConversionReactor——反应器热状态反应器热状态设定反应热的计算类型：1)指定反应器温升2)指定反应器温度3)指定反应器热负荷设定反应热的计算类设定反应热的计算类型：型：1)1)指定反应器温升指定反应器温升2)2)指定反应器温度指定反应器温度3)3)指定反应器热负荷指定反应器热负荷ConversionReactorConversionReactor——压力压力1)1)指定反应器出口压力指定反应器出口压力2)2)指定反应器压力降指定反应器压力降输入反应转化率输入反应转化率ConversionReactorConversionReactor——示例（示例（11））甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为为：：22244HCOO2HCH+↔+原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为11::44，流，流量为量为100100kmolkmol/hr/hr。。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为压为0.10130.1013MPaMPa，，温度为温度为750750℃℃，当反应器出，当反应器出口处口处CHCH44转化率为转化率为73%73%时，时，COCO22和和HH22的产量是的产量是多少？反应热负荷是多少？多少？反应热负荷是多少？ConversionReactorConversionReactor——示例（示例（22））反应和原料同示例反应和原料同示例（（11），），若反若反应在恒压及绝热条件下进行，系统应在恒压及绝热条件下进行，系统总压为总压为0.10130.1013MPaMPa，，反应器进口温度反应器进口温度为为950950℃℃，，当反应器出口处当反应器出口处CHCH44转化转化率为率为73%73%时，反应器出口温度是多时，反应器出口温度是多少？少？（二）热力学平衡类反应器（二）热力学平衡类反应器11、、平衡反应器平衡反应器（（EquilibriumReactorEquilibriumReactor））平衡常数法求解产物组成平衡常数法求解产物组成22、、吉布斯反应器吉布斯反应器（（GibbsReactorGibbsReactor））最小自由焓法求解产物组成最小自由焓法求解产物组成根据热力学平衡条件计算反应结果，不考虑动力学可行性。EquilibriumReactorEquilibriumReactor——平衡反应器平衡反应器性质：根据化学反应方程式进行反应，按照化学平衡关系式达到化学平衡，并同时达到相平衡。用途：已知反应历程和平衡反应的反应方程式，不考虑动力学可行性，计算同时达到化学平衡和相平衡的结果。EquilibriumReactor—模型参数EquilibriumReactorEquilibriumReactor——模型参数模型参数11、、化学反应化学反应(Reactionset)(Reactionset)22、、热状态热状态(Thermalspecification)(Thermalspecification)33、、操作单元操作单元反应反应(Unitreactiondefinitions)(Unitreactiondefinitions)44、、反应程度反应程度(Extentofreaction)(Extentofreaction)55、、压力压力(Pressure)(Pressure)66、、反应器数据反应器数据(Reactordata)(Reactordata)77、、热力学模型热力学模型(Thermodynamics)(Thermodynamics)操作单元操作单元反应反应(Unitreactiondefinitions)(Unitreactiondefinitions)选择化学反应选择化学反应规定反应器操作相态规定反应器操作相态(V,L,V(V,L,V--L,VL,V--LL--L)L)独立反应数独立反应数==化学物质数化学物质数--原子数原子数化学平衡常数化学平衡常数KRTGln−=ΔΘ2lnRTHdTKdRΘΔ=(标准状态下）（其它温度下）一般提供下列表达式：一般提供下列表达式：¾¾lnK=A+B/T+ClnT+DT+ETlnK=A+B/T+ClnT+DT+ET22………………若假定温度对反应热影响不大，则：若假定温度对反应热影响不大，则：lnK=A+B/TlnK=A+B/T在在UnitUnitEqullibriumEqullibriumDataData中输入的平衡常数将取中输入的平衡常数将取代在代在ReactionDataReactionData--ReactionReactionEquillibriumEquillibriumDataData中中输入的平衡常数输入的平衡常数规定了反应程度后，平衡常数根据下列温度计算规定了反应程度后，平衡常数根据下列温度计算ExtentofReactionExtentofReactionT=TReaction-ΔT(吸热反应)T=TReaction＋ΔT(放热反应)TReaction-指定的反应温度T-计算平衡常数的温度TemperatureapproachActualConversion=Approach*EquilibriumConversionApproach=A+B·T+C·T2反应程度或可规定为：EquilibriumReactorEquilibriumReactor——示例示例（（11））甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：2243HCOOHCH+↔+原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4，流量为100kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750℃，当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？222HCOOHCO+↔+EquilibriumReactorEquilibriumReactor——示例（示例（22））分析示例（1）中反应温度在300‾1000℃范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率的影响。EquilibriumReactorEquilibriumReactor——练习（练习（11））将示例(1)中的反应温度设为1000℃，分别分析反应(1)和反应(2)的平衡温差在–200‾0℃范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率和CO/CO2摩尔比的影响。GibbsGibbsReactorReactor——吉布斯反应器吉布斯反应器性质：根据系统的Gibbs自由能趋于最小值的原则，计算同时达到化学平衡和相平衡时的系统组成和相分布。用途：已知（或未知）化学反应式，不知道反应历程和动力学可行性，估算可能达到的化学平衡和相平衡结果。¾¾对单相系统，规定对单相系统，规定TT和和PP下的总吉布斯能由下式下的总吉布斯能由下式给出给出::式中式中NNii和分别是平衡混合物中组分和分别是平衡混合物中组分ii的摩尔数和的摩尔数和偏摩尔吉布斯能。组分包括进料组分及可能由偏摩尔吉布斯能。组分包括进料组分及可能由化学反应产生的组分。化学反应产生的组分。在受原子衡算约束的条在受原子衡算约束的条件下，件下，总吉布斯能对总吉布斯能对NNii最小化。这种方法容易最小化。这种方法容易推广到多相系统。推广到多相系统。∑=−=CiiiGNG1GibbsReactor—模型参数GibbsGibbsReactorReactor——模型参数模型参数1、化学反应(Reactionset)2、热状态(Thermalspecification)3、操作单元反应(Unitreactiondefinitions)4、反应程度(Extentofreaction)5、压力(Pressure)6、反应器数据(Reactordata)7、热力学模型(Thermodynamics)¾¾热热状态状态1)1)定义输入物流的温度定义输入物流的温度2)2)规定反应器温度规定反应器温度3)3)规定反应器热负荷规定反应器热负荷¾¾操作单元操作单元反应反应(Unitreaction(Unitreactiondefinitions)definitions)选择化学反应选择化学反应规定反应器操作相态规定反应器操作相态(V,L,V(V,L,V--L,VL,V--LL--L)L)独立反应数独立反应数==化学物质数化学物质数--有效原子数有效原子数进出口物流的规定：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；（ProductPhases)11、可以有任意数量的进料物流股，进、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口压力为多股物流中的最低压力值；值；22、最多可有四股出料物流股，每股的、最多可有四股出料物流股，每股的相态可以指定；（相态可以指定；（ProductPhases)ProductPhase