第五讲-反应单元仿真设计课件

大家好大家好1化工设计软件 第六讲第六讲反应单元反应单元的仿真设计（一）的仿真设计（一）2反应过程模型的类别1.1.生产能力类反应器（生产能力类反应器（2 2种）种）2.2.热力学平衡类反应器（热力学平衡类反应器（2 2种）种）3.3.化学动力学类反应器（化学动力学类反应器（3 3种）种）分为三大类七种反应器：分为三大类七种反应器：3反应过程模型的类别4生产能力类反应器由用户指定生产能力，不考虑力由用户指定生产能力，不考虑力学可能性和动力学可行性。学可能性和动力学可行性。包含两种反应器。包含两种反应器。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 Reactor5RStoic 化学计量反器性质：按照化学反应方程式中的性质：按照化学反应方程式中的计量关系进行反应，有并行反计量关系进行反应，有并行反应和串联反应两种方式，分别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。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，不知一反应的转化率或产量，不知化学动力学关系。化学动力学关系。6RStoic 化学计量反器7Rstoic 连接 Material(any number)Heat(optional)Water(optional)Heat(optional)Material8RStoic 模型参数RStoic模块有七组模型参数：模块有七组模型参数：1 1、模型设定、模型设定(Specifications)(Specifications)2 2、化学反应、化学反应(Reactions)(Reactions)3 3、燃烧、燃烧(Combustion)(Combustion)4 4、反应热、反应热(Heat of Reaction)(Heat of Reaction)5 5、选择性、选择性(Selectivity)(Selectivity)6 6、粒度分布、粒度分布(PSD)(PSD)7 7、组分属性、组分属性(Component Attr.)(Component Attr.)9RStoic 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 1、操作条件、操作条件(Operation Conditions)(Operation Conditions)(1)(1)压力压力(Pressure)(Pressure)(2)(2)温度温度/热负荷热负荷(Temperature(Temperature /Heat duty)/Heat duty)2 2、有效相态、有效相态(Valid Phases)(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10RStoic 模型设定11RStoic 化学反应定义定义RStoic中进行的每一中进行的每一个化学反应的编号、化学计量个化学反应的编号、化学计量关系、产物生成速率或反应物关系、产物生成速率或反应物转化率。并指明计算多个反应转化率。并指明计算多个反应的转化率时是否按照串联反应的转化率时是否按照串联反应方式计算。方式计算。12RStoic 化学反应13RStoic 化学反应14RStoic 反应热设定反应热的计算类型设定反应热的计算类型(Calculation(Calculation typetype)和参照条件和参照条件(Referencecondition)(Referencecondition)：1 1、不计算反应热、不计算反应热(Do not calculate heat of reaction)(Do not calculate heat of reaction)2 2、计算反应热、计算反应热(Calculate heat of reaction)(Calculate heat of reaction)3 3、用户指定反应热、用户指定反应热(Specify heat of reaction)(Specify heat of reaction)15RStoic 反应热16RStoic 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：P P代表选定组分代表选定组分代表选定组分代表选定组分(selectedselected)P)P)P)P的生成摩尔数；的生成摩尔数；的生成摩尔数；的生成摩尔数；A A A A代表参照组分代表参照组分代表参照组分代表参照组分(referencereference)A)A)A)A的消耗摩尔数；的消耗摩尔数；的消耗摩尔数；的消耗摩尔数；realreal 代表反应器内的实际情况；代表反应器内的实际情况；代表反应器内的实际情况；代表反应器内的实际情况；idealideal 代表只有代表只有代表只有代表只有A AP P 一个反应发生时的情况。一个反应发生时的情况。一个反应发生时的情况。一个反应发生时的情况。17RStoic 选择性18RStoic 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：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1:41:4，流量为流量为100 100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为为0.1013 0.1013 MPa，温度为，温度为750 750，当反，当反应器出口处应器出口处CH4转化率为转化率为73%73%时，时，CO2和和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？的产量是多少？反应热负荷是多少？