第5讲ASPENPLUS反应器的模拟与优化

1、第第5 5讲讲 aspen plusaspen plus反应器的反应器的 模拟与优化模拟与优化 目录 1.生成能力类反应器生成能力类反应器 化学计量反应器化学计量反应器 (rstoic) 产率反应器产率反应器 (ryield) 2.平衡类反应器平衡类反应器 平衡反应器平衡反应器 (requil) 吉布斯反应器吉布斯反应器 (rgibbs) 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 (rcstr) 平推流反应器平推流反应器 (rplug) 间歇式反应器间歇式反应器 (rbatch) 2 3 n化学反应器是整个化工工艺流程的核心，化学反应器是整个化工工艺流程的核心， 是实现化学物

2、质转化的必要工序是实现化学物质转化的必要工序 4 n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， 必须选择适宜的反应器类型和反应器网必须选择适宜的反应器类型和反应器网 络。络。 5 pfr cstr cstr pfr pfr cstr cstr pfr 本讲目的 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； 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

3、足够的产率和选择性。 6 （一）生产能力类反应器（一）生产能力类反应器 rstoic rstoic 化学计量反应化学计量反应 器器 性质：按照化学反应方程式中的计量关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，分别指定每一反反应两种方式，分别指定每一反 应的转化率或产量。应的转化率或产量。 用途：已知化学反应方程式和每一反应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。的转化率，不知化学动力学关系。 7 rstoicrstoic 化学计量反应器化学计量反应器 模型参数 8 rstoic 选择性 9 ideal real a

4、p ap ap s / / , p代表选定组分代表选定组分 (selected) p的生成摩尔数；的生成摩尔数； a代表参照组分代表参照组分 (reference) a的消耗摩尔数；的消耗摩尔数； real 代表反应器内的实际情况；代表反应器内的实际情况； ideal 代表只有代表只有ap一个反应发生时的情况。一个反应发生时的情况。 rstoic计算例计算例5.1 序号序号反应反应转化率转化率 11-butene isobutylene0.36 24 (1-butene) propylene(丙二醇丙二醇) + 2-methyl-2-butene + 1- octene(辛烯辛烯) 0.04

5、3cis-2-butene isobutylene0.36 44 (cis-2-butene) propylene + 2-methyl-2-butene + 1-octene0.04 5trans-2-butene isobutylene0.36 64 (trans-2-butene) propylene + 2-methyl-2-butene + 1- octene 0.04 丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含1-1-丁烯、正丁烷、丁烯、正丁烷、 顺顺-2-2-丁烯、反丁烯、反-2-2-丁烯和异丁烯，发生的反应如下所示：丁烯和异丁烯，发生的反应如下

6、所示： 10 进料流股的温度为进料流股的温度为1616，压力为，压力为1.9 atm1.9 atm，进料组成如下表所示：，进料组成如下表所示： 组分组分流量（流量（kg/hr） 正丁烷正丁烷（n-butane）35000 1-丁烯丁烯（1-butene）10000 顺顺-2-丁烯丁烯（cis-2-butene）4500 反反-2-丁烯丁烯（trans-2-butane）6800 异丁烯异丁烯（isobutene）1450 热力学模型选择热力学模型选择rk-soaverk-soave。 反应器操作条件：反应器操作条件：温度为温度为400400，压力为，压力为1.9 atm1.9 atm。 请采用

7、请采用rstoicrstoic模型确定反应物料的组成、由模型确定反应物料的组成、由1-1-丁烯转化为异丁烯转化为异 丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热。丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热。 11 （一）生产能力类反应器（一）生产能力类反应器 ryieldryield产率反应器产率反应器 12 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。 产率指的是某种生成物的实际产量与理论产量的比值！ ryield 模块有五组模型参数： 1、模型设定 (specifications) 2、产率 (y

8、ield) 3、闪蒸选项 (flash options) 4、粒度分布 (psd) 5、组分属性 (component attr.) 13 ryield 产率 14 ryield 示例5.2 15 2224 4hcoo2hch 深入讨论： n若在示例的原料气中加入 25 kmol/hr 氮气 ，其余条件不变，计算结果会发生什么变 化？ n以示例的结果为基础，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？ 16 （二）热力学平衡类反应器（二）热力学平衡类反应器 根据热力学平衡条件计算反应结果，根据热力学平衡条件计算反应结果， 不考虑动力学可行性。不考虑动力学可行性。

9、 17 requilrequil 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，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按照化学平衡关系式达到化学平 衡，并同时达到相平衡。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，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计算同时达到化学平衡和相平衡 的结果。的结果。 18 requil requil 模型参数模型参数 模块有四组模型参数：模块有四组模型参数： 19 ： 1、操作条件、操作条件 (operation conditions) (1

