化工设计-ASPEN软件：化学动力学类反应器

SimulationDesign

ofChemicalReactors反应器单元的仿真设计

(二)化学动力学类反应器根据流动状况不同，有三种：1、全混釜反应器（RCSTR）

ContinuousStirredTankReactor2、平推流反应器（RPlug）

PlugFlowReactor3、间歇釜反应器(RBatch)

BatchStirredTankReactor化学动力学反应器一、RCSTR—全混釜反应器性质：釜内达到理想混合，即反应物料和出口物流有相同的组成和性质。可模拟单、两、三相的体系，可同时处理动力学控制和平衡控制两类反应以及包含固体的反应。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。一、RCSTR—全混釜反应器一、RCSTR—全混釜反应器一、RCSTR—全混釜反应器RCSTR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)一、RCSTR—全混釜反应器一、RCSTR—全混釜反应器操作条件持料状态持料状态中的设定方式有7种：1)反应器体积(ReactorVolume)2)停留时间(ResidenceTime)

只需输入物料在反应器中的平均停留时间。一、RCSTR—全混釜反应器3)反应器体积和相体积(ReactorVolume&PhaseVolume)必须输入反应器体积、气相(Vaporphase)

或凝聚相(Condensedphase)所占的体积。一、RCSTR—全混釜反应器凝聚相气相一、RCSTR—全混釜反应器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(Volumefrac)。一、RCSTR—全混釜反应器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。一、RCSTR—全混釜反应器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。一、RCSTR—全混釜反应器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。一、RCSTR—全混釜反应器一、RCSTR—全混釜反应器7种设定方式一、RCSTR—全混釜反应器凝聚相化学反应式的设定：RCSTR中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象来设定。一、RCSTR—全混釜反应器一、RCSTR—全混釜反应器一、RCSTR—全混釜反应器设置化学反应对象：设置化学反应对象目的：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。一、RCSTR—全混釜反应器创建化学反应对象时，需赋予对象ID和选择对象类型。对于小分子反应，常用的类型有三种：1、LHHW型

(Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)2、幂律型(PowerLaw)3、反应精馏型(Reac-Dist)一、RCSTR—全混釜反应器一、RCSTR—全混釜反应器常用的动力学类型选择动力学类型一、RCSTR—全混釜反应器每个化学反应对象可以包含多个化学反应，每个化学反应都要设置计量学参数和动力学参数一个反应对象下可有多个化学反应每个化学反应都需输入及联系数和动力学参数一、RCSTR—全混釜反应器在化学反应计量表单中，为每一个化学反应创建一个对象，并选择对象为动力学（kinetic）或平衡（Equlibrium）型。输入化学反应计量系数(Coefficient)，对于幂律型反应对象，还要输入方程式中浓度因子的级数。一、RCSTR—全混釜反应器一、RCSTR—全混釜反应器反应计量系数和级数反应类型一、RCSTR—全混釜反应器输入动力学参数：活化能和频率因子浓度基准反应物浓度基准：摩尔浓度质量摩尔浓度分压质量浓度活度（摩尔）逸度一、RCSTR—全混釜反应器一、RCSTR—全混釜反应器一、RCSTR—全混釜反应器一、RCSTR—全混釜反应器LHHW型动力学方程：点击Drivingforce弹出浓度推动力表单一、RCSTR—全混釜反应器第一项幂的乘积（正反应浓度推动力）一、RCSTR—全混釜反应器浓度推动力浓度推动力常数K点击Adsorption项，弹出吸附项（Adsorption）输入表单一、RCSTR—全混釜反应器吸附项表单一、RCSTR—全混釜反应器吸附项常数K吸附项组分一、RCSTR—示例1甲醛与氨反应生成乌洛托品反应式如下：RCSTR—示例1反应器容积为5m3，装填系数为0.6,为保证釜内惰性环境，输入氮气并使出釜物料的气相分率为0.001，加料氨水的浓度为4.1Kmol/m3，流量为32.5m3/hr，甲醛水溶液浓度为6.3Kmol/m3，流量为32.5m3/hr，求35℃下乌洛托品的产量和输入的氮气量，并分析20-60℃范围内，温度对甲醛转化率的影响。二、R-Plug平推流反应器性质：无返混的管式反应器，可有换热夹套，可模拟单、两、三相体系，必须有动力学方程。应用：已知化学反应式和动力学方程，计算所能达到的转化率或反应器体积，以及相应的热负荷。二、R-Plug平推流反应器二、R-Plug平推流反应器R-Plug有四组模型参数：模型设定（Specificationgs）反应器构型(Configuration)化学反应（reaction）压力(Pressure)模型设定：反应器类型操作条件二、R-Plug平推流反应器二、R-Plug平推流反应器反应器类型：指定反应温度绝热反应器恒定冷剂温度反应器与冷却剂并流与冷却剂逆流指定冷却剂温度变化曲线指定外部热流变化曲线二、R-Plug平推流反应器二、R-Plug平推流反应器指定反应器温度有三种操作状态1)进料温度下的恒温2)指定反应器等温度3)反应器内温度沿床层分布曲线二、R-Plug平推流反应器三种操作状态对于有冷却剂的反应器类型：（流程图中需连接冷却剂）在操作条件中需输入传热系数U、冷剂出口温度、或蒸汽分率二、R-Plug平推流反应器二、R-Plug平推流反应器反应器构型表单：单管或多管反应器反应管的根数反应管的长度或直径反应物料的有效相态冷却剂的有效相态二、R-Plug平推流反应器单根与多根直径与长度物料有效相态二、R-Plug平推流反应器将设置完的反应移入被选反应集中二、R-Plug平推流反应器压力表单设置：1反应器进口压强反应物料压强冷却剂压强2反应器压降反应物料压降冷却剂压降二、R-Plug平推流反应器R-Plug示例1丁二烯与乙烯反应式如下：R-Plug示例1反应器长5米，直径0.5米，压降可忽略。丁二烯与乙烯等摩尔混合，进料温度为440℃，如果反应在绝热条件下进行，要求丁二烯的转化率为12%时。试求环己烯的产量。R-plug示例2试作出示例1中环己烯浓度和温度沿反应器长度分布图。分析反应器压力在0.1—1.0MPa范围内变化对环己烯产量的影响。三、R-Batch间歇反应器性质：间歇或半间歇操作的反应釜，自动根据加料和辅助时间提供缓冲罐，实现与连续过程连接。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。三、R-Batch间歇反应器三、R-Batch间歇反应器进出物料连接三、R-Batch间歇反应器模块的模型参数6组：模型设定化学反应停止判据操作时间连续加料控制器三、R-Batch间歇反应器模型设定：反应操作设定压力设定有效相态三、R-Batch间歇反应器反应器操作设定压力规定有效相态三、R-Batch间歇反应器反应器设定：1恒温2温度变化曲线3恒定热负荷4热负荷变化曲线5恒定冷却剂温度6传热用户子程序三、R-Batch间歇反应器反应器操作规定三、R-Batch间歇反应器选用温度变化曲线或热负荷曲线时，需输入不同时刻热负荷或温度三、R-Batch间歇反应器选用恒定冷剂温度时，还需输入传热系数和传热面积传热系数传热面积三、R-Batch间歇反应器压强设定3个选项：1指定反应器压强2给出反应器压强变化曲线3计算反应器压强三、R-Batch间歇反应器压强设定三选项三、R-Batch间歇反应器当选用计算压力时，应输入反应器体积。如有排气，还需输入排气口压力三、R-Batch间歇反应器停止判据：给定间歇釜在一个操作周期中结束反应阶段的条件。可以为间歇反应釜设定多个停止判据。计算过程中任何一个判据达到设定值后，反应即终止。三、R-Batch间歇反应器停止判据有下列参数组成（同时可设置多个判据）：序号位置变量类型停止值组分子流股类别物性集ID趋近方向三、R-Batch间歇反应器三、R-Batch间歇反应器位置有：反应器、排气收集器、排气管三、R-Batch间歇反应器变量类型：时间、转化率、浓度、物性等变量类型三、R-Batch间歇反应器停止值：给定反应停止时判据变量的数值；趋近方向表明判据变量从大或小的方向趋近停止值。停止值趋近方向三、R-Batch间歇反应器操作时间1间歇周期时间一个操作周期的总时间批次加料时间（Batchfeedtime）（一次加料量除以连续来料流量）和辅助操作时间（Downtime）(一个操作周期减去反应时间)三、R-Batch间歇反应器三、R-Batch间歇反应器2反应结果时间曲线设定相关的时间参数输入最大的反应计算时间记录反应结果的时间间隔记录的计算点数三、R-Batch间歇反应器三、R-Batch间歇反应器在间歇反应釜中，若有连续流股。需对连续流股进行设定：基于入口的恒定流量流量与时间关系曲线三、R-Batch间歇反应器三、R-Batch间歇反应器当有连续精料流股且反应器设定为恒温或温度变化曲线时，可通过控制器对反应器进行PID控制，PID控制参数包括：比例增益因子(Proportionalgain)积分时间常数(Integraltimeconstant)微分时间常数(Derivativetimeconstant)三、R-Batch间歇反应器Rbatch—示例1乙醇和乙酸和成乙酸乙酯的反应方程式如下：反应速率方程如下：在间歇搅拌釜中等温反应，T=100℃、P=3bar，操作周期为2.5hr,加料为水溶液，T=40℃、处理量为1m3/hr，含乙醇10.2kmol/m3，含乙酸3.908kmol/m3。求乙酸转化率为35%时的反应时间，乙酸乙酯的产量。装填率为0.7时，反应釜的体积。如果示例1中反应速率常数和平衡常数与温度关系如下Rbatch—示例2操作周期延长至3hr，并按一下升/降温程序操作t=0min,T=40℃，t=15min、T=80℃，t=30min、T=100℃t=110min、T=100℃，t=140min、T=40℃求乙酸转化率为35%时的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填系数为0.7时所需的反应釜体积。Rbatch—示例3如将示例2操作时间设置改为间歇加料时间2hr，辅助时间1hr，求乙酸转化率为35%时的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填系数为0.7时反应器体积。Rbatch-示例4如果将示例3的反应釜用100℃的饱和蒸汽加热，反应釜的传热面积6m2，传热系数为500w/m2.k，求乙酸转化率为35%的反应时间，釜温变化与时间的关系曲线。Optimization—优化模型分析工具中提供了优化工具(Optimization)使用方法类似于设计规定：1定义