19RStoic 示例（2）反应和原料同示例（反应和原料同示例（1 1），若），若反应在恒压及绝热条件下进行，系反应在恒压及绝热条件下进行，系统总压为统总压为0.1013 0.1013 MPa，反应器进，反应器进口温度为口温度为950 950，当反应器出口处，当反应器出口处CH4转化率为转化率为73%73%时，反应器出口时，反应器出口温度是多少？温度是多少？20RStoic 示例（3）在示例在示例(1)(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：并在原料气中加入并在原料气中加入15 kmol/hr的氧气。若上的氧气。若上述两个反应中述两个反应中CH4转化率均为转化率均为43%时，时，产品物流中产品物流中CO、H2O、CO2 和和H2的流的流量各是多少？如果将反应设为串联进行，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？上述流量又各是多少？以上两个反应的反应热各是多少？以上两个反应的反应热各是多少？21RYield 产率反应器性质：性质：根据每一种产与输入物流间的产率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，不关系进行反应，只考虑总质量平衡，不考虑元素平衡。考虑元素平衡。用途：用途：只知化学反应式和各产物间的相对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，不知化学计量关系。22RYield 产率反应器23RYield 产率反应器性质：性质：根据每一种产与输入物流间的产率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，不关系进行反应，只考虑总质量平衡，不考虑元素平衡。考虑元素平衡。用途：用途：只知化学反应式和各产物间的相对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，不知化学计量关系。24RYield 连接 Material(any number)Heat(optional)Water(optional)Heat(optional)Material25RYield 模型参数RYield模块有六组模型参数：模块有六组模型参数：1 1、模型设定、模型设定(Specifications)(Specifications)2 2、产率、产率(Yield)(Yield)3 3、闪蒸选项、闪蒸选项(Flash Options)(Flash Options)4 4、粒度分布、粒度分布(PSD)(PSD)5 5、组分属性、组分属性(Comp.Attr.)(Comp.Attr.)6 6、组分映射、组分映射(Comp.Mapping)(Comp.Mapping)26RYield 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 1、操作条件、操作条件(Operation Conditions)(1)(1)压强；压强；(2)(2)温度温度/热负荷热负荷/温度改变温度改变2 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27RYield 模型设定28RYield 产率产率设置有四个选项：产率设置有四个选项：1 1、组分产率、组分产率(Component yields)2 2、组分映射、组分映射(Component mapping)3 3、石油馏分表征、石油馏分表征(Petro characterization)4 4、用户子程序、用户子程序(User subroutine)29RYield 产率30RYield 组分产率选择组分产率选项时，需指定相对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于每一单位质量非惰性进料而言，各种组分在出口物流中的言，各种组分在出口物流中的相对产率。还可以设定进料中相对产率。还可以设定进料中的某些组分为不转化为产物的的某些组分为不转化为产物的惰性组分惰性组分(InertComponents)。31RYield 组分产率32RYield 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)反应和分解反应和分解(De-lump)反反应所涉及的组分之间的定量关应所涉及的组分之间的定量关系。系。33RYield 组分映射34RYield 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：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1:41:4，流量，流量，流量，流量为为为为100 kmol/hr100 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，。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系统总压为系统总压为0.1013 MPa0.1013 MPa，温度为，温度为，温度为，温度为750 750，如果反，如果反，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应器出口物流中摩尔比率应器出口物流中摩尔比率CHCH4 4:H:H2 2O:COO:CO2 2:H:H2 2 等于等于等于等于1:2:3:4 1:2:3:4 时，时，时，时，COCO2 2和和和和HH2 2的产量是多少？需的产量是多少？需的产量是多少？需的产量是多少？需要移走的反应热负荷是多少？此结果是否满足总要移走的反应热负荷是多少？此结果是否满足总要移走的反应热负荷是多少？