AspenPlu反应器模拟介绍

AspenPlus使用方法ReactorModels

反应器模块1精选课件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：2精选课件生产能力类反应器1、化学计量反应器（RStoic） StoichiometricReactor2、产率反应器（RYield） YieldReactor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。3精选课件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。4精选课件RStoic—连接5精选课件RStoic——

模型参数RStoic

模块有六组模型参数：1、模型设定(Specifications)2、化学反应(Reactions)3、反应热(HeatofReaction)4、选择性(Selectivity)5、粒度分布(PSD)6、组分属性(ComponentAttr.)6精选课件RStoic——

模型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

(OperationConditions)(1)压力；(2)温度/热负荷2、有效相态(ValidPhases)汽/液/固/汽-液/汽-液-液/液-游离水/汽-液-游离水7精选课件RStoic——

化学反应定义RStoic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。8精选课件RStoic——反应热设定反应热的计算类型：１、不计算反应热；２、根据生成热计算反应热；３、用户指定反应热。9精选课件RStoic——选择性选择性定义为：△P代表选定组分(selected)P的生成摩尔数；△A代表参照组分(reference)A的消耗摩尔数；real代表反应器内的实际情况；ideal代表只有A→P一个反应发生时的情况。10精选课件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CH4转化率为73%时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？

11精选课件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0.1013MPa，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？

12精选课件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。13精选课件RYield——连接14精选课件RYield——

模型参数RYield

模块有五组模型参数：1、模型设定(Specifications)2、产率(Yield)3、闪蒸选项(FlashOptions)4、粒度分布(PSD)5、组分属性(ComponentAttr.)15精选课件RYield——

模型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

(OperationConditions)(1)压力；(2)温度/热负荷2、有效相态(ValidPhases)汽/液/固/汽-液/汽-液-液/液-游离水/汽-液-游离水16精选课件RYield——

产率指定相对于每一单位质量非惰性进料而言，RYield出口物流中各种组分间的相对产率。并设定进料中的惰性组分。17精选课件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1

4，流量为100kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，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？18精选课件RYield—示例（2）若在示例（1）的原料气中加入25kmol/hr氮气，其余条件不变，计算结果会发生什么变化？

19精选课件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？

20精选课件热力学平衡类反应器1、平衡反应器（REquil） EquilibriumReactor2、吉布斯反应器（RGibbs） GibbsReactor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。21精选课件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。22精选课件REquil——连接23精选课件REquil——

模型参数REquil

模块有四组模型参数：1、模型设定(Specifications)2、化学反应(Reactions)3、收敛(Convergence)4、液沫夹带(Entrainment)24精选课件REquil——

模型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

(OperationConditions)(1)压力；(2)温度/热负荷2、有效相态(ValidPhases)汽/液/固/汽-液/汽-液-液/液-游离水/汽-液-游离水25精选课件REquil——

化学反应定义REquil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(Extend)或趋近平衡温度(TemperatureApproach)。比速率=速率/化学计量系数趋近平衡温度=△T意指在T+

△T下计算化学反应平衡。26精选课件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？

27精选课件REquil—示例（2）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。

28精选课件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。29精选课件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。30精选课件RGibbs——连接31精选课件RGibbs——

模型参数RGibbs

模块有五组模型参数：1、模型设定(Specifications)2、产物(Products)3、物流指定(AssignSteams)4、惰性物(Inerts)5、限制平衡(RestrictedEquilibrium)32精选课件RGibbs——

模型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

(OperationConditions)(1)压力；(2)温度/热负荷2、计算选项(CalculationOptions)仅计算相平衡/同时计算化学平衡和相平衡/是否限制化学平衡3、相态(Phases)输入存在的相态数。33精选课件RGibbs——

产物有三种选择：1、系统中的所有组分都可以是产物；

2、指定可能的产物组分；3、定义产物存在的相态。34精选课件RGibbs——

限制平衡有两种选择：1、设定整个系统的趋近平衡温度；

2、指定各个化学反应趋近平衡的温度，需要知道化学反应方程式。35精选课件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？与REquil的结果进行比较。

36精选课件RGibbs—示例（2）若在示例(1)中的原料气中加入25kmol/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？37精选课件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) BatchReactor根据化学动力学计算反应结果。包含三种反应器。38精选课件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。39精选课件RCSTR——

