AspenPlus初级课程-反应器单元.ppt

Aspen Plus 使用方法,Reactor Models 反应器模块,反应器模块的类别,生产能力类反应器（2种） 热力学平衡类反应器（2种） 化学动力学类反应器（3种）,分为三大类七种反应器：,生产能力类反应器,1、化学计量反应器（RStoic） Stoichiometric Reactor 2、产率反应器（RYield） Yield Reactor,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。 包含两种反应器。,RStoic 化学计量反应器,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或产量，不知化学动力学关系。,RStoic 连接,RStoic 示例（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。 若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750 ，当反应器出口处CH4转化率为73%时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？,RStoic 示例（2）,反应和原料同示例（1），若反应在恒压及绝热条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，反应器进口温度为950 ，当反应器出口处CH4转化率为73%时，反应器出口温度是多少？,RYield产率反应器,性质：根据每一种产与输入物流间的产率关系进行反应，只考虑总质量平衡，不考虑元素平衡。,用途：只知化学反应式和各产物间的相对产率，不知化学计量关系。,RYield 连接,RYield 示例（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750 ，如果反应器出口物流中摩尔比率CH4 H2O : CO2 : H2等于1 : 2 : 3 : 4时，CO2和H2的产量是多少？需要移走的反应热负荷是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元素平衡？,RYield 示例（2）,若在示例（1）的原料气中加入 25 kmol/hr 氮气，其余条件不变，计算结果会发生什么变化？,RYield 示例（3）,以示例（2）的结果为基础，在Ryied模块的产率设置项中将氮气设置为惰性组份，重新计算，结果如何？,热力学平衡类反应器,1、平衡反应器（REquil） Equilibrium Reactor 2、吉布斯反应器（RGibbs） Gibbs Reactor,根据热力学平衡条件计算反应结果，不考虑动力学可行性。 包含两种反应器。,REquil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。,REquil 连接,REquil 示例（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，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？,REquil 示例（2）,分析示例（1）中反应温度在3001000 范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率的影响。,REquil 示例（3）,将示例(1)中的反应温度设为1000 ，分别分析反应(1)和反应(2)的趋近平衡温度在 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。,RGibbs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。,RGibbs 连接,RGibbs 示例（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，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？与REquil的结果进行比较。,RGibbs 示例（2）,若在示例(1)中的原料气中加入25 kmol/hr 的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副反应，求反应器出口物流中CH4和NH3的质量分率。如果将氮设为惰性组份，结果有什么变化？,化学动力学类反应器,1、全混釜反应器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor 2、平推流反应器（RPlug） Plug Flow Reactor 3、间歇釜反应器（RBatch) Batch Reactor,根据化学动力学计算反应结果。 包含三种反应器。,RCSTR全混釜反应器,性质：釜内达到理想混合。可模拟单、两、三相的体系，并可处理固体。可同时处理动力学控制和平衡控制两类反应。,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。,RCSTR 连接,RCSTR 模型参数,RCSTR模块有两组模型参数：,1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty),RCSTR 模型参数,RCSTR模块有两组模型参数：,2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification Type),RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,1、反应器体积 (Reactor Volume) 只需输入反应器的体积。,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,2、停留时间 (Residence Time) 只需输入物料在反应器中的平均停留时间。,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,3、反应器体积和相体积 (Reactor Volume & Phase Volume) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的体积。,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,4、反应器体积和相体积分率 (Reactor Volume & Phase Volume Fraction) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的体积分率。,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,5、反应器体积和相停留时间 (Reactor Volume & Phase Residence Time) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相在反应器中的停留时间。,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,6、停留时间和相体积分率 (Residence Time & Phase Volume Fraction) 必须输入物料在反应器中的总平均停留时间和气相/凝聚相所占的体积分率。,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,7、相停留时间和体积分率 (Phase Residence Time & Volume Fraction) 必须输入气相/凝聚相在反应器中的停留时间和所占的体积分率。,RCSTR 选择反应,RCSTR中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象来设定。,Reactions 化学反应对象,用途：为三类动力学反应器模块和RadFrac 模块提供反应的计量关系、平衡关系和动力学关系。,Reactions 对象类型,创建化学反应对象时，需赋予对象ID和选择对象类型。我们可用的类型有三种： 1、LHHW 型 (Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson) 2、幂律型 (Power Law) 3、反应精馏型 (Reac-Dist),Reactions 反应设定,每一个化学反应对象可以包含多个化学反应，每个反应都要设定计量学参数和动力学参数/平衡参数。 1、计量学参数(Stoichiometry) 2、动力学参数 (Kinetic) 3、平衡参数 (Equilibrium),RCSTR 示例（1）,甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：,反应器容积为5m3，装填系数为0.6，输入氮气作为保护气体。为了保证釜内的惰性环境，输入氮气量应该使出釜物料的气相分率保持在0.001左右。加料氨水的浓度为4.1kmol/m3，流量为32.5 m3/hr。加料甲醛水溶液的浓度为6.3 kmol/m3，流量为32.5m3/hr。求35C下乌洛托品的产量和输入氮气流量 ，并分析反应温度在2060C范围里对甲醛转化率的影响。,反应速率方程式如右：,式中：,RPlug 平推流反应器,性质：反应器内完全没有返混。可模拟单、两、三相的体系。只能处理动力学控制反应。可模拟换热夹套。,用途：已知化学反应式和动力学方程，计算所能达到的转化率，或所需的反应器体积，以及反应器热负荷。,RPlug 连接 (1),RPlug 连接 (2),RPlug 示例（1）,丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：,反应器长5米、内径0.5米，压降可忽略。加料为丁二烯和乙烯的等摩尔常压混合物，温度为440C。如果反应在绝热条件下进行，要求丁二烯的转化率达到12%，试求环己烯的产量 。,反应速率方程式如右：,式中：,RPlug 示例（2）,作出示例(1)中温度和环己烯摩尔分率沿反应器长度的分布图 。 分析反应器压力在0.11.0 MPa 范围内对环己烯产量的影响。,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 连接,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=100C，P=3bar，操作周期2.5hr。加料为水溶液，T=40C，处理量1m3/hr，含乙醇10.2 kmol/m3、乙酸3.908 kmol/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。,反应速率方程式如下：,式中：,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=40C; t=15min, T=80C; t=30min, T=100C; t=110min, T=100C; t=140min, T=40C。 求乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的