此结果是否满足总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？质量平衡？是否满足元素平衡？质量平衡？是否满足元素平衡？质量平衡？是否满足元素平衡？35RYield 示例（2）若在示例（若在示例（1）的原料气中）的原料气中加入加入25 kmol/hr 氮气，其余条氮气，其余条件不变，计算结果会发生什么件不变，计算结果会发生什么变化？变化？36RYield 示例（3）以示例（以示例（2）的结果为基）的结果为基础，在础，在Ryied 模块的产率设置模块的产率设置项中将氮气设置为惰性组份，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？37热力学平衡类反应器根据热力学平衡条件计算体根据热力学平衡条件计算体系发生化学反应的结果，不系发生化学反应的结果，不考虑动力学可行性。考虑动力学可行性。该类别包含两种反应器：该类别包含两种反应器：1、平衡反应器（、平衡反应器（REquil）Equilibrium Reactor2、吉布斯反应器（、吉布斯反应器（RGibbs）Gibbs Reactor38REquil 平衡反应器性质：性质：根据化学反应方程式根据化学反应方程式进行反应，按照化学平衡进行反应，按照化学平衡关系式达到化学平衡，并关系式达到化学平衡，并同时达到相平衡。同时达到相平衡。用途：用途：已知反应历程和平衡已知反应历程和平衡反应的反应方程式，不考反应的反应方程式，不考虑动力学可行性，计算同虑动力学可行性，计算同时达到化学平衡和相平衡时达到化学平衡和相平衡的结果。的结果。39REquil 平衡反应器40REquil 平衡反应器性质：性质：根据化学反应方程式进行反根据化学反应方程式进行反应，按照化学平衡关系式达到应，按照化学平衡关系式达到化学平衡，并同时达到相平衡。化学平衡，并同时达到相平衡。用途：用途：已知反应历程和平衡反应的已知反应历程和平衡反应的反应方程式，不考虑动力学可反应方程式，不考虑动力学可行性，计算同时达到化学平衡行性，计算同时达到化学平衡和相平衡的结果。和相平衡的结果。41REquil 连接 Material(any number)Heat(optional)Heat(optional)Material(vaper phase)Material(liquid phase)42REquil 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)43REquil 模型设定模型设定包含操作条件设定和有效相态设：模型设定包含操作条件设定和有效相态设：1、操作条件、操作条件(Operation Conditions)(1)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44REquil 模型设定45REquil 化学反应定义定义REquil中进行的每一个化学反应中进行的每一个化学反应的编号、化学计量关系、产物生成比速率的编号、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(TemperatureApproach)。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下计算下计算化学反应平衡化学反应平衡46REquil 化学反应47REquil 化学反应48REquil 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：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。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为温条件下进行，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，当反应器出口处达到平衡时，衡时，CO2和和H2的产量是多少？反应热的产量是多少？反应热负荷是多少？负荷是多少？49REquil 示例（2）分析示例（分析示例（1）中反应温）中反应温度在度在3001000 范围变化时对范围变化时对反应器出口物流反应器出口物流CH4质量分率质量分率的影响。的影响。50REquil 示例（3）将示例将示例(1)中的反应温度设为中的反应温度设为1000，分别分析反应，分别分析反应(1)和反和反应应(2)的趋近平衡温度在的趋近平衡温度在200 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CH4质量分率和质量分率和CO/CO2摩尔比的摩尔比的影响。影响。51RGibbs 吉布斯反应器性质：性质：根据系统的根据系统的Gibbs自由能趋于自由能趋于最小值的原则，计算同时达到化最小值的原则，计算同时达到化学平衡和相平衡时的系统组成和学平衡和相平衡时的系统组成和相分布。相分布。用途：用途：已知化学反应式，不知道反应已知化学反应式，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。达到的化学平衡和相平衡结果。52RGibbs 吉布斯反应器53RGibbs 吉布斯反应器性质：性质：根据系统的根据系统的Gibbs自由能趋于自由能趋于最小值的原则，计算同时达到化最小值的原则，计算同时达到化学平衡和相平衡时的系统组成和学平衡和相平衡时的系统组成和相分布。相分布。用途：用途：已知化学反应式，不知道反应已知化学反应式，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。达到的化学平衡和相平衡结果。