连接40精选课件RCSTR——

模型参数RCSTR模块有两组模型参数：1、操作条件(OperationConditions)1)压力(Pressure)2)温度/热负荷(Temperature/HeatDuty)2、持料状态(Holdup)1)有效相态(ValidPhases)2)设定方式(SpecificationType)41精选课件RCSTR——

设定方式设定方式有7个可选项：1、反应器体积(ReactorVolume)只需输入反应器的体积。2、停留时间(ResidenceTime)只需输入物料在反应器中的平均停留时间。3、反应器体积和相体积

(ReactorVolume&PhaseVolume)必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的体积。4、反应器体积和相体积分率

(ReactorVolume&PhaseVolumeFraction)必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的体积分率。5、反应器体积和相停留时间

(ReactorVolume&PhaseResidenceTime)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。6、停留时间和相体积分率

(ResidenceTime&PhaseVolumeFraction)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。7、相停留时间和体积分率

(PhaseResidenceTime&VolumeFraction)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。42精选课件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。43精选课件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。44精选课件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(PowerLaw)3、反应精馏型(Reac-Dist)45精选课件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)46精选课件Reactions——计量学参数在计量学表单中为每一个化学反应创建一个对象，并选择对象类型为动力学(Kinetic)或平衡(Equilibrium)型。输入反应方程式中的化学计量系数，对于幂律型反应对象，还要输入动力学方程式中每一个浓度因子的幂指数。47精选课件Reactions—动力学参数(1)在动力学表单中为每一个化学反应输入反应动力学参数。幂律型：反应动力学因子即反应速率常数k’

，它与温度的关系用修正的Arrhenius方程表示：48精选课件Reactions—动力学参数(2)LHHW型的反应速率方程：49精选课件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32.5m3/hr。加料甲醛水溶液的浓度为6.3kmol/m3，流量为32.5m3/hr。求35

C下乌洛托品的产量和输入氮气流量，并分析反应温度在20~60

C范围里对甲醛转化率的影响。

反应速率方程式如右：

式中：

50精选课件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。51精选课件RPlug——

连接(1)52精选课件RPlug——

连接(2)53精选课件RPlug——

模型参数RPlug模块有四组模型参数：1、模型设定(Specifications)2、反应器构型(Configuration)3、化学反应(Reactions)4、压力(Pressure)54精选课件RPlug——

模型设定设定反应器类型，共有五种类型：1、指定温度的反应器(Reactorwithspecifiedtemperature)，有三种方式设定操作条件：1)进料温度下的恒温(Constantatinlettemperature)2)指定反应器温度(Constantatspecifiedreactortemperature)3)温度剖形(TemperatureProfile)，指定沿反应器长度的温度分布2、绝热反应器(AdiabaticReactor)3、恒定冷却剂温度的反应器)，设定传热系数和冷却剂温度。4、与冷却剂并流换热的反应器(Reactorwithco-currentcoolant)，设定传热系数。5、与冷却剂逆流换热的反应器(Reactorwithcounter-currentcoolant)，设定传热系数。55精选课件RPlug——

反应器构型反应器构型需要输入反应器中反应管的根数、反应管的长度和直径，并指定有效相态。56精选课件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440

C。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：57精选课件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0.1~1.0MPa范围内对环己烯产量的影响。

58精选课件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。59精选课件RBatch—连接60精选课件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)61精选课件RBatch——

模型设定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)压力设定

(PressureSpecification)有三个选项供选择：1、指定反应器压力(SpecifyReactorPressure)2、指定压力剖形(SpecifyReactorPressureProfile)3、计算反应器压力(CalculateReactorPressure)62精选课件RBatch——

停止判据

可以为间歇釜操作周期设定多个停止判据。判据具有以下参数：1、序号；2、位置：反应器，排气收集器，排气；3、变量类型，如时间、转化率、温度、压力、体积、组成、流量、物性等；4、停止值，即变量达到该值时就停止釜内操作；5、组分，与转化率、组成等变量配合使用；6、子流股类别，有子流股时使用；7、物性集ID,变量为物性时使用；8、趋近方向，即变量值是从大或小的方向趋近停止值。63精选课件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，可设定一个周期的总时间，或设定加料和卸料的时间。2、剖形结果时间(ProfileResultTime)设定计算各变量随时间变化的剖形并