AspenPlu反应器模拟介绍.ppt

Aspen Plus 使用方法,Reactor Models 反应器模块,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：,生产能力类反应器,1、化学计量反应器（RStoic） Stoichiometric Reactor 2、产率反应器（RYield） Yield Reactor,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。,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。,RStoic 连接,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 (Heat of Reaction) 4、选择性 (Selectivity) 5、粒度分布 (PSD) 6、组分属性 (Component Attr.),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 (Operation Conditions) (1) 压力； (2) 温度/热负荷 2、有效相态 (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水,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。,RStoic 反应热,设定反应热的计算类型： 、不计算反应热； 、根据生成热计算反应热； 、用户指定反应热。,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AP一个反应发生时的情况。,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14，流量为100 kmol/hr。 若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，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？,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0.1013 MPa，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？,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。,RYield 连接,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 (Flash Options) 4、粒度分布 (PSD) 5、组分属性 (Component Attr.),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 (Operation Conditions) (1) 压力； (2) 温度/热负荷 2、有效相态 (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水,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。,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14，流量为100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，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？,RYield 示例（2）,若在示例（1）的原料气中加入 25 kmol/hr 氮气，其余条件不变，计算结果会发生什么变化？,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？,热力学平衡类反应器,1、平衡反应器（REquil） Equilibrium Reactor 2、吉布斯反应器（RGibbs） Gibbs Reactor,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。,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。,REquil 连接,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),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 (Operation Conditions) (1) 压力； (2) 温度/热负荷 2、有效相态 (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水,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(Temperature Approach)。 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。,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14，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，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？,REquil 示例（2）,分析示例（1）中反应温度在3001000 范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率的影响。,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。,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。,RGibbs 连接,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 (Assign Steams) 4、惰性物 (Inerts) 5、限制平衡 (Restricted Equilibrium),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 (Operation Conditions) (1) 压力； (2) 温度/热负荷 2、计算选项 (Calculation Options) 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。,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。,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。,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14，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，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。,RGibbs 示例（2）,若在示例(1)中的原料气中加入25 kmol/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？,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 Reactor,根据化学动力学计算反应结果。 包含三种反应器。,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。,RCSTR 连接,RCSTR 模型参数,RCSTR模块有两组模型参数：,1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty),2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification Type),RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,1、反应器体积 (Reactor Volume) 只需输入反应器的体积。,2、停留时间 (Residence Time) 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 (Reactor Volume & Phase Volume) 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 (Reactor Volume & Phase Volume Fraction) 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 (Reactor Volume & Phase Residence Time) 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 (Residence Time & Phase Volume Fraction) 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 (Phase Residence Time & Volume Fraction) 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。,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。,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。,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 (Power Law) 3、反应精馏型 (Reac-Dist),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),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。,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：,Reactions 动力学参数(2),LHHW型的反应速率方程：,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32.5 m3/hr。加料甲醛水溶液的浓度为6.3 kmol/m3，流量为32.5m3/hr。求35C下乌洛托品的产量和输入氮气流量 ，并分析反应温度在2060C范围里对甲醛转化率的影响。,反应速率方程式如右：,式中：,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。,RPlug 连接 (1),RPlug 连接 (2),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),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 (Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作条件： 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,2、绝热反应器 (Adiabatic Reactor) 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 (Reactor with co-current coolant)，设定传热系数。 5、与冷却剂逆流换热的反应器 (Reactor with counter-current coolant)，设定传热系数。,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。,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440C。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：,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0.11.0 MPa 范围内对环己烯产量的影响。,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 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,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),压力设定 (Pressure Specification) 有三个选项供选择： 1、指定反应器压力 (Specify Reactor Pressure) 2、指定压力剖形 (Specify Reactor Pressure Profile) 3、计算反应器压力 (Calculate Reactor Pressure),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。,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，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 (Profile Result Time) 设定计算各变量随时间变化的剖形并作为结果输出的时间区间和时刻点。,RBatch 连续加料,设定各个连续加料流股的流量随时间的变化情况。 1、恒定流量； 2、列表给出不同时刻的流量。,RBatch 控制器,设定对反应釜温度进行PID控制时的控制参数： 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 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=100C，P=3bar，操作周期2.5hr。加料为水溶液，T=40C，处理量1m3/hr，含乙醇10.2 kmol/m3、乙酸3.908 kmol/m3。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3hr，并按以下升/降温程序操作： t=0, T=40C; t=15min, T=80C; t=30min, T=100C; t=110min, T=100C; t=140min, T=40C。 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2hr，停止时间1hr，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。,RBatch 示例（4）,如果将示例(3)的反应釜用100的饱和蒸汽加热，反应釜传热面积 6 m2，传热系数500 W/m2K，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。,