54RGibbs 连接 Material(any number)Heat(optional)Heat(optional)Material(any number)55RGibbs 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、限制平衡、限制平衡(Restricted Equilibrium)56RGibbs 模型设定模型设定包含操作条件、计算选项和相态模型设定包含操作条件、计算选项和相态设定：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同时计算化学平衡和相平衡平衡/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。57RGibbs 模型设定58RGibbs 产品有三种选择：有三种选择：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；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 appear59RGibbs 产品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；60RGibbs 产品2、指定可能的产物组分、指定可能的产物组分61RGibbs 产品3、定义产物存在的相态、定义产物存在的相态62RGibbs 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 streams2、使用关键组分和截尾摩尔分率指定出口、使用关键组分和截尾摩尔分率指定出口物流相态；物流相态；Use key components&cutoff molefraction to assigns phases to outlet streams63RGibbs 指定物流2、使用关键组分和截尾摩尔分率、使用关键组分和截尾摩尔分率64RGibbs 惰性物 指定不参加化学反应平衡指定不参加化学反应平衡的惰性组分的惰性组分(Inerts)及其不参加及其不参加反应的摩尔流量反应的摩尔流量(Mole flow)或或分率分率(Fraction)。65RGibbs 惰性物66RGibbs 限制平衡有两种选择：有两种选择：1、设定整个系统的趋近平衡温度、设定整个系统的趋近平衡温度 Entire system with temperature approach2、指定各个化学反应趋近平衡的、指定各个化学反应趋近平衡的温度温度 Individual reaction67RGibbs 限制平衡1、设定整个系统的趋近平衡温度、设定整个系统的趋近平衡温度68RGibbs 限制平衡2、指定各个化学反应趋近平衡的温度、指定各个化学反应趋近平衡的温度69RGibbs 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：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。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为，温度为750，当反应器出口处，当反应器出口处达到平衡时，达到平衡时，CO2和和H2的产量是多少？的产量是多少？反应热负荷是多少？与反应热负荷是多少？与REquil的结果进的结果进行比较行比较70RGibbs 示例（2）若在示例若在示例(1)中的原料气中加中的原料气中加入入25 kmol/hr 的氮气，并考虑氮的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副反应，求与氢结合生成氨的副反应，求反应器出口物流中反应器出口物流中CH4和和NH3的的质量分率。如果将氮设为惰性质量分率。如果将氮设为惰性组份，结果有什么变化？组份，结果有什么变化？71化学动力学类反应器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。包含三种反应器：包含三种反应器：1、全混釜反应器（、全混釜反应器（RCSTR）Continuous Stirred Tank Reactor2、平推流反应器（、平推流反应器（RPlug）Plug Flow Reactor3、间歇釜反应器（、间歇釜反应器（RBatch)Batch Stirred Tank Reactor72RCSTR 全混釜反应器性质：性质：釜内达到理想混合。可模拟单、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同时处理动力学控制和平衡控制两类反应。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积和平衡关系，计算所需的反应器体积和反应时间，以及反应器热负荷。反应时间，以及反应器热负荷。73RCSTR 图标74RCSTR 连接Material(any number)Heat(optional)Heat(optional)Material75RCSTR 模型参数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 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)76RCSTR 模型参数77RCSTR 设定方式设定方式有设定方式有7 个可选项：个可选项：1、反应器体积、反应器体积(Reactor Volume)只需输入反应器的体积。只需输入反应器的体积。2、停留时间、停留时间(Residence Time)只需输入物料在反应器中的平均只需输入物料在反应器中的平均停留时间。停留时间。78RCSTR 设定方式79RCSTR 设定方式3、反应器体积和相体积、反应器体积和相体积(Reactor Volume&Phase Volume)必须输入反应器体积、气相必须输入反应器体积、气相(Vapor phase)或凝聚相或凝聚相(Condensed phase)所占的体积。所占的体积。