化工设计-13反应器教材

1、化工设计 任课教师：张宇第八章第八章 反应设备工艺设计反应设备工艺设计反应器分类反应器分类1. 按操作是否连续：按操作是否连续：非稳定操作非稳定操作(间歇式反应器、半间歇式反应间歇式反应器、半间歇式反应器器)、稳定操作、稳定操作(连续反应器连续反应器)。2. 按反应器形状：按反应器形状：槽式反应器槽式反应器(反应釜反应釜)：单釜式、多釜串联式；：单釜式、多釜串联式；管式管式(塔式塔式)反应器：空管型、塔式型、固定床、流化床、螺杆式。反应器：空管型、塔式型、固定床、流化床、螺杆式。3. 按反应物相态：按反应物相态：均相反应器：气相反应器、液相反应器；非均相反应器：气相反应器、液相反应器；非均均相

2、反应器：相反应器：气气-液液相反应器、气相反应器、气-固相反应器、液固相反应器、液-液相反应器、液相反应器、液液-固相反应器、气固相反应器、气-液液-固相反应器固相反应器 。4. 按热处理方法：按热处理方法：等温反应器、非等温反应器。等温反应器、非等温反应器。1、釜式反应器、釜式反应器：通用性很大，造价不高，用途最广。既：通用性很大，造价不高，用途最广。既可连续操作，也可间歇操作，连续操作时还可多个釜可连续操作，也可间歇操作，连续操作时还可多个釜串联反应，停留时间可有效控制。系列反应釜的传热串联反应，停留时间可有效控制。系列反应釜的传热面积和搅拌形式基本上是既定的，在选型时如不能选面积和搅拌形

3、式基本上是既定的，在选型时如不能选用系列化产品应提出设计条件，依修改型加工。用系列化产品应提出设计条件，依修改型加工。2、管式反应器、管式反应器：传热面积大，传热系数较高，反应可连：传热面积大，传热系数较高，反应可连续化，流体流动快，物料停留时间短，经过一定的控续化，流体流动快，物料停留时间短，经过一定的控制手段，可以使管式反应器有一定的温度梯度和浓度制手段，可以使管式反应器有一定的温度梯度和浓度梯度。管长和管径是反应器的主要指标。梯度。管长和管径是反应器的主要指标。常见反应器常见反应器3、固定床反应器、固定床反应器：主要用于气：主要用于气-固相反应，其结构简单固相反应，其结构简单，操作温度，

4、便于控制，易于实现连续化。但床层温，操作温度，便于控制，易于实现连续化。但床层温度分布不容易均匀，由于固相粒子不动，床层导热性度分布不容易均匀，由于固相粒子不动，床层导热性不太好，对于放热量较大的反应，应增大传热面积，不太好，对于放热量较大的反应，应增大传热面积，及时移走反应热，但相应地减小了有效空间。及时移走反应热，但相应地减小了有效空间。4、流化床反应器、流化床反应器：固定粒子在高速流体的作用下被扰动：固定粒子在高速流体的作用下被扰动悬浮起来，剧烈运动，固体的运动形态接近于可以流悬浮起来，剧烈运动，固体的运动形态接近于可以流动的流体，适用于气动的流体，适用于气-固和液固和液-固相反应。但体

5、系内物固相反应。但体系内物料返混严重，粒子磨损严重，通常要有粒子回收和集料返混严重，粒子磨损严重，通常要有粒子回收和集尘装置。尘装置。常见反应器常见反应器反应器模块的类别反应器模块的类别 生产能力类反应器生产能力类反应器(2种种) 热力学平衡类反应器热力学平衡类反应器(2种种) 化学动力学类反应器化学动力学类反应器(3种种)分为三大类七种反应器：分为三大类七种反应器：生产能力类反应器生产能力类反应器1、化学计量反应器、化学计量反应器(RStoic) Stoichiometric Reactor2、产率反应器、产率反应器(RYield) Yield Reactor由用户指定生产能力，不考虑热力学

6、可能性和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。动力学可行性。包含两种反应器包含两种反应器。RStoic 化学计量反应器化学计量反应器性质：性质：按照化学反应方程式中的计量关系进行反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。别指定每一反应的转化率或产量。用途：用途：已知化学反应方程式和每一反应的转化率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。或产量，不知化学动力学关系。RStoic 连接连接RStoic 模型参数模型参数RStoic 模块有七组模型参数：模块有七组

7、模型参数：1、模型设定、模型设定 (Specifications)2、化学反应、化学反应 (Reactions)3、燃烧、燃烧 (Combustion)4、反应热、反应热 (Heat of Reaction)5、选择性、选择性 (Selectivity)6、粒度分布、粒度分布 (PSD)7、组分属性、组分属性 (Component Attr.)RStoic 模型设定模型设定设定操作条件和有效相态设定操作条件和有效相态：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

