化工设计：反应器模拟

第七讲

反应器模拟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：一反应器模块分类反应器单元操作有7个模型1化学计量反应器Rstoic2收率反应器RYield3平衡反应器REquil4最小Gibbs能反应器RGibbs5连续搅拌釜式反应器RCSTR6活塞流反应器RPlug7间歇反应器Rbatch一反应器模块分类二Rstoic—化学计量反应器1使用前提化学反应动力学不知或不重要每个化学反应计量系数和转化率已知2用途：计算产物组成、产物选择性及反应热二Rstoic—化学计量反应器3Rstoic物流连接Rstoic设定表单7组模型参数1操作条件设定Specifications2反应方程式设定Reactions3燃烧Combustions4反应热Heatofreaction5反应物的选择性Selectivity6固体粒径分布PSD7组分属性ComponentAttr.二Rstoic—化学计量反应器二Rstoic—化学计量反应器1反应条件规定：反应温度反应压力气相分率热负荷有效相态气相、液相、固相、汽-液、汽-液-液等二Rstoic—化学计量反应器四选二二Rstoic—化学计量反应器2设置反应方程式SetupReaction规定反应器中的化学反应式，规定所有反应的转化率二Rstoic—化学计量反应器反应方程式反应物产物转化率二Rstoic—化学计量反应器3反应热计算及参照条件设定反应热计算三选项：不计算反应热计算反应热规定反应热参照条件：

组分、温度、压力、相态二Rstoic—化学计量反应器计算类型设定参照条件二Rstoic—化学计量反应器4选择性计算：

设定产物选取组分和参照的反应物二Rstoic—化学计量反应器二Rstoic—化学计量反应器示例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？

二Rstoic—化学计量反应器1使用前提化学反应的计量系数不知道或不重要化学反应的动力学不知道或不重要收率知道2用途：模拟单相、二相、三相反应器，进行质量平衡计算（不考虑元素平衡）三Ryield—收率反应器产率反应器三Ryield—收率反应器Ryield模块参数设置1操作条件设定（Specificans）2产率(Yield)3闪蒸(Flashoptions)4粒径分布(PSD)5组分属性(Comp.Attr.)6组分映射(Comp.Mapping)三Ryield—收率反应器123456三Ryield—收率反应器1操作条件设定温度(Temperature)压力(Pressure)气相分率(Vaporfraction)热负荷(Heatduty)有效相态(Validphase)三Ryield—收率反应器四选二三Ryield—收率反应器2产率选项（有4个）组分产率(Componentyields)组分映射(Componentmapping)石油馏分表征(Petrocharacterization)用户子程序(Usersubroutine)三Ryield—收率反应器三Ryield—收率反应器组分收率：指定相对于每单位质量进料而言，各种组分在出口物料中的产率(摩尔或质量)。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(InertComponents)。三Ryield—收率反应器惰性组分三Ryield—收率反应器选择组分映射选项时，需在Comp.Mapping表单中设置各种结合(Lump)反应和分解(De-lump)反应所涉及的组分之间的定量关系。三Ryield—收率反应器三Ryield—收率反应器三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？

三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？

三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？

包括二种反应器：平衡反应器(REquil)EquilibriumReactor吉布斯反应器（RGibbs）GibbsReactor四、热力学平衡反应器使用前提：反应计量系数已知某些或全部反应达到平衡应用：同时计算相平衡和化学平衡，允许有限个化学反应没达到化学平衡，能够模拟单相或两相化学反应。四.1、REquil——平衡反应器四.1、REquil——平衡反应器一个液相物流模型参数设定：1反应条件规定(Specificationgs)2化学反应(Reaction)3液沫夹带(Entrainment)四.1、REquil——平衡反应器四.1、REquil——平衡反应器1231反应条件规定：压力/温度/汽相分率/热负荷有效相态四.1、REquil——平衡反应器四.1、REquil——平衡反应器2化学反应四.1、REquil——平衡反应器定义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四.1、REquil——平衡反应器重点提示：1Requil由Gibbs自由能计算平衡常数2Requil可进行单相性质或两相的闪蒸计算3Requil把每个特定的固体当作单独纯固相，不作为固体溶液，任何参加反应的固体须有一个生成自由能（DGSFRM）和生成自由焓(DHSFRM)或热容参数(CPSXP1)四.1、REquil——平衡反应器四.1、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？

四.1、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。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质量分率的影响。四.1、REquil——示例3四.2、RGibbs—吉布斯反应器使用均相的Gibbs自由能最小去计算平衡前提：不要求规定化学反应计量系数应用：单相（气相或液相）化学平衡无化学反应的相平衡（一个气相和任意个液相）固体溶液相的相和/或化学平衡同时具有相平衡的化学平衡计算任意数量常规固体和流体相之间的化学平衡四.2、RGibbs—吉布斯反应器四.2、RGibbs—吉布斯反应器模块设定（5组参数）1、模型规定(Specifications)2、产物(Products)3、指定物流(AssignSteams)

4、惰性物(Inerts)5、限制平衡(RestrictedEquilibrium)四.2、RGibbs—吉布斯反应器四.2、RGibbs—吉布斯反应器12345模型规定：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。四.2、RGibbs—吉布斯反应器四.2、RGibbs—吉布斯反应器操作条件计算选项四.2、RGibbs—吉布斯反应器相态数产物有三种规定1、系统中的所有组分都可以是产物；

RGibbsconsidersallcomponentsasproducts2、指定可能的产物组分；

Identifypossibleproducts3、定义产物存在的相态。

Definephasesinwhichproductsappear四.2、RGibbs—吉布斯反应器四.2、RGibbs—吉布斯反应器产物规定指定物流相态有两选项1、自动指定出口物流相态；

RGibbsassignsphasestooutletstreams

2、使用关键组分和截尾摩尔分率指定出口物流相态；

Usekeycomponents&cutoffmolefractiontoassignsphasestooutletstreams

四.2、RGibbs—吉布斯反应器四.2、RGibbs—吉布斯反应器指定不参加化学反应平衡的惰性组分(Inerts)及其不参加反应的摩尔流量(Moleflow)或分率(Fraction)。四.2、RGibbs—吉布斯反应器四.2、RGibbs—吉布斯反应器惰性组分设置限制平衡有2个选项1、设定整个系统的趋近平衡温度

Entiresystemwithtemperatureapproach

2、指定各个化学反应趋近平衡的温度

Individualreaction四.2、RGibbs—吉布斯反应器四.2、RGibbs—吉布斯反应器限制平衡设定系统趋近平衡温度指定单个反应Gibbs能在任何数量的常规固体组分和流体相之间计算化学平衡。能检测平衡中是否存在固体，若有，计算含量。（有关固体处理，具体详见Aspen操作手册第五章）四.2、RGibbs—吉布斯反应器四.2、RGibbs—示例1甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转