80RCSTR 设定方式81RCSTR 设定方式4、反应器体积和相体积分率、反应器体积和相体积分率 (Reactor Volume&Phase Volume Fraction)必须输入反应器体积和气相必须输入反应器体积和气相/凝聚凝聚相所占的体积分率相所占的体积分率82RCSTR 设定方式83RCSTR 设定方式5、反应器体积和相停留时间、反应器体积和相停留时间 (Reactor Volume&Phase Residence Time)必须输入反应器体积和气相必须输入反应器体积和气相/凝聚凝聚相在反应器中的停留时间。相在反应器中的停留时间。84RCSTR 设定方式85RCSTR 设定方式6、停留时间和相体积分率、停留时间和相体积分率 (Residence Time&Phase Volume Fraction)必须输入物料在反应器中的总平必须输入物料在反应器中的总平均停留时间和气相均停留时间和气相/凝聚相所占的凝聚相所占的体积分率。体积分率。86RCSTR 设定方式87RCSTR 设定方式7、相停留时间和体积分率、相停留时间和体积分率 (Phase Residence Time&Volume Fraction)必须输入气相必须输入气相/凝聚相在反应器中凝聚相在反应器中的停留时间和所占的体积分率。的停留时间和所占的体积分率。88RCSTR 设定方式89RCSTR 选择反应RCSTR中的化学反应通过选中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象用预定义的化学反应对象来设定来设定90RCSTR 选择反应91Reaction化学反应对象用途：用途：为三类动力学反应器模为三类动力学反应器模块和块和RadFrac 模块提供反模块提供反应的计量关系、平衡关系应的计量关系、平衡关系和动力学关系。和动力学关系。92Reaction 对象类型创建化学反应对象时，需赋予对象创建化学反应对象时，需赋予对象ID和选择对象类型。对于小分子反和选择对象类型。对于小分子反应，常用的类型有三种：应，常用的类型有三种：1、LHHW 型型 (Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)2、幂律型、幂律型(Power Law)3、反应精馏型、反应精馏型(Reac-Dist)93Reaction 对象类型94Reaction 反应设定每一个化学反应对象可以包含多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个化学反应，每个反应都要设定计量学参数和动力学参数学参数和动力学参数/平衡参数。平衡参数。1、计量学参数、计量学参数(Stoichiometry)2、动力学参数、动力学参数(Kinetic)3、平衡参数、平衡参数(Equilibrium)95Reaction 反应设定96Reaction 计量学参数 在计量学表单中为每一个化学反在计量学表单中为每一个化学反应创建一个对象，并选择对象类型为应创建一个对象，并选择对象类型为动力学动力学(Kinetic)或平衡或平衡(Equilibrium)型。输入反应方程式中的化学计量系型。输入反应方程式中的化学计量系数数(Coefficient)，对于幂律型反应对，对于幂律型反应对象，还要输入动力学方程式中每一个象，还要输入动力学方程式中每一个浓度因子的幂指数浓度因子的幂指数(Exponent)。97Reaction 计量学参数98Reaction 动力学参数 在动力学表单中为每一个化学反应输入在动力学表单中为每一个化学反应输入发生反应的相态、动力学参数以及发生反应的相态、动力学参数以及浓度基准。浓度基准。幂律型：幂律型：反应动力学因子反应动力学因子(Kinetic factor)即反应速率常数即反应速率常数k，它与温度，它与温度的关系用修正的的关系用修正的Arrhenius方程表示：方程表示：99Reaction 动力学参数100Reaction 动力学参数浓度基准(Ci basis)(Ci basis)有以下几种：摩尔浓度(Molarity),kmol/m3 质量摩尔浓度(Molality),mol/kg water 分压(Partial pressure),Pa 质量浓度(Mass Concentration),kg/m3 摩尔分率(Mole fraction),质量分率(Mass fraction),101Reaction 动力学参数LHHW型的反应速率方程：动力学因子仍用修正的动力学因子仍用修正的Arrhenius方程表方程表示：示：102Reaction 动力学参数103Reaction 动力学参数点击右侧的Driving force按钮，即可弹出推动力表达式输入界面。推动力表达式(Driving force expression)定义为：104Reaction 动力学参数推动力表达式包括两项：Term 1 和Term 2,分别代表正反应和逆反应的推动力，分别表达为体系中各组分浓度的幂积。在推动力输入界面中，必须完整输入这两项的全部参数，包括推动力常数表达式的系数(Coefficients for driving forceconstant)。105Reaction 动力学参数106Reaction 动力学参数点击右侧的Adsorption按钮，即可弹出吸附表达式输入界面。吸附表达式代表反应物在催化剂表面吸附过程的传质阻力对宏观反应速率的影响，用下述函数式描述：如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指数m=0 即可。107Reaction 动力学参数108RCSTR 示 例（1）甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：(AMMONIA)(FORMALDEHYDE)(HEXAMETHYLENETETRAMINE)反应速率方程式如下：式中：109RCSTR 示 例（1）反应器容积为5 m3，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1kmol/m3，流量为32.5 m3/hr。