8、duty)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RStoic 化学反应化学反应定义定义RStoic中进行的每一个化学反应的编中进行的每一个化学反应的编号、化学计量关系、产物生成速率或反应物转号、化学计量关系、产物生成速率或反应物转化率。并指明计算多个反应的转化率时是否按化率。并指明计算多个反应的转化率时是否按照串联反应方式计算。照串联反应方式计算。RStoic 反应热反应热 设定反应热的计算类型设定反应热的计算类型(Calculation type)和参照条件和参

9、照条件(Reference condition)： 1、不计算反应热、不计算反应热 (Do not calculate heat of reaction) 2、计算反应热、计算反应热 (Calculate heat of reaction) 3、用户指定反应热、用户指定反应热 (Specify heat of reaction)RStoic 选择性选择性计算对于选定组分的选择性，其定义为：计算对于选定组分的选择性，其定义为：idealrealAPAPAPS/,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

10、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 示例示例(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：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1 4，流量为，流量为100 kmol/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0.1013 MPa，温度为，温度为750 ，当反应器出口，当反应器出口处处CH4转化率为转化率为73%时，时，CO2

11、和和H2的产量是多少？的产量是多少？反应热负荷是多少？反应热负荷是多少？ RStoic 示例示例(2)反应和原料同示例反应和原料同示例(1)，若反应在恒压及，若反应在恒压及绝热条件下进行，系统总压为绝热条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，反，反应器进口温度为应器进口温度为950 ，当反应器出口处，当反应器出口处CH4转化率为转化率为73%时，反应器出口温度是多少？时，反应器出口温度是多少？ RStoic 示例示例(3)在示例在示例(1)中增加甲烷部分氧化反应如下式：中增加甲烷部分氧化反应如下式：4222CH3O2CO+4H O并在原料气中加入并在原料气中加入15 kmol/hr的氧气。

12、若上述两的氧气。若上述两个反应中个反应中CH4转化率均为转化率均为43%时，产品物流中时，产品物流中CO、H2O、CO2和和H2的流量各是多少？如果将的流量各是多少？如果将反应设为串联进行，上述流量又各是多少？以反应设为串联进行，上述流量又各是多少？以上两个反应的反应热各是多少？上两个反应的反应热各是多少？ RYield 产率反应器产率反应器性质：性质：根据每一种产与输入物流间的产率关系进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，不考虑元素行反应，只考虑总质量平衡，不考虑元素平衡。平衡。用途：用途：只知化学反应式和各产物间的相对产率，只知化学反应式和各产物间的相对产率，不知

13、化学计量关系。不知化学计量关系。RYield 连接连接RYield 模型参数模型参数RYield 模块有六组模型参数：模块有六组模型参数：1、模型设定、模型设定 (Specifications)2、产率、产率 (Yield)3、闪蒸选项、闪蒸选项 (Flash Options)4、粒度分布、粒度分布 (PSD)5、组分属性、组分属性 (Comp. Attr.)6、组分映射、组分映射 (Comp. Mapping)RYield 模型设定模型设定模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：1、操作条件、操作条件 (Operation Conditions) (1

14、) 压强；压强； (2) 温度温度/热负荷热负荷/温度改变温度改变 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RYield 产率产率产率设置有四个选项：产率设置有四个选项： 1、组分产率、组分产率 (Component yields) 2、组分映射、组分映射 (Component mapping) 3、石油馏分表征、石油馏分表征 (Petro characterization) 4、用户子程序、用户子程序 (User subroutine)RYield 组分产率组分产

15、率选择组分产率选项时，需指定相对于每选择组分产率选项时，需指定相对于每一单位质量非惰性进料而言，各种组分在出口一单位质量非惰性进料而言，各种组分在出口物流中的相对产率。物流中的相对产率。 还可以设定进料中的某些组分为不转化为还可以设定进料中的某些组分为不转化为产物的惰性组分产物的惰性组分(Inert Components)。RYield 组分映射组分映射 选择组分映射选项时，需在选择组分映射选项时，需在Comp. Mapping表单中设置各种结合表单中设置各种结合(Lump)反应反应和分解和分解(De-lump)反应所涉及的组分之间的反应所涉及的组分之间的定量关系。定量关系。RYield 示例

16、示例(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：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1 4，流量，流量为为100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，。反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为系统总压为 0.1013 MPa，温度为，温度为 750 ，如果反，如果反应器出口物流中摩尔比率应器出口物流中摩尔比率 CH4 H2O : CO2 : H2 等等于于 1 : 2 : 3 : 4 时，时，CO2和和H2的产量是多少？需要的产量是多少？需要移走的反应热负荷是多少？此结果是否满足总质移走的反应热负荷是