10、) 压力；压力； (2) 温度温度/蒸汽分率蒸汽分率/热负荷热负荷 2、有效相态、有效相态 (valid phases) 汽汽 / 液液 / 固固 / 汽汽-液液 / 汽汽-液液-液液 / 液液-游离水游离水 / 汽汽-液液-游离水游离水 20 krtgln 2 ln rt h dt kd r (标准状态下） （其它温度下） 化学平衡常数化学平衡常数 21 吉布斯自由能的变化 范特霍夫方程 requil 由gibbs 自由能计算平衡常数。 你能够通过下列之一限制平衡： （1）任何反应的摩尔程度 （2）化学平衡接近温度对任何反应 t=treaction - t (吸热反应） t=treactio

11、n+t (放热反应） 接近温度 如果你规定接近温度t ，则requil 估计在t+t时的化学 平衡常数。这里的 t 是反应温度（规定的或计算的）。 22 23 equilibrium reactorequilibrium reactor 示例示例 （1 1） 甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为： 224 3hcoohch 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1 1 4 4，流，流 量为量为100 kmol/hr100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件。若反应在恒压及等温条件 下进行，系统总压为下进行，系统总压为0.1013 m

12、pa0.1013 mpa，温度为，温度为750 750 ，当反应器出口处达到平衡时，当反应器出口处达到平衡时，coco2 2和和h h2 2的产的产 量是多少？反应热负荷是多少？量是多少？反应热负荷是多少？ 222 hcoohco 24 深入讨论： n分析示例中反应温度在分析示例中反应温度在300-1000 300-1000 范围变范围变 化时对反应器出口物流化时对反应器出口物流chch4 4质量分率的影响质量分率的影响 。 n将示例中的反应温度设为将示例中的反应温度设为1000 1000 ，分别分，分别分 析反应析反应(1)(1)和反应和反应(2)(2)的平衡温差在的平衡温差在 200 -

13、200 - 0 0 范围变化时对反应器出口物流范围变化时对反应器出口物流chch4 4质量质量 分率和分率和co/coco/co2 2摩尔比的影响。摩尔比的影响。 25 rgibbsrgibbs吉布斯反应器 性质：性质：根据系统的根据系统的gibbsgibbs自由能趋于最自由能趋于最 小值的原则，计算同时达到化学小值的原则，计算同时达到化学 平衡和相平衡时的系统组成和相平衡和相平衡时的系统组成和相 分布。分布。 用途：已知（或未知）化学反应式，不已知（或未知）化学反应式，不 知道反应历程和动力学可行性，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估算可能达到的化学平衡和相平 衡结

14、果。衡结果。 26 n对单相系统，规定对单相系统，规定t t和和p p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n ni i和和 分别是平衡混合物中组分分别是平衡混合物中组分i i的摩的摩 尔数和偏摩尔吉布斯能。组分包括进料组分及尔数和偏摩尔吉布斯能。组分包括进料组分及 可能由化学反应产生的组分。可能由化学反应产生的组分。在受原子衡算约在受原子衡算约 束的条件下，束的条件下，总吉布斯能对总吉布斯能对n ni i最小化。这种方最小化。这种方 法容易推广到多相系统。法容易推广到多相系统。 c i i i gng 1 27 ig 28 在恒温恒压且无非体积功的条 件下，自发过

15、程总是向着吉布斯函 数减少的方向进行，直至系统的吉 布斯函数不再改变(dg0)，或者 减少到该条件下的最小值时，系统 便处于平衡态。 29 有三种选择：有三种选择： 30 31 32 33 有两种选择：有两种选择： 34 35 36 37 有两种选择：有两种选择： 38 39 2、指定各个化学反应平衡温差、指定各个化学反应平衡温差 40 rgibbsrgibbs 例5.4 甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为： 224 3hcoohch 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1 4，流，流 量为量为100 kmol/hr。若反应在恒压

16、及等温条件下。若反应在恒压及等温条件下 进行，系统总压为进行，系统总压为0.1013 mpa，温度为，温度为750 ， 当反应器出口处达到平衡时，当反应器出口处达到平衡时，coco2 2和和h h2 2的产量的产量 是多少？反应热负荷是多少？与是多少？反应热负荷是多少？与rere的结的结 果进行比较。果进行比较。 222 hcoohco 41 深入讨论： n若在示例中的原料气中加入若在示例中的原料气中加入25 25 kmolkmol/hr /hr 的氮气，并考虑氮与氢结合生的氮气，并考虑氮与氢结合生 成氨的副反应，求反应器出口物流中成氨的副反应，求反应器出口物流中 chch4 4和和nhnh3