加料甲醛水溶液的浓度为6.3 kmol/m3，流量为32.5 m3/hr。求35 下乌洛托品的产量和输入氮气流量，并分析反应温度在2060 范围里对甲醛转化率的影响。110RPlug 平推流反应器性质：性质：完全没有返混的管式反应器，可带有换热夹套。可模拟单、两、三相的体系。只能处理动力学控制反应。用途：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。111RPlug 平推流反应器112RPlug 连接Material(option)HeatMaterial113RPlug 连接MaterialMaterialMaterial coolant(option)Material coolant(option)114RPlug 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)115RPlug 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(Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度：1)进料温度下的恒温(Constant at inlet temperature)2)指定反应器温度(Constant at specified reactor temperature)3)温度剖形(Temperature Profile)，指定沿反应器长度的温度分布116RPlug 模型设定117RPlug 模型设定2、绝热反应器只需在反应器类型下拉框中选择AdiabaticReactor即可。3、恒定冷却剂温度的反应器在反应器类型下拉框中选择(Reactor withconstant coolant temperature)；在操作条件栏中设定传热系数(U coolant-process stream)和冷却剂温度(Coolant temperature)。118RPlug 模型设定119RPlug 模型设定4、与冷却剂并流换热的反应器(Reactor with co-current coolant)5、与冷却剂逆流换热的反应器(Reactor with counter-current coolant)采用这两种类型需在流程图中连接冷却剂物流（连接图2），并在反应器类型下拉框中选择相应的类型，在操作条件栏中输入传热系数U 和冷却剂出口温度(Coolant outlet temperature)或蒸汽分率(Coolant outlet vapor fraction)120RPlug 模型设定121RPlug 反应器构型反应器构型表单中需要输入的项目有：反应器构型表单中需要输入的项目有：单管或多管反应器单管或多管反应器(Multitube reactor)(Multitube reactor)反应管的根数反应管的根数(Number of tubes)(Number of tubes)反应管的长度反应管的长度(Length)(Length)和直径和直径(Diameter)(Diameter)反应物料反应物料(Process stream)(Process stream)有效相态有效相态 冷却剂冷却剂(Coolant stream)(Coolant stream)有效相态有效相态122RPlug 反应器构型123RPlug 压强压强表单中需要输入的项目有：压强表单中需要输入的项目有：1 1、反应器进口压强、反应器进口压强(Pressure at(Pressure at reactor inlet)reactor inlet)反应物料反应物料(Process stream)(Process stream)压强压强 冷却剂冷却剂(Coolant stream)(Coolant stream)压强压强2 2、反应器压降、反应器压降(Pressure drop(Pressure drop through reactor)through reactor)反应物料反应物料(Process stream)(Process stream)压降压降 冷却剂冷却剂(Coolant stream)(Coolant stream)压降压降124RPlug 压强125RPlug 示例（1）丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：程式如下：反应速率方程式如下：反应速率方程式如下：式中：式中：(1,2-BUTADIENE)(ETHYLENE)(CYCLOHEXENE)126RPlug 示例（1）反应器长反应器长5 5 米、内径米、内径0.5 0.5 米，压降可忽略。加料为米，压降可忽略。加料为丁二烯和乙烯的等摩尔常压混丁二烯和乙烯的等摩尔常压混合物，温度为合物，温度为440 440。如果反。如果反应在绝热条件下进行，要求丁应在绝热条件下进行，要求丁二烯的转化率达到二烯的转化率达到12%12%，试求环，试求环己烯的产量。己烯的产量。127RPlug 示例（2）作出示例作出示例1 1 中温度和环己烯中温度和环己烯摩尔分率沿反应器长度的分布摩尔分率沿反应器长度的分布图。图。分析反应器压力在分析反应器压力在0.11.00.11.0MPa MPa 范围内对环己烯产量的影范围内对环己烯产量的影响。响。128RBatch 间歇釜反应器性质：性质：间歇或半间歇操作的搅拌釜，间歇或半间歇操作的搅拌釜，釜内达到理想混合。自动根据釜内达到理想混合。自动根据加料和辅助时间提供缓冲罐，加料和辅助时间提供缓冲罐，实现与连续过程的连接。实现与连续过程的连接。