17、多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元素平衡？量平衡？是否满足元素平衡？ RYield 示例示例(2) 若 在 示 例若 在 示 例 ( 1 ) 的 原 料 气 中 加 入的 原 料 气 中 加 入 2 5 kmol/hr 氮气，其余条件不变，计算结果会氮气，其余条件不变，计算结果会发生什么变化？发生什么变化？RYield 示例示例(3)以示例以示例(2)的结果为基础，在的结果为基础，在 Ryied 模模块的产率设置项中将氮气设置为惰性组份，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？重新计算，结果如何？热力学平衡类反应器热力学平衡类反应器1、平衡反应器、平衡反应器(REqu

18、il) Equilibrium Reactor2、吉布斯反应器、吉布斯反应器(RGibbs) Gibbs Reactor根据热力学平衡条件计算体系发生化学反应根据热力学平衡条件计算体系发生化学反应的结果，不考虑动力学可行性。该类别包含两种的结果，不考虑动力学可行性。该类别包含两种反应器。反应器。REquil 平衡反应器平衡反应器性质：性质：根据化学反应方程式进行反应，按照化学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，并同时达到相平衡关系式达到化学平衡，并同时达到相平衡。平衡。用途：用途：已知反应历程和平衡反应的反应方程式，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

19、，计算同时达到化学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。平衡和相平衡的结果。REquil 连接连接REquil 模型参数模型参数REquil 模块有四组模型参数：模块有四组模型参数：1、模型设定、模型设定 (Specifications)2、化学反应、化学反应 (Reactions)3、收敛、收敛 (Convergence)4、液沫夹带、液沫夹带 (Entrainment)REquil 模型设定模型设定模型设定包含操作条件设定和有效相态设定模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：1、操作条件、操作条件 (Operation Conditions) (1) 压力；压力； (2)

20、 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REquil 化学反应化学反应定义定义REquil中进行的每一个化学反应的编中进行的每一个化学反应的编号、化学计量关系、产物生成比速率号、化学计量关系、产物生成比速率(Extend)或趋近平衡温度或趋近平衡温度(Temperature Approach)。比速率比速率=速率速率/化学计量系数化学计量系数趋近平衡温度趋近平衡温度=T意指在意指在T+T下计算化学反应下计算化学反应平衡平衡

21、REquil 示例示例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：2243HCOOHCH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，CO2和和H2的产量的产量是多少？反应热负荷是多少？是多少？反应热负荷是多少？222HCOOHCORGibbs 吉布斯反应器吉布斯反应器性质：性质：根据系统的根据系统的Gibbs自由能趋于最小值

22、的原则，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计算同时达到化学平衡和相平衡时的系统组成和相分布。组成和相分布。用途：用途：已知化学反应式，不知道反应历程和动力已知化学反应式，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学可行性，估算可能达到的化学平衡和相平衡结果。平衡结果。RGibbs 连接连接RGibbs 模型参数模型参数RGibbs 模块有五组模型参数：模块有五组模型参数：1、模型设定、模型设定 (Specifications)2、产物、产物 (Products)3、指定物流、指定物流 (Assign Steams) 4、惰性物、惰性物 (Inerts)5

23、、限制平衡、限制平衡 (Restricted Equilibrium)RGibbs 模型设定模型设定模型设定包含操作条件、计算选项和相态设定：模型设定包含操作条件、计算选项和相态设定：1、操作条件、操作条件 (Operation Conditions) (1) 压力；压力； (2) 温度温度/热负荷热负荷 2、计算选项、计算选项 (Calculation Options) 仅计算相平衡仅计算相平衡/同时计算化学平衡和相平衡同时计算化学平衡和相平衡/是否限制化学平衡是否限制化学平衡3、相态、相态 (Phases) 输入存在的相态数输入存在的相态数。RGibbs 产物产物有三种选择：有三种选择：1

24、、系统中的所有组分都可以是产物；、系统中的所有组分都可以是产物； RGibbs considers all components as products2、指定可能的产物组分；、指定可能的产物组分； Identify possible products3、定义产物存在的相态。、定义产物存在的相态。 Define phases in which products appear 1、系统中的所有组分都可以是产物、系统中的所有组分都可以是产物2、指定可能的产物组分、指定可能的产物组分3、定义产物存在的相态、定义产物存在的相态RGibbs 指定物流指定物流有两种选择：有两种选择：1、自动指定出口物流相态；、自动指定出口物流相态； RGibbs assigns phases to outlet streams 2、使用关键组分和截尾摩尔分率指定出口物流、使用关键组分和截尾摩尔分率指定出口物流相态；相态； Use key components & cutoff mole fraction to assigns phase