17、 3的质量分率。如果氮为惰性的质量分率。如果氮为惰性 组份，结果有什么变化？组份，结果有什么变化？ 42 gibbs反应器的评价 优点：优点： 1)可避免写出化学计量方程的必要性（只可避免写出化学计量方程的必要性（只 需要规定可能的产物）需要规定可能的产物） 2)容易构造多相和同时存在相平衡的计算容易构造多相和同时存在相平衡的计算 问题问题 缺点：缺点： 可能产生不正确的结果，因为它们隐含可能产生不正确的结果，因为它们隐含 动力学上不可能的反应。动力学上不可能的反应。 43 （三）化学动力学类反应器（三）化学动力学类反应器 转化率和平衡反应器模型在过程设计的转化率和平衡反应器模型在过程设计的

18、初期进行物料和能量衡算研究时是有用初期进行物料和能量衡算研究时是有用 的。但是，最终反应器系统必须确定结的。但是，最终反应器系统必须确定结 构和大小，在实验室研究获得化学动力构和大小，在实验室研究获得化学动力 学的相关数据的基础上即可进行反应器学的相关数据的基础上即可进行反应器 结构和大小的设计。结构和大小的设计。 44 1 1、全混釜反应器、全混釜反应器 continuous stirred tank reactorcontinuous stirred tank reactor 2 2、平推流反应器、平推流反应器 plug flow reactorplug flow reactor 3 3、

19、间歇釜反应器、间歇釜反应器 batch reactorbatch reactor 根据化学动力学计算反应结果根据化学动力学计算反应结果 45 cstr 全混釜反应器 n最简单的动力学反应器模型是最简单的动力学反应器模型是cstrcstr（连（连 续搅拌釜式反应器），在该模型中反应续搅拌釜式反应器），在该模型中反应 器内物料假定为理想混合。于是，假定器内物料假定为理想混合。于是，假定 整个反应器体积的组成和温度是均匀的，整个反应器体积的组成和温度是均匀的， 并等于反应器出口物流的组成和温度。并等于反应器出口物流的组成和温度。 46 cstreactor全混釜反应 器 性质：性质：釜内达到理想混合

20、。可模拟单相、釜内达到理想混合。可模拟单相、 两相的体系。可同时处理动力学两相的体系。可同时处理动力学 控制和平衡控制两类反应。控制和平衡控制两类反应。 用途：用途：已知化学反应式、动力学方程和已知化学反应式、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，以及反应器热负积和反应时间，以及反应器热负 荷。荷。 cstr 全混釜反应器 47 rcstr模块有两组模型参数：模块有两组模型参数： 1、操作条件操作条件 (operation conditions) 1) 压力压力 (pressure) 2) 温度温度/热负荷热负荷(temperature/heat

21、 duty) 2、持料状态持料状态 (holdup) 1) 有效相态有效相态 (valid phases) 2) 设定方式设定方式 (specification type) 48 cstr设计方程 物料衡算方程物料衡算方程 能量衡算方程能量衡算方程 0 0 n araav ctkvccq 0 0 ttuactkvhttcq cr n arpv 49 00 11 exp ttr e n t t k动力学因子 ： 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 cstr 例5.5 甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品： 反应速率方程式如右：反

22、应速率方程式如右： 式中：式中： (d)(c)(b)(a) o6hnchhcho64nh 24 6 23 hmkmolckcr baa 3 2 / hkmolm rt kmolj k 26 7 / )/(1057. 2 exp1420 61 例5.5 62 rplug 平推流反应器 在在pfrpfr反应器中如活塞流动的流体的组成反应器中如活塞流动的流体的组成 沿反应器长度逐渐变化，但不存在径向沿反应器长度逐渐变化，但不存在径向 组成或浓度梯度。而且，径向的质量和组成或浓度梯度。而且，径向的质量和 热量传递可忽略热量传递可忽略 pfrpfr内的流体完全不混合，所有流体微元内的流体完全不混合，所有

23、流体微元 在反应器中具有相同的停留时间在反应器中具有相同的停留时间 63 rplug 平推流反应器 性质：性质：反应器内完全没有返混。可模拟反应器内完全没有返混。可模拟 换热夹套。换热夹套。 用途：用途：已知化学反应式和动力学方程，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，以及反应器热负的反应器体积，以及反应器热负 荷。荷。 64 模块有四组模型参数：模块有四组模型参数： 65 1、指定温度的反应器、指定温度的反应器 (reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度：，有三种方式设定操作温度： 1) 进料温度下的恒温进料温度下的恒温 (constant at inlet temperature) 2) 指定反应器温度指定反应器温度 (constant at specified reactor temperature) 3) 温度剖形温度剖形 (temperature profile)，指定沿反应器，指定沿反应器 长度的温度分布长度的温度分布 66 2、绝热反应器、绝热反应器 只需在反应器