en_plus反应器单元仿真设计(三)(12讲)

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,CAPD,基础,第十二讲,Simulation Design,of Chemical Reactors,反应器单元的仿真设计,(,三,),化学动力学类反应器,1,、,全混釜反应器,（,RCSTR,）,Continuous Stirred Tank Reactor,2,、,平推流反应器,（,RPlug,）,Plug Flow Reactor,3,、,间歇釜反应器,（,RBatch,),Batch Stirred Tank Reactor,根据化学动力学计算反应结果。,包含三种反应器：,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。,RBatch,间歇釜反应器,(2),RBatch,连接,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,(Stop Criteria),4,、,操作时间,(Operation Time),5,、,连续加料,(Continuous Feeds),6,、,控制器,(Controllers),RBatch,模型设定,(1),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,(Reactor Operating Specification),有六个选项供选择：,1,、恒温,(Constant Temperature),2,、温度剖形,(Temperature Profiles),3,、恒定热负荷,(Constant Heat Duty),4,、热负荷剖形,(Heat Duty Profile),5,、恒定冷却剂温度,(Constant Coolant Temperature),6,、传热用户子程序,(Heat Transfer User Subroutine),RBatch,模型设定,(2),RBatch,模型设定,(3),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。,RBatch,模型设定,(4),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。,RBatch,模型设定,(5),压强设定,(Pressure Specification),，,有三个选项供选择：,1,、指定反应器压强,(Specify Reactor Pressure),2,、指定压强剖形,(Specify Reactor Pressure Profile),3,、计算反应器压强,(Calculate,Reactor Pressure,),RBatch,模型设定,(6),RBatch,模型设定,(7),选用压强剖形时，需输入不同时刻的压强值。,RBatch,模型设定,(8),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,(Vent opening pressure),。,RBatch,停止判据,停止判据,（,Stop criterion,）,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定值后，反应即中止。,RBatch,停止判据,(2),停止判据通过以下参数设定,：,1,、序号,(Criterion number),2,、位置,(Location),3,、变量类型,(Variable type),4,、停止值,(Stop value),5,、组分,(Component),6,、子流股类别,(,Substream,),7,、物性集,ID,(Property set ID),8,、趋近方向,(Approach from),RBatch,停止判据,(3),判据位置：反应器；排气收集器；排气管,RBatch,停止判据,(4),变量类型：有转化率、浓度、物性等,10,余种变量可选：,RBatch,停止判据,(5),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。,RBatch,操作时间,1,、,间歇周期时间,(Batch Cycle Time),为间歇釜,操作周期设定时间指标，有,两种设定方式：,一个操作周期的总时间,(Total cycle time),；,批次加料时间,(Batch feed time),（即：一次,加料量除以连续来料流量）和辅助操作时,间,(Down time),（即：一个操作周期减去反,应时间）,。,RBatch,操作时间,(2),2,、,剖形结果时间,(Profile Result Time),设定仿真计算的时间参数，包括最大计算时间,(Maximum calculation time),、输出剖形结果的时刻之间的时间区间,(Time interval between profile points),，以及最大时刻点数,(Maximum number of profile points),。,RBatch,操作时间,(3),RBatch,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,(Flow is constant at inlet value),2,、指定不同时刻的流量剖形,(Specify flow vs.time profile),RBatch,连续加料,(2),RBatch,控制器,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行,PID,控制。,PID,控制器的控制参数在控制器,(Controller),表单中设定，包括：,1,、比例增益因子,(Proportional gain),2,、积分时间常数,(Integral time constant),3,、微分时间常数,(Derivative time constant),RBatch,控制器,(2),RBatch,示例,（,1,）,乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：,在间歇搅拌釜中等温反应，,T=100,C,，,P=3bar,，操作周期,2.5hr,。加料为水溶液，,T=40,C,，处理量,1m,3,/hr,，含乙醇,10.2 kmol/m,3,、乙酸,3.908 kmol/m,3,。求乙酸转化率为,35%,的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率,=0.7,时所需的反应釜体积,。,反应速率方程式如下：,式中：,RBatch,示例,（,2,）,考虑到釜液升,/,降温的影响，操作周期延长到,3,hr,，并按以下升,/,降温程序操作：,t=0,T=40,C,;,t=15min,T=80,C,;,t=30min,T=100,C,;,t=110min,T=100,C,;,t=140min,T=40,C,求乙酸转化率为,35%,的反应时间，乙酸乙酯的产量,，,装填率,=0.7,时所需的反应釜体积,。,如果示例,(1),反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：,RBatch,示例,（,3,）,如果将示例,(2),的操作时间设置改为间歇加料时间,2 hr,，辅助时间,1 hr,，求乙酸转化率为,35%,时的反应时间，乙酸乙酯的产量,，,装填率,=0.7,时所需的反应釜体积,。,RBatch,示例,（,4,）,如果将示例,(3),的反应釜用,100,C,的饱和蒸汽加热，反应釜传热面积,6 m,2,，传热系数,500 W/m,2,K,，求乙酸转化率为,35%,的反应时间，釜液温度随时间变化的曲线,。,Optimization,优化,Aspen Plus,在模型分析工具中提供了优化工具,(,Optmization,),，,其使用方法类似于设计规定：,1,）定义过程变量,(Define),；,2,）定义目标函数和选用约束条件,(Objective&,Constraints),，并确定寻优方向,(Maximize/,Minimize),；,3,）设置调节变量,(Vary),，可以设置多个调节变,量。,Optimization,优化,(2),1,）定义过程变量,Optimization,优化,(3),2),定义目标函数、选用约束条件、确定寻优方向,Optimization,优化,(4),3,）设置调节变量,Constraints,约束,对于约束优化，则需设置约束条件,(Constraints),:,1,）定义过程变量,(Define),；,2,）设置约束条件,(Spec),，包括定义约束表达,式,(Constraint expression),，制定约束关系,:,等于,(Equal to),小于或等于,(Less than or equal to),大于或等于,(Greater than or equal to),并设定容差,(Tolerance),。,Constraints,约束,(2),Optimization,示例,1,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力学表达式如下,(,分压的单位为,Pa,),：,1),2),Optimization,示例,1,(,续,),化学反应在,250,根内径,25 mm,的反应管内进行，反应管外用,2000,C,的高温燃气加热，传热系数为,200 W/m,2,K,。由于制造反应管的材料限制，反应管内最高温度不得超过,1200,C,，最大压强不得超过,0.3,MPa,，反应管长度不得超过,10 m,。原料甲烷的流量为,10000 kg/hr,，压力,0.3,MPa,。,求：,1),乙烯（,C,2,H,4,）的最大产率（,kg/hr,）；,2),获取乙烯最大产率所需的反应管长度、反应器进料,温度和反应器进口压强。,