用途：用途：已知化学反应式、动力学方已知化学反应式、动力学方程和平衡关系，计算所需的反程和平衡关系，计算所需的反应器体积和反应时间，以及反应器体积和反应时间，以及反应器热负荷。应器热负荷。129RBatch 间歇釜反应器130RBatch 连接Continuous feedsHeat(optional)VentBatch ChargeProduct(optional)131RBatch 模型参数RBatchRBatch模块有六组模型参数：模块有六组模型参数：1 1、模型设定、模型设定(Specifications)(Specifications)2 2、化学反应、化学反应(Reactions)(Reactions)3 3、停止判据、停止判据(Stop Criteria)(Stop Criteria)4 4、操作时间、操作时间(Operation Time)(Operation Time)5 5、连续加料、连续加料(Continuous Feeds)(Continuous Feeds)6 6、控制器、控制器(Controllers)(Controllers)132RBatch 模型设定模型设定包含操作设定、压力设定和有效相态：模型设定包含操作设定、压力设定和有效相态：反应器操作设定反应器操作设定(Reactor Operating Specification)有六个选项供选择：有六个选项供选择：1 1、恒温、恒温(Constant Temperature)2 2、温度剖形、温度剖形(Temperature Profiles)3 3、恒定热负荷、恒定热负荷(Constant Heat Duty)4 4、热负荷剖形、热负荷剖形(Heat Duty Profile)5 5、恒定冷却剂温度、恒定冷却剂温度(Constant Coolant Temperature)6 6、传热用户子程序、传热用户子程序(Heat Transfer User Subroutine)133RBatch 模型设定134RBatch 模型设定选用温度剖形或热负荷剖形时，需输入不同选用温度剖形或热负荷剖形时，需输入不同时刻的温度值或热负荷值。时刻的温度值或热负荷值。135RBatch 模型设定选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、传热系数和传热面积的值。传热系数和传热面积的值。136RBatch 模型设定选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、传热系数和传热面积的值。传热系数和传热面积的值。137RBatch 模型设定压强设定压强设定(Pressure(Pressure Specification)Specification)，有三个选项供选择：有三个选项供选择：1 1、指定反应器压强、指定反应器压强 (Specify Reactor Pressure)(Specify Reactor Pressure)2 2、指定压强剖形、指定压强剖形 (Specify Reactor Pressure(Specify Reactor Pressure Profile)Profile)3 3、计算反应器压强、计算反应器压强 (Calculate Reactor(Calculate Reactor Pressure)Pressure)138RBatch 模型设定139RBatch 模型设定选用压强剖形时，需输入不同时刻的压强值。选用压强剖形时，需输入不同时刻的压强值。140RBatch 模型设定选用计算反应器压强时，需输入反应器体积。如有选用计算反应器压强时，需输入反应器体积。如有排气，则还需设定排气口压强排气，则还需设定排气口压强(Vent opening pressure)。141RBatch 停止判断 停止判据（停止判据（Stop criterion）给定间）给定间歇釜在一个操作周期中结束反应阶段的歇釜在一个操作周期中结束反应阶段的条件。可以为间歇釜操作设定多个停止条件。可以为间歇釜操作设定多个停止判据。计算过程中任何一个判据达到设判据。计算过程中任何一个判据达到设定值后，反应即中止。定值后，反应即中止。142RBatch 停止判断Stop CriteriaStop Criteria 停止判据通过以下参数设定：停止判据通过以下参数设定：1、序号、序号(Criterion number)2、位置、位置(Location)3、变量类型、变量类型(Variable type)4、停止值、停止值(Stop value)5、组分、组分(Component)6、子流股类别、子流股类别(Substream)7、物性集、物性集ID(Property set ID)8、趋近方向、趋近方向(Approach from)143RBatch 停止判断判据位置：反应器；排气收集器；排气管判据位置：反应器；排气收集器；排气管144RBatch 停止判断变量类型：有转化率、浓度、物性等变量类型：有转化率、浓度、物性等10余种变量可选：余种变量可选：145RBatch 停止判断停止值给定反应停止时判据变量的数值；趋近方停止值给定反应停止时判据变量的数值；趋近方向表明变量是从大或小的方向接近停止值。向表明变量是从大或小的方向接近停止值。146RBatch 操作时间1、间歇周期时间、间歇周期时间(Batch Cycle Time)为间歇釜操作周期设定时间指标，有两为间歇釜操作周期设定时间指标，有两种设定方式：种设定方式：一个操作周期的总时间一个操作周期的总时间(Total cycle time)；批次加料时间批次加料时间(Batch feed time)（即：一次（即：一次加料量除以连续来料流量）和辅助操作时加料量除以连续来料流量）和辅助操作时间间(Down time)（即：一个操作周期减去反（即：一个操作周期减去反应时间）应时间）。147RBatch 操作时间2、剖形结果时间、剖形结果时间(Profile Result Time)设定仿真计算的时间参数，包括最大计设定仿真计算的时间参数，包括最大计算时间算时间(Maximum calculation time)、输出剖、输出剖形结果的时刻之间的时间区间形结果的时刻之间的时间区间(Time intervalbetween profile points)，以及最大时刻点数，以及最大时刻点数(Maximum number of profile points)。148RBatch 操作时间149RBatch 连续加料 当存在连续加料流股时，在连续加料当存在连续加料流股时，在连续加料表单中设置各个连续加料流股的流量随时表单中设置各个连续加料流股的流量随时间的变化情况。有两种设置方式：间的变化情况。有两种设置方式：1、基于加料流股的恒定流量、基于加料流股的恒定流量 (Flow is constant at inlet value)2、指定不同时刻的流量剖形、指定不同时刻的流量剖形 (Specify flow vs.time profile)150RBatch 连续加料151RBatch 控制器 当设置反应器温度为恒温或指定温度当设置反应器温度为恒温或指定温度剖形时，可以通过控制器对反应釜温度进剖形时，可以通过控制器对反应釜温度进行行PID控制。控制。PID控制器的控制参数在控制控制器的控制参数在控制器器(Controller)表单中设定，包括：表单中设定，包括：1、比例增益因子、比例增益因子(Proportional gain)2、积分时间常数、积分时间常数(Integral time constant)3、微分时间常数、微分时间常数(Derivative time constant)152RBatch 控制器153RBatch 示例（1）乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：反应速率方程式如下：反应速率方程式如下：式中：式中：在间歇搅拌釜中等温反应，在间歇搅拌釜中等温反应，T=100，P=3bar，操作周期，操作周期2.5hr。加料为水溶液，。加料为水溶液，T=40，处理量，处理量1m3/hr，含乙，含乙醇醇10.2kmol/m3、乙酸、乙酸3.908 kmol/m3。求乙酸转化率为。求乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率=0.7时所时所需的反应釜体积。需的反应釜体积。154RBatch 示例（2）如果示例如果示例(1)反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：R=8.314考虑到釜液升考虑到釜液升/降温的影响，操作周期延长到降温的影响，操作周期延长到3hr，并按，并按以下升以下升/降温程序操作：降温程序操作：t=0,T=40;t=15min,T=80;t=30min,T=100;t=110min,T=100;t=140min,T=40 求乙酸转化率为求乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量，装的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率填率=0.7时所需的反应釜体积。时所需的反应釜体积。54kJ/kmol155RBatch 示例（3）如果将示例如果将示例(2)的操作时间设置改的操作时间设置改为间歇加料时间为间歇加料时间2 hr，辅助时，辅助时间间1 hr，求乙酸转化率为，求乙酸转化率为35%时的反应时间，乙酸乙酯的时的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率产量，装填率=0.7 时所需的时所需的反应釜体积。反应釜体积。156RBatch 示例（4）如果将示例如果将示例(3)的反应釜用的反应釜用100 C的饱的饱和蒸汽加热，反应釜传热面积和蒸汽加热，反应釜传热面积6 m2，传，传热系数热系数500 W/m2 K，求乙酸转化率为，求乙酸转化率为35%的反应时间，釜液温度随时间变化的反应时间，釜液温度随时间变化的曲线。的曲线。157Optmization 优化2)定义目标函数、选用约束条件、确定寻优方向定义目标函数、选用约束条件、确定寻优方向158Optmization 优化3）设置调节变量）设置调节变量159Optmization 约束对于约束优化，则需设置约束条件对于约束优化，则需设置约束条件(Constraints):1）定义过程变量）定义过程变量(Define)；2）设置约束条件）设置约束条件(Spec)，包括定义约束表，包括定义约束表达式达式(Constraint expression)，制定约束，制定约束关系关系:等于等于(Equal to)小于或等于小于或等于(Less than or equal to)大于或等于大于或等于(Greater than or equal to)并设定容差并设定容差(Tolerance)。160Optmization 约束161Optmization 约束对于约束优化，则需设置约束条件对于约束优化，则需设置约束条件(Constraints):1）定义过程变量）定义过程变量(Define)；2）设置约束条件）设置约束条件(Spec)，包括定义约束表，包括定义约束表达式达式(Constraint expression)，制定约束，制定约束关系关系:等于等于(Equal to)小于或等于小于或等于(Less than or equal to)大于或等于大于或等于(Greater than or equal to)并设定容差并设定容差(Tolerance)。162Optmization 示例甲烷在管式反应器中进行高温偶联脱氢制甲烷在管式反应器中进行高温偶联脱氢制乙烯，发生的主要化学反应及其反应动乙烯，发生的主要化学反应及其反应动力学表达式如下力学表达式如下(分压的单位为分压的单位为Pa)：163